VÍZUÁLIS OPTIKA. A látás evolúciója. Dr Wenzel Klára. egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem.

Átírás

1 VÍZUÁLIS OPTIKA A látás evolúciója Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapest, 2018

2 Az 1.rész tartalma: 1. A látás fiziológia 2. A fény hatása az élő szervezetre 3. A látás evolúciója

3 A látás fiziológia

4 A fény hatása az élő szervezetre

5 Az elektromágnenes spektrum

6 Az elektromágnenes spektrum

7 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 nm - retina pusztulás 2. UV B nm - szemgyulladás, szemlencse károsodás 3. UV A nm - barnulás, szem gyulladás 4. Látható sugárzás (fény); fotokémiai hatás; látás a szemmel 1. Infravörös sugárzás; hő érzékelés a bőr felülettel 1. IR A µm - szemlencse károsodás 2. IR B 1,4 3,0 µm 3. IR C 3,0 µm 15 µm

8 A szem evolúciója A szem fejlődése a törzsfejlődés során

9 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 )

10 A lencsés szem optikai elve

11 Az emberi szem és a digitális kamera hasonlósága

12 Az egyszerű szemtől az összetett szemig Élő Planaria, két fényérzékeny ponttal(hickman, 1979)

13 Lyukkamera elven alapuló primitív szem Eye of the primitive mollusc, Nautilus. The most well known pin-hole camera in the Animal kingdom. From Hickman (1970)

14 Evoluciós lépések

15 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

16 Kagyló legyező-szeme Sok egyszerű szem egymás mellett (mozaik szem) S Sm P I látó sejt a látó sejt magja pigment sejt látó ideg Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

17 Szitakötő szeme Fazetta-szem; a fazetták száma rovaroknál is lehet Bárány 1963 Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

18 Mediterrán gyümölcslégy fazetta-szeme

19 Ecetmuslinca szeme

20 Összetett szemek Pók szemének hosszmetszete 1 Látóideg 2 Irisz (fény szabályozás) 3 Pálcikák 4 Üvegtest (lencsehatás!) 5 Retina sejtek Dr. Bárány Nándor: A látás, Kézirat, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963

21 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 szemlencse 2. Mellék retina 3. Idegsejt 4. Üvegtest nyúlványai 5. Üvegtest (folyékony töltőanyag) 6. Mirigysejtekkel termelt anyag Összetett optikai lencséhez hasonló hatás Bárány 1963

22 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 előrehátra tolja. Bárány 1963

23 Az emberi szem

24 Az emberi szem legfontosabb részei

25 Madár szemének legfontosabb részei

26 A lencsés szemek egységes felépítésűek a gerinceseknél. A szem legfontosabb részei is hasonlóak, kisebb egyéni variációkkal.

27 A szem alakjának variációi A méretek sem azonosak! (Biological Vision) A baglyok szeme teleobjektív-szerű, az énekes madarak szeme nagylátószögű objektívhez hasonló. -- ember -- ökörszem-bagoly -- tündér bagoly -- macska -- denevér -- cormorán -- galamb -- vörös vércse -- bálna -- mókus -- ló -- delfin -- szarvas

28 A retina; csapok és pálcák

29 Az ember látómezeje Monokuláris, 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.

30 A látómező nagysága a szem alakjától függ A zsákmány-állatok látómezeje széles, lehetőleg az egész környezetre kiterjed. A szemek oldalra néznek.a két szem nem ugyanazt látja. A ragadozó madarak látómezeje keskeny, a szemek előre néznek. A két szem látómezeje fedi egymást (jó tér-látás)

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

32 A szemlencse anyagának struktúrája Bárány után

33 A Helmholtz-féle sugárkoszorú Bárány nyomán

34 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.

35 Különböző színű szemek

36 A pupilla Szerepe: 1. A fény mennyiség szabályozása 2. 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

37 Macska szeme világos és sötét környezetben

38 Nautilus kulcs-luk szeme

39 Héja szeme

40 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 ötszínlátók!), 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.

41 Az agy evolúciója A 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)

42 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)

43 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)

44 Az emberi agy oldalnézetének sematikus rajza A neokortex uralkodik, mellette a kisebb limbikus rendszer és az agytörzs vagy hátsóagy egészen eltörpül (Sagan nyomán)

45 A külvilág feltérképezésének sematikus ábrázolása a neokortex két féltekéjében

46 A szemünkkel nézünk, az agyunkkal látunk! 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.

47 Ajánlott irodalom Wenzel, K.: Vizuális optika, Előadás vázlatok, James T. Fulton: Excerpts from Processes in Biological Vision, Internet, 2002 Livingstone, M.: Vision and Art The Biology of Seeing, Abrams, New York, 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., D. D. Hoffmann: Visual Intelligence, W. W. Norton & Co., Jennifer Birch: Diagnosis of Defective Colour Vision, Butterworth-Heinemann, Rose, S.: A tudatos agy, Gondolat, Budapest, 1983 Gregory, R.L.: Eye and Brain, Princetown University Press, Gregory, R.L., & Hombach, E.H.: Illuzió a természetben és a művészetben, Gondolat Kiadó, Budapest, 1982.

48 Ajánlott irodalom Sagan, C.: Az éden sárkányai; tűnődések az emberi intelligencia evoluciójáról, Európa Könyvkiadó, Budapest, Szilas László: A látszerész, Műszaki Könyvkiadó, 1976 Vörösmarthy Dániel: A szem optikája, Medicina Kiadó, Gregory: The Intelligent Eye, McGraw Hill, 1971 Leonardo: A festészetről, Corvina, 1967 Németh: Seurat, Corvina, 1966 Patócs-Vajay-Hargittai: Szemüvegek, Műszaki Könyvkiadó, Bárány, N.: A látás, Mérnöki Továbbképző Intézet, Boros, Kettesy, Kukán: Szemészet, Medicina kiadó, 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.

49 VÉGE