Essenziale invisibile agli occhi

“L’essenziale è invisibile agli occhi…”

Antoine de Saint-Exupéry

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2009/2010

Biologia

L’occhio umano

L’apparato visivo dei vertebrati è formato da organi pari e simmetrici, gli occhi, posti nella regione anteriore della testa e protetti dalle cavità orbitarie.

Il globo oculare umano è avvolto da una membrana bianca molto resistente, la sclera: essa, nell’occhio osservato dall’esterno, rappresenta la superficie bianca che si nota attorno alla cornea.

Nella parte anteriore e centrale la sclera, per lasciare passare la luce, diviene trasparente, si incurva e forma la cornea, che permette il passaggio della luce e partecipa anche alla messa a fuoco dell’immagine.

Internamente alla sclera si trova la coroide, una sottile membrana provvista di moltissimi vasi sanguigni (è il tessuto più vascolarizzato del nostro corpo) con funzione di raffreddamento della retina, in quanto la superficie della retina tende a surriscaldarsi a causa della sua opacità e della sua funzione di assorbimento della luce.

La parte anteriore della coroide forma l’iride, una membrana muscolare che conferisce la colorazione all’occhio. L’iride è provvista di un’apertura al centro, la pupilla, che permette alla luce di entrare nella parte interna dell’occhio.

La pupilla si può dilatare o restringere (da 7-8 a 2-3 mm) in modo da regolare la quantità di luce, grazie ai muscoli che la circondano, situati nell’iride.

Dopo aver attraversato la pupilla, la luce passa attraverso il cristallino, una lente naturale trasparente, biconvessa e flessibile, la cui curvatura è controllata dai muscoli ciliari.

Cambiando il suo grado di curvatura, oggetti a diversa distanza vengono messi a fuoco (questo processo è detto accomodazione, vedi figura).

Con l’avanzare degli anni il cristallino perde la sua capacità di accomodazione: dopo i 40 anni insorge la presbiopia, a causa della quale non si riesce a vedere bene da vicino se non si ricorre a una correzione adeguata.

Inoltre, in età avanzata esso tende ad opacizzarsi (perde la sua trasparenza) causando l’insorgere della cataratta.

La luce proveniente da un unico punto di un oggetto lontano e quella proveniente da un unico punto di un oggetto vicino sono messe a fuoco dal cambiamento della convessità del cristallino.

Il cristallino, insieme alla cornea, consente di mettere a fuoco i raggi luminosi sulla retina, la membrana più interna dell’occhio che, con le sue cellule sensibili alle radiazioni luminose (fotorecettori), invia al cervello, attraverso il nervo ottico, le informazioni da interpretare.

I fotorecettori sono particolarmente concentrati nella parte centrale della retina, detta fovea. I due principali tipi di fotorecettori della retina vengono chiamati coni e bastoncelli.

I coni sono sensibili sia alle forme che ai colori, tuttavia non garantiscono la visione in condizioni di scarsa luminosità.

I bastoncelli sono estremamente più sensibili alla luce e consentono la visione in condizioni di scarsa luminosità ma non la percezione cromatica garantita dai coni.

I bastoncelli contengono un pigmento chiamato rodopsina, che funziona in presenza di luce debole, mentre i coni contengono pigmenti visivi detti fotopsine, che assorbono luce intensa e colorata.

Gli esseri umani possiedono tre tipi di coni, ciascuno contenente un diverso tipo di fotopsine: i coni blu, i coni verdi e i coni rossi, così chiamati in base ai colori che i loro pigmenti visivi sono in grado di assorbire meglio.

Quando la luce colpisce le molecole di questi pigmenti, gli impulsi nervosi che si generano vengono convogliati dalle fibre del nervo ottico (cioè il nervo che trasmette le informazioni visive dalla retina al cervello) verso la corteccia visiva, che si trova nella parte posteriore del cervello.

Una sottile membrana, la congiuntiva, contribuisce a mantenere sempre umidificato l’esterno dell’occhio. Essa riveste la parte interna delle palpebre e si ripiega coprendo il bulbo e lasciando libera la cornea quando la palpebra è aperta.

Una ghiandola lacrimale posta sopra l’occhio secerne una soluzione salina diluita che, grazie al costante battito delle palpebre, si diffonde attorno al globo oculare e passa attraverso dotti che portano alle cavità nasali. Questo fluido ripulisce e mantiene umida la superficie oculare.

Poiché nel nervo ottico non ci sono fotorecettori, la regione in cui esso attraversa la parte posteriore dell’occhio è detta punto cieco.

Il punto cieco si trova in posizione laterale: a destra nell’occhio destro e a sinistra nell’occhio sinistro. In questo punto, i fasci nervosi provenienti dalle varie zone della retina si riuniscono a formare il nervo ottico, e vengono incanalati verso il cervello.

La retina viene interrotta perché i fasci passano davanti ad essa, e non dietro come si potrebbe pensare, e devono quindi attraversarla quando formano il nervo ottico.

La visione non viene disturbata da questi fasci, perché sono molto piccoli. Il campo visivo di ogni occhio contiene quindi un piccolo buco, che a rigor di logica dovrebbe essere nero.

Però questo buco non viene notato consciamente, per due ragioni:

• L’altro occhio fornisce al cervello informazioni su cosa si trova in quella parte di campo visivo, anche se non molto dettagliate.
• Se l’altro occhio viene chiuso, il cervello riempie comunque il buco usando informazioni provenienti dalle zone immediatamente circostanti.

Quando viene usato un solo occhio, ciò che viene visto nell’area del punto cieco è solo una supposizione da parte del cervello, e potrebbe essere sbagliata.

Gli ottici usano speciali immagini che sfruttano questo meccanismo e permettono al soggetto di notare l’esistenza del punto cieco, come la seguente:

Cop rendosi l’occhio destro, fissando il pallino e muovendo la testa si dovrebbe notare la scomparsa del pallino. Questo perché, quando il pallino passa attraverso il punto cieco dell’occhio sinistro, il cervello usa l’area circostante (completamente bianca) per riempire il pezzo mancante.

Noi non possiamo percepire la luce che viene messa a fuoco nel punto cieco ma, poiché abbiamo due occhi con campi visivi che si sovrappongono, le immagini che otteniamo non risultano interrotte.

All’interno del bulbo oculare ci sono due cavità: la più grande, dietro il cristallino, è riempita di una sostanza gelatinosa, l’umore vitreo, mentre la cavità più piccola, davanti al cristallino, è piena di un liquido simile al plasma sanguigno, l’umore acqueo.

Tre dei più comuni difetti della vista sono la miopia, l’ipermetropia e l’astigmatismo; tutti e tre i difetti sono causati da un problema di messa a fuoco delle immagini e possono essere facilmente corretti per mezzo di lenti ottiche.

Le persone con miopia non mettono bene a fuoco gli oggetti lontani, mentre vedono chiaramente gli oggetti vicini.

Il globo oculare di un miope è più lungo del normale; il cristallino non può appiattirsi abbastanza per compensare questo difetto anatomico e gli oggetti lontani non vengono messi a fuoco sulla retina, ma davanti ad essa.

La miopia può essere corretta con occhiali o lenti a contatto divergenti (più sottili al centro che ai lati). Le lenti correttive fanno divergere leggermente i raggi luminosi provenienti dagli oggetti lontani prima che essi arrivino all’occhio; in questo modo il punto focale formato dal cristallino si troverà esattamente sulla retina (figura A).

L’ipermetropia è un difetto della vista opposto alla miopia; il globo oculare è più corto del normale e la focalizzazione dell’immagine avviene oltre la retina.

Le persone ipermetropi vedono bene gli oggetti lontani, ma non riescono a mettere a fuoco quelli vicini.

Lenti correttive convergenti (più spesse al centro che ai lati) compensano l’ipermetropia facendo convergere i raggi luminosi provenienti da oggetti vicini prima che essi arrivino all’occhio (figura B).

La presbiopia è un tipo di ipermetropia, che si sviluppa con l’avanzare dell’età. Tale difetto compare quando il cristallino diventa meno elastico e, di conseguenza, perde gradualmente la capacità di mettere a fuoco gli oggetti vicini.

L’astigmatismo comporta una visione sfocata dovuta ad una curvatura non regolare della cornea o del cristallino; a causa di questo difetto, i raggi luminosi non convergono in modo uniforme e non vanno più a fuoco in un solo punto della retina.

L’astigmatismo viene corretto con lenti asimmetriche, in modo da compensare l’asimmetria dell’occhio.

A B

Bibliografia

• Campbell Reece, Taylor Simon – “Immagini della biologia” volume C D, seconda edizione, Zanichelli editore.
• Gainotti Alba, Modelli Alessandra – “Biologia, diversità e unità dei viventi”, moduli ABCD, terza edizione, Zanichelli editore.

http://it.wikipedia.org/wiki/Occhio

http://it.wikipedia.org/wiki/Punto_cieco

http://it.wikipedia.org/wiki/Cristallino

Scienze della Terra

I terremoti

I terremoti (dal latino terrae motus) sono movimenti improvvisi e rapidi della crosta terrestre, prodotti da una brusca liberazione di energia meccanica in un punto all’interno della terra detto ipocentro (o fuoco) del terremoto: da esso l’energia si propaga per onde sferiche che, pur indebolendosi con la distanza, attraversano tutta la Terra.

Meno profondo è l’ipocentro e maggiori sono gli effetti del terremoto.

Il punto situato sulla crosta terrestre che corrisponde verticalmente all’ipocentro è chiamato epicentro del terremoto ed è il luogo dove il sisma causa i danni maggiori.

I terremoti non sono fenomeni casuali: in un anno se ne verificano in tutta la Terra circa un milione (in media uno ogni 30 secondi); ma solo qualche migliaio di essi è abbastanza forte da essere percepito dall’uomo, e tra questi solo qualche decina può causare gravi danni se si verificano in zone abitate.

I sismi si manifestano quasi esclusivamente entro certe fasce della superficie terrestre, le aree sismiche o sismicamente attive, mentre mancano in altre aree, definite asismiche.

La distribuzione generale delle fasce sismiche coincide con il decorso delle grandi catene montuose, delle dorsali oceaniche e di altre tipiche figure della superficie terrestre come le fosse abissali.

Un’area è detta asismica perché al suo interno non si generano terremoti, ma ciò non significa che in essa non se ne risentano gli effetti, dovuti al propagarsi di vibrazioni provenienti dalle vicine zone sismiche.

Poiché, però, l’energia di un terremoto si dissipa abbastanza rapidamente con la distanza dal punto in cui si è manifestato, a mano a mano che ci si allontana dalle zone sismiche gli effetti dei terremoti si affievoliscono, fino a scomparire.

Il modello del rimbalzo elastico

La superficie terrestre è in lento ma costante movimento e i terremoti si verificano quando la tensione risultante eccede la capacità del materiale roccioso di sopportarla.

Questa condizione occorre molto spesso ai confini delle placche tettoniche nelle quali la litosfera terrestre può essere suddivisa.

Le rocce, sottoposte a qualche sforzo, si comportano in maniera elastica e si deformano progressivamente fino a che non viene raggiunto il limite di rottura.

In quel momento nella massa rocciosa si innesca una lacerazione a partire dal punto più debole e si crea una faglia, lungo il cui piano le rocce possono scorrere le une contro le altre in direzioni opposte.

Le due parti dell’originaria massa rocciosa, libere di reagire elasticamente, riacquistano bruscamente il loro volume e la loro posizione di equilibrio, con una serie di rapide vibrazioni, che si trasmettono alle masse rocciose circostanti e che possono durare da pochi secondi a qualche minuto, a seconda di come e quanto si estende la lacerazione.

Secondo il modello del rimbalzo elastico, con il brusco ritorno delle masse rocciose all’equilibrio, l’energia elastica accumulata durante la deformazione si libera, in parte sotto forma di calore per l’attrito lungo la superficie della faglia, in parte sotto forma di violente vibrazioni che si propagano come onde sismiche verso tutte le direzioni, a partire da un certo volume di roccia: l’ipocentro.

Questi eventi sismici che si verificano ai confini tra placche sono detti terremoti interplacca (o tettonici); quelli meno frequenti che avvengono all’interno delle placche della litosfera sono detti terremoti intraplacca.

Il ciclo sismico

In base alla teoria del rimbalzo elastico una zona in cui si è appena manifestato un terremoto dovrebbe aver raggiunto un nuovo equilibrio, che garantirebbe un periodo di tranquillità sismica.

Il perdurare delle forze tettoniche, in grado di deformare la crosta, tornerà però ad accumulare nuova energia, fino ad un successivo punto di rottura e al manifestarsi di un’altra crisi sismica.

L’intero processo si può schematizzare come un ciclo sismico che si ripete nell’evoluzione geologica di una regione.

La nozione del ciclo sismico è di grande importanza, in quanto si può pensare di individuare, in una regione sismica, il probabile intervallo tra crisi sismiche successive.

Onde sismiche

I movimenti all’ipocentro producono differenti tipi di deformazioni, cui corrispondono differenti tipi di onde, distinte in tre gruppi principali:

• Onde longitudinali (dette anche di compressione).
• Onde trasversali (o di taglio).
• Onde superficiali.

Le onde longitudinali (o di compressione) sono quelle al cui passaggio le particelle di roccia oscillano avanti e indietro nella direzione di propagazione dell’onda stessa: la roccia subisce rapide variazioni di volume, comprimendosi e dilatandosi alternativamente a seconda delle rapide oscillazioni che i blocchi di roccia nella zona dell’ipocentro compiono dopo la deformazione elastica.

Sono le onde più veloci, per cui sono anche dette onde prime o onde P: si muovono nella crosta con velocità tra 4 e 8 km/s. Si propagano in ogni mezzo, nelle rocce più compatte, nel magma fuso, nell’acqua e nell’aria.

Il rombo cupo che accompagna l’inizio del terremoto è dovuto alle onde P che arrivano in superficie e provocano spostamenti d’aria, con frequenze che rientrano in parte nella banda di quelle percepibili dall’orecchio umano.

Lo scivolamento delle masse rocciose lungo il piano di faglia provoca anche deformazioni che si propagano come onde trasversali (o di taglio).

Al loro passaggio le particelle di roccia compiono delle oscillazioni perpendicolari alla direzione di propagazione; la roccia subisce variazioni di forma, ma non di volume.

Sono più lente delle onde P: nella crosta viaggiano con velocità variabile tra 2,3 e 4,6 km/s; sono chiamate perciò onde seconde o onde S.

Non possono però propagarsi attraverso i fluidi, perché questi non oppongono resistenza al taglio.

Le onde P e le onde S, che si generano nell’ipocentro, sono chiamate complessivamente onde di corpo o di volume, onde interne.

Quando le onde interne raggiungono la superficie, si trasformano in parte in onde superficiali, che si propagano dall’epicentro lungo la superficie terrestre, mentre si smorzano rapidamente con la profondità.

Tra le onde superficiali ricordiamo le onde di Rayleigh (o onde R) e le onde di Love (o onde L).

A B

Al propagarsi di un’onda R le particelle compiono orbite ellittiche in un piano verticale lungo la direzione di propagazione, come avviene per le onde in acqua.

Al passaggio di un’onda L le particelle oscillano trasversalmente alla direzione di propagazione, come le onde S, ma soltanto nel piano orizzontale.

Le onde superficiali sono più lunghe di quelle interne da cui derivano e si muovono più lentamente; possono percorrere però lunghissime distanze prima di estinguersi.

Riassumendo, durante un terremoto nell’ipocentro si generano gruppi di onde P ed S per tutta la durata del movimento della faglia attivata; queste si propagano in ogni direzione e, quando arrivano in superficie, generano a loro volta onde L ed R.

La velocità e la direzione di propagazione delle onde interne (P ed S) si modificano al passaggio attraverso materiali differenti per caratteristiche fisiche (densità e resistenza al taglio e alla compressione), per cui tali onde vengono riflesse e rifratte.

In superficie, quindi, arrivano non solo onde che hanno effettuato un percorso “diretto”, ma anche onde che hanno seguito percorsi più lunghi e complessi, “rimbalzando” più volte all’interno della Terra prima di raggiungere la superficie.

Come si registrano le onde sismiche

Lo strumento che viene utilizzato per registrare i fenomeni sismici è chiamato sismografo.

Esso registra i movimenti del suolo in grafici chiamati sismogrammi.

La prima parte di un sismogramma, in cui si riconosce l’inizio delle oscillazioni, corrisponde all’arrivo delle onde P; nella parte centrale del sismogramma all’arrivo delle onde P si sovrappone quello delle onde S; nell’ultima parte del sismogramma compaiono prevalentemente le onde superficiali, più lente ma molto più ampie.