광 수용 생물학

적응 형 비전 메커니즘

인간 시각 시스템은 광범위한 광 강도에 걸쳐 유용한 신호를 제공합니다. 그러나 일부 눈은 밝거나 어두운 조건을 처리하는 데 광학적으로 더 적합합니다. 예를 들어, 야행성 나방의 중첩 눈은 일주 나비의 배열 눈보다 천 배나 더 민감 할 수 있습니다. 척추 동물의 눈에는 4 가지 종류의 메카니즘이 있습니다. 여기에는 홍채에 특정한 메커니즘, 막대와 원뿔 사이의 강도 범위 분할, 감광체에서의 신호 변환 과정 조정 및 활성 광안 료 분자의 이용 가능성의 변화가 포함됩니다.

비전 및 광도

빛 조절과 관련된 가장 확실한 메커니즘은 홍채입니다. 인간의 홍채는 어두운 곳에서 최대 직경 8mm (0.31 인치)까지 열리고 최소 2mm (0.08 인치)에 가깝습니다. 망막의 이미지 밝기는 16 배만큼 변합니다. 다른 동물에서는 동공의 효과가 훨씬 클 수 있습니다. 예를 들어, 특정 도마뱀에서 슬릿 동공은 직경이 몇 밀리미터 인 원에서 각각 0.1mm (0.004 인치) 이하의 핀 홀로 각각 4 개의 핀홀까지 닫을 수 있습니다. 망막 밝기 비율은 적어도 천배입니다. 이 넓은 범위의 이유는 아마도 도마뱀의 야행성 눈이 밝은 일광으로부터 강한 보호를 필요로하기 때문일 것입니다.

인간의 경우 막대는 눈의 작동 범위에서 가장 어두운 부분에 관심이 있으며 색채 시력이 없습니다. 원뿔은 밝은 달빛 수준에서 차지하기 시작하며 모든 일광 강도에서 원뿔 만 시각적 신호를 제공합니다. 막대는 큰 전기 신호로 단일 광자에 반응합니다. 즉, 전기 반응은 로돕신 분자에 의해 낮은 비율의 광자 포획으로 포화됩니다. 막대는 약 85 분마다 약 1 개의 광자를받을 때의 시야 임계치에서부터 초당 약 100 개의 광자를받을 때의 새벽 및 황혼 조건까지의 범위에서 작동합니다. 대부분의 범위에서 막대는 단일 광자 포착 신호를 보내고 있습니다. 원뿔은 막대보다 훨씬 덜 민감합니다. 그들은 여전히 ​​단일 광자에 반응하지만, 결과적인 전기 신호의 크기는 훨씬 작습니다. 이것은 콘이 초당 약 3 광자에서 초당 백만 백만 이상으로 훨씬 더 큰 작동 범위를 제공하여 인간이 직면하는 가장 밝은 조건을 처리하기에 충분합니다.

콘에 일정한 조도 변화가 아닌 잠깐 동안 깜박이는 경우 임계 값에서 채도까지의 작동 범위는 약 100 배로 줄어 듭니다. 그러나 더 긴 조도는이 범위를 확장하는 두 종류의 변화를 유발합니다. 전기 신호로 이끄는 생화학 변환기 캐스케이드는 자체 이득을 조절할 수있어 높은 광자 포착률에서 전기 신호의 크기를 줄입니다. 주요 메커니즘은 나트륨 이온과 함께 감광체로 들어가는 칼슘 이온이 나트륨 채널을 열어 놓은 분자 인 cGMP의 합성에 억제 효과가 있다는 사실에 달려 있습니다 (위의 광 수용체의 구조와 기능: 신경 전달). 빛의 효과는 cGMP 수준을 낮추어 막 채널을 나트륨과 칼슘에 가깝게하는 것입니다. 빛이 지속되면 광수 용기의 칼슘 수치가 떨어지고 cGMP 생산시 칼슘 "브레이크"가 약해지고 cGMP 수치가 다소 증가합니다. cGMP 생산이 증가하면 멤브레인 채널이 다시 열립니다. 따라서, 빛의 직접적인 영향에 반대하는 경향이있는 피드백 루프가있어, 포화 (모든 막 채널의 완전한 폐쇄)가 발생하지 않도록한다. 이는 광수 용기의 작업 범위의 상단을 확장합니다.

기능성 시각 색소 분자의 느린 회전 속도는 또한 높은 광선 수준에 반응하는 눈의 능력을 확장시키는 데 도움이됩니다. 척추 동물에서, 광자가 로돕신 분자의 11- 시스 망막을 이성 질화 할 때 생성 된 전-트랜스 망막은 막대 또는 원뿔에서 제거된다. 인접한 색소 상피로 이동하여 활성 11- 시스 형태로 다시 재생되어 감광체로 다시 전달됩니다. 평균적으로이 프로세스는 2 분이 걸립니다. 광 레벨이 높을수록 비활성 전이 상태에서 망막 분자의 수가 더 많아집니다. 따라서 빛에 반응하는 데 사용할 수있는 로돕신 분자가 더 적습니다. 강도 분포의 상단에서, 광수 신은 자기-제한적이되고, 콘은 초당 약 백만 광자를 초과하지 않는다.