X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Возможности и способности человеческого глаза
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Глаза - одни из самых важных органов чувств человека. У человека через глаз поступает около 90 % информации из окружающего мира. Благодаря глазам человек различает цветовую гамму предметов, их форму и многое другое. Уникальность зрения в том, что он позволяет опознавать предмет, его местоположение в пространстве, прослеживать перемещения, оценивать окружающую обстановку. Зрение дает человеку возможность ориентироваться, овладевать грамотой, познавать науки и искусство, совершать различные операции.
Актуальность изучения особенностей строения глаза, его возможностей позволит работать над созданием механического высокотехнологичного продукта (заменителя глаза), который будет лучше природного аналога и поможет людям с ограничением здоровья по зрению не только видеть мир как обычный человек, но и обладать дополнительными полезными функциями. Уже сейчас разработан бионический глаз, который помогает видеть человеку, полностью оставшемуся без зрения. Пока что разрешение его мало, но учёные продолжают работу.
Цель: изучить возможности и способности человеческого глаза, создать информационный буклет.
Задачи:
Изучить литературу по данной теме
Изучить особенности строения и функционирования человеческого глаза
Изучить возможности и способности нашего глаза
Изучить особенности строения глаза у некоторых позвоночных животных
Сравнить человеческий глаз со строением глаз позвоночных животных и проследить усложнение строения глаза в процессе эволюции
Изучить правила сохранения зрения
Оформить информационный буклет по теме
Практическая значимость. Результаты работы могут быть использованы на уроках биологии и на занятиях внеурочной деятельности.
Глава 1. Особенности строения, возможностей и функционирование
человеческого глаза
Строение человеческого глаза
Извне глазное яблоко прикрыто склерой ? крепкой белковой оболочкой толщиной 0,3-1 мм. В состав склеры входят волокна, образованные коллагеном, которые выполняют опорную и защитную функцию. Склера обладает белым цветом с молочным отливом, исключение составляет лишь передняя прозрачная стенка – роговица, где происходит первичная рефракция световых лучей. Под склерой расположена сосудистая оболочка, в которой множество кровеносных капилляров обеспечивают глазные клетки питательными веществами. Именно в этой оболочке содержится радужка со зрачком. Далее радужка перемещается в цилиарное тело, в котором находится цилиарная мышца, способствующая изменению кривизны хрусталика и служащая для приспосабливания к условиям освещения. [1]
Между радужкой и роговицей, а также хрусталиком и радужкой расположены глазные камеры, которые заполнены прозрачной, свето-рефракционной жидкостью, обеспечивающей питание роговицы и хрусталика. Глаза оберегают веки и ресницы. В толще век находятся слёзные железы. Выделенная ими жидкость всегда увлажняет оболочку глаза. Под веками расположены три пары мышц, которые отвечают за подвижность глазного яблока. Одна пара вращает глаз вправо и влево, другая – вниз и вверх, а третья поворачивает его касательно визуальной оси.
Мышцы дают возможность не только поворачивать глазное яблоко, но и немного видоизменять его форму, что важно для фокусировки взгляда на предмете. Если фокус расположен за гранью сетчатки, то глаз слегка вытягивается для того, чтобы видеть объект на близком расстоянии. И наоборот, принимает округлую форму, когда человек смотрит на предметы издалека. Изменения в оптической системе приводят к близорукости или дальнозоркости. Фокус у людей с нарушениями зрения проникает не в сетчатку, а перед ней, в связи с чем предметы кажутся размытыми. Таким образом, глаза – это главный инструмент нашего существования. Нарушение зрительной функции приводит к невозможности созерцать этот удивительный мир в полной мере. [1]
Хрусталик может видоизменять свою кривизну с помощью цилиарной мышцы. Чтобы подготовиться к видению предметов, находящихся вблизи, хрусталик увеличивает свою кривизну, принимая более выпуклую форму, что усиливает преломление лучей света. Для созерцания удалённых объектов ? вновь принимает плоскую форму. Помимо хрусталика в преломлении световых лучей (рефракции света) принимает участие стекловидное тело ? прозрачное желеобразное вещество, заполняющее львиную долю глазного яблока и задающее глазу форму, позволяя ему не сжиматься.
Свет проникает в хрусталик сквозь небольшое отверстие – зрачок, объём которого, а соответственно, и количество проникающих лучей, регулируется определёнными мышцами – сфинктером и дилатором зрачка, расположенными в радужной оболочке, окружающей зрачок – радужке. Радужка, кроме мышц, содержит пигментные клетки, которые определяют цвет наших глаз. Если внимательно понаблюдать за глазами в зеркало, то можно заметить, что при попадании в глаза яркого света – зрачок сужается, а в темноте, наоборот, увеличивается. Таким образом, глазной аппарат оберегает сетчатку от пагубного действия ярких световых лучей.[Приложение 1, рис.1]
Функционирование человеческого глаза и его возможности
Глаз— сенсорный орган (орган зрительной системы) животных, обладающий способностью воспринимать электромагнитное излучение в световом диапазоне длин волн и обеспечивающий функцию зрения. Обработка светового сигнала начинается на сетчатке глаза, затем происходит возбуждение фоторецепторов, передача и преобразование зрительной информации в нейронных слоях с формированием в затылочной доле коры больших полушарий зрительного образа. Регулирование интенсивности света, попадающего на сетчатку через зрачок происходит изменением его размера радужной оболочкой, являющейся оптической диафрагмой глаза. Дополнительная защита от сверх яркого света происходит прищуриванием или закрытием век.
Периферический Проводниковый Центральный
отдел отдел отдел
Цветоощущение-способность зрения воспринимать и преобразовывать световое излучение определённого спектрального состава в ощущение различных цветовых оттенков и тонов, формируя целостное ощущение («хроматичность», «цветность», «колорит»). Восприятие цвета связано с функцией колбочковых клеток сетчатки глаза. По одной из теорий предполагается, что в глазу имеются три цвето-воспринимающих аппарата, возбуждающиеся в разной степени под действием красного, зелёного и синего цвета. Исследование цветоощущения производят при помощи специальных полихроматических таблиц Е. Б. Рабкина или особого прибора —аномалоскопа. Прогноз: при лечении заболеваний, вызвавших нарушение цветового восприятия, возможно восстановление цветоощущения; врождённые нарушения (за очень редкими исключениями) неизлечимы.
Бинокулярное зрение— способность одновременно чётко видеть изображение предмета обоими глазами; в этом случае человек видит одно изображение предмета, на который смотрит. Создаёт объёмность изображения.
Глава 2. Болезни человеческого глаза
Близорукость — отклонение от нормальной способности оптической системы глаза преломлять лучи, которое заключается в том, что изображение предметов, расположенных далеко от глаз, возникают перед сетчаткой. Близорукость бывает врождённой и приобретённой.
Дальнозоркость — отклонение от нормальной способности оптической системы глаза преломлять световые лучи.
Катаракта—эта болезнь связана с помутнением хрусталика глаза и в 90% случаев встречается у пожилых людей: в возрасте более 80 лет катарактой страдает большинство долгожителей.
Глаукома—при глаукоме постоянно или периодически повышается внутриглазное давление, что со временем ведет к снижению остроты зрения, атрофии (отмиранию) зрительного нерва и в худшем случае - слепоте.
Гемофтальм —чаще всего кровоизлияния в стекловидное тело возникают у лиц с отслойками или разрывами сетчатками, диабетической ретинопатией, острыми нарушениями кровообращения в центральной артерии сетчатки.
Гифемой называют скопление крови в передней камере глаза – пространстве между радужкой и роговицей. [3]
Глава 3. Эволюция глаза
Многие исследователи обнаружили эволюцию глаза привлекательного для изучения, потому что глаз отчетливо иллюстрирует собой аналогичный орган найден во многих формах животных . Простой свет обнаружения обнаружен у бактерий, одноклеточных организмов, растений и животных. Сложный, формирование изображения глаз независимо друг от друга несколько раз эволюционировал.
Сложные глаза появились первыми в течение нескольких миллионов лет кембрийских взрыва . От до кембрия , никаких доказательств того, глаз не сохранилось, но многообразные глаза известны из Burgess сланцев Среднего кембрия, и с чуть более старой Emu Bay Shale . Глаза приспособлены к различным требованиям их владельцев. Они различаются по своей остроте зрения , диапазон длин волн , они могут обнаружить, их чувствительность при слабом освещении, их способность обнаруживать движение или разрешить объекты, и могут ли они различить цвета .[ 2]
В 1802 году философ Уильям Палей назвал это чудо « дизайн ». Чарльз Дарвин сам писал в своем происхождении видов , что эволюция глаза путем естественного отбора , казалось , на первый взгляд «абсурдной в максимально возможной степени».
Он предложил поэтапный переход от «зрительного нерва просто покрытого пигментом, и без какого-либо другого механизма» до «умеренно высокой ступени совершенства», и привел примеры существующих промежуточных шагов. В настоящее время исследование исследует генетические механизмы, лежащие в основе развития глаз и эволюции.
Биолог Нильссон самостоятельно теоретизировал около четырех общих этапов в эволюции позвоночных глаз от пластыря фоторецепторов. Нильссон и С. Pelger оценивается в классической работе, которые необходимы лишь несколько сотен тысяч поколений эволюционируют сложный глаз у позвоночных. Другой исследователь, GC Янг использовал окаменелости , чтобы вывести эволюционные выводы, основываясь на структуру глазных орбит и отверстий в окаменелых черепах для кровеносных сосудов и нервов , чтобы пройти. Все это добавляет к растущему количеству доказательств того, что поддерживает теорию Дарвина.
Первые окаменелости глаз, найденных на сегодняшний день, из нижнего кембрия периода (около 540 миллионов лет назад ). Скорость эволюции глаз трудно оценить, потому окаменелостях, в частности, нижнего кембрия, оставляет желать лучшего. Как быстро круглое пятно фоторецепторов превратиться в полностью функциональный глаз позвоночных было оценено на основе мутаций, относительное преимущество для организма, и естественного отбора. Тем не менее, время, необходимое для каждого состояния было установлено. Глаза позвоночных будут по-прежнему развиваться из пластыря фоторецепторов клеток менее чем за 364000 лет .[2]
Один источник или много?
Если эволюционировал глаз один или несколько раз в зависимости от определения глаза. Все глаза животных имеют много генетический механизм развития глаза. Вероятно, клетки фоторецепторов существовали задолго до кембрийского взрыва. Сходство более высокого уровня - такие , как использование белка кристаллина в независимо друг от друга , полученных головоногих и позвоночных линз - отражают кооптирования из более фундаментального белка к новой функции внутри глаза.
Общий признак общего для всех светочувствительных органов являются опсины . Опсины принадлежат к семейству фоточувствительных белков и попадают в девяти групп, которые уже существовали в urbilaterian , последний общий предок всех на двусторонний основе симметричных животных . Кроме того, генетический набор инструментальных средств для определения местоположения глаз является общим для всех животных. Глаза и другие органы чувств, вероятно, развились до мозга: Там нет необходимости для обработки информации органов (мозга) до того, как информация для обработки.
Клеймо (2) эвглены скрывает светочувствительного пятна.
Самые ранние предшественники глаза были фоторецепторы белками, воспринимающих свет, найден даже у одноклеточных организмов, называемых « глазками ». Глазки могут только чувствовать окружающую яркость: они могут отличать свет от темноты, достаточный для фотопериодизма и ежедневной синхронизации циркадных ритмов . Они являются недостаточными для зрения, так как они не могут различать формы или определить направление света находится. Глазки встречаются почти во всех основных группах животных, и распространены среди одноклеточных организмов, в том числе эвглены .
Функциональная единица глаза фоторецептор клетка, которая содержит опсина белки и реагирует на свет путем инициирования нервного импульса. Светочувствительный опсины несет на волосистой слое, чтобы максимизировать площадь поверхности. Природа этих «волосков» отличается, с двумя основными формами , лежащих в основе структуры фоторецепторов: микроворсинок и ресничек . Но в глазах вторичноротых, они являются производными от ресничек, которые являются отдельными структурами.
Ранние глаза
Базовый блок световой обработки глаза является фоторецептор клетка , специализированные клетки , содержащих два типа молекул в мембране: опсин , светочувствительный белок, окружающий хромофор , а пигмент , который отличает цвета. Группы таких клеток, называются «глазки», и развивались независимо друг от друга где - то между 40 и 65 раз. Эти глазки позволяют животное , чтобы получить только очень элементарное чувство направления и интенсивности света, но не достаточно , чтобы различить объект из его окружения.
У Планарии есть «чашка» глазки , которые могут слегка отличающие направление света.
Когда фотон поглощаются хромофором, химическая реакция приводит к энергии фотона , чтобы быть трансдуцированной в электрическую энергию и ретранслируется, у высших животных, в нервную систему . Эти клетки фоторецепторов образуют часть сетчатки , тонкого слой клеток , которые ретранслируют визуальную информацию, включая информацию светового день и длины , необходимую циркадный ритм системы, к мозгу. Тем не менее, некоторые медузы , такие как Cladonema, имеют сложные глаза , но не мозг. Их глаза передают сообщение непосредственно к мышцам без промежуточной обработки , представленной в головном мозге.
Во время кембрийских взрыва , развитие глаза быстро ускоряется, с радикальным улучшением обработки изображений и обнаружением направления света.
Примитивные Nautilus функции глаз подобно камеры - обскуры .
Формирование линз и диверсификации
Свет от удаленного объекта и вблизи объекта фокусируясь путем изменения кривизны хрусталика
В безлинзовой глаза, свет , исходящий от далекой точки попадает в заднюю часть глаза с примерно такого же размера , как в глаза отверстие . С добавлением линзы этого входящего света концентрируется на меньшей площади поверхности, не снижая общую интенсивность стимула. Фокусное расстояние раннего lobopod с объективом , содержащих простые глаза сфокусировались на изображении позади сетчатки, поэтому в то время как ни одна часть изображения не может быть приведен в фокусе, интенсивность света , позволили организму видеть глубже (и , следовательно , более темных) вод , Последующее увеличение линзы показателя преломления , вероятно , привело к фокусировки изображения формируется.
Обратите внимание , что эта оптическая схема не была найдена, и он не ожидал найти. Фоссилизация редко сохраняет мягкие ткани, и даже если он сделал, новый юмор почти наверняка близко , как остатки сушеной, или осадки перегружать вынудили слои вместе, делая окаменевшие глаза напоминают предыдущую раскладку.
Это биологически трудно поддерживать прозрачный слой клеток. Осаждение из прозрачных, неживых, материал облегчил необходимость подачи питательных веществ и удаления отходов. Трилобитов использовали кальцит , минерал , который сегодня , как известно, используется для зрения только одного вида офиуры . В других сложных глазах и глазах камеры, материал кристаллины . Зазор между слоями ткани , естественно , образует двояковыпуклую форму, которая является оптически и механически идеально подходит для веществ нормального показателя преломления. Двояковыпуклой линзы дает не только оптическое разрешение, но диафрагмы и низкой освещенности способность, так как разрешение теперь отделено от размера отверстия - которое медленно увеличивается снова, свободный от ограничений кровообращения.
Действительно, «основной образец всех позвоночных животных глаз похож.»[Приложение 1, рис.2]
Цветовое зрение дает различные селективные преимущества, такому как лучшее распознавание хищников, продукты питания и товарищей.
Поляризация видение
Поляризация является организацией первоначально неупорядоченного света, от солнца, в линейные механизмы. Это происходит, когда свет проходит через щель, как фильтры, а также при переходе в новую среду. Чувствительность к поляризации света является особенно полезной для организмов, чьи места обитаний расположены более чем на несколько метров под водой. В этой среде, цветовое зрение менее надежное, и , следовательно , более слабый селективный фактор. Кроме того, каракатицы способны воспринимать поляризацию света с высокой визуальной точностью, хотя они, кажется, не имеют какой - либо значительный потенциал для цветовой дифференциации. Как цветовое зрение, чувствительность к поляризации может помочь в способности организма дифференцировать окружающие предметы и лицо. Из - за предельной отражательной интерференции поляризованного света, он часто используется для ориентации и навигации, а также отличающих скрытых объектов, таких , как замаскированный добычу.
Место нахождения
Добыча обычно имеют глаза по бокам головы их так , чтобы иметь более широкое поле зрения, из которой , чтобы избежать хищников. Хищники, однако, глаз перед их головами, чтобы иметь лучшее восприятие глубины . Камбала являются хищниками , которые лежат на боку на дне, и у него есть глаза , размещенные асимметрично на одной стороне головы. Переходная форма от общей симметричной позиции Amphistium .
Кошки, из-за большого количества палочек (350 000 на квадратный миллиметр против 80−150 000 у человека), видят ночью в 6−8 раз лучше. А что касается дневного зрения, человек превосходит кошек по цветовосприятию, дальнозоркости и остроте зрения в ближайшей зрительной зоне. Но, как и собаки, кошки обладают более широким полем зрения — 295 градусов, вместо 180 у человека. Еще одной уникальной особенностью кошачьих является наличие третьего века: тонкой пленки, которая смачивает глазное яблоко и убирает пыль, позволяя вашему питомцу не моргать очень долго.
Насекомые различают цвета, но совсем не так, как мы. Например, пчёлы «не знают» красного цвета и не отличают его от чёрного, но зато воспринимают невидимые для нас ультрафиолетовые лучи. Именно слепостью насекомых-опылителей нашей полосы к красному цвету объясняется отсутствие среди нашей дикорастущей флоры растений с алыми цветками.
Креветка богомола у него в глазах расположенно 12 цветовых колбочек. Для сравнения, у человека их только 3. Это делает их глаза уникальными. Что именно даёт такое количество колбочек — учёные пока выясняют.
Глава 4. Практическая часть
Результатами своей работы я могу поделиться с одноклассниками, выступить на школьной информационно-познавательной конференции, буклет будет находиться в школьной библиотеке для свободного осведомления учащимися нашей школы.
Работа над буклетом:
Создание макета буклета
Выбор фона
Расположение информации
Моделирование буклета
Буклет двусторонний, оформлен с двух сторон, фон голубого цвета. На титульной странице размещена информация о теме информационного буклета, его авторе, учреждении. На остальных страницах размещена информация об особенностях строения человеческого глаза, его функционировании и болезнях, а также рекомендации по охране зрения.
Заключение
Я изучила возможности и способности глаза, также изучила эволюцтию глаза и оформила буклет.
Таким образом, человеческий глаз имеет свои особенности строения и возможности.Из-за большого числа этапов процесса зрительного восприятия его отдельные характеристики рассматриваются с точки зрения разных наук — оптики (в том числе биофизики), психологии, физиологии, химии (биохимии). На каждом этапе восприятия возникают искажения, ошибки, сбои, но мозг человека обрабатывает полученную информацию и вносит необходимые коррективы. Эти процессы носят неосознаваемый характер и реализуются в многоуровневой автономной корректировке искажений. В тех случаях, когда подсознательная обработка информации недостаточна, или же избыточна, возникают оптические иллюзии.
Список литературы
Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. — М.: «Мир», 1990. — 239 с\
Эволюция глаза. Статья. [Электронный ресурс.]. Режим доступа: https://ru.qwe.wiki/wiki/Evolution_of_the_eye
Яковлев-Будников А. А. Цветовое зрение // Большая медицинская энциклопедия, 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия. — Т. 27.
Приложение 1
Рис.1
Рис.2
Приложение 2
Рис.3