Исследовательская рабрта по биологии " Глаз как оптическая система"

Исследовательская работа ученицы 9в класса МОУ « СОШ № 72»

Ивасько Анастасии.

Руководитель: учитель биологии Карнаущенкова Людмила Ивановна.

Введение.

Человек- это «зрительное» создание. Наш менталитет пронизан зрительными образами: мы «визуализируем» результаты экспериментов, «видим решение», делаем «эскиз» плана, «создаём фон», «представляем себе», «предвидим» и т.д. Такой зрительный «уклон» не должен удивлять. Все приматы ориентированы на зрение. Десятки миллионов лет наши предки провели под пологом тропического  или субтропического леса – хорошее зрение, хорошая способность определять расстояния, способность отличить прочную ветку от гибкой, через которую можно проскочить, способность разглядеть путь сквозь листву, хорошее цветное зрение, чтобы отличить спелые фрукты от неспелых, разглядеть опасного хищника – всё это награда, которую даёт эволюция за превосходную зрительную систему.

Очень большое значение имеет для любого живого организма действие света. Попытки природы создать орган, специально реагирующий на световой раздражитель, на протяжении миллионов лет истории органической жизни на Земле, иногда ошибочные, иногда неудачные и более или менее совершенные, можно проследить на различных ступенях развития органических форм. Например, дождевой червь. Органом зрения у него служат отдельные светочувствительные клетки, разбросанные в наружных частях его кожи. Таким образом, он может различать только свет и тьму, но не имеет ни какого представления о форме светящегося тела.

Гораздо сложнее устроены глаза стрекозы. Он состоит из множества тонких трубочек – фасеток с расположенными в них светочувствительными клетками. Эти клетки соединены с окончанием зрительного нерва, идущего к головному мозгу. Глаз стрекозы может различать не только свет и тьму, но и откуда свет  на него падает. Ещё более сложное строение имеет  глаз человека. Современные исследования показывают, что 95 % младенцев рождаются с нормальным зрением и без дефектов глаз. Но, как видно из таблицы, очень малый процент их достигает пожилого возраста со зрением, которое можно считать нормальным.

Возрастная группа.	% лиц с недостатками зрения.
Новорождённые.	0,5 %
Ученики школы.	20%
Студенты.	40%
40 лет	60%
95 лет	95%.

Почему такое происходит? Мне стало очень интересно. Я решила узнать как можно больше о нашем зрении. Наши глаза постоянно перегружены. Человек пользуется глазами при условиях совершенно иных, чем те, при которых глаз первоначально развивался и для которых он приспосабливался. Первобытный человек пользовался своими глазами, чтобы смотреть в даль при ярком солнечном свете – для охоты, рыбной ловли и для сражений. Когда солнце заходило, обязанности глаза заканчивались. Современный человек может работать целый день с предметами, расположенными перед глазами, потом долго сидеть перед экраном телевизора, компьютером, долго читать книгу.

Без света нет зрения. Мы видим только при наличии света. Интересный случай описывает С.С. Смирнов в книге « Рассказы о неизвестных героях». Русский солдат 9 лет, с 1915 года по 1924 год, оставался в тёмном подземелье Брестской крепости. Он имел достаточное количество пищи и воды. Но свечей и спичек хватило только на 4 года. Пять лет полной темноты. Отвыкнув от света, он ослеп. Глаз – это сложнейший оптический прибор. Он отвечает за ничтожно малые дозы световой энергии, такие, что потребовался бы десяток лет, чтобы ими можно было бы нагреть на 1 градус 1 грамм воды. Глаз ощущает минимальные количества световой энергии – 6-10 фотонов.

В своей исследовательской работе я решила познакомиться со многими функциями зрительного анализатора, именуемого зрением.

Глаз и фотокамера.

Зрение – это удивительная, ещё далеко не познанная совместная работа глаза и мозга. Уже столетия наука изучает глаз и каждый учёный, открывая новые свойства и новые тайны, испытывают волнение, преклоняясь перед его совершенством. Ещё немецкий учёный Гельмгольц считал, что моделью глаза является фотокамера. В переносном смысле все мы – обладатели уникальных «фотоаппаратов». Подобных ещё не сотворили руки человека. Наши глаза запечатлевают мир вокруг в непередаваемых, естественных красках и объёмном изображении. Жаль только, что эти «фотографии» нельзя сложить в альбом. Своеобразным альбомом является наша память. Фото эти мгновенны, они отображают всё, что мы видим.

Рассмотрим основные части фотоаппарата. Это объектив, представляющий собой систему линз, светонепроницаемый корпус, видоискатель, диафрагма и затвор. В корпус помещена светочувствительная плёнка. Свет, проходя через объектив, преломляется, падает на фотоплёнку, в результате на ней образуется скрытое изображение. Но оно будет уменьшенным и обратным. Для получения чёткого изображения предмета, который  располагается на разных расстояниях от фотоаппарата, объектив перемещают относительно фотоплёнки, результат наводки контролируется через видоискатель. Для чёткого изображения нужна определённая освещённость. Световой поток, падающий на плёнку, регулирует затвор и отверстие в диафрагме, диаметр которого можно изменять.

Какие органы зрительного анализатора выполняют функции, аналогичные функциям названных частей фотоаппарата? Это, конечно, глаз. Глаз – это самонастраивающийся прибор. Основные части глаза, которые обеспечивают преломление световых лучей – это роговица, хрусталик, стекловидное тело. Свет, попадающий в глаз, преломляется на его передней поверхности, в роговице, в водянистой влаге передней камеры глаза, хрусталике, водянистой среде задней камеры глаза и в стекловидном теле, благодаря чему на сетчатке образуется изображение. Наибольшее преломление происходит в хрусталике; он может изменять свою форму, кривизну поверхности, за что его часто называют живой линзой. Чёткость восприятия окружающего мира осуществляется рефлекторно, без участия сознания, путём изменения кривизны хрусталика. Наши глаза приспосабливаются к  видению на различных расстояниях. Это называется аккомодацией. Существует предел аккомодации – 12 см, что соответствует максимальному сжатию хрусталика. В фотоаппарате регулирует поток света диафрагма, а в глазу – зрачок. Это отверстие в радужке. Ширину отверстия регулируют центры среднего мозга. Фотоплёнке соответствует сетчатка глаза. Она имеет сложное строение. Главную роль играют светочувствительные клетки – палочки и колбочки.

В них происходит сложный фотохимический процесс выцветание зрительного пигмента. С этого и начинается зрительный акт. Сетчатка выцветает, подобно ткани. Происходят превращения зрительного пигмента, т.е. идёт процесс трансформации световой энергии в нервное возбуждение, которое доходит до коры больших полушарий мозга и там анализируется. Одновременно с распадом зрительного пигмента идёт его строительство. Если бы этого не происходило, то, один раз взглянув на мир и израсходовав весь запас зрительного пигмента, мы бы ослепли. На сетчатке изображение получается  действительным, уменьшенным и обратным. Всё это напоминает работу фотоаппарата. Значит, действительно глаз – это живая оптическая система, живой «фотоаппарат». Однако, физик и физиолог Гельмгольц высказал мысль, что, если бы ему прислали оптический инструмент, сконструированный так небрежно, как глаз, он отослал бы его назад мастеру. Учёный имел в виду физиологическое несовершенство глаза. В основном оно проявляется в различной преломляющей способности центральных и периферических участков роговицы и хрусталика. Системы линз в современных фотоаппаратах дают изображение значительно более высокого качества. Но мы мир окружающий видим чётко. Почему? Глаз связан с мозгом. Со зрительной зоной коры больших полушарий. Именно она корректирует, поправляет видимое. При этом изображение воспринимается чётким, цветным, объёмным и осмысленным.

Цветоощущение.

Насколько многокрасочен мир, настолько многообразны наши ощущения. Цвета определяются характером световых волн. Все краски слагаются из трёх цветов: красного, зелёного, фиолетового. Их смешивание даёт все остальные.

Трёхсоставную теорию цветного зрения впервые высказал в 1756 голу М.В. Ломоносов, когда писал « о трёх материях дна ока». Сто лет спустя её развил немецкий учёный Г. Гельмгольц, который не упоминает известной работы Ломоносова «О происхождении света», хотя она была опубликована и кратко изложена на немецком языке.

В сетчатке глаза есть 3 разных элемента, чувствительных соответственно к каждому из трёх основных цветов. Равномерное раздражение всех элементов вызывает ощущение белого цвета. Если в сетчатке глаза выпадает или ослаблено восприятие одного из трёх основных цветов, то человек не воспринимает какой-то цвет.

Редко встречается  полная цветовая слепота. Чаще встречаются люди, неспособные отличить красный цвет от зелёного. Эти цвета воспринимаются как серые. Такой недостаток зрения назван дальтонизмом, по имени английского ученого Д.Дальтона, который сам страдал таким расстройством цветного зрения и впервые описал его. Дальтонизм неизлечим. Он передаётся по наследству или возникает после некоторых глазных и нервных болезней. Дальтоников не допускают к вождению транспорта. Очень важно хорошее цветоощущение для моряков, лётчиков, химиков, художников.

Влияние цвета на организм.

Мы живём в мире красок, и цвет далеко не безразличен для человека. Гёте писал о способности цвета создавать настроение: жёлтый- веселит и бодрит, зелёный- умиротворяет, синий- вызывает грусть. Цвет делает вещи «тяжёлыми», «лёгкими», «холодными», «горячими». Он имеет огромную силу воздействия на человека, на работу его органов.

Русские учёные провели много опытов. Оказалось, что наиболее благоприятное влияние на человека оказывают зелёный и жёлтый цвета. Они обостряют зрение, ускоряют зрительное восприятие, создают устойчивость ясного видения, понижают внутриглазное давление, обостряют слух, способствуют нормальному кровенаполнению сосудов, повышают работоспособность руки. Красный цвет действует противоположно.

Однако жёлтое окружение не всегда полезно. Английские психологи заметили, что жёлтая кабина самолёта вызывает приступ морской болезни даже у самых опытных пилотов.

Длительное действие красного создаёт  цветовую усталость. Особо тонкой должна быть чувствительность к красному у сталелитейщика. Зелёный цвет помогает быстро снять неприятные ощущения, вызываемые красным цветом. Ежедневное восприятие «зелени»- важные гигиенический фактор.

Важно правильно сочетать цвет и освещённость в обстановке трудовой деятельности человека. Тёмные краски поглощают 98% света. Если предположить, что токарь только один раз в минуту будет переводить взгляд с блестящей детали на чёрный пол, то ему потребуется 5 секунд из 60 на привыкание глаз к изменению освещённости предметов, потеря рабочего времени за смену составляет 35 минут. Вот эта одна из причин порчи зрения.

Гигиенисты доказали, что светлые (бежевые, салатовые) тона школьной мебели повышают освещённость в классе, благоприятно влияют на работоспособность.

Зрение при быстром движении.

Существует много зрительных иллюзий. Правильная оценка положения и расстояния предметов достигается глазомером. Глазомер можно улучшить, как и любое физическое качество организма. Он особенно важен для лётчика, водителя.

У некоторых народов необычайная острота зрения. Жители степей в Киргизии или патагонцы в Южной Америке видят в 6 раз меньшие детали удалённых предметов, чем видит их обычно городской житель.

При восприятии движения изображение на сетчатке всё время перемещается. Глаз движется при покое и при движении объекта, как бы ощупывая его. Движения глаза- тонкая установка органа зрения не только на глазомер, но и на правильное восприятие света, формы и движения предмета.

Не все движения может воспринимать глаз- есть предел. Мы не видим или очень быстрое, или медленное перемещение предмета, например стремительный полёт пули или движение часовой стрелки.

Нет ничего легче, чем проверить сказанное: для этого потребуется лишь немного внимания к тому, что мы воспринимаем, сидя в вагоне поезда или в автобусе. При этом мы замечаем, быть может, и другое поразительное явление, о котором писал ещё Дове сто лет назад ( По истине, ново то, что хорошо забыто!): мелькающие мимо окна близкие предметы кажутся уменьшенными. Факт этот объясняется причиной, имеющий мало общего со стереоскопическим зрением, а именно тем, что, видя столь быстро движущиеся предметы, мы ошибочно заключаем об их близости; если же предмет ближе к нам,- как бы бессознательно рассуждаем мы,- то он должен быть в натуре мельче обычного, чтобы казаться такой же величины, как всегда. Так объяснял Г. Гельмгольц.

Дефекты зрения.

Самый массовый недостаток- неясное видимость близких или удалённых предметов.

Зрение меняется с возрастом человека: десятилетний ребёнок  видит хорошо предмет  не ближе 7см, в 45 лет- 33см, а в 70 лет часто необходимы очки для рассматривания близких предметов. Так в течение жизни падает способность хрусталика менять свою кривизну, развивается дальнозоркость.

Другой дефект зрения- близорукость. Она развивается от длительного напряжения зрения, связанного с недостатком освещения. Установлено, что в младших классов близоруких немного, но их становится больше в средних и старших классах. Чаще всего близорукость развивается к 16- 18 годам.

Только правильное чтение и письмо предупреждают близорукость. Неправильно распространённое мнение, что к старости близорукость исправляется. Близорукий к старости плохо видит и далёкие и близкие предметы. Близорукость и дальнозоркость исправляются очками. Изобретение очков относится к 13 веку. Впервые они появились в Италии. До 16 века очками пользовались только дальнозоркие, а потом появились очки с вогнутыми стёклами для близоруких. С течением времени изменялись формы очков и манера их носить.

Дальнозоркость и близорукость можно обнаружить при определении остроты зрения офтальмолога по особым таблицам. В Древнем Риме таких таблиц не было, и остроту зрения проверяли по созвездию Большой Медведицы. При достаточно высокой остроте зрения можно увидеть рядом со звездой Мицар (вторая слева в ручке ковша) слабенькую вторую звёздочку Алькор. По этой звезде древние римляне проверяли остроту зрения у воинов. Дальнозоркий глаз - такой, у которого в ненапряжённом состоянии изображение получается за сетчаткой. Ближний предел ясного видения такого глаза находится дальше, чем у нормального. Дальний предел ясного видения дальнозоркого глаза всегда отрицателен, то есть находится не спереди глаза, а сзади. Дальнозоркость может быть обусловлена меньшей длиной глаза по сравнению с длиной нормального глаза. Корректируют дальнозоркость с помощью собирающих линз. С возрастом, в основном из-за уплотнения хрусталика, теряющего способность достаточно сжиматься, ближняя точка ясного видения удаляется от глаза. Это явление называется старческая дальнозоркость.

Близорукий глаз не может чётко видеть отдалённые предметы, потому что отражённые ими световые лучи фокусируются, не достигая сетчатки. Это происходит в том случае, если глазное яблоко слишком длинно или слишком велик угол, под которым преломляются световые лучи в хрусталике. Вогнутые линзы корректируют близорукость, выпрямляя световые лучи так, чтобы они фокусировались точно на сетчатке.

Мои исследования.

ü Считается, что главными причинами близорукости являются плохое освещение, неудобные парты. Почему же с улучшением условий быта и учёбы в школе увеличивается число близоруких школьников? Я решила этот факт проанализировать. В моём классе обучаются 25 человек. Классный коллектив был сформирован с первого класса. С 1 по 4 класс количество близоруких было три человека: Е.Апостол, В. Яковлев, О. Косенкова. В течение последних трёх лет количество близоруких в классе увеличилось  на пять человек, сейчас в нашем классе 8 близоруких.

ü Вывод: С 1- 4 класс мы занимались в одной классной комнате.        Освещённость кабинета, удобные парты, цветовая гамма мебели благоприятно действовали на нас. А с переходом в среднее звено, мы занимаемся в разных кабинетах, где разная освещённость и разная цветовая гамма мебели, что и способствует развитию  близорукости.

100% зрение.	Ношение очков	Жалобы на зрение
А.Ивасько	П.Лухминский (б)	А.Горбенко (б)
Н.Силаева	Д.Таджиев (б)	А.Леонов (б)
Я.Максимова	А.Ёрёмин (б)	В.Яковлев (б)
Г.Золотов	О.Косенкова (б)	Е.Апостол (б)
Н.Мурыгина		Е.Горынин (д)
Н.Фатенко		А.Давыдычев (д)
В.Щербак		В.Володин (д)
А.Медков
В.Ворожбет
А.Макеева
Д.Кадонцев
А.Городницкий
Д. Говорун
А.Лексиков

ü Я решила среди учащихся 7 классов провести анкетирование и выяснить в каких кабинетах нашей школы учащимся заниматься комфортнее.

В анкетировании приняли участие 75 человек.

Номер кабинета	Количество учащихся
№12	9 человек
№13	10 человек
№14	4 человека
№28	8 человек
№32	7 человек
№35	15 человек
№37	5 человек
№43	5 человек
№44	7 человек
№45	5 человек

ü Вывод: Из таблицы следует, что комфортнее заниматься учащимся в кабинете № 35. В этом кабинете бежевый тон школьной мебели, светлые стены, что повышает освещённость в кабинете и благоприятно влияют на работоспособность.

ü Наблюдаю работу хрусталика при различном удалении предмета от глаз, выявляю расстояние наилучшего видения.

В эксперименте участвовало 12 человек. Я предложила учащимся расположить свои ладони на расстоянии примерно 25 см от глаз и рассмотреть линии ладони. Потом я попросила постепенно приближать ладони к носу. Что происходит с изображением? Изображение становится нечётким, размытым. Я сделала вывод: что расстояние наилучшего видения 20- 25 см от глаз, таким оно должно быть при чтении.

ü Наблюдаю работу зрачка при различной освещённости глаза.

В эксперименте участвует 12 человек. Сидящие слева в каждом ряду просят соседа по парте повернуться к источнику света (окну) и прикрыть один глаз ладонью. Через несколько секунд надо отодвинуть ладонь «испытуемого» и проследить, что происходит с его зрачком. Теперь ученики меняются ролями и повторяют эксперимент. Делаю вывод: зрачок рефлекторно сужается на свету.

ü Зрительная ориентация в пространстве возможна только при бинокулярном (от лат. Bini- «пара» и  oculus- «глаз») зрении. Мы видим мир двумя глазами: на сетчатке изображения «отпечатываются» неодинаковые: правый глаз видит совсем не то, что видит левый. Я решила наблюдать неодинаковые видения одного предмета правым и левым глазом.

В эксперименте участвовало 12 человек. Я предложила учащимся рассмотреть большой палец руки отдельно правым и левым глазом. Что наблюдали? Вывод: изображения различны. Это и есть, в сущности, главная причина того, что предметы представляются нам объёмными: наше сознание совмещает оба впечатления в один рельефный образ. Бинокулярное зрение увеличивает поле зрения, повышает его остроту, обеспечивает большую чувствительность к свету, повышает точность оценки размера объектов и расстояний.

Заключение.

Глазная гимнастика. Глазная гигиена.

Упражнение №1. Наберите в рот холодной воды и полоскайте ею до тех пор, пока вода не согреется. Холодная вода во рту стимулирует кровообращение в области лица, носа, глаз и укрепляет органы зрения. Ополаскивание глазных яблок водой действует как массаж глазных мускулов и кровеносных сосудов.

Упражнение №2. Сядьте в позу подмасана (лотоса) на стул или на пол. Направьте взгляд в левый нижний угол глаза и переведите взгляд вперёд. Попытайтесь зафиксировать глазные яблоки в каждом положении на несколько секунд. Повторите это упражнение 3-5 раз.

Упражнение №3. Движение глаз в стороны и вверх и вниз. Оставаясь в той же позе, поверните глазные яблоки насколько возможно влево, а затем вправо. Повторите это упражнение 3-5 раз. Затем, то же самое проделайте вверх, вниз. Дайте глазам немного отдохнуть.

Упражнение №4. Вращательные движения глаз. Сидя в той же позе, направьте взгляд в нижний левый угол, затем влево, затем наверх, затем вправо и, после, в нижний правый угол и снова в нижний левый угол.

 1) Для глаз очень вредно чтение при плохой освещённости (N=300 лк /кв. м), в неправильной позе, частая и продолжительная работа на компьютере. Это связано с тем, что глаза воспринимают на мониторе множественные точки, а не целое изображение. Кроме того, монитор постоянно мерцает, что ещё больше утомляет глаз. После работы на компьютере некоторое время надо дать глазам отдых (вообще ничего не смотреть!).

 2) Если зрение всё-таки падает, нужно обязательно обратиться к офтальмологу для своевременной коррекции зрения (очки или контактные линзы). Для детей это очень важно, так как позволяет не только лучше видеть, но и даёт возможность глазу правильно развиваться.

 3) Морковь в рационе помогает лучше видеть в темноте. Дело в том, что витамин А, которым богата морковь, помогает эффективнее работать палочкам сетчатки. При глазных болезнях полезно также есть капусту и другие зелёные листовые овощи.

В результате своих исследований я пришла к выводу, что глаз- очень сложно устроенный оптический прибор, наделённый природой большими полномочиями. Наша задача, зная особенности работы и строение глаза не ухудшать его природные возможности. Но если это всё- таки неизбежно мы должны придумать, как подлечить постаревший и уставший глаз.

Берегите своё зрение!

Литература.

1.     И.Д. Зверев «Книга для чтения по анатомии, физиологии и гигиене человека». Москва. Издательство «Просвещение», 1983 год.

2.     Д.Хьюбел «Глаз. Мозг. Зрение ». Москва. Издательство «Мир», 1990 год.

3.     Журнал «Квант», 2010 год.

4.     Я.Перельман. «Занимательная физика».

5.     Ресурсы «Интернет»