Вячеслав Демидов - Как мы видим то, что видим [издание 3-е , перераб. и доп.]

Но природа не поставила никаких светофильтров перед фоторецепторами нашей сетчатки. Она сделала хитрее: создала несколько разновидностей светочувствительных пигментов. Каждый из них лучше всего ловит «свои» кванты – минимальные порции света и вообще электромагнитных колебаний.

Глаз человека – система невероятно высокочувствительная. Академик Сергей Иванович Вавилов писал в книге «Глаз и Солнце», что порог раздражения палочек, с помощью которых мы видим ночью, эквивалентен силе света обыкновенной свечи, рассматриваемой с расстояния двухсот километров. Тогда на кусочек сетчатки, где находится примерно 400 палочек, попадает всего лишь шесть – девять квантов.

То есть для срабатывания фоторецептора достаточно одного-единственного кванта, ибо совершенно невероятно, чтобы даже две частицы света попали точно в один и тот же рецептор.

Долгие годы этот результат, к тому же подтвержденный опытами, во время которых глаз действительно ощущал квантовый характер света (ни один прибор не способен похвастать подобной чувствительностью!), казался граничащим с чудом: как ухитрилась природа сконструировать такой механизм? Новейшие исследования дали ответ: влетевший в светочувствительную клетку фотон – это как бы палец, нажимающий на спусковой крючок ружья.

Рис. 52.Молекула ретиналя реагирует на влетевший в нее квант света поворотом ее «хвостика»

В фоторецепторах любого живого существа находится несколько видоизмененный витамин А – ретиналь, вы видите его на рисунке слева (для создания объемности я написал на основной части молекулы ARABIKA). У основной части молекулы есть небольшой хвостик длиной в три атома углерода (он изображен черным цветом и тем же словом). Пока фотон не попал в молекулу, она изогнута так, что хвостик перпендикулярен плоскости, в которой лежат углеродные атомы основной части (картинка А). Квант заставляет хвостик повернуться, молекула становится плоской (картинка В).

В тонких наружных члениках палочек и колбочек молекулы ретиналя прикреплены к плоским дискам, собранным в стопку, словно монеты. Дисков множество, в палочке глаза лягушки, например, их около двух тысяч, на них несколько десятков миллионов молекул ретиналя. У фотона мало шансов проскочить мимо. Какой-нибудь диск да окажется удачливым хозяином ретиналя, поглотившего квант света.

И тогда начинается самое интересное. Стенка наружного членика фоторецептора – мембрана – вместе с окружающей жидкостью представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянного тока. Пока квант не попал в фоторецептор, мембрана почти одинаково хорошо пропускает через себя ионы калия и натрия: калий – в клетку, натрий – из клетки(см. верхнее изображение на картинке справа). Каждый ион – носитель электрического заряда, и генератор вырабатывает небольшое, близкое к нулю напряжение.

«Выстрел ружья» сразу меняет картину. В мембране начинает работать насос, резко увеличивающий поток натриевых ионов и, следовательно, напряжение, отдаваемое генератором (нижняя картинка). В итоге внутренние структуры фоторецептора усиливают энергию кванта примерно в два миллиона раз. И экспериментатор видит на экране осциллографа импульс светочувствительной клетки – ответ на попадание фотона. Все это гораздо дольше рассказывается, чем происходит.

Рис. 53.До попадания фотона потоки калия и натрия одинаковы, и потенциал на выходе фоторецептора равен нулю. Ретиналь имеет обычный красный цвет. Однако после попадания фотона ретиналь становится желтым и резко возрастает поток натрия из фоторецептора: образуется мощный электрический импульс, поступающий далее в нервную систему

После «нажатия на спуск» сигнал фоторецептора поступает в нейронные цепи сетчатки через три тысячные доли секунды. Самое же замечательное, что природа остается верна этой схеме процесса в зрительных органах всех животных, от моллюсков до человека.

Вы спросите: а как же три цветочувствительных элемента, если один ретиналь? Тут вмешивается особый белок – опсин. Соединяясь с ретиналем-один (в его шестичленном углеродном кольце всего одна двойная связь), он дает родопсин, присущий высокочувствительным палочкам и наиболее охотно поглощающий световую энергию с длиной волны пятьсот семь микрометров.

Соединяясь же в колбочках с ретиналем-два (у него две двойные связи), опсин превращается в «глубоководный» родопсин (названый так потому, что впервые был обнаружен у рыб), порфиропсин и иодопсин – соответственно в синем, зеленом и желтом фоторецепторах.

Рис. 54.Три вида родопсина, обеспечивающих наше трехцветное зрение

Если какого-то пигмента нет, человек не ощущает соответствующих тонов, становится частично цветослепым. Именно цветовой слепотой страдал английский физик Джон Дальтон, по имени которого и назван дальтонизмом этот недостаток зрения. Открыл его, кстати, у Дальтона не кто иной, как Юнг...

Колбочки, сравнительно малочувствительные, тяготеющие к центру сетчатки («желтому пятну»), работают днем. Палочки, которых в двадцать семь раз примерно больше, – ночью, и поскольку их не три типа и даже не два, никаких цветов различать ни в сумерки, ни ночью не удается. «Ночью все кошки серы», – справедливо говорит пословица.

Зато «ночные» элементы сетчатки чувствительны к ультрафиолетовому свету. Нам, правда, эта способность ни к чему, и хрусталик, словно светофильтр, отсекает ультрафиолет. Но если во время операции хрусталик удаляют и заменяют пластмассовой линзой (эту виртуозную операцию первым в СССР стал делать Станислав Николаевич Федоров, замечательный хирург-офтальмолог, директор Московского НИИ микрохирургии глаза), больные потом читают всю офтальмологическую таблицу в свете ультрафиолетовой лампы! Обычные люди ничего при этом не видят и думают, что их мистифицируют.

Едва квант света попал в ретиналь любого пигмента, тот отделяется от опсина, и пигмент обесцвечивается.

Родопсин, за свой цвет названный зрительным пурпуром, становится светло-желтым, почти совершенно прозрачным.

Такое выцветание интенсивнее в тех местах, где света больше , поэтому на сетчатке возникает как бы фотографический портрет. Подчеркиваю: как бы! Ибо процесс нетороплив, а глаза непрерывно в движении.