Vid in njegova srajčica

Vid in njegova srajčica

Oddaja

Po poletnem premoru nadaljujemo z drugo sezono znanstvene medredakcije, ki vas bo od oktobra naprej vsak dan zjutraj obveščala tudi o novicah iz sveta znanosti. Nocoj pa začenjamo sklop dveh oddaj o svetlobi in vidu. Začeli bomo s kratkim uvodom o tem, kaj svetloba sploh je, in nadaljevali z evolucijskim razvojem očesa pri živalih. V oddaji vam bomo razložili tudi, kako svet vidijo členonožci in mehkužci, na koncu pa boste izvedeli še nekaj o človeškem očesu, njegovem delovanju in napakah.

Vidna svetloba je elektromagnetno valovanje, ki zaseda le manjši del celotnega spektra elektromagnetnega valovanja. Ko govorimo o svetlobi, imamo običajno v mislih tisti del spektra, ki ga človek zazna z očmi in se nahaja med valovnimi dolžinami 400 in 700 nanometrov. Svetlobo lahko poleg klasičnega valovnega modela predstavimo tudi z majhnimi paketki energije, imenovanimi fotoni, ki imajo poleg valovnih lastnosti tudi lastnosti delcev. To lastnost imenujemo dualizem svetlobe.

Osnovne fizikalne lastnosti svetlobe so jakost, valovna dolžina ali frekvenca, polarizacija in hitrost širjenja. Svetloba točno določene valovne dolžine predstavlja točno določeno barvo, če pa so prisotne vse valovne dolžine v pravem razmerju, dobimo belo svetlobo.

Poleg vidne svetlobe, ki jo zazna človeško oko, pod pojem svetlobe štejemo tudi elektromagnetno valovanje, ki ima nekoliko manjšo ali večjo valovno dolžino. Svetlobo z valovno dolžino, manjšo od 400 nm, imenujemo ultravijolična, spektru elektromagnetnega valovanja nad 700 nm pa pravimo infrardeča svetloba. Na ti dve področji človeško oko ni občutljivo, lahko pa ju zaznajo nekatere živali.

Valovna dolžina poleg barve določa tudi energijo, ki jo nosi en foton. Ker sta valovna dolžina in energija v obratnem sorazmerju, fotoni ultravijolične svetlobe nosijo največ energije. Daljše izpostavljanje nizkovalovni svetlobi zato ni priporočljivo, saj ima le-ta dovolj energije, da lahko povzroči spremembe v DNK-ju. Kljub svojim škodljivim vplivom pa nekaj UV-svetlobe človeško telo potrebuje, saj je pomembna pri sintezi vitamina D.

Poleg nevidnega dela spektra poznamo še eno lastnost svetlobe, ki jo človeško oko ne zazna, vendar jo v svoj prid uporabljajo nekatere živali. To lastnost imenujemo polarizacija in predstavlja smer osciliranja električne in magnetne komponente elektromagnetnega valovanja, ko potuje skozi prostor. Če je smer osciliranja posamezne komponente elektromagnetnega valovanja vedno v isti smeri glede na smer širjenja, govorimo o linearni polarizaciji. Kadar se smer električnega in magnetnega polja elektromagnetnega valovanja ob potovanju skozi prostor suče, pa govorimo o krožni ali eliptični polarizaciji.

Zdaj pa preskočimo z elektromagnetnega na mehansko valovanje in ob zvoku glasbe sprostimo svoje možgane. Po komadu pa bomo nadaljevali z razvojem očesa in pogledom žuželk na svet.

Ted Nugent & The Amboy Dukes: Why is a carrot more orange than an orange

Dobrodošli nazaj na valovih Radia Študent, kjer se v oddaji Frequenza della scienca pogovarjamo o vidu. V uvodu ste lahko slišali, kaj je svetloba iz fizikalnega vidika, zdaj pa se podajamo v bolj biološke vode. Začnimo torej na začetku.

V treh in pol milijardah let se je v procesu evolucije izoblikovala nepredstavljiva pestrost živih organizmov. Zanimivo je dejstvo, da so se med več kot tridesetimi raznolikimi živalskimi debli kompleksne oči razvile le pri tretjini. Druga tretjina nima pravih oči, temveč ima majhne, na svetlobo občutljive organe, imenovane oceli, zadnja tretjina pa svetlobe sploh ne zaznava. Toda če pogledamo živalsko favno, kaj kmalu opazimo, da so prav organizmi iz debel z dobro razvitimi očmi zavladali Zemlji. Govorimo o mehkužcih, vretenčarjih in členonožcih.

Med živimi organizmi so pri zgradbi različnih oči upoštevane in optimalno izkoriščene vse fizikalne lastnosti svetlobe od valovne dolžine, loma, odboja do polarizacije in energije fotonov. Prvo oko v zemeljski zgodovini je na podlagi fosilnih ostankov zabeleženo v zgodnjem kambriju pred približno 530 milijoni let. Večino živali zgodnjega kambrija bi lahko umestili v danes obstoječa filogenetska debla. Samo 20 milijonov let pred kambrijem so bile življenjske oblike mnogo preprostejše, nato pa se je v razmaku manj kot petih milijonov let število organizmov izrazito povečalo, pojavili so se tudi posamezniki z velikimi očmi. Ta pomemben evolucijski dogodek poznamo kot kambrijsko eksplozijo.

Razvoj boljših oči sovpada z večanjem telesne mase organizmov, njihove hitrosti premikanja in razvojem oklepa, saj se je vzporedno z vidom izpopolnil tudi plenilski način življenja. Prehod od preprostega očesa k bolj naprednim organom vida se je v geološki zgodovini zgodil relativno hitro. Ocenjujejo, da se je razvoj od krpice tkiva, občutljivega na svetlobo, do očesa, ki spominja na oko sodobnih rib, odvil le v pol milijona let. Natančnejša slika notranje zgradbe zgodnjega očesa ostaja neznanka, saj so oči na fosilih pogosto ohranjene le kot temne pike.

Skupni izvor oči pri različnih živalskih vrstah pa se nam razkrije tudi, če pogledamo na oko z molekularnega vidika. Pri rastlinah in bakterijah so poznane različne molekule, ki zbirajo in zaznavajo svetlobno energijo, vendar se pri živalih pojavlja le nekaj svetlobno zaznavnih sistemov in le ena vrsta beljakovine, ki je sestavni del vseh vidnih sistemov živali. Osnovno načelo zaznave svetlobe temelji na spremembi konformacije oziroma oblike proteina iz družine opsinov. Iz tega lahko sklepamo, da je zadnji skupni prednik živalskega kraljestva že imel na svetlobo občutljive opsine, ki so preko kaskade biokemijskih reakcij sprožile odziv organizma na svetlobo. Vendar pa to še ne potrjuje hipoteze, da je imel skupni prednik vseh živali že oči, bolj verjetno je namreč, da je bila prisotna sama beljakovina, iz katere so se neodvisno razvili različni tipi organov prostorskega vida pri vretenčarjih, mehkužcih in členonožcih.

Razvoj oči je v grobem vodil v dve smeri. Na pigmentni površini se je razvilo več fotoreceptorskih celic, kot se je to zgodilo pri vretenčarjih, ali pa se je celotni vidni organ multipliciral, kot to opazimo pri žuželkah. Zato ločimo dva osnovna tipa oči. Kamričasto oko, ki ga najdemo pri vretenčarjih, pajkovcih in mehkužcih, ter sestavljeno oko, ki ga najdemo kot poglavitni organ vida pri ostalih členonožcih. Veliko žuželk ima sestavljene oči, ki služijo kot organ za tvorbo slik, ter ocele, ki so majhna očesca z zelo omejeno sposobnostjo tvorbe slike.

Sestavljeno oko gradijo ponavljajoče se dobro organizirane enote, ki jih imenujemo očesca ali omatidiji. Število omatidijev pri žuželkah varira od le nekaj do več sto ali več tisoč. Sestavljeno oko kačjih pastirjev gradi okoli 30000 omatidijev, oko vinske mušice okoli 800 omatidijev, medtem ko ima mravlja le en omatidij na vsaki strani glave.

Vsak omatidij je sestavljen iz dioptričnega aparata, ki zbira svetlobo, ter iz svetločutnega dela, ki pretvarja svetlobo v spremembo napetosti na membrani receptorske celice. Na površini omatidija je kornealna leča, ki jo prekriva prosojna hitinska plast, pod lečo pa se nahaja kristalni stožec, ki pri večini žuželk tvori sekundarno lečo. Korealne leče po navadi ležijo tesno skupaj in imajo obliko šesterokotnih faset. Fototransdukcija ali pretvorba svetlobe v spremembo napetosti na membrani se zgodi na fotoreceptorskih celicah pod kristalnim stožcem. Ključni del kompleksne sestave fotoreceptorske celice je na svetlobo občutljiva rabdomera z nekaj deset tisoč mikrovili, na katerih poteka fototransdukcija. Vse rabdomere enega omatidija skupaj tvorijo rabdom.

 

V grobem ločimo glede na povezanost omatidijev dve vrsti sestavljenih oči – apozicijsko in superpozicijsko oko. Pri apozicijskem očesu so omatidiji med seboj optično ločeni in svetloba med njimi ne prehaja. Posledica je slabša svetlobna občutljivost, a boljša ločljivost. O strukturi in funkciji superpozicijskega očesa smo se pogovarjali z Gregorjem Belušičem z Biotehniške fakultete:

Izjava

Kaj je glavni problem žuželčjega očesa?

Izjava

Podobno kot vretenčarji imajo tudi žuželke na enem delu očesa bolj jasno sliko kot drugje. Pri človeku ta del imenujemo rumena pega. Na tem delu mrežnice je fokus največji, saj je razmerje med fotoreceptorji in nevroni ena proti ena. Pri žuželkah je fokus na enem delu izostren tako, da je kot med omatidiji manjši, zato je ostrina vida večja. Večje fasete pomenijo več svetlobe in višjo občutljivost na svetlobo. Boljše je tudi razmerje med signalom in šumom, zato lahko v nekem delu vidnega polja žuželka bolje vidi.

Kakšna je ključna razlika med pogledom žuželčjega sestavljenega očesa in človeškega kamričastega očesa, smo vprašali Gregorja Belušiča:

Izjava

Ločljivost žuželčjega očesa je podana s kotom med dvema očescema, ki meri približno eno stopinjo. Kot je pri redkih vrstah lahko manjši, tudi do četrt stopinje, pogosteje pa je kot večji od ene stopinje. Pri nas je ločljivost podana z mejo uklona svetlobe in razdaljo med sosednjimi fotoreceptorji. Če je oko maksimalno izostreno, je kotna razdalja med sosednjima pikama med 0,02 in 0,03 stopinje. Za lažje predstavljanje poglejte v Luno. Širina Lune, če jo pogledamo z našega planeta, meri v kotni razdalji pol stopinje, torej je ločljivost vida hišne muhe enaka približno trem širinam Lune. Če sta dve točki oddaljeni manj, kot merijo tri širine Lune, ju bo muha videla kot eno samo.

Kot razloži profesor Belušič, pa se pomen ločljivosti zabriše, če upoštevamo še dinamični aspekt žuželčjega vida.

Izjava

Poleg ločljivosti je pri vidu pomembno tudi zaznavanje barv. Kako pa se v tej lastnosti naše oko razlikuje od žuželčjega?

Izjava

Vid je glede na barvni spekter lahko akromatski, tak ki barv ne zaznava, dikromatski, ki zaznava dve barvi, trikromatski in tako naprej do sedemnajstkromatski. Slednji se pojavlja pri določenih žuželkah in rakih, kot je bogomolčar oziroma kanoča, če ga iščete na tržnici v Kopru. Toda kaj tem členonožcem barva pomeni?

Izjava

Polarizirana svetloba je zaznavno nedostopna predvsem sesalcem, medtem ko jo nekateri vretenčarji, recimo ribe, vidijo. Zaznavajo jo lahko tudi mnoge druge žuželke. Kakšno informacijo lahko nosi polarizirana svetloba?

Izjava

Kljub temu, da imajo glavonožci akromatski vid, pa se z obarvanjem površine kože lahko popolnoma zlijejo z okolico. Belušič nam je tako povedal, da so letos začele potekati raziskave, ki še niso dokončane, a močno kažejo v smer, da imajo glavonožci v koži disperzno razporejene barvne receptorje, s katerimi zaznavajo barve v okolju. Glavonožci so namreč ene redkih živali, ki imajo akromatski vid in na nek način gledajo s kožo. Njihovo oko je kamričasto, tako kot naše, a je način prenosa informacije preko receptorjev enak kot pri žuželkah.

Zdaj pa za nekaj minut izklopimo svoje oči in vklopimo svoja ušesa, saj prihaja glasbeni premor.

Zmelkoow - Sexy rdeče oči

Dobrodošli nazaj. Nahajamo se na frekvenci Radia Študent, kjer poslušate oddajo Frequenza della scienca, ki jo danes posvečamo vidu in očem. Veliko smo že slišali o fizikalni naravi svetlobe in o vidu pri žuželkah. V nadaljevanju bomo spregovorili še o človeškem očesu. Nekaj o človeških očeh in obdelavi vidne slike v možganih smo povedali že marca, ko smo pripravili reportažno oddajo s Tedna možganov, naslovljene Zakulisje pogleda. Nocoj pa se bomo sprehodili preko najpomembnejših očesnih struktur in opisali njihove funkcije ter kaj nam lahko pogled v človeško oko pove o človeku.

Ljudje imamo par tako imenovanih kamričastih oči, ki sta frontalno usmerjeni. Zaradi tega se vidno polje obeh oči deloma prekriva in prav to nam omogoča globinski vid. Za razliko od ljudi imajo nekatere živali, na primer zajci, oči postavljene stransko. Prekrivanje vidnega polja je v tem primeru zelo majhno, vendar omogoča veliko širši kot zaznavanja. Stransko postavljene oči so tako značilne predvsem za živali, ki predstavljajo plen, medtem ko so frontalne oči značilne za plenilce ali pa za primate, ki delajo z rokami in jim je pomemben vid na blizu.

Oko je sestavljeno iz zrkla in zunanjih očesnih delov. Zunanji očesni deli so veke, očesne mišice in solzni aparat. Zrklo sestavlja več delov, od katerih so na zunaj vidni šarenica, beločnica, roženica in zenica, v notranjosti pa med drugim najdemo lečo in mrežnico.

Beločnica ali sclera je pri ljudeh brez pigmenta, zato sta šarenica in zenica dobro vidni. Pri ostalih primatih je beločnica temne barve. Po hipotezi sodelovalnih oči naj bi se ta značilnost človeškega očesa razvila zato, da lahko hitro opazimo, kam gleda drug človek. To nam omogoča boljšo nebesedno komunikacijo in posledično sodelovanje.

Beločnica pa tudi pri človeku ni vedno bela. Rumeno obarvane oči se lahko pojavijo pri boleznih jeter. Do tega pride zaradi povišane koncentracije bilirubina, rumene snovi, ki nastaja pri razpadu rdečih krvnih celic. Rdeče beločnice pa se pojavijo ob širjenju žil in lahko signalizirajo alergije, utrujenost in vnetje ali pa intoksikacijo s kanabinoidi.

Podobno kot beločnica nam tudi veke pomagajo pri medosebni komunikaciji, če pomežiknemo osebi, ki nam je všeč. Mežiki pa nam lahko povedo tudi še kaj več. Sodeč po neki študiji ženske, ki jemljejo kontracepcijske tablete, mežikajo za tretjino pogosteje od ostalih ljudi. Vzroki za to niso znani, bolj raziskana pa je povezava med ravnijo dopamina in pogostostjo mežikanja. Snovi, ki povečujejo delovanje na dopaminskih receptorjih v striatumu, strukturi, ki se nahaja pod možgansko skorjo, povečajo tudi pogostost mežikanja. Bolniki s parkinsonovo boleznijo, pri katerih je dopamina premalo, pa mežikajo redkeje.

Svetloba v oko vstopa preko zenice. Ta se krči in širi v odvisnosti od osvetlitve in tako nadzoruje količino svetlobe, ki pride v oko. Črne barve se zdi zato, ker se svetloba absorbira v notranje dele oči. Pri starejših fotoaparatih so se ob uporabi bliskavice na fotografijah pojavile rdeče oči. Do tega je prišlo zaradi odboja svetlobe od mrežnice. Novejši fotoaparati pa ta problem rešujejo s predbliskom, ki omogoči, da se zenica pravočasno skrči.

Spremembe v širini zenice se lahko pojavijo ob vplivanju na različne nevrotransmiterje. Povečanje zenic se pojavi ob uživanju drog, kot sta LSD in MDMA, ki vplivajo na serotonin, ali ob spolnem vzburjenju, pri katerem se sprošča oksitocin. Enako se zgodi ob uporabi antiholinergičnih drog, ki blokirajo delovanje na muskarinskih receptorjih v očesnih mišicah in jih pri pregledu oči uporabljajo tudi oftamologi. Nasprotno pa opiati povzročijo krčenje zenic. Stanju, ko sta zenici neenakomerno razširjeni, rečemo anizokorija in je lahko povsem benigno, kot na primer pri Davidu Bowieju. Včasih pa je to znak za preplah, saj lahko nastane kot posledica povišanega znotrajlobanjskega pritiska, ki lahko povzroči hude poškodbe možganov.

V očesu se svetloba lomi preko konveksne leče, ki zbira žarke na mrežnici. Mrežnica je večslojna struktura, v kateri se na vrhu nahajajo na svetlobo občutljive celice ali fotoreceptorji. V nižji plasteh se nahaja več vrst celic, ki prevajajo signal do ganglijskih celic. Te tvorijo vidni živec in pošiljajo informacijo v možgane.

V fotoreceptorskih celicah svetloba v procesu, imenovanem fototransdukcija, preko sprememb v proteinih sproži spremembo v akcijskem potencialu, ki se nadalje prevaja po živčnih celicah. Med fotoreceptorskimi celicami so najbolj znani čepki in paličice. Paličic je 125 milijonov in so najbolj občutljive v pogojih nizke osvetljenosti, medtem ko je čepkov, ki so prilagojeni za gledanje podnevi, 7 milijonov. Predavatelja optometrije na Univerzi Velika Gorica v Zagrebu, Matjaža Mihelčiča, smo povprašali, zakaj je dnevni vid veliko ostrejši kot nočni.

Izjava

Čepki nam poleg ostrega vida omogočajo tudi zaznavanje barv. Poznamo tri vrste čepkov, vsaka od njih je občutljiva na drugi del barvnega spektra. Različne valovne dolžine v različnem razmerju aktivirajo tri vrste čepkov, in zato lahko vidimo okoli 10 milijonov barv.

Pri ljudeh z nepravilnim delovanjem čepkov se lahko pojavijo razne vrste barvne slepote. Glede na to, ali gre za spremembe v enem pigmentu ali pa za popolno pomanjkanje določene vrste čutnic, ločimo nepravilne trikromate, dikromate in monokromate. Matjaž Mihelčič nam je pojasnil, zakaj je večina barvno slepih ljudi moškega spola:

Izjava

Poleg barvne slepote pa poznamo še tetrakromijo. Ljudje s to lastnostjo imajo štiri vrste čepkov in zato razločijo več barv kot ostali. Ta pojav je zelo redek, vzroki zanj pa so najverjetneje genetski in se nasprotno od barvne slepote pojavlja predvsem pri ženskah.

Z delovanjem čepkov lahko razložimo tudi pojav paslik oziroma kontrastov, ki se pojavijo, ko dolgo časa zremo v neko podobo. Ponovno Matjaž Mihelčič:

Izjava

Poznamo še eno vrsto barvne slepote, ki se imenuje cerebralna ahromatopsija ali tudi barvna agnozija. Ta se ne pojavi zaradi nepravilnega delovanja na ravni mrežnice, pač pa zaradi lezij v področju vidnega korteksa V4. Ljudje s to motnjo vidijo svet v odtenkih sive, težave pa imajo tudi z zaznavanjem oblik. Barve nam namreč pogosto nudijo tudi informacijo o oblikah.

Čepki in paličice pa niso edini fotoreceptorji. Matjaž Mihelčič govori o tretji vrsti fotoreceptorjev:

Izjava

Fotosenzitivne ganglijske celice so bolj občutljive na nižji del svetlobnega spektra, ki je blizu modri svetlobi. V temi so te celice manj aktivne in takrat se začne izločati melatonin, ki ima pomembno vlogo pri spanju. To spoznanje izkoriščamo pri zdravljenju jet laga in sezonske afektivne motnje, pogovorno imenovane tudi zimska depresija, pri katerih pomaga izpostavljanje modri svetlobi.

Pri nekaterih boleznih je mrežnica tako poškodovana, da pride do popolne slepote. Zahvaljujoč napredku znanosti in tehnologije lahko slepim osebam pomagamo z bioničnimi očmi. Kako deluje bionično oko?

Izjava

Opisali smo delovanje očesa, vendar to samo po sebi še ni zadostno za vid. Šele v možganih se odvijejo številni procesi, ki nam omogočajo orientacijo v prostoru in prepoznavanje objektov. Vidni sistem je za nas tako pomemben, da abstraktne metafore, ki izhajajo iz vida, uporabljamo tudi v jeziku. Rečemo, na primer, da smo prišli do vpogleda, da so se nam misli zbistrile, ali pa da je nekdo podal jasen odgovor. Kakšen je pa vaš pogled na to?

Metaforično videti pomeni vedeti, na drugi strani pa kratkovidnost stereotipno povezujemo z višjim intelektom. Za konec smo Matjaža Mihelčiča vprašali še, ali je res, da so kratkovidni ljudje tudi pametnejši.

Izjava

S tem zaključujemo prvo oddajo o sprejemanju svetlobe. Svetlobe ne bomo še tako kmalu izpustili iz svojih misli in vabimo vas k poslušanju naslednje oddaje, v kateri bomo spregovorili o kamerah, fotoaparatih in drugih tehnoloških lovilcih fotonov. Se slišimo čez štirinajst dni!

 

V oči smo se gledali Rok, Andraž in Urša.

facebook twitter rss

Prikaži Komentarje

Komentarji

gregor belušič obvlada zadevo. tako kot obvlada igranje kitare. car.

https://www.youtube.com/watch?v=KP-ffw7LYVQ

Komentiraj

Plain text

  • No HTML tags allowed.
  • Spletni in e-mail naslovi bodo samodejno pretvorjeni v povezavo.
  • Samodejen prelom odstavkov in vrstic.

Z objavo komentarja potrjujete, da se strinjate s pravili komentiranja.