Журнал "Здоровье" №4 (100) 1963

Химия зрения

Кандидат биологических наук М. А. Островский

Зрение — это работа глаза и мозга. Начинается оно к в палочках и колбочках — фоторецепторных, то есть воспринимающих свет, клетках сетчатки глаза. Сетчаткой ее еще 320 лет до нашей эры назвал грек Герофил за сходство с рыбачьей сетью, как бы закинутой на дно глазного бокала и ловящей солнечные лучи. Свет, прежде чем дойти до нее, проходит через хрусталик и стекловидное тело.

Оптические свойства глаза с его зрачком-диафрагмой относительно просты и принципиально не отличаются от оптических свойств простейшего фотоаппарата. Фоточувствительная же пленка глаза — сетчатка — сложна необыкновенно. Замечательный испанский исследователь сетчатки Рамон-и-Кахаль назвал ее «кусочком мозга, помещенном в глаз». Это удивительное и причудливое создание — результат длительного процесса эволюции.

Сетчатка похожа на слоеный пирог толщиной в одну десятую миллиметра. Наружный слой ее составляют палочки и колбочки, за ними идут слои специфических нервных клеток, ажурные слои отростков этих клеток и контактов между ними. От последнего слоя нервных клеток отходят длинные отростки; их около миллиона, и вместе они образуют зрительный нерв, по которому начавшийся в палочках и колбочках процесс зрения достигает мозга.

Палочки и колбочки — святая святых сетчатки — это вытянутые в длину клетки. Они действительно похожи на микроскопические палочки и колбочки. В сетчатке глаза человека около 125–130 миллионов палочек и 6–7 миллионов колбочек. Построены они исключительно изящно и в то же время сложно. Рассматривание их в микроскоп доставляет эстетическое наслаждение. Создается впечатление, что их строил изощренный архитектор.

Длина палочки — шесть сотых, а толщина — две тысячных миллиметра; колбочка несколько короче, но чуть толще. Каждая палочка и колбочка состоит как бы из двух половинок. В электронный микроскоп при увеличении в 80—100 тысяч раз можно видеть, что наружные части их представляют собой как бы стопку мельчайших тарелок. Толщина каждой такой «тарелки» около 15 миллионных долей миллиметра. Во внутренней части палочек и колбочек располагаются так называемые митохондрии; они, вероятно, усиливают те фотохимические процессы, которые начинаются в наружной части палочек и колбочек под действием света.

В фоторецепторных клетках сетчатки происходит превращение энергии кванта света (квант — самая малая и неделимая порция света) в энергию зрительного процесса. Физико-химический механизм этого превращения до конца еще не изучен, но исследование его началось давно.

В 1851 году физиолог Мюллер извлек из глаза лягушки сетчатку. Она оказалась розовато-пурпурной. Это наблюдение не привлекло особого внимания ученых. Спустя четверть века Болль повторил его эксперимент и обнаружил, что вынутая из глаза сетчатка на свету выцветает. Еще через два года физиолог Кюне нашел способ выделить из сетчатки розовато-пурпурный пигмент в пробирку, который также обесцвечивался на свету.

Тот же Кюне произвел опыт, который и сегодня поражает наблюдателя. На неподвижный глаз кролика, долго сидевшего в темноте, ученый спроецировал изображение светлого окна с темным переплетом рам. Через некоторое время Кюне извлек из глазного бокала сетчатку и… на пурпурном фоне сетчатки увидел изображение окна! В тех местах сетчатки, на которые упал свет, пурпурный пигмент выцвел, а в остальных остался тем же розовато-пурпурным. Получилась живая фотография!

Опыт Кюне доказал, что изображение, сфокусированное хрусталиком глаза на сетчатке, вызывает в ее фоторецепторных клетках — палочках и колбочках — фотохимический процесс выцветания пурпурного пигмента. Как правильно решил немецкий физиолог, это выцветание имеет самое непосредственное отношение к началу зрительного акта. Неизвестно, думал ли Кюне о символическом смысле пурпурного цвета, но он дал пигменту палочек удивительно звучное название — зрительный пурпур!

Пурпур… Цвет величественный и торжественный, воспетый великим Гомером в образе Эос — богини пурпурной зари!

Открытие пурпура — драгоценного красителя — приписывают финикинянам еще за 1600 лет до нашей эры. Мореплаватели и купцы часто платились жизнью, добывая в далеких странах эту царственную краску. Не было ей цены, ибо получали ее из раковин редких моллюсков, обитающих в теплых морях. Не удивительно, что этот цвет считался символом силы и знатности.

Пурпурной лентой награждали в древнем Риме победителя; в тогу, целиком окрашенную в пурпурный цвет, имел право облачаться только император, а жрецы могли носить на тоге лишь пурпурную ленту. Но древние греки, римляне и египтяне не подозревали, что пурпурный цвет— это еще и цвет уникального химического вещества, которое дарует человеку способность видеть окружающий мир… Открытие пурпура в сетчатке глаза положило начало экспериментальному биохимическому изучению зрительных пигментов, начало фотохимической теории зрения.

Современные биохимики, люди точной науки, дали зрительному пурпуру другое, строго научное название — родопсин, розовый белок, ибо пурпур — не что иное, как окрашенный белок. Кроме него, в палочках и колбочках животных и человека были обнаружены еще три пигмента; порфиропсин (от греческого слова «порфир» — пурпурный), йодопсин (от греческого «йод» — фиолетовый) и цианопсин (от греческого «циан» — голубоватый). До настоящего времени больше всего изучен зрительный пурпур.

В течение последних десятилетий биохимики разрабатывали две основные проблемы: как выцветает на свету зрительный пурпур и как он вновь синтезируется.

Так художник В. Дегтярев представляет себе процесс восстановления зрительного пурпура. Видимые нами предметы как бы отпечатываются на фотопластинке — сетчатке глаза. При этом расходуется часть зрительного пурпура. В его восстановлении участвуют белок палочек и колбочек — опсин, а также витамин А и фермент изомераза, поступающие в сетчатку через пигментный эпителий глаза. Как только зрительный пурпур будет восстановлен, на сетчатке — фотопластинке прежнее изображение как бы смоется; сетчатка вновь готова запечатлевать предметы окружающего нас мира

В современных руководствах по химии зрения описываются все стадии выцветания зрительного пурпура.

Вначале в молекуле зрительного пурпура происходят весьма незначительные изменения: меняется только расположение атомов, из которых она состоит. Такая перестановка атомов и определяет перемену цвета пигмента с пурпурного на оранжевый. Затем, на следующей стадии выцветания, молекула зрительного пурпура как бы разрывается, раскалывается на две части: белковую и красящую. Красящая часть молекулы — ретинен — желтого цвета, поэтому сетчатка приобретает желтый цвет. На последней стадии ретинена уже нет: путем сложных химических реакций он преобразуется в витамин А.

Итак, желтый ретинен — не что иное, как видоизмененный витамин А. Это открытие стало сенсацией. Оно с научной точки зрения объяснило работу русского врача Савельева, который изучил так называемую куриную слепоту более чем у тысячи больных и добился поразительных успехов другие жиры. Причина синтез в палочках зрительного пурпура, строительным материалом для которого является витамин А. Статья Савельева, опубликованная еще в 1892 году, так и называлась: «Куриная слепота, как следствие жирового голодания».

Продукты выцветания зрительного пурпура образуются не только в сетчатке, но и в пробирке при комнатной температуре. Если раствор зрительного пурпура заморозить, то под действием света он превращается в продукт оранжевого цвета, на этом обесцвечивание пурпура останавливается. Если же затем этот раствор оставить оттаивать до комнатной темпёратуры даже в темноте, то он через некоторое время превратится сначала в желтый, а затем в белый раствор.

Свет нужен именно для того, чтобы превратить зрительный пурпур в промежуточный оранжевый; остальной процесс будет не фотохимическим, не с обязательным участием света, а просто химическим, для которого необходима только плюсовая температура.

Большинство ученых считает, что именно мгновенное фотохимическое превращение пурпура в промежуточный оранжевый — важнейший этап превращения энергии света в нервный процесс зрения.

Постепенно был решен и второй вопрос, на который ученые стремились ответить еще со времен Кюне: как восстанавливается в сетчатке зрительный пурпур? Ведь если под действием света пурпур выцветает, то он обязательно должен снова восстановиться. Иначе — стоило бы один раз взглянуть на солнечный мир и израсходовать весь запас зрительного пигмента, как мы бы ослепли. Одно из самых тяжелых нарушений в нашем организме, приводящее к слепоте, и есть неспособность сетчатки восстанавливать зрительный пурпур в результате поломки биохимического механизма восстановления зрительного пурпура.

Как известно, пурпур под действием света переходит в промежуточный оранжевый и зрительный желтый — смесь белка-опсина и ретинена, а затем в зрительный белый — смесь белка-опсина и витамина А. Кюне установил, что зрительный пурпур и в живом глазу, и в вынутой из глаза сетчатке может восстанавливаться с любой стадии выцветания. Для этого необходимо одно — контакт с пигментным эпителием — тонким слоем черных, как сажа, пигментных клеток. Располагаясь на дне глазного бокала, эти клетки служат сетчатке как бы подстилкой. К пигментному эпителию примыкает разветвленная сеть тончайших капилляров, питающих сетчатку кровью. Именно с кровью через пигментный эпителий в палочки и колбочки сетчатки поступает витамин А — строительный материал зрительных пигментов.

В 1951 году было установлено, что для «строительства» зрительных пигментов необходим особый витамин А — атомы в его молекуле должны располагаться строго определенным образом. В наш организм поступает обычный витамин А. Но один из многочисленных ферментов животных и человека — изомераза, которая располагается в пигментном эпителии, превращает молекулу обычного витамина А в молекулу витамина А «зрительного».

Когда все это было установлено, биохимики сумели получить искусственным путем зрительный пурпур. Для этого они смешали в пробирке совершенно чистый витамин А, добытый из рыбьего жира, белок палочек — опсин и набор специальных ферментов, в том числе изомеразу. Из этой смеси в результате химической реакции и получился зрительный пурпур. Все эти работы приближают время, когда удастся с успехом лечить людей, у которых нарушен механизм восстановления в сетчатке зрительного пурпура.

До сих пор речь шла о превращениях зрительного пурпура, который находится в палочках сетчатки. Такие же превращения претерпевает и другой зрительный пигмент человека — йодопсин. Он находится в колбочках. Но зачем глазу человека нужны два зрительных пигмента и два рода фоточувствительных клеток?

Все дело в том, что колбочки менее чувствительны к свету, чем палочки. Но зато с помощью колбочек мы наблюдаем сочные цвета окружающего нас солнечного мира. В яркий день красный мак мы видим колбочками. В сумерках этот же цветок становится для нас почти черным. Почему? Дело в том, что колбочки его видеть перестали — для них вечером света слишком мало, а палочки, благодаря которым мы все же замечаем цветок, красный цвет почти не воспринимают, так как зрительный пурпур под действием красного цвета не выцветает. Это удивительное явление природы обнаружил еще в 1823 году один из основателей физиологической оптики, гордость чешской и мировой науки, друг Гете — Ян Пуркинье.

Обладая уникальной чувствительностью к свету, палочки сетчатки «работают» и в условиях малой освещенности. Установлено, что если бы лучи света не рассеивались в атмосферном воздухе, было бы вполне достаточно энергии света, падающего на один квадратный сантиметр в секунду от обыкновенной стеариновой свечи, удаленной от глаза на… двести километров, чтобы началось выцветание зрительного пурпура, то есть чтобы мы увидели свет!

* * *

До самого последнего времени фотохимическая теория зрения была единственной и казалась непререкаемой. Но в науке даже самые очевидные вещи подчас могут нуждаться в уточнении. Нет, роль и значение зрительных пигментов не опровергнуты. Именно они переводят физическую энергию света в фотохимический процесс, с которого в сетчатке начинается, а в коре головного мозга заканчивается сложный процесс зрения.

Многие физиологи и биохимики, сводившие весь процесс зрения к выцветанию и восстановлению зрительного пурпура, забывали о роли многочисленных нервных элементов сетчатки. Но зрительный процесс вовсе не сводится только к процессу фотохимическому. Недаром сетчатку называют «кусочком мозга, помещенным в глаз». В формировании информации, которую сетчатка посылает в кору головного мозга, самое активное участие принимают и ее нервные слои.

Зрение — функция и глаза, и мозга. Поэтому в последние годы ученые все настойчивее выдвигают теорию так называемой нервной адаптации (привыкания) глаза, которая связывает чувствительность глаза к свету не только с количеством зрительных пигментов, но и с деятельностью нервных элементов сетчатки. Полное познание биологического процесса зрения — дело недалекого будущего. Новые методы и идеи физики, могущество математики, опыт и знания биологов избавят человека от одного из самых страшных, трагических недугов — слепоты.