Biofizica Medicala - Ochiul si aparatul fotografic o analogie cu extindere neasteptate

 

Ochiul si aparatul fotografic o analogie cu extindere neasteptate

Ochiul si aparatul fotografic o analogie cu extinderi neasteptate

Biologii au observat de multa vreme ca diferite specii de vietuitoare,traind in aceleasi conditii,au suferit transformari succesive care au dus la structuri si functii similare.Astfelde procese evolutive sunt suficient de frecvente pentru ca naturalistii sa generalizeze constatarea sub forma unuia dintre principiile dezvoltarii numit evolutie convergenta.

Astfel, prin evolutie convergenta, intre ochiul omului si al caracatitei exista o similtudine aproape totala, la aceste doua specii, natura ajungnd la aceeasi structura anatomica si functionala, cu o singura diferenta :orientarea retinei.

Desigur, se constata tot atat de frecvent si cazuri de evolutie divergenta in care aceeasi functie, vederea,este realizata prin structuri diferite.Natura se dovedeste extrem de ingenioasa, adoptand solutii de o mare diversitate care cu cat sunt mai bine intelese cu atat ne apara mai potrivit adaptate funcilor pe care le indeplinesc.

Asadar, in devzoltarea naturala se observa atat evolutie convergenta,cat si evolutie divergenta.Ceea ce pentru noi apare extrem de surprinzator si aparent ciudat este neasteptata realizare convergenta a unui dispozitiv tehnic ca aparatul de fotografiat si a unui organ ca ochiul uman.Dintre instrumentele imaginate de om,nici unul nu pare a fi atat de asemanator cu o parte a organismului sau.Lucru cel mai interesant este faptul ca aparatul fotografic creat de om apare ca o transpunere a structurii ochiului sau, fara ca in realitate omul sa fi vrut s-o faca! Dimpotriva, s-a putut explica si mai bine functionarea ochiului,studiind aparatul fotografic,insa extrem de putin s-a aflat despre fotografie prin comparatie cu ochiul omului! Mult timp dupa ce procesele din aparatul fotografic fusesera deplin elucidate, abia incepeau sa se faca primii pasi in intelegerea fiziologiei vederii,proces inca in curs de cercetare.

In proiectarea aparatului fotografic, omul nu a copiat natura, insa aceleasi probleme au determinat solutii asemanatoare.

Desi creatia tehnica si evolutia cunoasterii aparatului vederii s-au desfasurat independent, cu timpul analogiile structurale au atras atentia tot mai mult facand ca intelegerea proceselor tehnologice sa sugereze metode pentru cunoasterea mecanismului vederii umane.Astazi este clar ca relatiile care se pot stabili merg mult mai departe de optica geometrica simpla, implicand adanc fizica si chimia.

O structura tehnica si una anatomica apropiate rezolva problema formarii imaginii

Desi comparatia este ingenioasa, modul de realizare a imaginilor in ochi si in camera obscura este deosebit.In timp ce camera obscura este un dispozitic pus la punct permanet datorita micimii orificiului, ochiul umanare un sistem de adaptare extrem de complex care inlatura si dezavantajul unui flux insuficient.

In figura 47,a si b sunt desenate structurile aparatului de fotografiat si cele ale ochiului uman,acesta din urma fiind reprezentat intr-o sectiune paralela cu planul de simetrie al capului.

Imaginea A΄ B΄ reala a obiectivului AB ( fig.47,a), inversata in aparat printr-un sistem covergent de lentile care alcatuiesc obiectivul O, se formeaza pe pelicula sensibilizata F aflata in planul focal al acestuia.Distanta dintre obiectiv si film poate fi modificata printr-un mecanism,astfel incat pentru orice departare la care se afla obiectul fotografiat imaginea sa se formeze cu claritate pe film ( punere la punct).In functie de iluminarea obiectivului se regleaza deschiderea diafragmei aparatului si timpul de expunere incat sa se asigure fluxul de energie luminoasa necesara impresionarii corecte a filmului ales, de o anumita sensibilitate.

In ochi lumina este focalizata pe retina de sistemul cornee-cristalin (fig 47,b) care alcatuieste un sistem convergent cu distanta focala de aproximativ 1,8 cm (covergenta 59 dioptrii).

In fond, corneea transparenta constituie, datorita curburilor diferite ale celor doua fete (1, 2 fig 48, a), un dublu dioptru sferic centrat pe aceeasi axa.Raza fetei anterioare este de 8 mm,iar a fetei posterioare de 6,5 mm.Este important pentru ceea ce urmeaza desi aici pare un detaliu nesemnificativ, ca la margine curbura celor doua fete ale corneei este mai mica.Coaxial cu corneea se afla cristalinul care este o lentila biconvexa convergenta neomogena, asimetrica (fetele 3,4 au razele de 10 mm si respectiv,6 mm), avand la mijloc o grosime de 3,5 mm si un indice de refractie mediu de 1,437, mai mare la centru decat la periferie.Tot acest sistem optic are o axa care intersecteza retina intr-o mica regiune numita « ochi redus ».centru optic este situat in interiorul cristalinului aproape de fata interioara. Cauza distantelor focale diferite rezida in faptul ca imaginea se formeaza intr-un mediu cu indicele de refractie diferit de cel al aerului.    

Pentru ochiul normal, cu cristalinul in stare de relaxare ,imaginea oricarui obiect situat pe raza vizuala intre infinit si punctul aflat la 25 cm de ochi (punctul proximum P.P.) se formeaza pe retina (fig. 49).

Analogia subliniata in fig 47 este pe deplin justificata de detaliile precedente.Cu elemente corespunzatoare se realizeaza functii optice identice.Solutiile sunt asemanatoare.Una este imaginata de om : natura este autorul celeilalte.Este, de fapt,una din nenumaratele variante create de natura pe baza acelorasi legi fizice.Ingeniozitatea naturii nu pare a fi concurata.Poate doar perfectiunea solutiei sa poata fi disputata de om.

Si totusi, Helmholtz nu a avut dreptate

Fizicianului si fiziologului german Hermann Helmholtz i se atribuie afirmatia ca "Ochiul este un instrument atat de imperfect incat ar trebui refuzat de orice optician exigent".

Pentru ochi, ca si pentru aparatul fotografic, o problema importanta o constituie formarea imaginii exact pe retina,elementul fotosensibil, corespondentul placii sau filmului fotografic.Daca la aparat, asa cum s-a vazut, punerea la punct se face printr-o deplasare a monturii obiectivului, la ochi operatia numita 'acomodare' este una din solutiile ingenioase ale naturii.

Cunoscand ca ochiul are patru suprafete sferice pe care se produce atat refractia cat si reflexia, Johannes Purkinje,fiziolog ceh, a avut ideea sa plaseze la 10-15 cm in fata ochiului unui subiect cu vedere normala,deci la o distanta mai mica de punctul proxim, o mica lumanare aprinsa.Observand ochiul subiectului, Purkinje a vazut patru imagini : una inversata,reala si inca trei drepte, virtuale. Acestea sunt imagini obtinute prin reflexia pe suprafata posterioara a cristalinului (oglinda concava), respectiv pe cele doua fete ale corneei si suprafata anterioara a cristalinului (oglinda convexa). Apropiind lumanarea de ochi, imaginea dreapta se micsoreaza, semn ca suprafata devine convexa. Suprafata posterioara sufera aceeasi modificare, dar mai putin accentuata. Din acest experiment rezulta modificarea formei cristalinului in functie de distanta obiectului fata de ochi. Se descoperea astfel un act reflex involuntar prin care ochiul realizeaza punerea la punct a imagimii.

In adevar, schimbarea curburii fetelor cristalinului conduce la varierea convergentei acestuia si a intregului sistem optic al ochiului, cu efectul de aducere a imaginii pe retina, oricare ar fi pozitia obiectului privit (fig. 50).

Operatia se efectueaza prin contractia sau relaxarea muschilor ciliari (fig.47,b). Contractia continua a muschilor ciliari pentru a privi mult timp la o mica distanta, asa cum se intampla in operatiile de mecanica fina, la lecturi etc., produce tensionarea ochiului si de aici senzatia de oboseala, ceea ce se remediaza prin relaxarea ochiului privind din cand in cand obiecte situate la distanta mai mare.

Actiunea de modificare a convergentei sistemului optic prin schimbarea convergentei cristalinului este una din operatiile numite de 'acomodare' la distanta.

O alta operatie este pastrarea exclusiva a razelor paraxiale care nu produc aberatia de sfericitate, ceea ce se realizeaza la aparatul fotografic prin modificarea deschiderii diafragmei.

In figura 51 este construita imaginea A΄ B΄printr-o lentila convergenta subtire a unui obiect AB. Pentru raza AM, paralela cu axa optica exista un focar F, iar pentru raza A M, mai apropiata de axa, un alt focar F΄ mai indepartat de lentila. Datorita acestui fapt, punctele aflate intr-un acelasi plan perpendicular pe axa vor avea imagini in plane diferite. Daca imaginea primului este clara intr-un plan, a celui de-al doilea este confuza. Se produce o deformare, o aberatie care se numeste « de sfericitate», deoarece datorita sfericitatii suprafetelor lentilei se produce o refractie mai mare la periferie decat in regiunea centrala. De aici, si metoda prin care se atenueaza aberatia : eliminarea razelor marginale prin interpunerea intre obiect si lentile a unei diafragme.

La om, irisul are acelasi rol prin micsorarea pupilei. Irisul, ca si diafragma, au si o alta functie, de a regla patrundrea in ochi a unui flux de energie luminoasa adecvat, necesar impresionarii suficiente a retinei. In plus, lucru foarte cunoscut, prin micsorarea pupilei ochiul se apara impotriva unei intensitati luminoase daunatoare.

Sistemul optic al ochiului uman are nenumarate 'detalii' prin care natura a reusit sa atenueze aberatiile. Datorita aplatizarii corneei in regiunea ei marginala, convergenta acestei parti scade, aducand razele periferice in acelasi focar cu cele paraxiale. Un alt amanunt anatomic important este alcatuirea eterogena a cristalinului care, avand un indice de refractie mai mare in regiunea centrala, refracta mai puternic fascicolul in centru decat la margine, compesand si pe aceasta cale aberatia de sferacitate. Dar atenuarea acesteiaberatii este insuficienta.

Un alt defect al unui sistem optic este,o stiu prea bine opticienii, aberatia cromatica (de culoare), care provine din fenomenul de dispersie, de neinlaturat la refractia luminii. In adevar, intrucat indicele de refractie al mediului transparent din care este construit sistemul este diferit pentru radiatii de frecvente diferite, imaginea oricarui punct printr-un sistem necorectat apare ca o pata colorata difuz (fig.52). In aparatul fotografic, sistemul obiectiv este construit din lentile lipite, care readuc focarele radiiatiilor de la rosu la violet intr-un singur punct.

Obiectivul este corectat si din punct de vedere al aberatiei de sfericitate.

Defectul cromatic al ochilui, cunoscut chiar de Newton, nu este important in intervalul de la rosu la verde, dar devine suparator la frecvente mai mari ale radiatiei vizibile. Tocmai acesta particularitate a fost 'vizata' de natura, care construind un cristalin galbui, a reusit sa 'curete' lumina de marginea ultravioleta a spectrului. O dovada ? Oamenii carora in operatia de cataracta li s-a scos cristalinul vad excelent cu ochelarii in ultravioletul apropiat. Cu varsta, cristalinul devine mai galben, iar o consecinta este ca omul batran vede mai slab culoriile vii. Este, se spune, motivul pentru care pictorii inaintati in varsta manifesta retinerea in utilizarea acestor culori.

Operatiile constituind componente ale acomodarii sunt realizate involuntar. Pentru aceste acte reflexe, conditionate de pozitia si iluminarea obiectivului vizat, exista circuite nervoase care funtioneza cu reglare automata. In ultimul timp s-au creat primele sisteme de corelare automata la aparate fotografice. De exemplu, se regleaza timpul de expunere in functie de deschiderea diafragmei : un mod analog variatiei deschiderii pupilei in raport cu liminozitatea obiectului.

Din cele aratate pana aici se poate observa ca astazi afirmatia lui Helmholtz, citata la inceputul paragrafului, despre imperfectiunea ochiului uman ca sistem optic, apare cel mai putin simplista ; ea pote fi fustificata numai de stadiul de atunci al intelegerii functionariiochiului uman.

Aprecierea distantelor

Oricat de reusita ar fi o fotografie, ea nu poate decat sa sugereze dispunerea in profunzime a obiectelor fotografice. Este firesc sa se ajunga la un astfel de neajuns prin reprezentarea in doua dimensiuni a unei scene reale (in trei dimensiuni). Vederea in relief are ca o prima componenta vederea binoculara, prin care omul poate face aprecierea asupra distantelor si a pozitiilor relative a obiectelor in adancime.

Privand cu ambii ochi ar trebui, deoarece axele optice sunt paralele, sa obtinem doua imagini, cate una pentru fiecare ochi, ceea ce nu se intampla, deoarece printr-un act reflex axele convergent spre obiectul fixat (vedere binoculara). Convergenta axelor variaza cu distanta dintre obiectul vizat si ochi (fig.53). In acest mod se realizeaza conditia ca doua raze de lumina plecate din acelasi punct-obiect sa ajunga in doua puncte corespondente pe retinele celor doi ochi. (Intelegem prin puncte corespondente punctele care se gasesc pe retinele celor doi ochi la aceeasi distanta masurata pe razele ce pornesc din petele galbene si au o aceeasi directie (fig.54). Ca vederea binoculara rezulta tocmai din excitarea simultana a punctelor corespondente este dovedit de un experiment simplu : vizati un obiect si cu degetul apasati usor lateral unul din globii oculari. Veti observa doua obiecte in locul unuia singur.

Directia axelor globilor oculari este modificata prin muschii laterali interiori si exteriori care lucreaza antagonist.

Faptul ca vederea binoculara este importanta pentru aprecierea distantelor, poate fi dovedit printr-un alt experiment. Tinand un betisor intr-o mana si acoperind cu cealalta unul din ochi incercam, vazand cu un singur ochi, sa stinga cu betisorul pe care il tinem in alt betisor fixat intr-un mod oarecare. Vom observa ca o operatie efectuata simpluin vederea binoculara devine extrem de nesigura in vederea monoculara.    

In ultimul timp s-au creat aparate fotografice la care se pot corela automat timpul de expunere si deschidere diafragmei. Aceasta este o simpla incercare de a copia un act reflex complex propriu functionarii ochiului si anume marirea pupilei in raport cu luminozitatea obiectului privit.

Irisul,care da prin culoare un plus de farmec ochiului, este un tesut musculos alcatuit din fibre circularesi radiale. Deschiderea pupilei se face prin contractia muschilor radiali si relaxarea celor circulari;

Cele doua grupe de muschi fiind simultan comandate si lucrand in contratimp. Irisul, ca si diafragma, au si o alta functie, de a regla patrunderea in ochi a unui flux de energie luminoasa adecvata necesar impresionarii retinei. In plus, lucru foarte cunoscut, inchizand pupila ochilui se apara impotrivaunei intensitati luminoase periculoase.

Inregistrarea imaginii. Asemanarile se extind

Imaginea optica formata pe film trebuie transformata intr-o imagine fotografica. Lumina, cazand pe un strat snsibil alcatuit dintr-o emulsie de halogenura de argint in gelatina determina o labilizare (o slabire) a retelei ionice a cristalului, deoarece produce o oxidare a ionului de argint in atom neutru, adica apare argintul metalic.

Se stie ca stratul sensibil este depus sub forma unor granule. In figura 55, a, este infatisata granulatia emulsiei fotografice marita de 2500 de ori. Granulatia poate fi mai mare sau mai fina. Un film cu granulatia mica si sensibilitatea mare este de calitate superioara. Cele doua cerinte sunt insa contradictirii :micsorand granulatia, diminuam si sensibilitatea. Lumina alba este compusa din radiatii de diferite frecvente. Ea fiind deci un flux de fotoni cu energie variabila, actioneaza diferit asupra retelei cristaline. Fiecare granula de pe film este redusa sau nu. Nu exista posibilitatea intermediara. Operatia se face cu unul sau mai multi fotoni care dau energia necesara labilizarii. Imaginea apare prin puncte, fiind alcatuita dintr-un mozaic, asa cum este structurata o fotografie din ziar.

Priviti cu lupa o imagine din ziar.Va veti da seama ca in realitate puterea sepatatoare a ochiului fiind destul de mica, ochiul contopeste un sistem de puncte intr-o imagine continua.

Analog, retina este stratul sensibil care ocupa o mare parte a interiorului ochiului (o deschidere de 240˚). Aici se produce traducerea semnalului luminos in semnale electrice. Retina nu este numai locul de primire a stimulului optic, ci si primul sediu in care informatia este prelucrata, deoarece acest strat este un tesut nervos organizat cu multe interconexiuni, ca si creierul. (Biologii au stabilit ca in cursul dezvoltarii embrionului uman, o parte din tesutul encefalului se prelungeste in interiorul ochiului, celulele din structura retinei fiind celule nervoase.)

Vazuta in sectiune, retina este alcatuita din celule specializate: conuri si bastonase, numite astfel dupa forma lor. Primele sunt responsabile de formarea imaginii la lumina puternica a zilei si artificiala, celelalte contribuie esential la vederea in lumina crepusculara si la iluminari foarte reduse.

Exista in acest tesut o mica depresiune, numita pata galbena,avand in partea centrala fovea,care contine exclusiv conuri (fig.55, b). Fovea subintinde un arc de 1.7˚,avand un diametru 0.25 mm. Retina are doua feluri de "granulatie":una mai fina (a conurilor) si alta, a bastonaselor, care fiind interconectate in grupuri, formeaza granule mari. Figura 55, b, reprezinta 'granulatia' retinei in apropierea foveei. Cerculetele mici sunt conuri, iar celelalte sunt bastonase. Unind fovea cu centru optic al ochiului se obtine o treapta care este diferita de axa optica. Pentru avedea bine imaginea trebuie sa cada pe fovea centrala. Intrucat fovea are dimensiuni foarte mici, este necesara miscare o ochiului pentru a vedea, distinct unul de altul, punctele alaturateale semnului de punctuatie ':'. Vederea unui obiect implica inainte de toate o continua miscare de oscilatie adreptei-centru optic in jurul punctului vizat, numita tremor de fixatie si care arata ca in figura 56.    Desigur, aceasta traiectorie da o idee asupra unui mecanism care exploreaza campul vizual si regleaza continuu directia axei optice.

Intrucat in locul in care nervul optic iese din globul ocular, retina nu are celule, acest lucru este insensibil la lumina ( pata oarba). Un experiment ne dovedeste existenta petei oarbe. Desenati o linie orizontala la 5cm si 2 cm unul de altul succesiv un romb, un punct si un cerculet. Priviti cu un ochi rombul din stanga figurii. Simultan sunt vazute punctul si cercul. Apropiati-va de o verticala ridicata din romb. La aproximativ 25 cm cercul va disparea. Apropiindu-se mai mult, ceapare cercul, dar nu se vede punctul. Prin aceasta se dovedeste si faptul ca noi primim informatii aproape de la intregul camp vizual, ceea ce este foarte important in viata de toate zilele-in general- si pentru unele actiuni, in special. Ganditi-va la folosul privirii periferice intr-un joc sportiv colectiv cum este baschetul.

Ne permite oare cunoasterea proceselor formarii imagimii pe filmul aparatului fotografic sa ne apropiem mai mult de intelegerea felului cum se realizeaza impresionarea retinei ? S-a si dovedit utilitatea acestei metode, care promite inca sa ne aduca noi cunostinte.   

S-a descoperit ca bastonasele contin rodopsina sau purpura vizuala, un pigment compus cu o structura apropiata de retinina, derivat din vitamina A, pe care corpul omului nu o poate produce. Purpura vizuala, care este sensibila la lumina, se transforma chimic ciclic succesiv intr-un sir de alte substante (fig 57), reactie care constituie interactia initiala care va determina impulsul nervos transmis. Purpura se reface la intuneric, recompunandu-se lent si incheind astfel ciclul.

Conurile contin, printre altele, iodopsina, de asemenea substanta fotosensibila, avand o compozitie inca incomplet cunoscuta. Inpresionabilitatea acestei substante este probabil mult mai mica, intrucat necesita un flux luminos mult mai mare. Conurile raman astfel celulele receptoare ideale pentru lumina diurna, iar bastonasele pentru cea de crepuscul.

Intervalul necesar regenerarii rodopsinei explica de ce un timp nu vedem deloc cand intram de la lumina puternica la intuneric. Lipsa de vitamina A da simptomul unei vederi slabe, care se manifesta cu deosebire in semiintuneric.

Avand in minte ciclul descris, apare foarte reusita comparatia pe care a facut-o Willy Kuhne, fiziolog german, cercetator al rodopsinei: "retina nu se comporta ca placa fotografica, ci ca un intreg laborator fotografic in care laborantul reinnoieste placa asternand un nou strat sensibil concomitent cu stergerea vechii imagini".

Kuhne a avut idea de a fotografia imaginea de curand imprimata pe retina vie, fapt posibil datorita albirii rodopsinei in procesul de descompunere sub actiunea luminii. Procedeul numit optografie, avand ca rezultat optograme de tipul celei aratate in figura 58, realizata in 1878, a fost pus la punct de Kuhne.

Cercetarile de la mijlocul secolului nostru au relevat o neasteptata extindere a paralelismului intre formarea imaginii pe retina si pe filmul fotografic. Reusindu-se sa se prepare pelicule uscate de rodopsina in gelatina, s-a constatat ca impresionarea rodopsinei ca si a granulelor de argint se face in doua etape : una in care sub actiunea luminii se produce o imagine latenta, neobservabila si o a doua la intuneric, in care rodopsina, pe care a cazut lumina, se albeste, revelind imaginea latenta, asa cum se produce pe filmul fotografic. Procesul a fost realizat din punct de vedere tehnologic prin fotografierea alb-negru pe peliculele cu rodopsina revelate in intuneric prin umezire si fixare prin uscare.

O sensibilitate reglabila

Graficele 1 si 2 din figura 59 sunt construite pe baza experimen-tala, inregistrandu-se sensibilitatea relativa a bastonaselor(curba 1) respectiv a conurilor (curba 2), in functie de lungimea de unda a radiatiei cu care este iluminata suprafata privita. Se observa ca sensibilitatea bastonaselor este mai mare decat a conurilor pentru frecvente mari (lungimi de unda mai mici). De exemplu, raportul intre senzatiile luminoase determina prin observarea unei suprafete galbene prin conuri si prin bastonase. Aceasta inseamnaca suprafata apare de 11 ori mai intens luminata cand senzatia este data de conuri. In acelasi experiment se observa ca luminand suprafata cu albastru situatia se inverseaza. Cand lumina devine slaba si culorile rosu,portocaliu si galben se estompeaza, ramane bastonaselor rolul principal in distingerea obiectelor (curba 2).

Un experiment simplu care dovedeste cele aratate este urmatorul. Sa privim comparativ inlumina zilei si in semiintuneric doua bucati de hartie, una rosie si alta albastra. Observam ca in timp ce in lumina puternica avem zenzatiaca hartia rosie e mai luminoasa, in semiintuneric senzatia se inverseaza (efect Purkinje-1825).

Dar acest transfer al vederii la bastonase determina o comparatie imediata cu operatia de schimbare a sensibilitatii filmului utilizat in aparatul fotografic prin trecerea de la un film cu granulatie mai fina la unul cu granulatie mai mare. In adevar, pe masura ce intensitatea luminoasa scade, rolul cel mai important revine bastonaselor care constituie pe retina regiunea cu granulatie mare, adica partea cu sensibilitate mai mare. Imaginea fiind mai difuza datorita deschiderii irisului, defectul seatenueaza si prin granulatia mare a retinei in regiunea bastonaselor (fig.55,b).

Folosind comparatia intre ochiul uman si aparatul fotografic s-a relevat un domeniu in care fizica intalneste in mod aparent surprinzator anatomia si fiziologia, cu consecinte extrem de fecunde pentru aceste din urma discipline. In plus, un exemplu din care omul a putut invata ceva despre ochiul sau, studiind procesele imaginate de el insusi pentru inregistrarea tehnica a imaginii, este doar un exemplu de evolutie convergenta cu implicatii importante pentru cunoastere.