精密的光学器官——眼睛.doc

西北农林科技大学（论文）文献综述精密的光学器官眼睛 摘要：眼睛是人类感观中最重要的器官，大脑中大约有80%的知识和记忆都是通过眼睛获取的。读书认字、看图赏画、看人物、欣赏美景等都要用到眼睛。眼睛能辨别不同的颜色、不同的光线，再将这些视觉、形象转变成神经信号，传送给大脑。由于视觉对人如此重要，而眼睛的作用又与光有着密不可分的联系，所以，有必要对眼睛和可见光的关系以及眼睛的工作机理进行一定的研究探讨。关键词：眼睛；晶状体；眼睛进化；视觉；色素1. 引言眼睛的出现是生物进化的一大亮点，同时也加快了生物进化的步伐。从有感光细胞开始进化到复杂眼睛的形成竞用了50万年的时间，从此眼睛成了人和动物的五官之首一一视觉器官。人类的眼睛集聚了生物的精髓，眼内的两种感光细胞(杆体与锥体)的功能发挥淋漓尽致。号称感光巨无霸的130兆个杆体细胞晚上能分辨出远自数万光年以外的微弱星光。而仅7兆个的锥体细胞，白天能把比星光高出100万兆倍的太阳强光及五彩缤纷的的色彩尽收眼底。现代研究发现：瞳孔的变化是人不能自主控制的，而瞳孔的放大和收缩，真实地反映着复杂多变的心理活动。若一个人感到愉悦、喜爱、兴奋时，他的瞳孔能扩大到比平常大四倍；相反的，遁到生气、讨厌、消极的心情时，则瞳孔会收缩得很小；如正好对所看到的物体漠不关心或感到无聊等，则瞳孔不起变化。在医学领域内，眼科医学与其他学科的联系也是十分广泛和密切的。诸如查眼底束了解全身血管的改变，如动脉硬化(人身血管的改变，肉眼是不可分辨的，只能透过查眼底方可知晓)；通过查眼底还能发现糖尿瘸及肾病为内分泌科及泌尿科提供可靠的诊断依据及病变程度；此外，妇产科、脑系科、神经科等等也经常请眼科会诊，查眼底借以了解病情的发展变化及预后情况。眼睛是如此的精巧、奥秘，即使是最高级的数码相机也无法与之相比拟。这主要是由于视网膜上有上亿个感光细胞，使其有着极独到的光学设计，而数码相机的亦只不过才只是300万个感光单元。嚣此嚣畏睹的光学效能是远远超出现代一切高级电子影像器材，晚上能把远自数万光年以外的星云(杆体细胞感光巨无霸)，白天能把比星云亮度高出一百万兆(1000，000，000，000，000，000)倍的太阳强光(锥体细胞显神通)全部尽收(摄入)器畏里。然而这一切没有光照的存在是万万不能实现的。也就是说在黑暗中眼睛是什么也看不见，感受不到的。由此可见视觉的存在与光是密不可分的。2眼睛以及工作原理概述2.1 眼睛构造人的眼睛近似球形，位于眼眶内。正常成年人其前后径平均为24mm，垂直径平均23mm。最前端突出于眶外1214mm，受眼睑保护。眼球包括眼球壁、眼内腔和内容物、神经、血管等组织。眼球壁主要分为外、中、内三层。外层由角膜、巩膜组成。前1/6为透明的角膜，其余5/6为白色的巩膜，。眼球外层起维持眼球形状和保护眼内组织的作用。角膜是眼球前部的透明部分，光线经此射入眼球。角膜稍呈椭圆形，略向前突。横径为11.512mm，垂直径约10.511mm。周边厚约1mm，中央为0.6mm。角膜前的一层泪液膜有防止角膜干燥、保持角膜平滑和光学特性的作用。因此角膜除了是光线进入眼内和折射成像的主要结构外，也起保护作用，并是测定人体知觉的重要部位。巩膜为致密的胶原纤维结构，不透明，呈乳白色，质地坚韧。中层又称葡萄膜，色素膜，具有丰富的色素和血管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。虹膜呈环圆形，在葡萄膜的最前部分，位于晶体前，有辐射状皱褶称纹理，表面含不平的隐窝。中央有一2.54mm的圆孔，称瞳孔。睫状体前接虹膜根部，后接脉络膜，外侧为巩膜，内侧则通过悬韧带与晶体赤道部相连。脉络膜位于巩膜和视网膜之间。脉络膜的血循环营养视网膜外层，其含有的丰富色素起遮光暗房作用。内层为视网膜，是一层透明的膜，也是视觉形成的神经信息传递的第一站，具有很精细的网络结构及丰富的代谢和生理功能。视网膜的视轴正对终点为黄斑中心凹。黄斑区是视网膜上视觉最敏锐的特殊区域，直径约13mm，其中央为一小凹，即中心凹。晶状体是眼球中重要的屈光间质之一。晶状体的直径约9mm，厚约45mm，对光线有屈光作用，同时也能滤去一部分紫外线，保护视网膜，但它最重要的作用是通过睫状肌的收缩或松弛改变屈光度,使看远或看近时眼球聚光的焦点都能准确地落在视网膜上。晶状体由晶状体囊和晶状体纤维组成。晶状体囊为一透明薄膜，完整地包围在晶状体外面。前囊下有一层上皮细胞，当上皮细胞到达赤道部后，不断伸长、弯曲，移向晶状体内，成为晶状体纤维。晶状体纤维在人一生中不断生长，并将旧的纤维挤向晶状体的中心，并逐渐硬化而成为晶状体核。因此随着年龄的增长，晶状体核逐渐浓缩、扩大，并失去弹性，这时眼的调节能力就会变差。晶状体是由大量纤维层组成的，而每一层纤维可以认为具有相同的折射率，所以可以认为晶状体内部折射率的变化是按照一定的公式阶跃式地变化。在这种模型中，晶状体被认为是同心层状结构。每一层具有相同的折射率，不同层折射率不同。所以，这一模型更符合眼睛的解剖学结构1。但是，现有的层状晶状体模型与实际的晶状体的解剖结构并非完全符合。A1-Ahdali2提出的层状结构晶状体模型，把晶状体的前后表面看作是球面；Masajada 3提出的层状晶状体结构虽然考虑了晶状体前后表面的非球面性，但前后表面的非球面系数分别取为525和125，这与晶状体的解剖学数据相差很多，另外这两个模型中晶状体的折射率是按幂指数规律变化的，也与现有的实验结果不相符。经过多方面的考虑以及比较，Liou4提出的眼睛模型，是近年来最符合眼睛的解剖学结构的眼睛模型，受到不少学者的关注和支持。2.2 眼睛工作原理光线进入眼睛后，首先通过角膜，然后分别透过房水、晶状体和玻璃体。最后，光线到达眼睛的感光组织视网膜。视网膜中包含两种细胞，分别叫做视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞负责昏暗光线下的视物，而视锥细胞则负责处理色彩和细节。当光线接触到这两种细胞时，会发生一系列复杂的化学反应。形成的化学物质（活化视紫质）会在视神经中产生电子脉冲。一般来说，视杆细胞的外段细长，而视锥细胞的外段更像是锥形。这两种细胞的外段都含有感光性化学物质。在视杆细胞中，这种化学物质叫做视紫质；而视锥细胞中的则叫做色素。视网膜中有1亿个视杆细胞和700万个视锥细胞。视网膜被黑色素所覆盖，正如同照相机的内部是黑色的一样，这样可减少对光线的反射。视网膜的中心区域叫做黄斑，完全由密密麻麻的视锥细胞组成。该区域负责实现清晰而复杂的视物功能。光线进入眼睛后，会接触到感光性化学物质视紫质（也叫做视紫红质）。视紫质是暗视蛋白和11-顺式视黄醛的混合物，11-顺式视黄醛来源于维生素A。视紫质遇光会发生分解，因为光会导致视紫质中的11-顺式视黄醛发生物理变化，转化为全反式视黄醛。第一个反应只需一万亿分之几秒的时间。11-顺式视黄醛是角状分子，而全反式视黄醛是直线分子。因此，化学性质极不稳定。视紫质可分解为几种中间化合物，但最终（在不到一秒的时间里）会形成变视紫质II（活化视紫质）。这种化学物质能够产生电子脉冲，电子脉冲传输到大脑后，大脑将其解译为光线。根据光的衍射理论，人眼能够分辨的最小视角为：a=1.22/nd 式中A为光波波长，n为眼球内房水、玻璃体等的折射率，d为瞳孔直径。设以人眼最敏感的黄光入射，=550 nm，n=1.337，在明光条件下以d=2 mm代入上式，近似计算可知a086。这个数值大约相当于12的视力。应指出，上式只是一种估算实际上，正常眼的分辨率有时可以略高于这个值(如视力1.5，相应的视角则为0.67) 5。科学家托马斯.杨和物理学家赫姆霍兹提出三原色学说，即红、绿、蓝是自然界中的三种基本颜色。而眼睛的视网膜中含有和这三种基本颜色相适应的感色物质。视锥细胞中对颜色敏感的化学物质被称为是视锥色素，与视杆细胞中的化学物质十分相似。两种化学物质中的视黄醛成分是相同的，只不过暗视蛋白被光视蛋白所取代。因此，感色色素是由视黄醛和光视蛋白组成的。感色色素有三种： 感红色素、感绿色素和感蓝色素。感蓝色素的最大吸光率是445纳米，感绿色素是535纳米，感红色素是570纳米。每个视锥细胞都含有其中一种色素，这样它们就能够感知相应的颜色。通过对红、绿、蓝三种颜色进行调和，人眼就能够感知几乎任何一种彩色变化。如果这三种感色物质被刺激的程度相同，我们感觉就是白色(红+绿+蓝=白色)；如果红色的和蓝色的感光物质被刺激的多了一些，就感到是黄色 (红+蓝=黄色)；如果蓝的和绿的感光物质被刺激的多一些，就感到是青色(蓝+绿=青色)。因此，人眼所看到的自然界里的一切颜色都似乎由红、绿、蓝三种基本颜色的光以不同的量配合而成的。可以配成130多种颜色。正是由于眼睛内有7兆个锥体细胞及130兆个杆体细胞的相互作用，随着不同照度而相互消长配合，把对光的感受集中到1兆根视神经纤维上。然后把这些光能转化为神经脉冲，传达到大脑皮层视中枢，于是就产生了视觉与色彩。但由于眼睛对各种颜色光的亮度感光是不一样的。如果把能量相等的各种波长的光引向眼睛，则会发现，对红外线光波眼睛是完全看不到的，红色光可以看到，但是很微弱。对波长O5微米的黄绿色光看上去最亮，紫色光勉强可以看到，而对紫外线则几乎完全看不到。 3. 眼睛的进化眼睛的出现是生物进化的一大亮点，因为它彻底改变了生命活动的许多规则。在眼睛出现之前，生物的形态是温和、驯服的，眼睛的出现则意味着一个充满残酷竞争的世界拉开了序幕。眼睛使许多动物成为主动的猎食者，这在很大程度上大大加快了生物进化的步伐。3.1 眼睛进化大约在54亿年前的寒武纪时期，地球上就出现了能感受光线的单细胞或多细胞有机体。1亿年之后，即奥陶纪时期，这些有机体身上才形成了真正意义上的视觉器官“原始眼”。不过，这种“原始眼”也只是生物表皮上的一块感光细胞而已。那么，我们今天所看到的各种生物、包括我们人类的眼睛，是否都是由这种“原始眼”进化来的呢?这个看来并不复杂的问题却让生物学家们争论了100多年。原因是现代人类和其他生物的眼睛构造太完美。后来的生物学家们也由此产生了不同的观点：坚信达尔文生物进化论基本原理的人认为，所有生物的眼睛都应当是从最初的“原始眼”进化而来；而反对者则认为，各种生物视觉器官的产生及进化都是独立和互不相干的，现代动物千差万别的眼睛就是一个证据。百年来，两种观点都没找到说服对方的充分的论据，只是到了近几年，随着计算机和基因技术的飞速发展，眼睛进化之争才有了趋同的观点。6值得一提的是，眼睛至今在生物界也不是非常普遍的现象，在37个门类的多细胞动物中，仅有6个门类进化出眼睛。这6个门类包括人类、脊索动物、节肢动物、软体动物等，是地球上数量最多、分布最广，也是进化最为成功的几大种类。74. 结语 眼睛作为生物体一个精密的光学器官，其认知和发展经历了一个漫长的过程。直至现今，有关眼睛的研究成果层出不穷。视觉，作为六大感知方式之一，在生命的进程中有着难以替代的作用。更何况，色彩，也是一个只可体会却难以言表的存在。因此，对眼睛的研究发展，对于促进人们的生产生活有着重大意义。同时，从眼睛的进化也可以进一步揭示生命的进化历程，支持和推动生物生态等方面的前进。参考文献1 刘永基等 具有层状晶状体的人眼模型的光学性质 光学学报 第25卷 第1期 2005年1月2 APopiolek MassajadaNumerical study of the influence of the shell structure of the crystalline 1ens on the refractive properties of the human eyeJOphthalPhysi01Opt，1999，19(1)：4149 3 APopiolek MassajadaNumerical study of the influence of the shell structure of the crystalline 1ens on the refractive properties of the human eyeJ