О разделе

Этот раздел содержит статьи, посвященные феноменам или версиям, которые так или иначе могут быть интересны или полезны исследователям необъясненного.
Статьи разделены по категориям:
Информационные. Содержат полезную для исследователей информацию из различных областей знаний.
Аналитические. Включают аналитику накопленной информации о версиях или феноменах, а также описания результатов проведенных экспериментов.
Технические. Аккумулируют информацию о технических решениях, которые могут найти применение в сфере изучения необъясненных фактов.
Методики. Содержат описания методик, применяемых участниками группы при расследовании фактов и исследовании феноменов.
Медиа. Содержат информацию об отражении феноменов в индустрии развлечений: фильмах, мультфильмах, играх и т.п.
Известные заблуждения. Разоблачения известных необъясненных фактов, собранные в том числе из сторонних источников.

Тип статьи:

Информационные

Особенности восприятия человека. Зрение

Человек не может видеть в полной темноте. Для того, чтобы человек увидел предмет, необходимо, чтобы свет отразился от предмета и попал на сетчатку глаза. Источники света могут быть естественные (огонь, Солнце) и искусственные (различные лампы). Но что представляет собой свет?

Согласно современным научным представлениям, свет представляет собой электромагнитные волны определенного (достаточно высокого) диапазона частот. Эта теория берет свое начало от Гюйгенса и подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга). При этом в природе света в полной мере проявляется карпускулярно-волновой дуализм , что во многом определяет его свойства: при распространении свет ведет себя как волна, при излучении или поглощении – как частица (фотон). Таким образом, световые эффекты, происходящие при распространении света (интерференция , дифракция и т.п.), описываются уравнениями Максвелла , а эффекты, проявляющиеся при его поглощении и излучении (фотоэффект , эффект Комптона) – уравнениями квантовой теории поля .

Упрощенно, глаз человека представляет собой радиоприемник, способный принимать электромагнитные волны определенного (оптического) диапазона частот. Первичными источниками этих волн являются тела, их излучающие (солнце, лампы и т.п.), вторичными – тела, отражающие волны первичных источников. Свет от источников попадает в глаз и делает их видимыми человеку. Таким образом, если тело является прозрачным для волн видимого диапазона частот (воздух, вода, стекло и т.п.), то оно не может быть зарегистрировано глазом. При этом глаз, как и любой другой радиоприемник, «настроен» на определенный диапазон радиочастот (в случае глаза это диапазон от 400 до 790 терагерц), и не воспринимает волны, имеющие более высокие (ультрафиолетовые) или низкие (инфракрасные) частоты. Эта «настройка» проявляется во всем строении глаза – начиная от хрусталика и стекловидного тела, прозрачных именно в этом диапазоне частот, и заканчивая величиной фоторецепторов, которые в данной аналогии подобны антеннам радиоприемников и имеют размеры, обеспечивающие максимально эффективный прием радиоволн именно этого диапазона.

Все это в совокупности определяет диапазон частот, в котором видит человек. Он называется диапазоном видимого излучения.

Видимое излучение - электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими частотами также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Белый свет, разделённый призмой на цвета спектра

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

Чем человек видит

Благодаря зрению мы получаем 90% информации об окружающем мире, поэтому глаз - один из важнейших органов чувств.
Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача - "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Строение глаза человека

Роговица - прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза - склерой.

Передняя камера глаза - это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью.

Радужка - по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой - значит, в ней мало пигментных клеток, если карий - много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток.

Зрачок - отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок.

Хрусталик - "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен - может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза. Прозрачность хрусталика глаза человека превосходна - пропускается большая часть света с длинами волн между 450 и 1400 нм. Свет с длиной волны выше720 нм не воспринимается. Хрусталик глаза человека почти бесцветен при рождении, но приобретает желтоватый цвет с возрастом. Это предохраняет сетчатку глаза от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Стекловидное тело - гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза.

Сетчатка - состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т.е. фотохимическая реакция.

Склера - непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов.

Сосудистая оболочка - выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках.

Зрительный нерв - при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг.

Человек не рождается с уже развитым органом зрения: в первые месяцы жизни происходит формирование мозга и зрения, и примерно к 9 месяцам они способны почти моментально обрабатывать поступающую зрительную информацию. Для того чтобы видеть, необходим свет.

Световая чувствительность человеческого глаза

Способность глаза воспринимать свет и распознавать различной степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения - адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.
Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 10−9 эрг/с, что эквивалентно потоку нескольких квантов оптического диапазона в секунду через зрачок.
Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10−6 кд м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 106 кд м² для глаза, полностью адаптированного к свету Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки - колбочках и палочках.
В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L. Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета.

За цветовое зрение человека отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия.

У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение.

Чувствительный к красному свету опсин кодируется у человека геном OPN1LW.
Другие опсины человека кодируют гены OPN1MW, OPN1MW2 и OPN1SW, первые два из них кодируют белки, чувствительные к свету со средними длинами волны, а третий отвечает за опсин, чувствительный к коротковолновой части спектра.

Поле зрения

Поле зрения - пространство, одновременно воспринимаемое глазом при неподвижном взоре и фиксированном положении головы. Оно имеет определенные границы, соответствующие переходу оптически деятельной части сетчатки в оптически слепую.
Поле зрения искусственно ограничивается выступающими частями лица - спинкой носа, верхним краем глазницы. Кроме того, его границы зависят от положения глазного яблока в глазнице. Кроме этого, в каждом глазу здорового человека существует область сетчатки, не чувствительная к свету, которая называется слепым пятном. Нервные волокна от рецепторов к слепому пятну идут поверх сетчатки и собираются в зрительный нерв, который проходит сквозь сетчатку на другую её сторону. Таким образом, в этом месте отсутствуют световые рецепторы.

На этом конфокальном микроснимке диск зрительного нерва показан черным, клетки, выстилающие кровеносные сосуды - красным, а содержимое сосудов - зеленым. Клетки сетчатки отобразились синими пятнами.

Слепые пятна в двух глазах находятся в разных местах (симметрично). Этот факт, а так же то, что мозг корректирует воспринимаемое изображение, объясняет почему при нормальном использовании обоих глаз они незаметны.

Чтобы наблюдать у себя слепое пятно, закройте правый глаз и левым глазом посмотрите на правый крестик, который обведён кружочком. Держите лицо и монитор вертикально. Не сводя взгляда с правого крестика, приближайте (или отдаляйте) лицо от монитора и одновременно следите за левым крестиком (не переводя на него взгляд). В определённый момент он исчезнет.

Этим способом можно также оценить приблизительный угловой размер слепого пятна.

Прием для обнаружения слепого пятна

Выделяют также парацентральные отделы поля зрения. В зависимости от участия в зрении одного или обоих глаз, различают монокулярное и бинокулярное поле зрения. В клинической практике обычно исследуют монокулярное поле зрения.

Бинокулярное и Стереоскопическое зрение

Зрительный анализатор человека в нормальных условиях обеспечивает бинокулярное зрение, то есть зрение двумя глазами с единым зрительным восприятием. Основным рефлекторным механизмом бинокулярного зрения является рефлекс слияния изображения - фузионный рефлекс (фузия), возникающий при одновременном раздражении функционально неодинаковых нервных элементов сетчатки обоих глаз. Вследствие этого возникает физиологическое двоение предметов, находящихся ближе или дальше фиксируемой точки (бинокулярная фокусировка). Физиологичное двоение (фокус) помогает оценивать удалённость предмета от глаз и создает ощущение рельефности, или стереоскопичности, зрения.

При зрении одним глазом восприятие глубины (рельефной удалённости) осуществляется гл. обр. благодаря вторичным вспомогательным признакам удаленности (видимая величина предмета, линейная и воздушная перспективы, загораживание одних предметов другими, аккомодация глаза и т. д..).

Проводящие пути зрительного анализатора
1 - Левая половина зрительного поля, 2 - Правая половина зрительного поля, 3 - Глаз, 4 - Сетчатка, 5 - Зрительные нервы, 6 - Глазодвигательный нерв, 7 - Хиазма, 8 - Зрительный тракт, 9 - Латеральное коленчатое тело, 10 - Верхние бугры четверохолмия, 11 - Неспецифический зрительный путь, 12 - Зрительная кора головного мозга.

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.

Изменение зрения с возрастом

Элементы сетчатки начинают формироваться на 6–10 неделе внутриутробного развития, окончательное морфологическое созревание происходит к 10–12 годам. В процессе развития организма существенно меняются цветоощущения ребенка. У новорожденного в сетчатке функционируют только палочки, обеспечивающие черно-белое зрение. Количество колбочек невелико и они еще не зрелы. Распознавание цветов в раннем возрасте зависит от яркости, а не от спектральной характеристики цвета. По мере созревания колбочек дети сначала различают желтый, потом зеленый, а затем красный цвета (уже с 3 месяцев удавалось выработать условные рефлексы на эти цвета). Полноценно колбочки начинают функционировать к концу 3 года жизни. В школьном возрасте различительная цветовая чувствительность глаза повышается. Максимального развития ощущение цвета достигает к 30 годам и затем постепенно снижается.

У новорожденного диаметр глазного яблока составляет 16 мм, а его масса – 3,0 г. Рост глазного яблока продолжается после рождения. Интенсивнее всего оно растет первые 5 лет жизни, менее интенсивно – до 9-12 лет. У новорожденных форма глазного яблока более шаровидная, чем у взрослых, в результате в 90 % случаев у них отмечается дальнозоркая рефракция.

Зрачок у новорожденных узкий. Из-за преобладания тонуса симпатических нервов, иннервирующих мышцы радужной оболочки, в 6–8 лет зрачки становятся широкими, что увеличивает риск солнечных ожогов сетчатки. В 8–10 лет зрачок сужается. В 12–13 лет быстрота и интенсивность зрачковой реакции на свет становятся такими же, как у взрослого человека.

У новорожденных и детей дошкольного возраста хрусталик более выпуклый и более эластичный, чем у взрослого, его преломляющая способность выше. Это позволяет ребенку четко видеть предмет на меньшем расстоянии от глаза, чем взрослому. И если у младенца он прозрачный и бесцветный, то у взрослого человека хрусталик имеет легкий желтоватый оттенок, интенсивность которого с возрастом может усиливаться. Это не отражается на остроте зрения, но может повлиять на восприятие синего и фиолетового цветов.

Сенсорные и моторные функции зрения развиваются одновременно. В первые дни после рождения движения глаз несинхронны, при неподвижности одного глаза можно наблюдать движение другого. Способность фиксировать взглядом предмет формируется в возрасте от 5 дней до 3–5 месяцев.

Реакция на форму предмета отмечается уже у 5-месячного ребенка. У дошкольников первую реакцию вызывает форма предмета, затем его размеры и уже в последнюю очередь – цвет.
Острота зрения с возрастом повышается, улучшается и стереоскопическое зрение. Стереоскопическое зрение к 17–22 годам достигает своего оптимального уровня, причем с 6 лет у девочек острота стереоскопического зрения выше, чем у мальчиков. Поле зрения интенсивно увеличивается. К 7 годам его размер составляет приблизительно 80 % от размера поля зрения взрослого.

После 40 лет наблюдается падение уровня периферического зрения, то есть происходит сужение поля зрения и ухудшение бокового обзора.
Примерно после 50 лет сокращается выработка слезной жидкости, поэтому глаза увлажняются хуже, чем в более молодом возрасте. Чрезмерная сухость может выражаться в покраснении глаз, рези, слезотечении под действием ветра или яркого света. Это может не зависеть от обычных факторов (частые напряжения глаз или загрязненность воздуха).

С возрастом человеческий глаз начинает воспринимать окружающее более тускло, с понижением контрастности и яркости. Также может ухудшиться способность распознавать цветовые оттенки, особенно близкие в цветовой гамме. Это напрямую связано с сокращением количества клеток сетчатой оболочки, воспринимающих оттенки цвета, контрастность, яркость.

Некоторые возрастные нарушения зрения обусловлены пресбиопией, которая проявляется нечеткостью, размытостью картинки при попытке рассмотреть предметы, расположенные близко от глаз. Возможность фокусировки зрения на небольших предметах требует аккомодацию около 20 диоптрий (фокусировка на объекте в 50 мм от наблюдателя) у детей, до 10 диоптрий в возрасте 25 лет (100 мм) и уровни от 0,5 до 1 диоптрии в возрасте 60 лет (возможность фокусировки на предмете в 1-2 метрах). Считается, что это связано с ослаблением мышц, которые регулируют зрачок, при этом так же ухудшается реакция зрачков на попадающий в глаз световой поток. Поэтому возникают трудности с чтением при тусклом свете и увеличивается время адаптации при перепадах освещенности.

Так же с возрастом начинает быстрее возникать зрительное утомление и даже головные боли.

Восприятие цвета

Психология восприятия цвета - способность человека воспринимать, идентифицировать и называть цвета.

Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Первоначально исследования восприятия цвета проводились в рамках цветоведения; позже к проблеме подключились этнографы, социологи и психологи.

Зрительные рецепторы по праву считаются «частью мозга, вынесенной на поверхность тела». Неосознаваемая обработка и коррекция зрительного восприятия обеспечивает «правильность» зрения, и она же является причиной «ошибок» при оценке цвета в определенных условиях. Так, устранение «фоновой» засветки глаза (например, при разглядывании удаленных предметов через узкую трубку) существенно меняет восприятие цвета этих предметов.

Одновременное рассматривание одних и тех же несамосветящихся предметов или источников света несколькими наблюдателями с нормальным цветовым зрением, в одинаковых условиях рассматривания, позволяет установить однозначное соответствие между спектральным составом сравниваемых излучений и вызываемыми ими цветовыми ощущениями. На этом основаны цветовые измерения (колориметрия). Такое соответствие однозначно, но не взаимно-однозначно: одинаковые цветовые ощущения могут вызывать потоки излучений различного спектрального состава (метамерия).

Определений цвета, как физической величины, существует много. Но даже в лучших из них с колориметрической точки зрения часто опускается упоминание о том, что указанная (не взаимная) однозначность достигается лишь в стандартизованных условиях наблюдения, освещения и т. д., не учитывается изменение восприятия цвета при изменении интенсивности излучения того же спектрального состава (явление Бецольда - Брюкке), не принимается во внимание т. н. цветовая адаптация глаза и др. Поэтому многообразие цветовых ощущений, возникающих при реальных условиях освещения, вариациях угловых размеров сравниваемых по цвету элементов, их фиксации на разных участках сетчатки, разных психофизиологических состояниях наблюдателя и т. д., всегда богаче колориметрического цветового многообразия.

Например, в колориметрии одинаково определяются некоторые цвета (такие, как оранжевый или жёлтый), которые в повседневной жизни воспринимаются (в зависимости от светлоты) как бурый, «каштановый», коричневый, «шоколадный», «оливковый» и т. д. В одной из лучших попыток определения понятия Цвет, принадлежащей Эрвину Шрёдингеру, трудности снимаются простым отсутствием указаний на зависимость цветовых ощущений от многочисленных конкретных условий наблюдения. По Шредингеру, Цвет есть свойство спектрального состава излучений, общее всем излучениям, визуально не различимым для человека.

В силу природы глаза, свет, вызывающий ощущение одного и того же цвета (например белого), то есть одну и ту же степень возбуждения трёх зрительных рецепторов, может иметь разный спектральный состав. Человек в большинстве случаев не замечает данного эффекта, как бы «домысливая» цвет. Это происходит потому, что хотя цветовая температура разного освещения может совпадать, спектры отражённого одним и тем же пигментом естественного и искусственного света могут существенно отличаться и вызывать разное цветовое ощущение.

Человеческий глаз воспринимает множество различных оттенков, однако есть «запрещенные» цвета, недоступные для него. В качестве примера можно привести цвет, играющий и желтыми, и синими тонами одновременно. Так происходит потому, что восприятие цвета в глазе человека, как и многое другое в нашем организме, построено на принципе оппонентности. Сетчатка глаза имеет особые нейроны-оппоненты: некоторые из них активизируются, когда мы видим красный цвет, и они же подавляются зеленым цветом. То же самое происходит и с парой желтый-синий. Таким образом, цвета в парах красный-зеленый и синий-желтый оказывают противоположное воздействие на одни и те же нейроны. Когда источник излучает оба цвета из пары, их воздействие на нейрон компенсируется, и человек не может увидеть ни один из этих цветов. Мало того, человек не только не способен увидеть эти цвета в нормальных обстоятельствах, но и представить их.

Увидеть такие цвета можно только в рамках научного эксперимента. Например, ученые Хьюитт Крэйн и Томас Пьянтанида из Стенфордского института в Калифорнии создали специальные зрительные модели, в которых чередовались полосы «спорящих» оттенков, быстро сменяющих друг друга. Эти изображения, зафиксированные специальным прибором на уровне глаз человека, показывались десяткам добровольцев. После эксперимента люди утверждали, что в определенный момент границы между оттенками исчезали, сливаясь в один цвет, с которым раньше им никогда не приходилось сталкиваться.

Различия зрения человека и животных. Метамерия в фотографии

Человеческое зрение является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.

В животном мире существуют четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, поэтому цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными. В частности, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи.
Похожая ситуация складывается и с системами регистрации изображений, как цифровыми, так и аналоговыми. Хотя в большинстве своём они являются трёхстимульными (три слоя эмульсии фотоплёнки, три типа ячеек матрицы цифрового фотоаппарата или сканера), их метамерия отлична от метамерии человеческого зрения. Поэтому цвета, воспринимаемые глазом как одинаковые, на фотографии могут получаться разными, и наоборот.

Источники

О. А. Антонова, Возрастная анатомия и физиология, Изд.: Высшее образование, 2006 г.

Лысова Н. Ф. Возрастная анатомия, физиология и школьная гигиена. Учеб. пособие / Н. Ф. Лысова, Р. И. Айзман, Я. Л. Завьялова, В.

Погодина А.Б., Газимов А.Х., Основы геронтологии и гериатрии. Учеб. Пособие, Ростов-на-Дону, Изд. Феникс, 2007 – 253 с.

Светочувствительный аппарат глаза. Луч света, прой­дя через оптические среды глаза, пронизывает сетчатку и попадает на ее наружный слой (рис. 51). Здесь находятся рецепторы зри­тельного анализатора. Это особые, чувствительные к свету клет­ки-палочки и колбочки (см. цв. табл.). Чувствительность пало­чек необычайно велика. Они дают возможность видеть в сумерки и даже ночью, но без различения цвета, так как возбуждаются лу­чами почти всего видимого спектра. Чувствительность колбочек по крайней мере в 1000 раз меньше. Они приходят в состояние воз­буждения лишь при достаточно сильном освещении, но зато позво­ляют различать цвета.

Вследствие низкой чувствительности колбочек различение цве­тов к вечеру становится все более затруднительным и в конце кон­цов исчезает.

В сетчатке человеческого глаза на площади примерно 6- 7 кв. см насчитывают около 7 млн. колбочек и около 130 млн. па­лочек. Распределены они в сетчатке неравномерно. В центре сет­чатки, как раз против зрачка, находится так называемое желтое пятно с углублением посредине - центральной ямкой. Когда че­ловек рассматривает деталь какого-нибудь предмета, ее изображе­ние попадает на центр желтого пятна. В центральной ямке имеют­ся только колбочки (рис. 52). Здесь их диаметр по крайней мере вдвое меньше, чем в других участках сетчатки, и на 1 кв. мм их ко­личество достигает 120-140 тыс., что способствует более ясному и отчетливому видению. По мере удаления от центральной ямки на-. чинают встречаться и палочки, сначала небольшими группами, а потом все в большем количестве, а колбочек становится меньше. Так, уже на расстоянии 4 мм от центральной ямки на 1 кв. мм при­ходится около 6 тыс. колбочек и 120 тыс. палочек.

Рис. 51< Схема строения сетчатки.

I-.прилегающий к сетчатке край сосу­дистой оболочки;

II - слой пигмент­ных клеток; III- слой палочек и кол­бочек; IV и V - два последовательных ря­да нервных клеток, на которые перехо­дит возбуждение с палочек и колбочек;

1 - палочки; 2 - кол­бочки; 3 - ядра па­лочек и колбочек;

4 - нервные волокна.

Рис. 52. Строение сетчатки в области желтого пятна (схема):

/ - центральная ямка; 2 - колбочки; 3 - палочки; 4 - слои нервных клеток; 5 - нервные волокна, направляющиеся к сле­пому пятну,

В полутьме, когда колбочки не функционируют, человек лучше различает те предметы, изображение которых попадает не на жел­тое пятно. Он не заметит белого предмета, если направит на него взор, так как изображение попадет на центр желтого пятна, где нет палочек. Однако предмет станет видимым, если перевести взор в сторону на 10-15°. Теперь изображение попадает на участок сет­чатки, богатый палочками. Отсюда при большой фантазии может возникнуть впечатление «призрачности» предмета, его необъясни­мого появления и исчезновения. На этом основаны суеверные пред­ставления о призраках, блуждающих по ночам.

При дневном свете человек хорошо различает цветовые оттенки предмета, на который он смотрит. Если же изображение попадает на периферические участки сетчатки, где мало колбочек, то разли­чение цветов становится неотчетливым и грубым.

В палочках и колбочках, как и на фотопленке, под влиянием света происходят химические реакции, действующие как раздра­житель. Возникающие импульсы приходят от каждого пункта сет­чатки в определенные участки зрительной области коры больших полушарий.

Цветовое зрение. Все многообразие цветовых оттенков может быть получено путем смешения трех цветов спектра - красного, зеленого и фиолетового (или синего). Если быстро вращать диск, составленный из этих цветов, он будет казаться белым. Доказано, что цветоощущающий аппарат состоит из трех видов колбочек:

одни преимущественно чувствительны к красным лучам, другие - к зеленым, третьи - к" синим. От соотношения силы возбужде­ния каждого вида колбочек и зависит цветовое зрение.

Наблюдения за электрическими реакциями коры больших полу­шарий позволили установить, что мозг новорожденного реагирует

не только на свет, но и на цвет. Способность различать цвета была обнаружена у грудного ребенка методом условных рефлексов. Раз­личение цветов становится все более совершенным по мере образо­вания новых условных связей, приобретаемых в процессе игры. ^ Дальтонизм. В конце XVIII в. известный английский естество-. испытатель Джон Дальтон подробно описал расстройство цветово­го зрения, которым он сам страдал. Он не отличал красного цвета. от зеленого, а темно-красный казался ему серым или черным. Та­кое нарушение, получившее название дальтонизма, встречается примерно у 8% мужчин и очень редко у женщин. Оно передается по наследству через поколение по женской линии, иными словами, от деда к внуку через мать. Бывают и другие расстройства цветового зрения, но они встречаются очень редко. Страдающие дальтониз­мом могут долгие годы не замечать своего дефекта. Иногда человек узнает о нем при проверке зрения для поступления на работу, ко­торая требует отчетливого различения красного и зеленого цветов (например, машинистом на железнодорожном транспорте).

Ребенок, страдающий дальтонизмом, может запомнить, что этот шарик красный, а другой, побольше, зеленый. Но если дать ему два одинаковых шарика, отличающихся только по цвету (красный и зеленый), то он не сумеет их различить. Такой ребенок путает цве­та при сборе ягод, на занятиях по рисованию, при подборе цветных кубиков по цветным картинкам. Видя это, окружающие, в том чис­ле и воспитатели, обвиняют ребенка в невнимании, или обдуманной. шалости, делают ему замечания, наказывают, снижают оценку за выполненную работу. Такая незаслуженная кара может только от­разиться на нервной системе ребенка, повлиять на его дальнейшее развитие и поведение. Поэтому, в тех случаях, когда ребенок пута­ет илц долго не может усвоить те или иные цвета, его следует по-" казать врачу-специалисту, чтобы выяснить, не результат ли эта врожденного дефекта зрения.

Острота зрения. Остротой зрения называется способность глаза различать мельчайшие детали. Если лучи, исходящие от двух ря­дом расположенных точек, возбуждают одну и ту- же или две со­седние колбочки, то обе точки воспринимаются как одна более крупная. Дл» их раздельного видения необходимо, чтобы между;

возбужденными колбочками находилась еще одна. Следовательно, максимально возможная острота зрения: зависит от толщины кол­бочек в центральной ямке желтого пятна. Высчитано, что угол, под которым падают на сетчатку лучи от двух точек, максимально сближенных, но видимых раздельно, равен "/во 0 , т. е. одной угловой минуте. Этот угол и принято считать за норму остроты зрения. Ост­рота зрения несколько меняется в зависимости от силы освещения.-Однако и при одной и той же освещенности она может значитель­но меняться. Она увеличивается под влиянием тренировки, если, например, человеку приходится иметь дело. с тонким.различением мелких предметов. При утомлении острота зрения понижается.

В статье приводятся данные о функционировании зрительного цикла у высших животных и человека. Рассмотрен фотоцикл хромофорного ретинальсодержащего трансмембранного рецепторного белка родопсина, ответственного за функции восприятия света при поглощении его молекулой кванта света и последующих биохимических реакций, связанных с закрытием катионных (Na + /Са 2+) каналов и гиперполяризации мембраны. Показан механизм взаимодействия родопсина с рецепторным G-белком трансдуцином, являющийся ключевым биохимическим этапом в зрительном процессе, заключающимся в активации трансдуцина при его взаимодействии с активированным родопсином и обмене в связанном состоянии ГТФ на ГДФ. Затем комплекс диссоциирует и активирует фосфодиэстеразу путем замещения ее ингибиторной субъединицы. Также рассмотрен механизм восприятия цвета зрительным аппаратом, обладающим способностью анализировать определенные диапазоны оптического спектра, как цвета. Смешение зеленого и красного цвета не производит никакого среднего цвета: мозг воспринимает его, как желтый цвет. При излучении электромагнитных волн, соответствующих зеленому и красному цвету, мозг воспринимает «среднее решение» – желтый цвет.

ВВЕДЕНИЕ

Зрение (зрительное восприятие) - процесс психофизиологической обработки изображения объектов окружающего мира, осуществляемое зрительной системой, и позволяющий получать представление о величине, форме и цвете окружающих предметов, их взаимном расположении и расстоянии между ними. Посредством зрения человек получает 90 % всей поступающей в мозг информации. Не случайно так огромна роль зрения в жизнедеятельности человека. С помощью зрения человек получат не только огромное количество информации об окружающем внешнем мире, а также может наслаждаться красотами природы и великими произведениями искусства. Источником зрительного восприятия является свет, излучаемый или отражаемый от предметов внешнего мира.

Функция зрения осуществляется благодаря сложной системе различных взаимосвязанных структур - зрительного анализатора, состоящего из периферического отдела (сетчатка, зрительный нерв, зрительный тракт) и центрального отдела, объединяющего подкорковые и стволовые центры среднего мозга, а также зрительную область коры полушарий большого мозга. Человеческий глаз воспринимает световые волны лишь определенной длины - от 380 до 770 нм . Световые лучи от рассматриваемых предметов проходят через оптическую систему глаза (роговицу, хрусталик и стекловидное тело) и попадают на сетчатку, в которой расположены светочувствительные клетки - фоторецепторы (колбочки и палочки). Свет, попадая на фоторецепторы, вызывает каскад биохимических реакций содержащихся в них зрительных пигментов (в частности, наиболее изученного из них родопсина, ответственного за восприятие электромагнитного излучения видимого диапазона), и в свою очередь, - возникновение нервных импульсов, которые передаются в следующие нейроны сетчатки и далее в зрительный нерв. По зрительным нервам, затем по зрительным трактам нервные импульсы поступают в латеральные коленчатые тела - подкорковый центр зрения, а оттуда в корковый центр зрения, расположенный в затылочных долях головного мозга, где происходит формирование зрительного образа.

За последнее десятилетие российскими и зарубежными учеными были получены новые данные, раскрывающие молекулярные основы зрительного восприятия. Идентифицированы зрительные молекулы, принимающие участие в реакции на свет и раскрыт механизм их действия. В данной статье рассмотрены основные биохимические механизмы, связанные со зрительным восприятием и эволюцией зрительных молекул.

Молекулярные основы зрения.

Процесс восприятия света имеет определенную локализацию в фоторецепторных клетках сетчатки глаза, чувствительных к свету. Сетчатка по своему строению представляет собой многослойный слой нервной ткани, чувствительной к свету, который выстилает внутреннюю заднюю часть глазного яблока. Сетчатка расположена на пигментированной мембране, обозначаемой как пигментированный эпителий сетчатки (ПЭС), который поглощает свет, проходящий сквозь сетчатку. Это предотвращает обратное отображение света сквозь сетчатку и новое реагирование, что не разрешает зрению расплываться.

Свет проникает сквозь глаз и создает сложную биохимическую реакцию в клетках фоторецепторов сетчатки, чувствительных к свету . Фоторецепторные клетки подразделяются на два типа, которые за их характерную форму называют палочками и колбочками (рис. 1). Палочки расположены в окрашенном слое сетчатки глаза, в котором синтезируется ответственный за цветовое восприятие фотохромный белок родопсин, и являются рецепторами света низкой интенсивности. Колбочки выделяют группу зрительных пигментов (йодопсин), и приспособлены различать цвета. Палочки позволяют видеть черно-белые изображения при тусклом свете; колбочки осуществляют цветовое зрение при ярком свете. Сетчатка человека содержит около 3 млн. колбочек и 100 млн. палочек. Размеры их очень невелики: длина около 50 мкм, диаметр - от 1 до 4 мкм.

Электрические сигналы, генерируемые колбочками и палочками, обрабатываются другими клетками сетчатки – биполярнымм и ганглиозными клетками, прежде чем они передаются в мозг по зрительному нерву. Дополнительно существуют ещё два слоя промежуточных нейронов. Горизонтальные клетки передают сообщения туда и обратно между клетками фоторецепторов, биполярным клеткам и друг другу. Аамакринные клетки (клетки сетчатки) взаимосвязаны с биполярными клетками, ганглиозными клетками, а также друг с другом. Оба вида таких промежуточных нейронов играют главную роль в обработке визуальной информации на уровне сетчатки перед тем, как она передаются в мозг для конечной обработки.

Колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки, но гораздо лучше воспринимают быстрые движения. Палочка может быть возбуждена одним фотоном - наименьшим возможным количеством света. Каскад молекулярных взаимодействий усиливает этот «квант» информации в химический сигнал, который затем воспринимается нервной системой. Степень усиления сигнала изменяется в зависимости от фонового освещения: палочки более чувствительнее при тусклом свете, чем при ярком. В результате они эффективно функционируют в широком диапазоне фонового освещения. Сенсорная система палочек упакована в хорошо различимые клеточные субструктуры, которые можно легко выделять и исследовать in vitro .

Колбочки и палочки сходны по строению и состоят из четырех участков. В их строении принято различать:

наружный сегмент, содержащий мембранные полудиски;

внутренний сегмент, содержащий митохондрии;

связующий отдел – перетяжка;

синаптическую область.

По строению палочка представляет собой длинную тонкую клетку, разграниченную на две части. Наружный сегмент клетки содержит большую часть молекулярного механизма, детектирующего свет и инициирующего нервный импульс. Внутренний сегмент ответствен за генерацию энергии и обновление молекул в наружном сегменте. Помимо этого, внутренний сегмент формирует синаптическое окончание, которое служит для связи с другими клетками. Если изолированную сетчатку слегка потрясти, наружные сегменты палочек отпадают и весь аппарат возбуждения можно исследовать in vitro в высокоочищенном виде. Это свойство палочек делает их незаменимым объектом исследования для биохимиков.

Наружный сегмент палочки представляет собой узкую трубку, заполненную стопкой тонких мембранных дисков; образованными цитоплазматической мембраной и отделившимися от нее. В одной клетке их примерно 2 тысячи. И трубка, и диски образованы двухслойной цитоплазматической мембраной одного и того же типа. Но наружная (плазматическая) мембрана палочки и мембрана дисков имеют различные функции в фоторецепции света и генерации нервного импульса. Диски содержат большинство белковых молекул, участвующих в поглощении света и инициации возбуждающего ответа. Наружная мембрана служит для преобразования химического сигнала в электрический.

Связь между двумя сегментами осуществляется через цитоплазму и пару ресничек, переходящих из одного сегмента в другой. Реснички содержат только 9 периферических дублетов микротрубочек: пара центральных микротрубочек, характерных для ресничек, отсутствует. Внутренний сегмент палочек - это область активного метаболизма; она заполнена митохондриями, доставляющими энергию для процессов зрения, и полирибосомами, на которых синтезируются белки, участвующие в образовании мембранных дисков и зрительного пигмента родопсина.

РОДОПСИН И ЕГО СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

К числу наиболее важных интегральных молекул трансмембранных рецепторных G белков, связанных с мембраной дисков, относится родопсин . Он представляет собой фоторецепторный хромофорный белок палочек, который поглощает фотон и создает ответ, составляющий первую стадию в цепи событий, обеспечивающих зрение. Родопсин состоит из двух компонентов - бесцветного белка опсина, функционирующим как фермент и ковалентно связанного хромофорного компонента – производного витамина А, 11-цис -ретиналя, акцептирующего свет (рис. 2). Поглощение фотона света 11-цис -ретиналем «включает» ферментативную активность опсина и приводит в действие биохимический каскад фоточувствительных реакций, ответственных за зрительное восприятие.

Родопсин принадлежит к семейству G-рецепторов (GPCR-рецепторов), ответственных за механизм трансмембранной передачи сигнала, основанный на взаимодействии с внутриклеточными мембранными G-белками – сигнальными G-белками, являющимися универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам, вызывающим конечный клеточный ответ. Установление его пространственной структуры является важным в биологии и медицине, так как родопсин как «родоначальник» семейства GPCR-рецепторов является «моделью» структуры и функций множества других рецепторов, чрезвычайно важных с научно-фундаментальной и практической (фармакологической) точек зрения.

Пространственная структура родопсина долго не поддавалась изучению «прямыми» методами – рентгеноструктурным анализом и спектроскопией ЯМР, в то время как молекулярная структура другого родственного родопсину трансмембранного белка бактериородопсина с аналогичной структурой, выполняющего функции АТФ-зависимой транслоказы в мембранах клеток галофильных микроорганизмов, перекачивающему протоны через цитоплазматическую мембрану клетки и участвующему в анаэробном фотосинтетическом фосфорилировании (бесхлорофилльном синтезе), была определена еще в 1990-м году. Структура зрительного родопсина оставалась неизвестной вплоть до 2003 года .

По своему строению молекула опсина представляет собой полипептидную цепь из 348 остатков аминокислот. Аминокислотная последовательность опсина была определена российскими учеными в лаборатории Ю.А. Овчинникова в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина в Москве . В этих исследованиях получена важная информация о трехмерной структуре этого важного белка, пронизывающего мембрану диска. Полипептидная цепь опсина образует семь трансмембранных участков α-спирали, расположенные поперек мембраны и соединенные между собой короткими неспиральными участками. При этом N -конец находится во внеклеточной области, а C -конец α-спирали - в цитоплазматической. С одной из α-спиралей связана молекула 11-цис -ретиналя, расположенная вблизи от середины мембраны так, что ее длинная ось параллельна поверхности мембраны (рис. 3). Также было установлено место локализации 11-цис -ретиналя, связанного альдиминной связью с ε-аминогруппой остатка Lys-296, расположенного в седьмой α-спирали. Таким образом, 11-цис -ретиналь вмонтирован в центр сложного, высокоорганизованного белкового окружения в составе клеточной мембраны палочек. Это окружение обеспечивает фотохимическую «подстройку» ретиналя, влияя на спектр его поглощения. Сам по себе свободный 11-цис -ретиналь в растворенном виде имеет максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра - при длине волны 380 нм, в то время как родопсин поглощает зеленый свет при 500 нм . Этот сдвиг в световых длинах волн важен с функциональной точки зрения: благодаря ему спектр поглощения родопсина приводится в соответствие со спектром света, попадающего в глаз.

Спектр поглощения родопсина определяется как свойствами хромофора – остатка 11-цис -ретиналя, так и опсина. Этот спектр у позвоночных имеет два максимума - один в ультрафиолетовой области (278 нм), обусловленный опсином, и другой - в видимой области (около 500 нм) - поглощение хромофора (рис. 4). Превращение при действии света зрительного пигмента до конечного стабильного продукта состоит из ряда очень быстрых промежуточных стадий. Исследуя спектры поглощения промежуточных продуктов в экстрактах родопсина при низких температурах, при которых эти продукты стабильны, удалось подробно описать весь фотопроцесс обесцвечивания зрительного пигмента .

При поглощении молекулой 11-цис -ретиналя фотона света его молекула изомеризуется в 11-all -транс -ретиналь (квантовый выход 0,67), а сам родопсин обесцвечивается (фотолиз). При этом происходит вращение вокруг связи между 11-м и 12-м атомами углерода молекулы 11-цис -ретиналя, в результате чего изменяется геометрия молекулы и образуется изомерная форма - all -транс -ретиналь без изгиба, а спустя 10 мс происходит аллостерический переход родопсина в его активную форму (рис. 5). Энергия поглощенного фотона света распрямляет изгиб цепи между 11-м и 12-м атомами углерода. В этой форме 11-цис- ретиналь существует в темноте. У позвоночных фотолиз родопсина заканчивается отрывом хромофора от опсина; у беспозвоночных хромофор остается связанным с белком на всех стадиях фотолиза. У позвоночных родопсин регенерируется обычно в результате взаимодействия опсина с 11-цис -ретиналем, у беспозвоночных - при поглощении второго фотона света.

Молекула родопсина, встроенная в мембрану палочек, очень чувствительна к световому воздействию (рис. 6). Установлено, что поглощение фотона света молекулой в половине случаев вызывает изомеризацию 11-цис -ретиналя . Спонтанная изомеризация молекулы ретиналя в темноте происходит очень редко - приблизительно раз в 1000 лет. Такое различие имеет важное следствие для зрения. Когда один фотон попадает на сетчатку глаза, поглотившая его молекула родопсина реагирует с ним с высокой эффективностью, в то время как миллионы других молекул родопсина в сетчатке глаза остаются “молчащими”.

Последующие циклы фотохимического превращения родопсина и его активации приводят к возбуждению зрительного нерва за счет изменения ионного транспорта в фоторецепторе. Впоследствии родопсин восстанавливается (регенерирует) в результате синтеза 11-цис -ретиналя и опсина или в процессе синтеза новых дисков наружного слоя сетчатки.

ЗРИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ РОДОПСИНА

В настоящее время достигнут определенный прогресс в понимании того, что происходит на последнем этапе каскада возбуждения - на наружной мембране палочек. Цитоплазматическая мембрана клетки избирательно проницаема для электрически заряженных ионов (Na + , Ca 2+), вследствие чего образуется разность электрических потенциалов между внутренней и наружной стороной клеточной мембраны. В состоянии покоя внутренняя часть мембраны клетки несет отрицательный заряд около 40 мВ по отношению к наружной. В 1970 годах учеными было показано, что после освещения клетки светом, разность потенциалов на мембране палочки увеличивается . Это увеличение зависит от интенсивности стимула и фонового освещения; максимальная разность потенциалов при этом составляет - 80 мВ.

Увеличение разности потенциалов - гиперполяризация происходит вследствие уменьшения проницаемости мембраны для катионов натрия Na + , несущих положительный заряд. После того как была установлена природа гиперполяризации, было установлено, что поглощение одного фотона приводит к тому, что в плазматической мембране палочки закрываются сотни натриевых каналов, блокируя вход миллионов ионов натрия Na + внутрь клетки . Возникнув под действием светового облучения, гиперполяризация затем распространяется по наружной мембране палочки на другой конец клетки к синаптическому окончанию, где возникает нервный импульс, передающийся в мозг.

Эти фундаментальные исследования позволили дать представление о том, что происходит в начале и в конце фотохимического каскада зрительного восприятия света, но оставили нерешенным вопрос: а что же происходит посередине? Каким образом изомеризация молекулы ретиналя в мембране диска палочек приводит к закрыванию натриевых каналов в наружной клеточной мембране? Как известно, в палочках плазматическая мембрана не соприкасается с мембраной дисков. Это означает, что передача сигнала от дисков к наружной мембране должна осуществляться с помощью внутриклеточного посредника-медиатора возбуждающего сигнала. Поскольку один фотон может вызывать закрытие сотен натриевых каналов, каждый акт поглощения фотона должен сопровождаться образованием множества молекул посредника.

В 1973 г. было выдвинуто предположение, что в темноте в дисках накапливаются ионы кальция Ca + , а при освещении они высвобождаются и, достигая путем диффузии плазматической мембраны, закрывают натриевые каналы. Эта привлекательная гипотеза вызвала большой интерес и породила множество экспериментов. Однако последующие эксперименты показали, что, хотя ионы кальция Ca + и играют большую роль в зрении, они не являются возбуждающим медиатором. Роль медиатора, как выяснилось, играет 3", 5"-циклический гуанозинмонофосфат (cGMP) (рис. 7).

Способность сGMP функционировать в качестве медиатора определяется его химической структурой. cGMP - это нуклеотид класса гуаниловых нуклеотидов, представленных в РНК. Как и другие нуклеотиды, он состоит из двух компонентов: азотистого основания - гуанина, и остатка пятиуглеродного сахара рибозы, атомы углерода в котором в положениях 3" и 5", соединены посредством фосфатной группы. Фосфодиэфирная связь замыкает молекулу сGMP в кольцо. Когда это кольцо целое, cGMP способен поддерживать натриевые каналы мембраны в открытом состоянии, а когда фосфодиэфирная связь расщепляется ферментом фосфодиэстеразой, натриевые каналы спонтанно закрываются, в результате чего электрические свойства мембраны изменяются и возникает нервный импульс (рис. 8).

Между возбуждением родопсина и ферментативным расщеплением cGMP лежит несколько промежуточных стадий. Когда молекула 11-цис -ретиналя поглощает фотон и активируетcя опсин, родопсин в свою очередь активирует фермент, называемый трансдуцином . Взаимодействие активированной формы родопсина с G-белком трансдуцином является ключевой биохимическим стадией в зрительном процессе. Трансдуцин является ключевым интермедиатом в каскаде возбуждения. Этот рецепторный G-белок активирует специфическую фосфодиэстеразу, которая раскрывает кольцо cGMP, присоединяя к нему молекулу воды, осуществляя гидролиз cGMP. Хотя схему этого процесса описать несложно, но выяснение и понимание его физиологической роли потребовали множества различных экспериментов.

Впоследствии было обнаружено, что на свету концентрация cGMP в наружных сегментах палочек уменьшается . Последующие эксперименты показали, что это уменьшение является следствием гидролиза cGMP под действием фосфодиэстеразы, специфичной к данному нуклеотиду. В то время кальциевая гипотеза была еще очень популярна, но уже не вызывало сомнений и то, что cGMP обладает значительным прямым влиянием на возбуждающий ответ.

На конференции, проходившей в 1978 г., П. Либман из Пенсильванского университета сообщил, что в суспензии наружных сегментов палочек один фотон может инициировать активацию сотен молекул фосфодиэстеразы в секунду. В более ранних работах в присутствии другого нуклеотида - аденозинтрифосфата (АТP) наблюдалось гораздо меньшее усиление, чем в присутствии гуанозинтрифосфата (GTP).

Гуанозинтрифосфат (GTP) имеет такую же структуру, как нециклическая форма GMP, но в GMP с 5" -углеродным атомом связана не одна фосфатная группа, а цепочка из трех фосфатов, соединенных друг с другом фосфодиэфирными связями. Энергия, запасенная в этих связях, используется во многих клеточных функциях. Например, при отщеплении от GTP одной фосфатной группы (при этом образуется гуанозиндифосфат, GDP) выделяется значительное количество энергии. Таким путем клетка получает энергию, позволяющую осуществлять химические реакции, которые в ином случае энергетически невыгодны. Также важно то, что этот процесс имеет место при активации фосфодиэстеразы, где GTP служит необходимым кофактором.

В 1994 г. удалось инъецировать cGMP в наружный сегмент интактной палочки, и результаты этого оказались впечатляющими . Как только циклический гуанозинмонофосфат попадал внутрь клетки, быстро уменьшалась разность потенциалов на плазматической мембране и резко увеличивалась задержка между подачей светового импульса и гиперполяризацией мембраны. Это объясняется тем, что cGMP открывает натриевые каналы и они остаются открытыми до тех пор, пока cGMP не распадется под действием активированной светом фосфодиэстеразы на GMP. Эта гипотеза казалась весьма привлекательной, но прямых ее доказательств не было.

Существенное значение в механизме передачи светового сигнала имеет тот факт, что для активации фосфодиэстеразы необходим GTP. Это позволило предположить, что важным интермедиатом активации может быть какой-то белок, связывающий GTP. Нужно было тщательно исследовать, что происходит с GTP в палочках. Целью первых экспериментов было обнаружить связывание GTP и его производных в наружных сегментах палочек. Меченный радиоактивным изотопом углерода 14 С GTP инкубировали с палочками и фрагментами их наружных сегментов. После нескольких часов препарат промывали на фильтре, задерживающем фрагменты мембран и крупные молекулы, такие, как белки, и пропускающем мелкие молекулы, в том числе GTP и метаболически близкие ему соединения. Оказалось, что значительная часть радиоактивности остается связанной с мембранной фракцией. В дальнейшем выяснилось, что в мембране остается не GTP, a GDP.

Эти опыты показали, что в мембранах палочек содержится белок, способный связывать GTP и отщеплять от него одну фосфатную группу с образованием GDP. Казалось все более очевидным, что такой белок - ключевой интермедиат и что превращение GTP в GDP может приводить в действие процесс активации.

Одним из поразительных фактов было то, что мембраны палочек не только связывают гуаниловые нуклеотиды, но при освещении из них высвобождается GDP причем этот процесс значительно усиливается в присутствии GTP в растворе. Сформировалась гипотеза, объясняющая эти явления. По-видимому, какой-то этап процесса активации включает обмен GTP на GDP в мембране. Поэтому высвобождение GDP так сильно и увеличивается при добавлении GTP: GTP должен замещаться GDP. В дальнейшем GTP превращается в GDP.

Установлено, что обмен GTP на GDP имеет отношение к центральному событию процесса активации. Исследовалось действие света на поглощение GDP мембранами палочек и обнаружилось, что фотовозбуждение одной молекулы родопсина приводит к связыванию около 500 молекул GTP. Открытие этого усиления стало важным этапом на пути к объяснению усиления, присущего каскаду возбуждения.

Этот фундаментальный результат привел к важному выводу, что в каскаде возбуждения участвует белковый интермедиат, существующий в двух состояниях. В одном состоянии он связывает GDP, в другом - GTP. Обмен GDP на GTP, служащий сигналом к активации белка, инициируется молекулой родопсина и в свою очередь активирует специфическую фосфодиэстеразу. Фосфодиэстераза расщепляет циклический GMP, вследствие чего закрываются натриевые каналы в плазматической мембране. Вскоре этот белок был выделен. Он получил название трансдуцин, так как опосредует трансдукцию - преобразование света в электрический сигнал. Было установлено, что трансдуцин состоит из трех белковых субъединиц –альфа (α), бета (β) , и гамма (γ).

Сигнал передается от активированного родопсина к трансдуцину и от его GTP-формы к фосфодиэстеразе. Если такая картина верна, следует ожидать, во первых, что трансдуцин может переходить в GTP-форму в отсутствие фосфодиэстеразы, и, во-вторых, что фосфодиэстераза способна активироваться от возбужденного светом родопсина. Для проверки этого предположения использовалась синтетическая мембранная система, не содержащая фосфодиэстеразы. На искусственную мембрану наносили очищенный трансдуцин в GDP-форме, а затем добавляли активированный родопсин. В этих опытах было установлено, что каждая молекула родопсина катализирует захват мембраной 71 молекул аналога GTP. Значит, активируя трансдуцин, каждая молекула родопсина катализирует обмен GDP на GTP во множестве молекул трансдуцина. Таким образом удалось обнаружить усилительный эффект родопсина, для проявления которого, была выделена очищенная активная форма трансдуцина - в виде его комплекса с GTP. Здесь исследователей ожидал сюрприз. В неактивной GDP-форме молекула трансдуцина целая - все три ее субъединицы находятся вместе. Оказалось, что при переходе в GTP-форму трансдуцин диссоциирует: α-субъединица отделяется от β- и γ-субъединицы белка, а GTP связывается со свободной α -субъединицей.

Необходимо было выяснить, какая субъединица трансдуцина - α- (с присоединенным GTP) или β-, γ-субъединица активирует фосфодиэстеразу. Было установлено, что фосфодиэстеразу активирует α-субъединица в комплексе с GTP; остающиеся вместе β- и γ-субъединицы не влияют на работу фермента. Более того, α-субъединица вызывала активацию трансдуцина и без родопсина; это объясняло предположение о том, что трансдуцин может активировать фосфодиэстеразу без присутствия родопсина.

Механизм активации специфической фосфодиэстеразы трансдуцином в настоящее время детально изучен. В темноте фосфодиэстераза мало активна, поскольку находится в инактивированном состоянии. Добавление небольшого количества трипсина - фермента, расщепляющего белки активирует фосфодиэстеразу. Молекула фосфодиэстеразы состоит из трех полипептидных цепей; как и у трансдуцина, они обозначаются соответственно α-, β- и γ- субъединицы. Т рипсин разрушает γ- субъединицу, но не α- и β -субъединицу. Таким образом, выяснилось, что ингибитором фосфодиэстеразы служит γ-субъединица.

Позже удалось выделить γ-субъединицу в чистом виде, добавили ее к активному комплексу α, β-субъединиц и обнаружилось, что γ-субъединица подавляет каталитическую активность трансдуцина более чем на 99% . Кроме того, скорость разрушения γ- субъединицы трипсином хорошо соответствует скорости активации фосфодиэстеразы в каскаде возбуждения. Трансдуцин в GTP-форме может связываться с γ- субъединицей фосфодиэстеразы, образуя комплекс.

Все эти данные складываются в следующую картину. После воздействия света α-субъединица трансдуцина с присоединенным GTP связывается с фосфодиэстеразой и ингибируюшая ее γ-субъединица отделяется. В результате этого трансдуцин активируется и проявляется каталитическая активность фосфодиэстеразы. Эта активность велика: каждая активированная молекула фермента может осуществить гидролиз 4200 молекул циклического гуанозинмонофосфата за 1 секунду. Итак, стала ясной большая часть биохимических реакций зрительного цикла (рис. 9). Начальный этап каскада возбуждения - поглощение фотона родопсином. Затем активированный родопсин взаимодействует с трансдуцином, что приводит к обмену GDP на GТР, происходящему на α-субъединице трансдуцина. В результате α-субъединица отделяется от остальной части фермента, активируя фосфодиэстеразу. Последняя расщепляет множество молекул сGМР. Этот процесс длится всего около миллисекунды. Через некоторое время «встроенный таймер» α-субъединицы трансдуцина расщепляет GTP с образованием GDP и α-субъединица воссоединяется с β- и γ-субъединицами. Фосфодиэстераза также восстанавливается. Родопсин инактивируется и затем переходит в форму, готовую к активации.

В результате действия одной молекулы родопсина образуется несколько сотен активных комплексов α- субъединицы трансдуцина GTP, что является первой ступенью усиления. Затем α-субъединица трансдуцина, несущая GTP, активирует фосфодиэстеразу. На этой стадии усиления нет; каждая молекула α-субъединицы трансдуцина связывает и активирует одну молекулу фосфодиэстеразы. Следующую стадию усиления обеспечивает пара трансдуцин-фосфодиэстераза, действующая как одно целое. α-субъединица трансдуцина остается связанной с фосфодиэстеразой до тех пор, пока та не расщепит 3"-5"-связь в циклическом гуанозинмонофосфате. Каждая активированная молекула фермента может осуществить превращение нескольких тысяч молекул GMP. Это усиление, обеспечиваемое родопсином, лежит в основе замечательного по своей эффективности преобразования, благодаря которому один единственный фотон вызывает интенсивный нервный импульс.

Однако организм способен воспринимать свет многократно, значит, этот цикл должен и выключаться. Оказывается трансдуцин играет ключевую роль не только в активации, но и в деактивации. Его α-субъединица имеет встроенный механизм - “таймер”, который прерывает активированное состояние, превращая связанный GTP в GDP. Механизм действия этого “таймера” не совсем ясен. Известно, что гидролиз GTP с образованием GDP в фазе деактивации играет важную роль в осуществлении всего цикла. Реакции, ведущие к активации, энергетически выгодны. Напротив, некоторые реакции деактивации невыгодны; без превращения GTP в GDP система не может быть приведена в исходное состояние для новой активации.

Когда GTP расщепляется и образуется GDP, α-субъединица трансдуцина освобождает ингибирующую γ-субъединицу фосфодиэстеразы. Затем γ-субъединица опять связывается с фосфодиэстеразой, возвращая ее в состояние покоя. Трансдуцин восстанавливает свою доактивационную форму благодаря воссоединению субъединиц α и β, γ. Родопсин деактивируется с помощью фермента - киназы, распознающей его специфическую структуру. Этот фермент присоединяет фосфатные группы к нескольким аминокислотам на одном конце полипептидной цепи опсина. Родопсин затем образует комплекс с белком арестином, который блокирует связывание трансдуцина и возврашает систему назад в темновое состояние.

Исследования зрительного каскада в середине 1980-х начале 1990-х гг. опирались в значительной мере на предположение о том, что циклический гуанозинмонофосфат открывает натриевые каналы в наружной мембране палочки и что его гидролиз приводит к их закрыванию. Однако о механизмах этих процессов было известно немного. Действует ли cGMP на каналы прямо или же через какие-то промежуточные стадии? Определенный ответ на этот вопрос был получен в 1985 г. российским ученым Е.Е. Фесенко из Института биологической физики в Москве. В экспериментах использовалась микропипетка, в которую затягивался маленький участок плазматической мембраны палочки. Он плотно прилипал к кончику пипетки и та сторона, которая в норме была обращена внутрь клетки, оказывалась наружной. Эту сторону мембраны омывали различными растворами и определяли их влияние на натриевую проводимость. Результаты были получены совершенно однозначные: натриевые каналы открываются непосредственно cGMP; другие вещества, включая ионы кальция Ca + , на них не влияют.

Блестящие эксперименты российских учёных опровергли представления об ионах кальция Ca + как о медиаторе возбуждения и установили последнее звено в каскаде возбуждения. Стал понятен и общий контур цепи возбуждения. Как и предполагалось, поток информации направлен от родопсина к трансдуцину, затем к фосфодиэстеразе и, наконец, к cGMP.

Хотя изучение путей и механизмов каскада возбуждения добилось больших успехов, ряд важных вопросов все еще остается без ответа. В частности, не ясно, каким образом регулируется усилительный ответ каскада. Палочки значительно менее чувствительны на ярком свету, чем в темноте. Фоновое освещение должно как-то влиять на общий результат действия системы, т. е. на суммарное усиление, создаваемое на двух стадиях - при передаче сигнала от родопсина к трансдуцину и от фосфодиэстеразы к cGMP. Многое свидетельствует об участии ионов кальция в этом процессе, однако детали этого механизма полностью не изучены. В связи с этим важно было также установить структуру натриевых каналов и механизмы, предотвращающие истощение циклического гуанозинмонофосфата в клетке. Большой вклад в изучение этого внесли группы Б. Кауппа из института нейробиологии при Оснабрюкском университете (ФРГ) и Либмана: они выделили управляемые cGMP каналы и реконструировали их функцию на модельных мембранах. Ключевой элемент - гуанилатциклаза - фермент, синтезирующий cGMP. В клетке существует регуляция концентрации сGMP по типу обратной связи, которая обеспечивает после ответа на световой стимул восстановление концентрации cGMP до исходного уровня. Не будь этого, клетка имела бы возможность сработать лишь несколько раз и тем надолго исчерпала бы способность к ответу.

Результаты последних исследований каскада зрительных реакций в палочках, имеют отношение и к другим типам клеток. Система преобразования светового сигнала в других фоторецепторных клетках - колбочках - сходна с таковой палочек. Известно, что в колбочках содержатся три аналогичных родопсину зрительных пигмента, отвечающих на свет определенной длины волны - красный, зеленый либо синий. В состав всех трех пигментов входит 11-цис -ретиналь. С применением методов молекулярной генетики было установлено, что структура у колбочковых пигментов такая же, как у родопсина. Трансдуцин, фосфодиэстераза и каналы, контролируемые cGMP, в колбочках и в палочках очень похожи.

ЭВОЛЮЦИЯ G-БЕЛКОВ

Значение каскада с участием циклического гуанозинмонофосфата не ограничивается зрением. Каскад возбуждения в палочках имеет заметное сходство с механизмом действия некоторых гормонов. Например, действие адреналина начинается с того, что он активирует фермент, называемый аденилатциклазой. Аденилатциклаза катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (сАМР), который служит внутриклеточным посредником для многих гормонов. Обнаружилось поразительное сходство этой реакции с функционированием каскада возбуждения в палочках. Подобно тому как каскад возбуждения начинается с поглоще­ния фотона родопсином, гормональный каскад начинается со связывания гормона специфическим белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки. Комплекс рецептор-гормон взаимодействует с так называемым G-белком, напоминающим трансдуцин. Такой же обмен связанных молекул, какой активирует трансдуцин (GTP на GDP), активирует и G-белок, когда он взаимодействует с комплексом рецептор-гормон. G-белок, как и трансдуцин, состоит из трех субъединиц. Аденилатциклаза активируется его α-субъединицей, снимающей ингибирующее влияние. Стимулирующее действие G-белка тоже прекращается благодаря встроенному “таймеру”, превращающему GTP в GDP.

Сходство трансдуцина и G-белков относится не только к активности, но и к структуре. Трансдуцин и G-белки принадлежат к одному семейству - семейству рецепторных мембранных белков, передающих те или иные сигналы. Все идентифицированные к настоящему времени представители этой группы имеют практически одинаковую α-субъединицу. Кроме того, α-субъединица выполняет одну и ту же функцию, что показано на молекулярном уровне. Недавно в нескольких лабораториях были установлены нуклеотидные последовательности ДНК, кодирующие α-субъединицы трансдуцина и трех G-белков. Судя по ДНК, аминокислотные последовательности этих четырех полипептидных цепей примерно на половине своей длины идентичны или почти идентичны друг другу.

При сравнительном анализе генетической информации обнаружилось, что в составе α-субъединиц трансдуцина и G-белков имеются как участки, оставшиеся неизменными в ходе эволюции, так и сильно дивергировавшие области . В каждом белке имеются три места связывания: одно для гуаниловых нуклеотидов, одно для активированного рецептора (родопсина или комплекса гормон-рецептор) и одно для эффекторного белка - фосфодиэстеразы или аденилатциклазы. Места связывания GTP и GDP, как и следовало ожидать, исходя из их решающей роли в каскаде возбуждения, оказались наиболее консервативными.

Кроме того, оказалось, что GTP-связывающие участки этих белков напоминают одну область функционально совершенно иного белка; так называемого фактора элонгации Tu. Этот белок играет важную роль в синтезе белков: он образует комплекс с GTP и с молекулами аминоацил-тРНК, а затем связывается с рибосомой, т. е. обеспечивает процесс элонгации - доставку аминокислот к месту роста синтезируемой полипептидной цепи. Цикл событий, происходящих с белком Tu в процессе его функционирования подобен трансдуциновому циклу. Цикл начинается расщеплением GTP. На молекуле Тu есть место связывания GTP, причем по аминокислотной последовательности оно очень сходно с участками связывания гуаниловых нуклеотидов в трансду-цине и различных G-белках.

Синтез белков - один из основных аспектов метаболизма клетки, и вероятно, что фактор элонгации Тu, участвующий в этом фундаментальном процессе, в ходе эволюции возник раньше, чем G-белки или родственный им трансдуцин. Этот интересный белок может быть предком и трансдуцина и G-белков. Контролируемое высвобождение и связывание белков, связанное с обменом GTP на GDP сформировалось на ранних этапах эволюции и фактор элонгации Тu, возможно, представляет один из первых эволюционных вариантов такого цикла.

Одна из удивительных особенностей эволюции заключается в том, что механизм, возникший применительно к определенной функции, может в дальнейшем изменяться и использоваться для совершенно иных функций. Именно это, и произошло с механизмом действия Тu. Сформировавшись в ходе эволюции для осуществления синтеза белка, он сохранялся на протяжении миллиардов лет и впоследствии вошел в систему передачи гормональных и сенсорных сигналов. В последние несколько лет одна из его функций - трансдуциновый цикл - изучен до мельчайших деталей. Результаты этих исследований имеют большое научное значение, поскольку удалось на молекулярном уровне понять один из наиболее удивительных сенсорных механизмов - механизм передачи света и зрительного возбуждения.

Возможно, вскоре будут раскрыты и новые представления о цветном зрении. Все еще неясно, является ли зеленый цвет, который мы видим, средним эффектом между желтым и синим цветом, или в некоторых случаях он соответствует длине волн, соответствующих зеленому цвету спектра.

Наш мозг может регистрировать зеленый цвет, как спектрометр, т.е., при определенной длине электромагнитных волн. Он также может регистрировать зеленый цвет и как смесь желтого и синего цветов. Восприятие цветов зрительным анализатором не может быть определено, как спектрометром.

В качестве примера смешивания электромагнитных волн, которые соответствуют зеленому и красному цвету, приводится желтый цвет. Считается, что при зрительном акте, действуют пары сине-желтый и зелено-красный цвет. Зрительный анализатор обладает свойством анализировать определенные диапазоны оптического спектра, как цвета. Смешение зеленого и красного цвета не производит никакого среднего цвета. Мозг воспринимает его, как желтый цвет. Когда происходит излучение электромагнитных волн, которые соответствуют зеленому и красному цвету, мозг воспринимает «среднее решение» – желтый цвет.

Таким же образом синий и желтый цвет воспринимаются, как зеленый. Это означает, что между парами - синий-желтый и зелено-красный цвет происходит спектральное смешивание цвета. Это относится и к положению, когда зрительный анализатор «принимает решение» о цветах, к которым он более чувствителен. Аналогично зеленый и синий цвет воспринимаются, как циан. Например, зрительный анализатор всегда воспринимает апельсин в оранжевом цвете, поскольку от него отражаются электромагнитные волны, которые соответствуют желтому и красному цвету. Ниже всего проявляется зрительная чувствительность к фиолетовому, синему и красному цвету. Причем смешение электромагнитных волн, которые соответствуют синему и красному цвету, воспринимается, как фиолетовый цвет. При смешении электромагнитных волн, которые соответствуют большему количеству цветов, мозг не воспринимает их, как отдельные цвета, или как «среднее» решение, а как белый цвет. Эти данные свидетельствуют о том, что представление о цвете не определяется однозначно длиной волны. Анализ производится «биокомпьютером» - мозгом, и представление о цвете, по своей сущности, является продуктом нашего сознания .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структурные исследования родопсина и других родственных ему ретинальсодержащих хромофорных белков (йодопсин, бактериородопсин), а также выявление глазных патологий, связанных с его функционированием, продолжаются в НИЦМБ (Болгария) последние 10 лет, и среди вопросов, требующих скорейшего разрешения, можно выделить следующие:

Какие структурные превращения сопровождают активацию родопсина и придают ему способность взаимодействовать с рецепторными G-белками (трансдуцин, белки-киназы и аррестин)?

Каковы пространственные структуры комплексов активированного родопсина и трансдуцина?

Каков механизм клеточного «созревания» и деградации родопсина?

Дальнейшее исследование родопсина имеет не только научно-фундаментальное, но и прикладное значение, и может быть использовано для лечения или предотвращения биохимических нарушений зрения. Родопсин является наиболее исследованным белком из семейства GPCR-рецепторов, и вышеизложенные выводы, полученные для него, могут быть использованы для изучения структуры и функциональных свойств других трансмембранных белков этого семейства, например бактериородопсина .

ЛИТЕРАТУРА

1. Д. Хьюбел. Глаз, мозг, зрение / под ред. А. Л. Бызова., Мир, Москва (1990), 172 с.

2. M. J. Hogan, J. A Alvarado, J. E. Weddell. Histology of the Human Eye , Saunders, Philadelphia (1971), 115 p.

3. J. Nathans, D. Thomas, D. S. Hogness. “Molecular genetics of human color vision: the genes encoding blue, green, and red pigments”, Science , 232(47), 193–202 (1986).

4. R. Henderson, J. M. Baldwin, T. A. Ceska, F. Zemlin, E. Beckmann, K. H. Downing. “Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy”, J. Mol. Biol ., 212 , 899–29 (1991).

5. K. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, C. A. Behnke, H. Motoshima, B. A. Fox, I. Le Trong, D. C. Teller, T. Okada, R.E. Stenkamp, M. Yamamoto, M. Miyano, “Crystal Structure of Rhodopsin: A G-Protein-Coupled Receptor”, Science , 289 , 739–745 (2000).

6. Ю. А Овчинников, Н. Г. Абдулаев, М. Ю. Фейгина, И. Д. Артамонов, А. С. Богачук. “Зрительный родопсин: Полная аминокислотная последовательность и топология в мембране”, Биоорганическая химия , 10 , 1331–1340 19830.

7. P.A. Hargrave, J.H. McDowell, D.R. Curtis, J. K. Wang, E. Juszczak, S. L. Fong, J. K. Rao, P. Argos, “The structure of bovine rhodopsin”, Biophys. Struct. Mech ., 9 , 235–244 (1983).

8. G. F. Schertler, P. A. Hargrave, “Projection structure of frog rhodopsin in two crystal forms”, Proc. Natl. Acad . Sci . U . S . A ., 9 2, 11578–11582 (1995).

9. В. М. Липкин. “Зрительная система. Механизмы передачи и усиления зрительного сигнала в сетчатке глаза”, Соросовский образовательный журнал , 9 , 2–8 (2001).

10. Y. Shichida, H. Imai. “Visual pigment: G-protein-coupled receptor for light signals”, Cell. Mol. Life Sci ., 54 , 1299–1315 (1998).

11. А. Б. Рубин. Фотопревращения бактериородопсина и родопсина, Биофизика , т.2., Москва, Наука (2004), 87 с.

12. Y. Liang, D. Fotiadis, T. Maeda, A. Maeda, A. Modzelewska, S. Filipek, D. A. Saperstein, A. Engel, K. Palczewski. “Rhodopsin signaling and organization in heterozygote rhodopsin knockout mice”, J. Biol. Chem., 279 , 48189–48196 (2004).

13. J. M. Baldwin, G. F. Schertler, V. M. Unger. “An α carbon template for the transmembrane helices in the rhodopsin family of G-protein-coupled receptors”, J. Mol. Biol ., 272 , 144–164 (1997).

14. J. Fitzgibbon, B. Appukuttan, S. Gayther, D. Wells, J. Delhanty, D. M. Hunt. “Localisation of the human blue cone pigment gene to chromosome band 7q31.3-32”, Human Genetics , 93 (1), 79–80 (1994).

15. K. Palczewski “G-Protein-Coupled Receptor Rhodopsin”, Annu. Rev. Biochem ., 7 5, 743–767 (2006).

16. P. S. Park, S. Filipek, J. W. Wells, K. Palczewski. “Oligomerization of G-protein-coupled receptors: past, present, and future”, Biochemistry , 43 , 15643–15656 (2004).

17. I. Ignatov, M. Marinov. Color Kirlian Spectral Analysis. Color Observation with Visual Analyzer, EUROMEDICA, Hanover, (2008), 32 p.

18. О.В. Мосин, И. И. Игнатов. “Природный фотопреобразующий наноматериал бактериородопсин из галофильной бактерии Halobacterium halobium”, Наноматериалы и наноструктуры, 2 , 47-58 (2012).

Благодаря зрительному аппарату (глазу) и мозгу человек способен различать и воспринимать цвета окружающего его мира. Довольно нелегко сделать анализ эмоционального воздействия цвета, по сравнению с физиологическими процессами, появляющимися в результате световосприятия. Однако большое количество людей предпочитает определённые цвета и полагает, что цвет оказывает непосредственное воздействие на настроение. Трудно объяснить то, что многие люди находят сложным жить и работать в помещениях, где цветовое оформление кажется неудачным. Как известно, все цвета разделяют на тяжелые и лёгкие, сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие.

Строение человеческого глаза

Опытами ученых сегодня доказано, что у многих людей существует похожее мнение относительно условного веса цветов. Например, по их мнению, красный является самым тяжёлым, за ним следует оранжевый, потом синий и зелёный, затем - жёлтый и белый.

Строение человеческого глаза достаточно сложное:

склера;
сосудистая оболочка;
зрительный нерв;
сетчатка;
стекловидное тело;
ресничный поясок;
хрусталик;
передняя камера глаза, наполненная жидкостью;
зрачок;
радужная оболочка;
роговица.

Когда человек наблюдает объект, то отраженный свет сначала попадает на его роговицу, затем проходит через переднюю камеру, и отверстие в радужной оболочке (зрачок). Свет попадает на сетчатку глаза, но прежде он проходит через хрусталик, который может изменять свою кривизну, и стекловидное тело, где появляется уменьшенное зеркально-шарообразное изображение видимого объекта.
Для того, чтобы полосы на французском флаге казались одинаковой ширины на судах их делают в пропорции 33:30:37

На сетчатке глаза расположены два вида светочувствительных клеток (фоторецепторов), которые при освещении изменяют все световые сигналы. Они также называются колбочками и палочками.

Их существует около 7 млн, и они распределены по всей поверхности сетчатки, за исключением слепого пятна и имеют малую светочувствительность. Кроме того, колбочки подразделяются на три вида, это чувствительные к красному свету, зелёному и синему, соответственно реагирующие лишь на синюю, зелёную и красную часть видимых оттенков. Если же передаются остальные цвета, например жёлтый, то возбуждаются два рецептора (красно- и зелёночувствительный). При таком значительном возбуждении всех трёх рецепторов появляется ощущение белого, а при слабом возбуждении напротив - серого цвета. Если возбуждения трёх рецепторов отсутствуют, то возникает ощущение чёрного цвета.

Можно привести также следующий пример. Поверхность объекта, имеющего красный цвет, при интенсивном освещении белым светом, поглощает синие и зелёные лучи, и отражает красные, а также зелёные. Именно благодаря разнообразию возможностей смешения световых лучей различных длин спектра, появляется такое многообразие цветовых тонов, из которых глаз отличает примерно 2 млн. Вот так колбочки обеспечивают глаз человека восприятием цвета.

На чёрном фоне цвета кажутся интенсивнее, по сравнению со светлым.

Палочки наоборот, имеют намного большую чувствительность, чем колбочки, а также чувствительны к синезелёной части видимого спектра. В сетчатке глаза расположено около 130 млн. палочек, которые в основном не передают цвета, а работают при небольших освещённостях, выступая аппаратом сумеречного зрения.

Цвет способен изменять представление человека о настоящих размерах предметов, а те цвета, которые кажутся тяжёлыми, заметно уменьшают такие размеры. Например, французский флаг, состоящий из трёх цветов, включает синюю, красную, белую вертикальные полосы одинаковой ширины. В свою очередь, на морских судах соотношение таких полос меняют в пропорции 33:30:37 для того, чтобы на большом расстоянии они казались равнозначными.

Огромное значение на усиление или ослабление восприятия глазом контрастных цветов имеют такие параметры как расстояние и освещение. Таким образом, чем больше расстояние между глазом человека и контрастной парой цветов, тем наименее активно они кажутся нам. Фон, на котором находится предмет определённого цвета, также воздействует на усиление и ослабление контрастов. То есть на чёрном фоне они кажутся интенсивнее, по сравнению с любым светлым.

Мы обычно не задумываемся о том, что есть свет. А между тем именно эти волны несут в себе большое количество энергии, которая используется нашим организмом. Нехватка света в нашей жизни не может не отразиться отрицательно для нашего организма. Не даром сейчас становится всё более популярным лечение, основанное на воздействие этих электромагнитных излучений (цветотерапия, хромотерапия, ауро-сома, цветовая диета, графохромотерапия и многое другое).

Что такое свет и цвет?

Свет - это электромагнитное излучение с длиной волны от 440 до 700 нм. Человеческий глаз воспринимает часть солнечного света и охватывает излучение с длиной волны от 0,38 до 0,78 микрон.

Световой спектр состоит из лучей очень насыщенного цвета. Свет распространяется со скоростью 186 000 миль в секунду (300 млн. километров в секунду).

Цвет - основной признак, по которому различаются лучи света, то есть это отдельные участки световой шкалы. Восприятие цвета формируется в результате того, что глаз, получив раздражение от электромагнитных колебаний, передаёт его в высшие отделы головного мозга человека. Цветовые ощущения имеют двойственную природу: они отражают свойства, с одной стороны, внешнего мира, а с другой - нашей нервной системы.

Минимальные значения соответствуют синей части спектра, а максимальные - красной части спектра. Зелёный цвет - находится в самой середине этой шкалы. В цифровом выражении цвета можно определить следующим образом:
красный - 0,78-9,63 микрон;
оранжевый - 0,63-0,6 микрон;
жёлтый - 0,6-0,57 микрон;
зелёный - 0,57-0,49; микрон
голубой - 0,49-0,46 микрон;
синий - 0,46-0,43 микрон;
фиолетовый - 0,43-0,38 микрон.

Белый свет - это сумма всех волн видимого спектра.

За пределами этого диапазона находятся ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) световые волны, их человек зрительно уже не воспринимает, хотя они оказывают очень сильное воздействие на организм.

Характеристики цвета

Насыщенность - это интенсивность цвета.
Яркость - это количество световых лучей, отражённых поверхностью данного цвета.
Яркость определяется освещением, то есть количеством отражённого светового потока.
Для цветов характерно свойство перемешиваться между собой и тем самым давать новые оттенки.

На усиление или ослабление восприятия человеком контрастных цветов влияют расстояние и освещение. Чем больше расстояние между контрастной парой цветов и глазом, тем менее активно они выглядят и наоборот. Окружающий фон так же влияет на усиление или ослабление контрастов: на чёрном фоне они сильнее, чем на любом светлом.

Все цвета делятся на следующие группы

Первичные цвета: красный, жёлтый и синий.
Вторичные цвета, которые образовываются посредством соединения между собой первичных цветов: красный + жёлтый = Оранжевый, жёлтый + синий = зелёный. Красный + синий = фиолетовый. Красный + жёлтый + синий = коричневый.
Третичные цвета - это те цвета, которые были получены посредством смешения вторичных цветов: оранжевый + зелёный = жёлто-коричневый. Оранжевый + фиолетовый = красно-коричневый. Зелёный + фиолетовый = сине-коричневый.

Польза цвета и света

Чтобы восстановить здоровье, нужно передать в организм соответствующую информацию. Эта информация закодирована в цветовых волнах. Одной из главных причин большого числа, так называемых, болезней цивилизации - гипертонии, высокого уровня холестерина, депрессии, остеопороза, диабета и т. д. может быть назван недостаток естественного света.

Меняя длину световых волн, можно передавать клеткам именно ту информацию, которая необходима для восстановления их жизнедеятельности. Цветотерапия и направлена на то, чтобы организм получил не хватающую ему цветовую энергию.

Ученые до сих пор не пришли к единому мнению о том, как свет проникает в тело человека и воздействует на него.

Действуя на радужку глаза, цвет возбуждает определённые рецепторы. Те, кто хоть однажды проходил диагностику по радужной оболочке глаза, знает, что по ней можно «прочитать» болезнь любого из органов. Оно и понятно, ведь «радужка» рефлекторно связана со всеми внутренними органами и, разумеется, с мозгом. Отсюда нетрудно догадаться, что тот или иной цвет, действуя на радужную оболочку глаза, тем самым рефлекторно воздействует и на жизнедеятельность органов нашего тела.

Возможно, свет проникает через сетчатку глаза и стимулирует гипофиз, который в свою очередь стимулирует тот или иной орган. Но тогда не понятно, почему полезен такой метод как цветопунктура отдельных секторов человеческого тела.

Вероятно, наше тело способно чувствовать эти излучения с помощью рецепторов кожного покрова. Это подтверждает наука радионика - согласно этому учению вибрации света вызывают вибрации в нашем организме. Свет вибрирует во время движения, наше тело начинает вибрировать во время энергетического излучения. Это движение можно увидеть на фотографиях Кирлиана, с помощью которых можно запечатлеть ауру.

Возможно, эти вибрации начинают воздействовать на мозг, стимулируя его и заставляя вырабатывать гормоны. В последствии эти гормоны попадают в кровь и начинают воздействовать на внутренние органы человека.

Так как все цвета различны по своей структуре, то не трудно догадаться, что и воздействие каждого отдельного цвета будет различным. Цвета разделяют на сильные и слабые, успокаивающие и возбуждающие, даже на тяжёлые и легкие. Красный был признан самым тяжёлым, за ним шли равные по весу цвета: оранжевый, синий и зелёный, затем - жёлтый и последним - белый.

Общее влияние цвета на физическое и психическое состояние человека

На протяжении многих столетий у людей по всему миру складывалась определённая ассоциация определённым цветом. Например, римляне и египтяне соотносили чёрный цвет с печалью и скорбью, белый цвет - с чистотой, однако в Китае и Японии белый цвет - символ скорби, а вот у населения Южной Африки цветом печали был красный, в Бирме напротив, печаль ассоциировалась с жёлтым, а в Иране - с синим.

Влияние цвета на человека достаточно индивидуально, и зависит также от определённого опыта, например от метода подбора цвета определённых торжеств или же повседневной работы.

В зависимости от времени воздействия на человека, либо количества занимаемой цветом площади, он вызывает положительные или отрицательные эмоции, и влияет на его психику. Глаз человека способен распознавать 1,5 миллиона цветов и оттенков, а цвета воспринимаются даже кожей, воздействуют и на людей, лишённых зрения. В процессе исследований, проведённых учёными в Вене, имели место испытания с завязанными глазами. Людей ввели в комнату с красными стенами, после чего их пульс увеличился, затем их поместили в помещение с жёлтыми стенами, причём пульс резко нормализовался, а в комнате с синими стенами, он заметно понизился. Кроме того, заметное воздействие на цветовосприятии и снижении цветовой чувствительности оказывает возраст и пол человека. До 20-25 восприятие возрастает, а после 25 уменьшается по отношению к определённым оттенкам.

Исследования, имевшие место в американских университетах доказали, что основные цвета, преобладающие в детской комнате, могут воздействовать на изменение давления у детей, снижать или повышать их агрессивность, причем у зрячих и незрячих. Можно сделать соответствующий вывод, что цвета могут оказывать негативное и позитивное воздействие на человека.

Восприятие цветов и оттенков можно сравнить с музыкантом, настраивающим свой инструмент. Все оттенки способны вызывать в душе человека неуловимые отклики и настроения, поэтому он и ищет резонанс колебаний цветовых волн с внутренними отголосками своей души.

Ученые разных стран мира утверждают, что красный цвет помогает вырабатыванию красных телец в печени, а также помогает скорейшему выведению ядов из организма человека. Полагают, что красный цвет способен уничтожать различные вирусы и значительно снижает воспаления в организме. Зачастую в специальной литературе встречается мысль о том, что любому органу человека присущи вибрации определённых цветов. Разноцветную окраску внутренностей человека можно встретить на древних китайских рисунках, иллюстрирующих методы восточной медицины.

Кроме того, цвета не только влияют на настроение и психическое состояние человека, но и приводят к некоторым физиологическим отклонениям в организме. Например, в помещении с красными или оранжевыми обоями заметно учащается пульс и повышается температура. В процессе окраски помещений выбор цвета обычно предполагает очень неожиданный эффект. Нам известен такой случай, когда хозяин ресторана, хотевший улучшить аппетит у посетителей, приказал покрасить стены в красный цвет. После чего аппетит гостей улучшился, однако чрезвычайно увеличилось количество разбитой посуды и число драк и происшествий.

Известно также, что цветом можно вылечить даже многие серьезные заболевания. К примеру, во многих банях и саунах благодаря определенному оборудованию существует возможность принимать целебные цветовые ванны.

Человек обладает способностью видеть окружающий мир во всем многообразии цветов и оттенков. Он может любоваться закатом, изумрудной зеленью, бездонным синим небом и другими красотами природы. О восприятии цвета и его воздействии на психику и физическое состояние человека пойдет речь в этой статье.

Что такое цвет

Цветом называют субъективное восприятие мозгом человека видимого света, отличий в его спектральной структуре, ощущаемых глазом. У людей способность различать цвета развита лучше, чем у остальных млекопитающих.

Свет воздействует на фоточувствительные рецепторы глазной сетчатки, а те потом вырабатывают сигнал, передаваемый в мозг. Получается, что восприятие цвета формируется сложным образом в цепочке: глаз (нейронные сети сетчатки и экстерорецепторы) - зрительные образы головного мозга.

Таким образом, цвет - это интерпретация окружающего мира в сознании человека, возникающая в результате обработки сигналов, поступающих от светочувствительных клеток глаза - колбочек и палочек. При этом первые отвечают за восприятие цвета, а вторые - за остроту сумеречного зрения.

"Цветовые расстройства"

Глаз реагирует на три первичных тона: синий, зеленый и красный. А мозг воспринимает цвета как комбинацию этих трех основных красок. Если сетчатка теряет способность различать какой-либо цвет, то и человек утрачивает ее. Например, бывают люди, которые не в состоянии отличить от красного. У 7% мужчин и 0,5% женщин встречаются такие особенности. Крайне редко люди вообще не видят красок вокруг, это значит, что рецепторные клетки в их сетчатке не функционируют. Некоторые страдают слабым сумеречным зрением - это значит, что у них слабочувствительные палочки. Такие проблемы возникают по разным причинам: вследствие дефицита витамина А или наследственных факторов. Однако человек может приспособиться к "цветовым расстройствам", поэтому без специального обследования их почти невозможно обнаружить. Люди с нормальным зрением в состоянии различить до тысячи оттенков. Восприятие цвета человеком меняется в зависимости от условий окружающего мира. Один и тот же тон выглядит по-разному при свете свечей или при солнечном освещении. Но человеческое зрение быстро адаптируется к этим изменениям и идентифицирует знакомый цвет.

Восприятие формы

Познавая природу, человек все время открывал для себя новые принципы устройства мира - симметрию, ритм, контраст, пропорции. Этими впечатлениями он руководствовался, преобразуя окружающую среду, создавая свой собственный уникальный мир. В дальнейшем объекты действительности породили в сознании человека стабильные образы, сопровождаемые четкими эмоциями. Восприятие формы, величины, цвета связаны у индивида с символическими ассоциативными значениями геометрических фигур и линий. Например, при отсутствии членений, вертикаль воспринимается человеком как нечто бесконечное, несоизмеримое, устремленное ввысь, легкое. Утолщение в нижней части или горизонтальное основание делает ее в глазах индивида более устойчивой. А вот диагональ символизирует движение и динамику. Получается, что композиция, основывающаяся на четких вертикалях и горизонталях, тяготеет к торжественности, статичности, устойчивости, а изображение, базирующееся на диагоналях - к изменчивости, нестабильности и движению.

Двоякое воздействие

Общепризнанным является факт, что восприятие цвета сопровождается сильнейшим эмоциональным воздействием. Эта проблема подробно изучалась живописцами. В. В. Кандинский отмечал, что цвет двояко влияет на человека. Сначала индивид испытывает физическое воздействие, когда глаз либо очарован цветом, либо раздражен им. Это впечатление мимолетно, если речь идет о привычных предметах. Однако в необычном контексте (картине художника, например) цвет может вызвать сильнейшее эмоциональное переживание. В этом случае можно говорить о втором виде влияния цвета на индивида.

Физическое воздействие цвета

Многочисленные эксперименты психологов и физиологов подтверждают способность цвета влиять на физическое состояние человека. Доктор Подольский описывал зрительное восприятие цвета человеком следующим образом.

• Голубой цвет - обладает антисептическим эффектом. На него полезно смотреть при нагноениях и воспалениях. Чувствительному индивиду помогает лучше, чем зеленый. Но «передозировка» этого цвета вызывает некоторую угнетенность и усталость.
• Зеленый цвет - гипнотический и болеутоляющий. Он положительно воздействует на нервную систему, снимает раздражительность, усталость и бессонницу, а также поднимает тонус и крови.
• Желтый цвет - стимулирует мозг, поэтому помогает при умственной недостаточности.
• Оранжевый цвет - оказывает возбуждающее действие и ускоряет пульс, не поднимая при этом кровяное давление. Он улучшает жизненный тонус, но со временем может утомить.
• Фиолетовый цвет - воздействует на легкие, сердце и увеличивает выносливость тканей организма.
• Красный цвет - оказывает согревающее действие. Он стимулирует деятельность мозга, устраняет меланхолию, но в больших дозах раздражает.

Виды цвета

По-разному можно классифицировать влияние цвета на восприятие. Существует теория, согласно которой, все тона можно разделить на стимулирующие (теплые), дезинтегрирующие (холодные), пастельные, статичные, глухие, теплые темные и холодные темные.

Стимулирующие (теплые) цвета способствуют возбуждению и действуют как раздражители:

• красный - жизнеутверждающий, волевой;
• оранжевый - уютный, теплый;
• желтый - лучезарный, контактирующий.

Дезинтегрирующие (холодные) тона приглушают возбуждение:

• фиолетовый - тяжелый, углубленный;
• синий - подчеркивающий дистанцию;
• светло-синий - направляющий, уводящий в пространство;
• сине-зеленый - изменчивый, подчеркивающий движение.

Приглушают воздействие чистых цветов:

• розовый - таинственный и нежный;
• лиловый - изолированный и замкнутый;
• пастельно-зеленый - мягкий, ласковый;
• серо-голубой - сдержанный.

Статичные цвета могут уравновесить и отвлечь от возбуждающих красок:

• чисто-зеленый - освежающий, требовательный;
• оливковый - смягчающий, успокаивающий;
• желто-зеленый - раскрепощающий, обновляющий;
• пурпурный - претенциозный, изысканный.

Глухие тона способствуют концентрации (черный); не вызывают возбуждения (серый); гасят раздражение (белый).

Теплые темные цвета (коричневые) вызывают вялость, инертность:

• охра - смягчает рост возбуждения;
• землисто-коричневый - стабилизирует;
• темно-коричневый - снижает возбудимость.

Темные холодные тона подавляют и изолируют раздражение.

Цвет и личность

Восприятие цвета во многом зависит и от личностных характеристик человека. Этот факт доказал в своих работах об индивидуальном восприятии цветовых композиций немецкий психолог М. Люшер. Согласно его теории, пребывающий в различном эмоциональном и умственном состоянии индивид может по-разному отреагировать на один и тот же цвет. При этом особенности восприятия цвета зависят от степени развития личности. Но даже при слабой душевной восприимчивости краски окружающей действительности воспринимается неоднозначно. Теплые и светлые тона притягивают глаз больше, чем темные. И в то же время ясные, но ядовитые цвета вызывают беспокойство, и зрение человека невольно ищет холодный зеленый или синий оттенок, чтобы отдохнуть.

Цвет в рекламе

В рекламном обращении выбор цвета не может зависеть только от вкуса дизайнера. Ведь яркие тона могут как привлечь внимание потенциального клиента, так и затруднить получение необходимой информации. Поэтому восприятие формы и цвета индивида должно обязательно учитываться при создании рекламы. Решения могут быть самыми неожиданными: например, на пестром фоне ярких картинок непроизвольное внимание человека скорее привлечет строгое черно-белое объявление, а не красочная надпись.

Дети и цвета

Восприятие цвета детьми складывается постепенно. Сначала они различают только теплые тона: красный, оранжевый и желтый. Затем развитие психических реакций приводит к тому, что ребенок начинает воспринимать голубой, фиолетовый, синий и зеленый цвета. И только с возрастом малышу становится доступно все многообразие цветовых тонов и оттенков. В три года ребятишки, как правило, называют два-три цвета, а узнают около пяти. Причем некоторые дети с трудом различают основные тона даже в четырехлетнем возрасте. Они слабо дифференцируют цвета, с трудом запоминают их названия, заменяют промежуточные оттенки спектра основными и так далее. Для того чтобы ребенок научился адекватно воспринимать окружающий мир, нужно учить его правильно различать цвета.

Развитие восприятия цвета

С самого раннего возраста нужно учить цветовосприятию. Малыш от природы очень любознателен и нуждается в разнообразной информации, но вводить ее нужно постепенно, чтобы не раздражать чувствительную психику ребенка. В раннем возрасте дети обычно связывают цвет с образом какого-нибудь предмета. Например, зеленый - елочка, желтый - цыпленок, синий - небо и так далее. Воспитателю нужно воспользоваться этим моментом и развивать цветовосприятие, используя естественные формы.

Цвет, в отличие от размера и формы, можно только увидеть. Поэтому при определении тона большая роль отводится сопоставлению путем наложения. Если два цвета поместить рядом, каждый ребенок поймет, одинаковые они или разные. При этом ему еще не нужно знать название окраски, достаточно уметь выполнять задания типа «Посади каждую бабочку на цветок такого же цвета». После того как ребенок научится зрительно различать и сопоставлять цвета, имеет смысл приступать к выбору по образцу, то есть к действительному развитию цветовосприятия. Для этого можно использовать книгу Г. С. Швайко под названием «Игры и игровые упражнения для развития речи». Знакомство с красками окружающего мира помогает ребятишкам тоньше и полнее чувствовать действительность, развивает мышление, наблюдательность, обогащает речь.

Визуальный цвет

Интереснейший эксперимент над собой поставил один житель Британии - Нил Харбиссон. Он с детства не умел различать цвета. Врачи нашли у него редчайший дефект зрения - ахроматопсию. Парень видел окружающую действительность словно в черно-белом кино и считал себя социально отрезанным человеком. Однажды Нил согласился на эксперимент и позволил вживить себе в голову специальный кибернетический инструмент, который позволяет ему видеть мир во всем его красочном многообразии. Оказывается, восприятие глазом цвета вовсе не обязательно. В затылок Нила имплантировали чип и антенну с датчиком, которые улавливают вибрацию и преобразуют ее в звук. При этом каждой ноте соответствует определенный цвет: фа - красный, ля - зеленый, до - синий и так далее. Теперь для Харбиссона визит в супермаркет сродни посещению ночного клуба, а картинная галерея напоминает ему поход в филармонию. Технология подарила Нилу доселе невиданное в природе ощущение: визуальный звук. Мужчина ставит интересные эксперименты со своим новым чувством, например, подходит вплотную к разным людям, изучает их лица и сочиняет музыку портретов.

Заключение

О восприятии цвета можно говорить бесконечно. Эксперимент с Нилом Харбиссоном, например, говорит о том, что психика человека очень пластична и может приспособиться к самым необычным условиям. Кроме того, очевидно, что в людях заложено стремление к прекрасному, выражающееся во внутренней потребности видеть мир цветным, а не монохромным. Зрение - уникальный и хрупкий инструмент, изучение которого займет еще немало времени. Узнать о нем как можно больше будет полезно каждому.