Зрение начинается, когда свет попадает на фоторецепторы сетчатки. Существует два основных типа фоторецепторов — палочки и колбочки. Палочки чувствительны к интенсивности света, но не к цвету. Колбочки чувствительны как к цвету, так и к интенсивности света. В этой статье мы рассмотрим роль палочек и колбочек в зрении, а также то, как их различия позволяют нам видеть как при ярком, так и при тусклом свете.
Сетчатка — это тонкий слой ткани в задней части глаза, содержащий фоторецепторы. В сетчатке человека находится около 120 миллионов палочек и 6 миллионов колбочек. Палочки перевешивают колбочки в соотношении 20 к 1. Однако колбочки сосредоточены в одной небольшой области сетчатки, называемой фовеа. Это обеспечивает нам превосходное цветовое зрение в центре нашего поля зрения.
Палочки и колбочки имеют разные структуры, которые соответствуют их функциям. Палочки длинные и тонкие, поэтому они могут обнаруживать даже крошечные количества света. Колбочки короче, толще и более сужающиеся, что позволяет им различать разные длины волн света. Палочки используют пигмент, называемый родопсином, тогда как колбочки содержат пигменты, называемые фотопсинами.
Палочки невероятно чувствительны и могут реагировать на одиночный фотон света. Это означает, что они хорошо работают в условиях слабого освещения. Палочки распределены по всей внешней сетчатке, за исключением центральной ямки. Они отвечают за периферическое и ночное зрение.
Палочки насыщаются при ярком свете. Они не могут различать разные длины волн, поэтому не обнаруживают цвет. Мы видим оттенки серого с помощью нашего зрения палочек. Вот почему цвета кажутся блеклыми в ночное время.
Колбочки требуют гораздо больше света для реакции, чем палочки, но позволяют нам видеть цвет и мелкие детали. Существует три типа колбочек, каждый из которых содержит разный пигмент фотопсина. Они чувствительны к коротким (S), средним (M) и длинным (L) длинам волн света.
| Тип колбочки | Пигмент | Пиковая чувствительность |
|---|---|---|
| Короткая длина волны (S) | Цианолаб | 420 нм — синий |
| Средняя длина волны (M) | Хлоролаб | 534 нм — зеленый |
| Длинная длина волны (L) | Эритролаб | 564 нм — красный |
Колбочки сосредоточены в центральной ямке. Эта небольшая центральная область сетчатки содержит в основном колбочки и позволяет нам видеть цвет и мелкие детали, когда мы направляем свой взгляд на что-либо.
Палочки содержат большую долю пигмента родопсина, что делает их чрезвычайно чувствительными. Родопсин состоит из ретиналя (формы витамина А), связанного с белком, называемым опсином. Когда фотон попадает в родопсин, он меняет форму в процессе, называемом фотоизомеризацией. Это активирует палочки, позволяя электрическому сигналу быть отправленным в мозг.
При ярком свете родопсин разрушается. Палочкам требуется время, чтобы восстановить запасы родопсина в условиях слабого освещения. Вот почему переход от яркого света к темноте вызывает временную слепоту. По мере того, как палочки пополняют свой родопсин, зрение улучшается. Родопсин позволяет 120 миллионам палочек в сетчатке надежно обнаруживать тусклый свет.
Когда свет попадает на фоторецепторный пигмент в палочках и колбочках, он инициирует сигнальный путь, называемый фототрансдукцией. Вот этапы, которые необходимо выполнить:
Палочки и колбочки передают сигнал, используя один и тот же путь фототрансдукции. Однако палочки гораздо более чувствительны из-за большего усиления на определенных этапах. Это позволяет им реагировать на отдельные фотоны.
Учитывая жизненно важную роль палочек и колбочек, неудивительно, что проблемы с этими фоторецепторами могут привести к потере зрения и слепоте. Вот несколько примеров:
Пигментный ретинит — это генетическое заболевание, вызывающее прогрессирующую дегенерацию палочек. Это приводит к «туннельному зрению» и в конечном итоге к слепоте. Это неизлечимое заболевание, поражающее примерно 1 из 4000 человек.
Дистрофия колбочек особенно поражает колбочки, что приводит к нарушению цветового зрения, светочувствительности и потере центрального зрения. Она может быть унаследована или вызвана такими факторами, как лекарства или инфекции.
Возрастная макулярная дегенерация повреждает макулу и фовеалу, где сосредоточены колбочки. Она вызывает потерю центрального зрения и является основной причиной слепоты у пожилых людей.
Цветовая слепота обычно является наследственным заболеванием, при котором один или несколько пигментов колбочек отсутствуют или дефектны. Это влияет на функцию колбочек и затрудняет различение некоторых цветов.
Вот краткое изложение основных различий между палочками и колбочками:
| Палочки | Колбочки | |
|---|---|---|
| Фотопигмент | Родопсин | Фотопсины |
| Светочувствительность | Высокая — реагируют на отдельные фотоны | Низкая — требуются десятки или сотни фотонов |
| Распознавание цвета | Нет | Распознавание коротких, средних и длинных волн |
| Острота зрения | Низкая – обнаружение движения и света | Высокая – различает цвет и мелкие детали |
| Распределение в сетчатке | По всей поверхности, кроме фовеа | Сосредоточено в фовеа |
| Активен при | Слабом свете | Ярком свете |
| Роль в ночном зрении | Критическая | Минимальная |
Палочки содержат родопсин, позволяющий им обнаруживать тусклый свет, но не цвет. Они обеспечивают периферическое и ночное зрение. Колбочки содержат фотопсины, настроенные на разные длины волн, и обеспечивают дневной свет, цветовое зрение и остроту зрения, сосредоточенные в ретинальной ямке. Два типа фоторецепторов являются взаимодополняющими, что позволяет нам видеть как в ярких, так и в тусклых условиях.
Проблемы, затрагивающие палочки или колбочки, могут привести к глубокой потере зрения. Понимание различий между структурой и функцией палочек и колбочек дает представление о таких состояниях, как пигментный ретинит, дегенерация желтого пятна и дальтонизм. Хотя палочки и колбочки играют разные роли, они работают вместе бесперебойно через сигнальные пути, позволяя нам воспринимать наш визуальный мир.