30. Opisz budowę i właściwości optyczne oka czym jest refrakcja i akomodacja oka, wymień i omów wady wzroku oraz opisz jak są one korygowane. Jak określamy i od czego zależy zdolność rozdzielczą oka?
Akomodacja oka ma pewien skończony zakres, wyznaczony przez zdolność do odwzorowania ostro na siatkówce obszaru między osiowymi punktami dalekim (D) i bliskim (B). Obraz pierwszego z nich jest utworzony na siatkówce, gdy zdolność skupiająca oka jest najmniejsza (soczewka oczna możliwie płaska), a drugiego, gdy zdolność skupiająca jest maksymalna. Odwrotność odległości sd punktu dalekiego D od oka nazywana jest refrakcją oka R - i/sd mierzoną w dioptriach. Gdy R = O, to znaczy gdy sd = w, mówimy, że oko jest miarowe. Wówczas siatkówka jest styczna do płaszczyzny ogniskowej oka nieakomudującego, punkt daleki D jest w nieskończoności. Gdy warunek ten jest niespełniony mamy do czynienia z wadą nad- lub krótkowzroczności, zależnie od tego czy R > O, czy R < 0.
Wraz z upływem lat zmienia się zakres akomodacji oka w ten sposób, że punkt bliski B zbliża się do punktu dalekiego D (ale nie odwrotnie). Zmiana położenia punktu bliskiego nie zmienia refrakcji oka. Miarowe oko dziecka ma punkt bliski w odległości zaledwie kilku centymetrów od oka, a oko człowieka 50-letniego w odległości około 0,5 m. Dlatego też w przypadku ludzi starszych potrzebne jest stosowanie okularów do czytania. Proces zwężenia zakresu akomodacji nazywamy starczowzrocznością.
Wady oka
Wśród wad oka wyróżniamy:
aberracje chromatyczne położenia i powiększenia,
aberrację sferyczną,
astygmatyzm,
krzywizna pola, dystorsja.
Jedyną wadą oka wymagającą korekcji jest astygmatyzm spowodowany niesferycznością powierzchni załamujących oka - szczególnie rogówki. Aberracje przyosiowe (koma, astygmatyzm skośnej wiązki, krzywizna pola, dystorsja i chromatyzm powiększenia) nie mają wpływu na widzenie gdyż ostrość wzroku obszaru przyosiowego uzależniona jest głównie od budowy siatkówki i zniekształcenia obrazu wywołane tymi wadami są niedostrzegalne. Podobnie też aberracja sferyczna i chromatyzm położenia powodują zniekształcenia obrazu na ogół nieodczuwalne przez obserwatora. Przedmioty, których szczegóły nas interesują oglądamy zwykle przy dużym oświetleniu, co wywołuje zwężenie źrenicy, a tym samym zmniejszenie aberracji sferycznej, która i tak w oku jest niewielka.
Zdolność rozdzielcza oka
Zdolność rozdzielcza oka zależna jest od poprzecznego przekroju wiązki światła przechodzącej przez soczewkę według zależności:
gdzie a jest minimalnym kątem pod jakim widziane są ze źrenicy wejściowej obrazy dwóch rozróżnialnych punktów. d± jest średnicą źrenicy wejściowej, natomiast K jest długością fali.
Elementem ograniczającym przekrój wiązki światła wpadającego do oka jest tęczówka, która przez odpowiednie ośrodki mózgowe i układ nerwowy jest połączona z siatkówką pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Jest ona elementem układu automatycznej regulacji strumienia świetlnego wpadającego do oka. Przeciętna wielkość źrenicy oka przy prawidłowym oświetleniu wynosi około 3 mm. Zakładając długość fali A. = 600 nm możemy wyznaczyć minimalny kąt widzenia a, który wynosi około 0,28-lO"3 rad = T.
Czynnikiem zwiększającym wartość kąta a i ograniczającym zdolność rozdzielczą d oka jest absorpcja promieniowania w rogówce, cieczy wodnistej, soczewce ocznej i ciałku szklistym. Ośrodki te absorbują około 50% energii promieniowania w zakresie widzialnym. Absorpcja soczewki ocznej ogranicza zakres promieniowania widzialnego do około 400 nm. Stwierdzono, że po usunięciu soczewki ocznej zakres obszaru widzialnego rejestrowany przez siatkówkę zwiększa się i obejmuje również promieniowanie w przedziale od 290 nm do 400 nm.
Siatkówka ma wielowarstwową strukturę komórkową. Szczególne ważną rolę w procesie widzenia pełni warstwa receptorów składająca się z dwóch rodzajów komórek światłoczułych - pręcików i czopków rozłożonych nierównomiernie wokół ciałka szklistego.
W centralnej części siatkówki znajduje się dołek środkowy, w którym siatkówka jest najcieńsza. W środku dołka położona jest plamka żółta - czyli obszar zbudowany z samych czopków, które mają tutaj minimalny przekrój. Każdy czopek z plamki żółtej posiada swojego przedstawiciela w korze mózgowej. Dlatego też zdolność rozdzielcza oka w plamce żółtej jest największa. Przy oglądaniu szczegółów przedmiotów ustawiamy oko w ten sposób aby obraz tworzony był w plamce żółtej. W miejscu plamki żółtej czopki mają średnicę około 2 (im a odległość punktu głównego obrazowego od siatkówki dla przeciętnego oka wynosi 16 mm. Położenie środków dwóch punktów widzianych jako oddzielne musi zatem być co najmniej równe 4 um. Tak więc kąt α wynosi
i jest tak dobrany, że odpowiada on katowi obliczonemu ze wzorów na zdolność rozdzielczą układu optycznego. Poza plamką żółtą zdolność rozdzielcza siatkówki gwałtownie maleje. Wynika to ze spadku liczby włókien nerwu wzrokowego (l-lO6) w stosunku do liczby komórek fotoczułych (czopków 7-106 i pręcików 140-106). Dlatego w obszarach peryferyjnych siatkówki elementarny receptor stanowi zespół nawet kilkuset komórek fotoczułych, których zsumowane pobudzenie przekazywane jest jednym włóknem. Stosunkowo duże wymiary takiego receptora są przy czy na mniejszej zdolności rozdzielczej w stosunku do obszaru osiowego. Przy dużych kątach widzenia nie rozpoznajemy szczegółów przedmiotów ale łatwo dostrzegamy ich ruch w tak zwanym peryferyjnym polu widzenia. Prawdopodobnie taki sposób analizowania obrazu siatkowego wywodzi się z rozwoju ewolucyjnego.
31. Jakie procesy dostarczają energii komórce? Na czym polega proces utleniania? Omów w jaki sposób zużytkowana jest energia komórki.
Istnieją dwa zasadnicze procesy dostarczające energii żywym układom:
• utlenianie substancji,
• fotosynteza.
W komórkach heterotroficznych źródłem energii jest utlenianie produktów pokarmowych pochodzących z procesów fotosyntezy odbywających się w komórkach autotroficznych.
Krążenie energii w świecie roślin i zwierząt związane jest zawsze z krążeniem węgla i tlenu.
Procesy oksydoredukcyjne
Reakcja składająca się z reakcji utleniania i reakcji redukcji nazywa się reakcją utleniająco-redukcyjną lub oksydoredukcyjną
A) Reakcja utleniania sprowadza się do oddawania elektronów przez substraty utlenione.Przykład:
(reakcja utleniania)
W reakcji tej jon dwuwartościowy żelazawy (Fe2+) zostaje utleniony do trójwartościowego jonu żelazowego (Fe3+) z uwolnieniem jednego elektronu.
Reakcje utleniania zachodzą zazwyczaj w obecności innych substratów. Stąd też uwolniony w reakcji utleniania elektron może być przyjęty przez inny jon np. jon wodorowy (H+), który ulega redukcji. Tak więc reakcjom utleniania towarzyszą zwykle reakcje redukcji.
B) Reakcja redukcji sprowadza się do przyjmowania elektronów przez substraty zredukowane.Przykład:
(reakcja redukcji)
W reakcji tej utleniony jon wodoru (H+), czyli proton przyjmuje elektron (e_) ulegając redukcji.
Jeżeli reakcje utleniania i redukcji zachodzą jednocześnie wówczas mamy do czynienia z reakcją utlenlająco-redukcyjną czyli oksydoredukcyjną. Reakcje te są zazwyczaj odwracalne. Przykład:
(reakcja oksydoredukcyjną)
W reakcji tej elektron (e~) z postaci zredukowanej Fe2* zostaje przeniesiony na jon wodorowy (H*).
Gdy reakcja zachodzi w prawo wówczas utleniany jest jon żelazawy (Fe2ł), a redukowany jon wodoru (Hł).
Jeżeli reakcja przebiega w lewo to utleniany jest wodór (% H2) a zredukowany jon żelazowy (Fe3+).
Utlenianie określonego substratu (oderwanie elektronów) wymaga wykonania pracy elektrycznej. Praca wykonana na układzie n moli utlenionego substratu powiększy jego entalpię swobodną ^G zgodnie ze wzorem:
gdzie z-nf oznacza łączny ładunek elektryczny powstający w procesie utleniania, n - liczbę moli substratu utlenianego, F - stałą Faradaya, z - liczbę elektronów biorących udział w pojedynczej reakcji utleniania czy redukcji, £- potencjał oksydoredukcyjny opisany wzorem:
w którym £° oznacza standardowy potencjał oksydoredukcyjny (w temperaturze 298 K i ciśnieniu 101320 Pa, pH = O i jednakowych stężeniach substratu w stanie ox lub sd).
Zwykle mówimy, że w procesach oksydoredukcyjnych przenoszone są atomy wodoru od zredukowanych substratów na atomy tlenu lub przenoszone są elektrony z układów o niskim potencjale oksydoredukcyjnym na tlen.
Procesy utleniania odbywają się w mitochondriach (organellach o kształcie zbliżonym zwykle do elipsoidalnego i wymiarach rzędu kilku mikrometrów).
Mitochondria otoczone są dwoma warstwami błon lipidowo-białkowych, z których wewnętrzna ma charakterystyczne uwypuklenia (grzebienie mitochondrialne) sięgające głęboko do jego wnętrza i powierzchnia błony wewnętrznej jest wielokrotnie większa od powierzchni błony zewnętrznej. Na błonie wewnętrznej osadzone są kompleksy enzymów katalizujących procesy utleniania i sprzężone z nimi procesy fosforylacji ADP do ATP.
Proces fosforylacji pozwala na zachowanie części energii procesów utleniania w postaci nadającej się do wykorzystania dla prowadzenia innych przemian w żywej komórce.
Warunkiem niezbędnym dla zaistnienia sprzężenia utlenień z fosforylacją jest odpowiednie rozmieszczenie przestrzenne cząsteczek substratów i enzymów biorących udział w tych procesach. Rozmieszczenie to jest zapewnione przez związanie czynnych elementów z błoną mitochondrialną
Potencjał oksydoredukcyjny najbardziej zredukowanych substratów w organizmach wynosi około -0,66 mv. Potencjał substratów, od którego zaczynają się procesy utleniania w mitochondriach, wynosi około -0,30 mV. Przeniesienie pary elektronów od takiego potencjału do +0,82 mV (potencjał oksydoredukcyjny tlenu) odpowiada zmianie entalpii swobodnej o -218 kj-mol.
Wydajności energetyczna opisanych wyżej procesów utleniania, dostarczających komórce energii są rzędu 20-30%. Pozostała część energii wydzielana jest w postaci ciepła towarzyszącego reakcjom chemicznym i zostaje rozproszona w otoczeniu.
Z punktu widzenia termodynamiki procesy oksydoredukcyjne są przemianami zwiększającymi entropię, mogą więc przebiegać samorzutnie. Powiązanie ich z tworzeniem ATP przez fosforylację ADP jest przykładem sprzężenia termodynamicznego zachodzącego w układzie otwartym, jakim jest żywa komórka lut żywy organizm.
Zużytkowanie energii przez komórkę
Energia uzyskiwana przez komórkę w drodze procesów oksydoredukcyjnych bądź fotosyntezy jest przejściowo magazynowana w związkach wysokoenergetycznych (głównie ATP), a następnie wykorzystywana do wykonania .pracy".
Wyróżnia się 4 zasadnicze rodzaje pracy wykonywanej przez komórki
A) Praca biosyntezy (praca chemiczna)
Synteza wielu związków w komórce jest procesem endoergicznym wymagającym dostarczania energii swobodnej. Przykładem może być synteza wiązania peptydowego, dla której zmiana entalpii swobodnej wynosi około 17 kj na wiązanie 1 mola. Tego samego rzędu są energie syntezy diestrowych wiązań w kwasach nukleinowych i glikozydowych wiązań w polisacharydach.
Obliczono, że w komórce bakterii Eschericha coli w ciągu sekundy dokonuje się synteza około 10 cząsteczek RNA, 1400 cząsteczek białek, 30 cząsteczek polisacharydów i 12000 cząsteczek lipidów. Ponadto w ciągu swego 20-minutowego cyklu życia, komórka syntetyzuje 2 cząsteczki DNA o masie cząsteczkowej 2-106. Procesy te wymagają zużycia (hydrolizy) około 2,5-109 cząsteczek ATP. Warto zaznaczyć, że w danym momencie w komórce E. coli znajduje się około 1-106 cząsteczek ATP. Widać więc, że ilość tego związku musi się kilkakrotnie odnawiać w ciągu sekundy. Odbywa się to wskutek tlenowej przemiany glukozy, która jest głównym źródłem energii dla E. coli.
B) Praca osmotyczna (praca transportu)
Wykorzystywana jest do utrzymania właściwego stężenia jonów i innych składników w komórce. Bezpośrednim źródłem energii dla utrzymania różnego stężenia jonów jest pompa jonowa wykorzystująca energię ATP. Zjawiska elektryczne zachodzące w komórce są także konsekwencją pracy transportu.
C) Praca elektryczna
Jest związana z transportem ładunków elektrycznych uwolnionych w procesie utleniania w polu elektrycznym. Utlenianie określonego substratu (oderwanie elektronów) wymaga wykonania pracy elektrycznej.
D) Praca mechaniczna
Najbardziej zauważalnym przykładem wykonania pracy mechanicznej przez żywy organizm jest skurcz mięśni. Jednakże z podobnymi lub analogicznymi procesami mamy do czynienia w każdej komórce.
Innym przykładem jest ruch protoplazmy w komórce. Jest to zazwyczaj ruch powolny, o prędkości rzędu mikrometra na minutę. W niektórych komórkach ruch ten może być znacznie intensywniejszy, prowadzący do uwypukleń błony komórkowej i zmian położenia komórki. Tak poruszają się ameby. Podobnie mogą przemieszczać się krwinki białe. Istota tego ruchu jest analogiczna do zjawisk ruchu w komórkach mięśniowych.
Ciepło
Każdej z wyżej opisanych przemian energetycznych towarzyszy dodatkowo zamiana części energii na ciepło i rozpraszanie tego ciepła do otoczenia. Jednakże wyższe organizmy zwierzęce wykorzystują częściowo nawet tę „odpadową" część energii na utrzymania określonej temperatury ciała, zapewniającej optymalny przebieg procesów życiowych.
licha2