Opracowanie: Klaudia Gaczoł Opiekun: Romana Woźnik Gimnazjum nr 1 im. H. D. Steinhausa ul. Jelenia 7 54 – 242 Wrocław SPIS TREŚCI 1. Wstęp 2. Budowa oka 3. Jak działa oko? 4. Różne kolory świata 5. Widzenie przestrzenne 6. Kolory oczu 7. Wady wzroku 8. Jak narkotyki i alkohol zmieniają nasze widzenie 9. Widzenie pod wodą 10. Widzenie u zwierząt 11. Wywiad 12. Zrobiłam oko! 2 1. WSTĘP Z punktu widzenia fizyki oko jest receptorem fal elektromagnetycznych światła widzialnego, z których tworzy obraz. Oko przekształca ten obraz w bodźce nerwowe, które wysyłane są do mózgu. Oko jest więc tylko narzędziem, dostarczającym informacji do mózgu. Dopiero w mózgu, pochodzące z obu oczu obrazy łączą się w jeden, zostają ponownie odwrócone i zarejestrowane jako obraz. Być może zabrzmi to dziwnie, ale można więc powiedzieć, że „widzimy za pomocą mózgu”. Żaden narząd zmysłów nie dostarcza człowiekowi tak wielu bogatych informacji i wrażeń jak oko. Jest to jeden z najbardziej skomplikowanych narządów, jakimi dysponujemy. Narząd wzroku jest naszym najważniejszym zmysłem, który umożliwia nam funkcjonowanie w świecie zewnętrznym. Oko człowieka to najdoskonalszy narząd optyczny jaki został kiedykolwiek stworzony. Człowiek naśladuje przyrodę, buduje soczewki, teleskopy i wiele innych urządzeń optycznych działających na ogólnych zasadach działania oka. 2. BUDOWA OKA Rysunek 1 przedstawia schematyczną budowę oka. Rys. 1 Rogówka - przepuszcza promienie świetlne do wnętrza oka, zbudowana jest z przezroczystej błony włóknistej. Tęczówka to umięśniona część błony naczyniowej, otacza źrenicę. W tęczówce zawarty jest pigment, który sprawia, że jest ona kolorowa. Mięśnie tęczówki regulują ilość promieni świetlnych docierających w głąb oka. 3 Soczewka jest położona za tęczówka i źrenicą. Jest umocowana za pomocą mięśni rzęskowych. Załamuje ona promienie świetlne, które później docierają do siatkówki. Siatkówka jest umieszczona w tylnej części oka. Składa się z warstwy zbudowanej ze światłoczułych komórek (czopki i pręciki) oraz dwóch warstw zbudowanych z neuronów przewodzących bodźce wzrokowe. Na siatkówce znajduje się plamka żółta. Jest to miejsce o największym skupieniu czopków, dlatego odznacza się największą wrażliwością na barwy i światło. Niżej znajduje się plamka ślepa, która jest pozbawiona komórek światłoczułych i dlatego niewrażliwa na światło. 3. JAK DZIAŁA OKO? Układ optyczny oka przyrównać można do aparatu fotograficznego, przy czym rolę soczewek obiektywu spełniają rogówka i soczewka oka, rolę przysłony - tęczówka, a warstwy światłoczułej kliszy - siatkówka. Zarówno na siatkówce, jak i na kliszy fotograficznej powstaje obraz pomniejszony, odwrócony i rzeczywisty (Rys. 2) . Rys. 2 Światło wpada do oka, przechodzi m.in. przez rogówkę, tęczówkę, soczewkę i dociera do siatkówki, gdzie wywołuje wrażenie wzrokowe. Za pośrednictwem nerwów łączących się w nerw wzrokowy wrażenie te są przekazywane do mózgu. Rogówka oraz soczewka skupiają promienie świetlne. Dzięki temu na siatkówce oka powstaje ostry obraz obserwowanego przedmiotu. Soczewka ma możliwość zmiany swojego kształtu a co za tym idzie mocy optycznej. Mięsień w kształcie pierścienia może powodować, że soczewka jest grubsza lub cieńsza. Pozwala to na ogniskowanie na siatkówce przedmiotów znajdujących się w różnych odległościach od oka. Zdolność tę nazywamy akomodacją. Mechanizm akomodacji słabnie z wiekiem. Wbrew powszechnemu mniemaniu, to rogówka stanowi o sile skupiającej oka, a soczewka jest dodatkowym elementem, który dostraja ostrość obraz powstającego na siatkówce. Jeśli ognisko obrazowe pokrywa się z siatkówką to mamy ostre widzenie (Rys.3). Jeśli oko nie jest w stanie zogniskować światła dokładnie na siatkówce - pojawiają się wady wzroku. Rys.3 4 Mięśnie tęczówki regulują ilość promieni świetlnych docierających w głąb oka. Kiedy się zwęża, wówczas źrenica ma dużą średnicę, a do siatkówki dociera dużo promieni świetlnych. Gdy zaś tęczówka się rozszerza, średnica źrenicy zmniejsza się, co jest równoznaczne z małą ilością docierającego światła (Rys. 4). Rys. 4 Oczy to bardzo delikatny narząd w ciele człowieka, dlatego też są dobrze chronione. Gałka oczna położona jest w kostnym oczodole, który chroni ją przed różnymi uszkodzeniami. Funkcje ochronne pełnią także rzęsy, powieki, brwi, a także łzy, w których skład wchodzą sole i antybakteryjne enzymy. Łzy zwilżają powierzchnie oka i usuwają z niego zanieczyszczenia. Powieki chronią przed zbyt silnymi bodźcami świetlnymi oraz przed różnymi ciałami obcymi, które mogłyby wpaść do oka. Rozprowadzają również łzy na rogówce dzięki czemu pozostaje ona czysta i wilgotna oraz nie jest szorstka i nie mętnieje. Rzęsy z kolei zatrzymują kurz i pył, a brwi chronią oczy przez potem spływającym z czoła. 4. RÓŻNE KOLORY ŚWIATA Oko człowieka odbiera światło o długości fali elektromagnetycznej od około 400nm (dla światła o barwie fioletowej) do 760nnm (dla światła o barwie czerwonej). Poniżej i powyżej tego przedziału znajduje się niewidzialna dla oka człowieka podczerwień i ultrafiolet. Nie widzimy również promieni gamma, promieni X i innych (Rys. 5). Rys. 5 Promieniowanie widzialne, które wnika do oka, wywołuje reakcje elektrochemiczne w czopkach i pręcikach, znajdujących się na siatkówce oka. Każda z tych światłoczułych komórek wysyła bodźce do włókien nerwów biegnących do mózgu. Pręciki „widzą” w półmroku a czopki „widzą” barwy oraz odpowiadają za ostrość widzenia przy dobrym 5 oświetleniu. Rys. 6 przedstawia powiększony fragment siatkówki. Trójkątne kształty po stronie to czopki, a podłużne to pręciki. Rys. 6 Aby mózg widział kolory, musi porównać sygnały docierające z trzech różnych czopków („czerwonego, zielonego i niebieskiego”). Wymieszanie światła barwy czerwonej, niebieskiej i zielonej (barwy podstawowe), w takich samych proporcjach, daje światło białe. Czerwone i zielone – kolor żółty, niebieskie i zielone – kolor sinoniebieski, czerwoni i niebieski – kolor magnety. Gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają pracować i nie rozpoznajemy barw. Zaczynają wtedy pracować pręciki, które pozwalają widzieć jednobarwne przedmioty przy słabym oświetleniu. Pręciki zawierają barwnik tzw. rodopsynę, która jest bardziej czuła na kolor niebieski i zielony, a mniej na czerwony, który w nocy odbierany jest jako czarny. Rys. 7 przedstawia wykres krzywej czułości widmowej oka ludzkiego (współczynnik K podaje jak odbieramy fale o poszczególnych długościach w stosunku do wartości maksymalnej). Maksimum czułości dla czopków wynosi 550nm (linia ciągła), zaś dla pręcików - 510nm (linia przerywana). Rys. 7 6 5. WIDZENIE PRZESTRZENNE Po drodze do mózgu nerwy prawego i lewego oka krzyżują się (Rys. 8 i 9) Obrazy są projektowane jeden na drugim, dzięki czemu możliwe jest widzenie przestrzenne oraz ocenienie odległości oglądanego przedmiotu. Rys. 8 Rys. 9 Jeśli obserwowany przedmiot znajduje się bliżej nas, mięśnie gałek ocznych ustawiają się tak, aby osie widzenia przechodziły przez ten przedmiot, przecinając się. Im bliżej oczu znajduje się oglądany przedmiot, tym osie patrzenia przecinają się pod większym kątem. Mózg analizując ten kąt określa odległość obserwowanego przedmiotu od oka. Człowiek ma parę oczu, ponieważ każde oko widzi trochę inaczej ten sam obiekt. Wytworzone na siatkówce obrazy różnią się od siebie. W ośrodkach wzroku, które mieszczą się w korze mózgowej następuje scalenie obrazu, a oglądany przedmiot postrzegany jest jako obraz trójwymiarowy (stereoskopowy). W zależności od tego, jak silnie wzrok musi skupić się na danym przedmiocie, mózg ocenia odległość od przedmiotu. Gdyby zatem człowiek miał tylko jedno oko, bardzo trudno byłoby mu określać odległość obserwowanego przedmiotu od siebie. Człowiek posiada oczy z przodu głowy co pozwala lepiej ocenić odległość, ponieważ ich zasięg widzenia binokularnego (obuocznego) jest większy. Dla porównania zwierzęta posiadające oczy po bokach głowy widzą dookoła, ale ich zasięg widzenia jest znacznie mniejszy (Rys.10) Rys.10 7 Aby przekonać się, co się dzieje, jeśli patrzymy tylko jednym okiem, możemy wykonać następujące doświadczenie. Na kartce papieru, leżącej na stole w odległości 75 cm, zaznacz kropkę. Zasłoń ręką jedno oko, do drugiej ręki weź ołówek i spróbuj dotknąć nim kropki (Rys. 10a). Za pierwszym razem jest to bardzo trudne, ponieważ potrzebujemy obojga oczu, aby precyzyjnie zlokalizować punkt na kartce.. Rys.10a 6. KOLORY OCZU Światło padające na tęczówkę ulega rozproszeniu. Im fala krótsza, tym bardziej jest rozpraszana, dlatego światło barwy niebieskiej rozprasza się bardziej, niż czerwone. Tęczówka zawiera barwnik, zwany melaniną, który absorbuje światło. Duża ilość melaniny pochłania większość światła i tęczówka jest ciemnobrązowa. Jeśli jest mniej barwnika – mamy kolor jasnobrązowy, jeszcze mniej – kolor zielony. Bardzo mała ilość melaniny powoduje, że dominuje błękit. Źrenica jest czarna, ponieważ warstwa komórek, które leżą za siatkówką jest bogata w melaninę i absorbuje całe światło, które przeszło przez siatkówkę. Światło nie odbija się wstecz, nic nie wydostaje się przez źrenicę i dlatego jest dla nas czarna. U albinosów melanina nie powstaje. Nie ma więc co absorbować światła. Światło z powrotem odbija się w kierunki tęczówki i źrenicy, oświetla naczynia krwionośne i sprawia, że oczy maja kolor czerwony lub różowy (Rys. 10b). Podobne zjawisko występuje, gdy robimy zdjęcie z lampa błyskową. Bardzo intensywne światło lampy nie jest całkowicie pochłaniane przez komórki nabłonka i mamy na zdjęciu czerwone oczy (Rys. 10c) Rys. 10b Rys. 10c 8 7. WADY WZROKU Aby obraz powstający w oku był wyraźny, promienie świetlne, wpadające przez źrenicę do oka, powinny skupić się dokładnie na siatkówce. Gdy tak się nie dzieje mamy do czynienia z wadami wzroku np. krótko- i dalekowzrocznością, astygmatyzmem. Rys. 11a przedstawia oko miarowe, która skupia równoległą wiązkę promieni na warstwie fotoreceptorowej siatkówki bez akomodacji. Inaczej mówiąc ognisko obrazowe układu optycznego oka nieakomodującego leży na siatkówce. Rys. 11a Rys. 11b Rys. 11c Krótkowzroczność (Rys. 11b) - jeśli oko jest za długie lub rogówka albo soczewka zbyt wypukła, wtedy obraz powstaje przed siatkówką. Krótkowidz przysuwa przedmiot bliżej oczu. Korekcję krótkowzroczności daje soczewka ujemna (rozpraszająca) – Rys. 12a. Nadwzroczność (Rys. 11c) - jeśli oko jest za krótkie, lub rogówka albo soczewka zbyt płaskie, wtedy obraz powstaje za siatkówką. Dalekowidz odsuwa przedmiot od oczu. Poniższy rysunek przedstawia schematycznie jak widzi osoba z wadą nadwzroczności. Korekcję nadwzroczności zapewnia soczewka skupiające (dodatnia) – Rys. 12b. Rys. 12a Rys. 12b 9 Astygmatyzm (niezborność rogówkowa, Rys. 13) – towarzyszy zazwyczaj krótko- i dalekowzroczności. Zła krzywizna rogówki sprawia, że promienie świetlne nie skupiają się w jednym punkcie ale jakby w dwóch płaszczyznach. Rys. 13 W celu lepszego zrozumienia działania oka buduje się różnego rodzaju modele. Jednym z takich modeli jest tzw. „oko w akwarium”. Bardzo ważną częścią modelu jest soczewka o zmiennej ogniskowej. Zmiany jej parametrów uzyskuje się przez wtłaczanie lub odpompowanie gliceryny z wnętrza pojemnika, który kształtem przypomina soczewkę oka (Rys. 14). Siatkówkę stanowi płytka wykonana z pleksi. Za pomocą modelu można pokazać wszystkie trzy wady wzroku opisane powyżej (Rys. 15a i b) . Rys. 14 Rys. 15a. Model krótkowzroczności Rys. 15b. Model astygmatyzmu 10 Daltonizm - polega na złym rozpoznawaniu barw. Nazwa wady pochodzi od nazwiska angielskiego fizyka i chemika J. Daltona, który jako pierwszy opisał ślepotę na barwy zieloną i czerwoną. Rys. 17 Rys. 18a Rys. 17 przedstawia trzy rodzaje czopków, które reagują na światło niebieskie, czerwone lub zielone. Człowiek, który nie jest daltonistą widzi kolory, tak jak prezentuje Rys. !8a. Jeśli „czerwone” czopki nie zawierają barwnika, to czerwień i jej barwa dopełniająca czyli niebieskawa – zieleń, wyglądają szaro (Rys.18b). Czopki reagujące na niebiesko – fioletowe światło nie zawierają barwnika, to nie da się dostrzec błękitu ani kolorów dopełniających go (żółci, Rys. 18c). Rys. 18b Rys. 18c 8. JAK NARKOTYKI I ALKOHOL ZMIENIAJĄ NASZE WIDZENIE Często spotykanym efektem ubocznym zażywania narkotyków i picia alkoholu są zakłócenia widzenia – od zamazanych konturów po dziwaczne i niepokojące halucynacje. Alkohol – powoduje, że napięcie mięśni poruszających gałkami ocznymi jest nieprawidłowe i utrudnione jest ogniskowanie widzenia obu oczu na jednym punkcie. Każde z oczu może wtedy ogniskować na innym punkcie. Efektem jest tzw. podwójne widzenie, ich obrazy mogą przenikać się wzajemnie i pływają przed oczyma (Rys. 19). 11 Rys. 19 Konopie indyjskie - jeden z ich składników zaburza pracę m.in. mięśni, obraz staje się zamazany, ocena odległości utrudniona, kolory przejaskrawione. Czasami nad całością obrazu dominuje mało istotny szczegół, np. wskazówka zegara (Rys. 20a) LSD - stwarza wrażenie tzw. widzenia przezroczystego. Wydaje się wówczas, że nasz wzrok może przeszywać na wylot. Nie dostrzegamy np. szczegółów wyglądu obserwowanych osób, lecz widzimy ich kontury np. kości (Rys. 20b). Rys. 20a Rys. 20b 9. WIDZENIE POD WODĄ W wodzie widzimy inaczej. Woda zmienia bieg światła w wyniku np. zjawiska załamania (Rys.21a). Zjawisko to powoduje, że obiekty wydają się być bliżej niż w rzeczywistości. Przybliżenie wynosi ok. 4/3, np. obiekt odległy o ok. 4m, wydaje się być oddalony tylko o 3m. Dzieje się tak, ponieważ promienie z wody wchodząc do oczu załamują się mniej niż te z powietrza. Dlatego też, nasz mózg, który jest dostosowany do widzenia w powietrzu, konstruuje obrazy pod wodą tak, jakby otoczenie było powietrzem. Łyżka na rys. 21b wydaje się „złamana”. 12 Rys. 21a Rys. 21b (Fot. Klaudia Gaczoł) Woda zmienia bieg światła również w wyniku zjawiska rozpraszania. Światło czerwone zanika bardzo szybko wraz z głębokością. Potem absorbowane jest światło barwy pomarańczowej i żółtej, dlatego tez obiekty znajdujące się głębiej, które były czerwone lub żółte są szare lub czarne. Jest tam zbyt mało światła w takich barwach, które mogłyby się odbijać od przedmiotów. Czysta woda jest najbardziej przejrzysta dla fal o długości 480nm – oko odbiera kolor niebieski. Zanieczyszczona woda ma maksymalną przepuszczalność do ok. 530nm – pasmo zielono-żółte. To zjawisko wyjaśnia dlaczego w czystej wodzie dominuje niebieski kolor, a w mętnej zielenie i żółcie. W wodzie trudniej także dostrzec obiekty o małym kontraście w stosunku do tła. Jest to jedna z przyczyn dla których wyposażenie nurka często jest w kolorach fluorescencyjnych. Takie kolory są lepiej widziane pod wodą, ponieważ nie tylko odbijają barwy lecz także emitują światło o długości fal nie występujących pod wodą. Pod wodą oko adaptuje się do małej ilości światła otwierając tęczówkę. Gdy źrenica ma maksymalna średnicę oko przestawia się na „widzenie nocne”. Ta adaptacja następuję po ok. 10 min, a w pełni po ok. 30 min. Zwiększa to czułość na światło ale zmniejsza zdolność do rozróżniania barw. 10. WIDZENIE U ZWIERZĄT Oczy zwierząt i owadów reagują często na fale krótsze niż 400nm – czyli ultrafiolet. Np. pszczoła dostrzega ciemny środek kwiatka, podczas gdy człowiek widzi go w jednolitym kolorze. Dlatego właśnie bezbłędnie trafia do pyłku kwiatowego także o zmroku. Jeszcze inną zdolność widzenia posiada wąż. Jego oczy działają jak noktowizory i reagują na ciepło, czyli na fale podczerwone (Rys.22). Ptaki, jaszczurki, żółwie oraz wiele ryb maja w oku cztery rodzaje receptorów. Powoduje to dużo bogatsze wrażenia wzrokowe. Przypuszcza się, że przodkowie ssaków również mieli 4 receptory, ale ponieważ prowadzili nocny tryb życia widzenie barwne nie było tak istotne dla przetrwania, toteż utracili 2 rodzaje receptorów. Obecnie większość ssaków ma dwa receptory wzrokowe i 13 widzenie barwne jest ograniczone. Przodkowie grupy naczelnych (w tym człowieka) odzyskali trzeci receptor w wyniku mutacji genu jednego z istniejących receptorów. Rys. 22 14 11.WYWIAD... z panią dr Kingą Jach, lekarzem medycyny, specjalistą chorób oczu. Pyt.: Czy na przestrzeni ostatnich lat zauważyła pani zwiększoną liczbę osób przychodzących do pani z różnymi dolegliwościami? Tak, ostatnio coraz częściej przychodzą do mnie pacjenci i zgłaszają problem pieczenia, i łzawienia oczu. Najczęstszą tego przyczyną jest ZSO (Zespół Suchego Oka). Zdarzają się także osoby cierpiące na AMD, czy różne infekcje wirusowe. Pyt.: Jakie wady wzroku występują najczęściej? Najczęściej występuje mała krótkowzroczność. Pyt.:Czy kolor oczu ma związek z jakimikolwiek wadami wzroku, bądź z innymi schorzeniami? Tak. Kolor oczu i rasa ma związek z wieloma chorobami oczu. Barwa tęczówki jest uzależniona od ilości zawartej w niej melaniny. W tych rejonach kuli ziemskiej gdzie jest duże nasłonecznienie, ludzie (Murzyni, Eskimosi) mają ciemne tęczówki. Jasne zaś tam, gdzie słońca jest mało (Skandynawia). U osób o jasnych oczach, które przeniosły się z Europy do Ameryki Południowej, stwierdzono, że częściej niż ludność miejscowa chorowali na nowotwory skóry i mieli problemy z oczami. Natomiast ludzie o ciemnych tęczówkach, zamieszkujący Skandynawię są bardziej wrażliwi na zaburzenia odporności w wyniku których częściej zapadają na gruźlicę, maja większa podatność na infekcje i skłonność do depresji. Pyt.: Co by było gdyby człowiek miał tylko jedno oko? Wtedy człowiek widziałby płasko. Nie byłby to przestrzenny obraz. Jego pole widzenia byłoby ograniczone od strony brakującego oka. Pyt.: Jak oko pomaga człowiekowi ocenić odległość oglądanego przedmiotu od oka? Odległość od oglądanego przedmiotu pomaga nam ocenić mózg. W zasadzie można powiedzieć, że widzimy za pomocą mózgu. Pyt.: Jaki wpływ ma budowa oka na widzenie przestrzenne obrazów? Budowa oka – to kula, czyli najdoskonalszy kształt. Dzięki temu, że mamy dwoje oczu w pewnej odległości od siebie możemy widzieć przestrzennie. 15 12. ZBUDOWAŁAM OKO! Podczas pisania tej pracy postanowiłam zbudować prostu model oka wg pomysłu Iana Jacoba z Nowej Zelandii. Rys. 23 Rys. 26a Rys. 24 Rys. 26b Rys. 25a Rys.25b Rys. 26c (Fot. Klaudia Gaczoł) Oto co było mi do tego potrzebne: 1. okrągły karton z wyciętym otworem, który w moim modelu będzie tęczówka ze źrenicą (Rys. 23) 2. górna część butelki plastikowej, która jest oklejona czarnym papierem. Będzie to przednia część gałki ocznej (Rys. 24) 3. balonik (najlepiej przezroczysty bądź w jasnym kolorze) lub szklana kolba, która będzie soczewką (Rys. 25a i 25b) 4. matowy ekran, na którym powstanie obraz, czyli odpowiednik siatkówki (Rys. 26a, 26b, 26c) Balonik dociskamy do wnętrza butelki. Pewna jego część wybrzusza się na zewnątrz i stanowi soczewkę. Podczas gdy zmieniamy ciśnienie, zmienia się ogniskowa naszej soczewki, a także ostrość obrazu. Powstały obraz jest oczywiście odwrócony. 16 BIBLIOGRAFIA Domowy Poradnik Lekarski „Ciekawa Biologia” podręcznik, część 2, pod redakcją Wawrzyńca Kofty. Fizyka – podręcznik dla gimnazjum, tom 2, Dobson czasopismo „Focus” http://www.if.uj.edu.pl/Foton/90/pdf/11model%20oka%20242.pdf http://www.google.pl/search?q=oko+fizyka&hl=pl&lr=&start=10&sa=N http://www.iwiedza.net/encyklo/bleter.html http://www.oko.info.pl/index.php?body=1101 http://www.nurkopedia.pl/wiki/index.php/Woda http://www.fizyka.umk.pl/~scspie/PL/Wyklady/Malpka/oko.html#okoiap http://www.fizyka.umk.pl/~fizmed/pokazy01/Budoka/budoka.html http://www.kopernikus.internetdsl.pl/sciaga/fizyka/budowa_oka.html http://www.keratoconus.pl/index.php?option=com_content&task=view&id=44&Itemid=45 http://www.swiatlo.tak.pl/pts/pts-oko.php http://www.optyk-gren.pl/str/budowa_oka http://www.zdroweoczy.com.pl/anatomia,oka.php5 http://www.visioncare.pl/pl/show/budowa-oka http://www.zdrowie.med.pl/oczy/anat_i_fizjo/a_oczy.html http://www.fizyka.net.pl/index.html?menu_file=ciekawostki%2Fm_ciekawostki.html&former _url=http%3A%2F%2Fwww.fizyka.net.pl%2Fciekawostki%2Fciekawostki_cwz8.html 17