VÍZUÁLIS OPTIKAA látás evolúciója

Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

Budapest, 2018

Az 1.rész tartalma:

1. A látás fiziológia2. A fény hatása az élő szervezetre3. A látás evolúciója

A látás fiziológia

A fény hatása az élő szervezetre

Az elektromágnenes spektrum

Az elektromágnenes spektrum

Az elektromágneses sugárzás hatása az élő szervezetere

1. Gamma sugarak – pusztító hatás; nincs rá érzékszervünk

2. Röntgen sugárzás – ártalmas / gyógyító / átvilágító; nincs rá érzékszervünk

3. Ultraibolya sugárzás; kémiai hatás; nincs rá érzékszervünk 1. UV „C” – 100 … 280 nm - retina pusztulás2. UV „B” – 280 … 315 nm - szemgyulladás, szemlencse károsodás3. UV „A” – 315 … 400 nm - barnulás, szem gyulladás

4. Látható sugárzás (fény); fotokémiai hatás; látás a szemmel

1. Infravörös sugárzás; hő érzékelés a bőr felülettel1. IR „A” – 0.75 … 1.4 µm - szemlencse károsodás2. IR „B” – 1,4 … 3,0 µm3. IR „C” – 3,0 µm … 15 µm

A szem evolúciójaA szem fejlődése a törzsfejlődés során

A szem

• Az egyszerű szem

– csak fényérzékelés; képalkotás nincs

• Az összetett szem

– A lencsés szem - a fényfelfogó szervek előtt egyetlen optikai lencse található (centrális projekció)

– A komplex vagy fazetta szem - számtalan önálló szem együttese, külön lencsével és fényfelfogó szervvel („mozaik-látás”)

A lencsés szem optikai elve

Az emberi szem és a digitális kamera hasonlósága

Az egyszerű szemtől az összetett szemig

Élő Planaria, két fényérzékeny ponttal(Hickman, 1979)

Lyukkamera elven alapuló primitív szem

Eye of the primitive mollusc, Nautilus.The most well known pin-hole camera in the Animalkingdom. From Hickman (1970)

Evoluciós lépések

Önálló szemek (ommatidák) alacsonyrendű élőlényeknél

Minden látó egység önálló képalkotó rendszerrel rendelkezik (komplex vagy fazetta-szem).

Az ommatidák száma néhány száz lehet. A látás mozaik-szerű.

1 Karneál lencse

2 Kristálykúp sejt

3 Kristály kúp

4 Pigment sejt

5 Központi sejt, rabdom

6 Látósejt

7 Idegrost

8 Retinuláris sejt

Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

Kagyló legyező-szemeSok egyszerű szem egymás mellett (mozaik szem)

S látó sejt

Sm a látó sejt magja

P pigment sejt

I látó ideg

Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

Szitakötő szemeFazetta-szem; a fazetták száma rovaroknál 45…30.000 is lehet

Bárány 1963Bárány 1963

Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

Mediterrán gyümölcslégy fazetta-szeme

Ecetmuslinca szeme

Összetett szemekPók szemének hosszmetszete

1 Látóideg

2 Irisz (fény szabályozás)

3 Pálcikák

4 Üvegtest (lencse-hatás!)

5 Retina sejtek

Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

Összetett szem (férgek szeme)Egy képalkotó rendszere van, amely az üvegtest mögötti

képfelvevő felületre leképezi a tárgyat.Akkomodáció során a szemlencse előre-hátra tolódik!

1. Gömb alakú szemlencse2. Mellék retina3. Idegsejt4. Üvegtest nyúlványai5. Üvegtest (folyékony

töltőanyag)6. Mirigysejtekkel termelt anyag7. 1-2-5 Összetett optikai

lencséhez hasonló hatás

Bárány 1963

Az evolúció egyik fázisa: áttérés a vízi életmódról a szárazföldi életmódra

Cápa szeme – lapos elülső felület, gömb alakú szemlencse

Béka szeme – előre domborodó elülső felület, laposabb szemlencse. Szárazon rövidlátó, vízben távollátó. Alkalmazkodáskor a szemlencsét előre-hátra tolja.

Bárány 1963

Az emberi szem

Az emberi szem legfontosabb részei

Madár szemének legfontosabb részei

A lencsés szemek egységes felépítésűek a gerinceseknél.

A szem legfontosabb részei is hasonlóak, kisebb egyéni variációkkal.

A szem alakjának variációi A méretek sem azonosak!(Biological Vision)

-- ember-- ökörszem-bagoly-- tündér bagoly-- macska-- denevér-- cormorán-- galamb-- vörös vércse-- bálna-- mókus-- ló-- delfin-- szarvas

A baglyok szeme teleobjektív-szerű , az énekes madarak szeme nagylátószögű objektívhez hasonló.

A retina; csapok és pálcák

Az ember látómezejeMonokuláris, binokuláris és sztereo látómező

Szemünk látómezeje 180 fok körüli, de ennek csak a középső, mintegy 60 fokos részén látunk részleteket, a széleken pedig csak a mozgásokat érzékeljük.

A binokuláris látás ezért csak középen alakul ki.

A sztereo látás csak a látómező középső, legélesebb területén működik.

A látómező nagysága a szem alakjától függ

A ragadozó madarak látómezeje keskeny, a szemek előre néznek. A két szem látómezeje fedi egymást (jó tér-látás)

A zsákmány-állatok látómezeje széles, lehetőleg az egész környezetre kiterjed. A szemek oldalra néznek.A két szem nem ugyanazt látja.

A szemlencse hagyma-szerű koncentrikus rétegekből áll.(Biological Vision)

A szemlencse anyagának struktúrája

Bárány után

A Helmholtz-féle sugárkoszorú

Bárány nyomán

Az irisz vagy szivárvány hártya

Fontos szerepe: kizárja a szórtn fényt.Színét a benne lévő pigment anyagok adják.

A kék szem különleges: A vizes közegben jelenlévő protein, zsiradék, illetve rostos szövet finom keverékén történő fényszóródás következménye a szem kék színe. Nemcsak embereknél gyakori, hanem néhány állatnál, például a sziámi macskánál is megfigyelhető. A szivárványhártyáról való szóródással létrejövő szép kék szín kialakulását háttérként segíti a sötét melanint tartalmazó uvea réteg.

Különböző színű szemek

A pupilla

Szerepe:1. A fény mennyiség szabályozása2. A retina védelme (automatikus, akarattól független működés)3. Az optikai képalkotás befolyásolása (l. fényelhajlás kerek lyukon illetve keskeny résen)

Alakja:1. Kör (nem tud teljesen bezáródni)2. Keskeny rés (teljes zárás is lehetséges)3. Összetett

Macska szeme világos és sötét környezetben

Nautilus kulcs-luk szeme

Héja szeme

A színes látás minden állatnál 4 féle pigment által alakul ki. Az UV-ben két féle módosulat is

lehetséges. Az érzékenységi maximumok hullámhossza 342, 437, 532, és 625 nm.+/- 2 nm.

A 4 féle pigmentből az egyes állatok nem mindegyiket használják. Pl. a macskák az UV-t a kéket és a zöldet, a lepkék mind a négyet és két féle UV-t (ezek ötszín-látók!), az ember háromszín látó (vörös, zöld, kék).

Az ember vörös érzékelőjének maximális érzékenysége 570 nm-nél, zöld érzékelőjének 543 nm-nél és kék érzékelőjének 442 nm-nél van (CIE, Stockmann-Sharpe). Az eltéréseket a szem optikai közegeinek szűrő hatása okozza. A szemlencse az UV érzékenységet teljesen kiszűri.

Az agy evolúciójaA szem evolúciója során az agy a látással párhuzamosan fejlődik.

A látás fejlődése egyre nagyobb agy-kapacitást igényel

Az agy hármas tagozódása:

1.Nyúlt velő, kisagy – az agy legősibb része – az automatikus mozgás központja

2.Középagy - az ösztönös viselkedés központja

3.Előagy – a magasabbrendű agyfunkciók (gondolkodás, látás) központja

4.(Sagan nyomán)

Az emberi agy hármas tagozódása

1. Agytörzs; közép agy - az automatikus mozgások központja („hüllő-komplexum”), több száz millió évvel ezelőtt fejlődött ki.

2. Limbikus rendszer - az ösztönös cselekvések és az erős érzelmek központja, kb. 150 millió évvel ezelőtt fejlődött ki.

3. Neokortex – a legmagasabb szintű, legutolsó időben kifejlődött cselekvések központja (látás, beszéd, gondolkodás), néhány millió évvel ezelőtt fejlődött ki.

(Sagan nyomán)

Nyúl, macska és majom agyának sematikus rajza

A sötét, pontozott térség a limbikus rendszer, a fehér, barázdált területek a neokortexet ábrázolják,.A magasabb rendű emlősök neokortexe viszonylag nagy. Legnagyobb az emberé (és a delfiné, meg a bálnáké). A legutóbbi évmilliókban fejlődött ki rohamosan).

(Sagan nyomán)

Az emberi agy oldalnézetének sematikus rajza

(Sagan nyomán)

A neokortex uralkodik, mellette a kisebb limbikus rendszer és az agytörzs vagy hátsóagy egészen eltörpül

A külvilág feltérképezésének

sematikus ábrázolása a neokortex két féltekéjében

A szemből érkező képi információt az agy a legapróbb részletekig szétbontja és analizálja, majd ismét összerakja, értelmezi és elraktározza. Minden emlék (képi, hang, stb) örökre megőrződik és (elméletileg) előhívható.

A szemünkkel nézünk, az agyunkkal látunk!

Ajánlott irodalom

• Wenzel, K.: Vizuális optika, Előadás vázlatok, 2018.

• James T. Fulton: Excerpts from Processes in Biological Vision, Internet, 2002

• Livingstone, M.: Vision and Art – The Biology of Seeing, Abrams, New York, 2002.

• Gegenfurtner , K.R. & Sharpe, L. T.: Color Vision from Genes to Perception. Cambridge University Press 1999;

• Wyszecki-Stiles: Color Science, Wiley, 1966

• Brian A. Wandell: Foundations of Vision, Sinauer Inc., 1995.

• D. D. Hoffmann: Visual Intelligence, W. W. Norton & Co., 1998.

• Jennifer Birch: Diagnosis of Defective Colour Vision, Butterworth-Heinemann, 1998.

• Rose, S.: A tudatos agy, Gondolat, Budapest, 1983

• Gregory, R.L.: Eye and Brain, Princetown University Press, 1997.

• Gregory, R.L., & Hombach, E.H.: Illuzió a természetben és a művészetben, Gondolat Kiadó, Budapest, 1982.

Ajánlott irodalom

• Sagan, C.: Az éden sárkányai; tűnődések az emberi intelligencia evoluciójáról, Európa Könyvkiadó, Budapest, 1977.

• Szilas László: A látszerész, Műszaki Könyvkiadó, 1976

• Vörösmarthy Dániel: A szem optikája, Medicina Kiadó, 1974.

• Gregory: The Intelligent Eye, McGraw Hill, 1971

• Leonardo: A festészetről, Corvina, 1967

• Németh: Seurat, Corvina, 1966

• Patócs-Vajay-Hargittai: Szemüvegek, Műszaki Könyvkiadó, 1965.

• Bárány, N.: A látás, Mérnöki Továbbképző Intézet, 1963.

• Boros, Kettesy, Kukán: Szemészet, Medicina kiadó, 1962.

• Schober: Das Sehen, Verlag für Fachliteratur, 1950

• Bernolák Kálmán: A fény, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981

• Budó-Mátrai: Kísérleti Fizika III., OPTIKA, Tankönyvkiadó, Budapest, 1977

• Ábrahám György: Optika, Pánem-McGraw-Hill, 1998

• Alberth Béla: Szemészet, Medicina Kiadó, 1995.

VÉGE