Cơ chế thích nghi của tầm nhìn
Hệ thống thị giác của con người quản lý để cung cấp tín hiệu có thể sử dụng trên một phạm vi cường độ ánh sáng rộng. Tuy nhiên, một số mắt thích nghi tốt hơn về mặt quang học để xử lý các điều kiện sáng hoặc tối. Ví dụ, đôi mắt chồng chất của bướm đêm về đêm có thể nhạy hơn gấp ngàn lần so với mắt định vị của loài bướm diurnal. Trong mắt của động vật có xương sống, có bốn loại cơ chế hoạt động để cho phép tầm nhìn trên một phạm vi cường độ ánh sáng rộng. Chúng bao gồm các cơ chế đặc trưng cho mống mắt, sự phân chia phạm vi cường độ giữa các que và hình nón, điều chỉnh quá trình truyền tín hiệu trong các tế bào cảm quang và sự thay đổi về sự sẵn có của các phân tử quang hoạt động.
Tầm nhìn và cường độ ánh sáng
Cơ chế rõ ràng nhất liên quan đến điều tiết ánh sáng là mống mắt. Ở người, mống mắt mở trong bóng tối với đường kính tối đa 8 mm (0,31 inch) và đóng lại tối thiểu 2 mm (0,08 inch). Độ sáng hình ảnh ở võng mạc thay đổi theo hệ số 16. Ở các động vật khác, hiệu ứng của đồng tử có thể lớn hơn nhiều; ví dụ, trong một số con tắc kè nhất định, con ngươi khe có thể đóng từ một vòng tròn có đường kính vài milimet xuống đến bốn lỗ kim mỗi cái, với đường kính 0,1 mm (0,004 inch) hoặc nhỏ hơn. Tỷ lệ độ sáng võng mạc ít nhất là một nghìn lần. Lý do cho phạm vi tuyệt vời này có lẽ là do mắt về đêm của con tắc kè cần được bảo vệ mạnh mẽ khỏi ánh sáng ban ngày.
Ở người, các que có liên quan đến phần mờ nhất trong phạm vi hoạt động của mắt và không có thị lực màu. Các hình nón bắt đầu chiếm lĩnh ở mức độ của ánh trăng sáng, và ở tất cả các cường độ ánh sáng ban ngày, chỉ riêng hình nón cung cấp tín hiệu thị giác. Các que phản ứng với các photon ánh sáng đơn với tín hiệu điện lớn, có nghĩa là các phản ứng điện bão hòa ở tốc độ bắt photon thấp bởi các phân tử rhodopsin. Các thanh hoạt động trong phạm vi từ ngưỡng của tầm nhìn, khi chúng nhận được khoảng một photon cứ sau 85 phút, đến điều kiện bình minh và hoàng hôn, khi chúng nhận được khoảng 100 photon mỗi giây. Đối với hầu hết phạm vi của chúng, các thanh được báo hiệu các lần bắt photon đơn lẻ. Các nón ít nhạy hơn nhiều so với các que; chúng vẫn phản ứng với các photon đơn lẻ, nhưng kích thước của tín hiệu điện thu được nhỏ hơn nhiều. Điều này mang lại cho các hình nón một phạm vi hoạt động lớn hơn nhiều, từ tối thiểu khoảng ba photon mỗi giây đến hơn một triệu mỗi giây, đủ để đối phó với các điều kiện sáng nhất mà con người gặp phải.
Nếu các hình nón được trình bày với các chớp sáng ngắn, thay vì thay đổi độ rọi đều đặn, thì phạm vi hoạt động của chúng từ ngưỡng đến bão hòa là nhỏ, giảm xuống còn 100. Tuy nhiên, chiếu sáng lâu hơn tạo ra hai loại thay đổi mở rộng phạm vi này. Dòng đầu dò sinh hóa dẫn đến tín hiệu điện có khả năng tự điều chỉnh mức tăng của chính nó, do đó làm giảm kích thước của tín hiệu điện ở tốc độ bắt photon cao. Cơ chế chính phụ thuộc vào thực tế là các ion canxi, xâm nhập vào tế bào cảm quang cùng với các ion natri, có tác dụng ức chế tổng hợp cGMP, phân tử giữ cho các kênh natri mở (xem ở trên Cấu trúc và chức năng của các tế bào cảm quang: Truyền thần kinh). Tác dụng của ánh sáng là làm giảm mức cGMP và do đó đóng các kênh màng với natri và canxi. Nếu ánh sáng là dai dẳng, nồng độ canxi trong tế bào cảm quang giảm, thì canxi phanh phanh trên sản xuất cGMP suy yếu và mức độ cGMP tăng lên một chút. Sản xuất cGMP tăng sẽ mở các kênh màng một lần nữa. Do đó, có một vòng phản hồi có xu hướng chống lại tác động trực tiếp của ánh sáng, đảm bảo rằng bão hòa (đóng hoàn toàn tất cả các kênh màng) không xảy ra. Điều này đến lượt nó mở rộng đầu cuối của phạm vi làm việc của bộ cảm biến quang.
Tốc độ quay vòng chậm của các phân tử sắc tố thị giác chức năng cũng giúp mở rộng khả năng đáp ứng với mức độ ánh sáng cao của mắt. Ở động vật có xương sống, võng mạc all-trans, được tạo ra khi một photon đồng phân hóa võng mạc 11-cis của phân tử rhodopsin, được lấy ra khỏi que hoặc hình nón. Nó chuyển đến biểu mô sắc tố lân cận, nơi nó được tái sinh trở lại dạng 11-cis hoạt động và được đưa trở lại tế bào cảm quang. Trung bình, quá trình này mất hai phút. Mức độ ánh sáng càng cao, số lượng phân tử võng mạc ở trạng thái all-trans không hoạt động càng nhiều. Do đó, có ít phân tử rhodopsin có sẵn để phản ứng với ánh sáng. Ở đầu cuối của phân bố cường độ, quang điện trở nên tự giới hạn, với các hình nón không bao giờ bắt được nhiều hơn khoảng một triệu photon mỗi giây.
