То что вы не знали о человеке: как глаз различает цвета

Цветовосприятие и механизмы его возникновения всегда очень интересовали ученых. Известно, что глаз человека способен различать примерно 10 млн. цветов, включая 7 основных и все оттенки. Этот навык сформировался в процессе эволюции, и существует благодаря сетчатке и колбочкам. Данные структуры имеют особый пигмент (йодопсин), который подразделяется на виды и может улавливать желто-красный и желто-зеленый спектр.

Краткая теория цвета и света

Свет — это электромагнитное излучение, и глаз человека может реагировать на него и различать частоты. Глаз воспринимает разные частоты как разные цвета. Электромагнитное излучение включает все частоты, но глаз человека реагирует только на так называемое «окно», лежащее в диапазоне 380-780 нм. По мере увеличения длины волны цвет постепенно переходит от фиолетового к голубому, от голубого к зеленому, затем к желтому, оранжевому, красному.

Глаз более чувствителен к восприятию зеленого цвета, а частоты выше волны фиолетового цвета и ниже волны красного цвета «средним» глазом не воспринимаются. «Средний» глаз — это статистическая величина, существуют люди с «цветовой слепотой», и их спектральная восприимчивость уже. А вот натренированный глаз фотографа или художника может различать оттенки цветов, которые людям со «средним» глазом кажутся одинаковыми.

Физиология рецепторов сетчатки

Сетчатка — внутренняя оболочка глаза, которая представляет собой высокодифферцированную нервную ткань, она играет важнейшую роль в обеспечении зрения человека.

Сетчатка состоит из 10 слоев, которые содержат нейроны, сосуды крови и прочие структуры. Основными функциями сетчатки является центральное и периферическое зрение, эти функции осуществляются рецепторами — палочками и колбочками. Рецепторы воспринимают световые лучи и трансформируют их нервные импульсы, передающиеся по зрительному тракту в центральную нервную систему.

Центральное зрение обеспечивает четкое восприятие объектов, которые расположены на разном от глаза расстоянии, с их помощью человек может смотреть вдаль, читать и выполнять работу на близком к нему расстоянии. Периферическое зрение позволяет ориентироваться в пространстве. Три вида колбочек воспринимают световые волны разной длины и обеспечивают восприятие цветов и их оттенков.

Палочки имеют высокую степень светочувствительности, но различать цвета не могут, так как сдержат только один пигмент — родопсин, он более медленно реагирует на свет, чем йодопсин.

Колбочки получили свое название благодаря форме, которая схожа с формой лабораторных колб. Длина колобки около 0,05 мм, диаметр в самом широком месте — 0,004 мм.

Надо сказать, что непосредственно сами механизмы обработки цвета, то есть формирование цветового ощущения, учеными до сих пор так и не описаны в деталях.

Человек является обладателем удивительных особенностей благодаря сложной структуре глаза и механизмам обработки информации в головном мозге:

1. Окружающие объекты человек может связывать с цветами благодаря цветовой памяти. Все знают, что трава зеленая, а небо голубое, и мы может воспроизвести эти цвета в своем мозге.
2. Независимо от освещения предметов, мы можем воспринимать когнитивное обесцвечивание. Благодаря цветовой памяти и обработке зрительной информации человек может воспринимать цвет предмета.
3. Цветовая константность позволяет человеку воспринимать цвет предмета независимо от его оттенка и яркости освещения.

Колбочки имеют 4 сегментарные зоны:

• наружная — мембранные диски, которые содержат йодопсин;
• связующая;
• внутренняя — включает митохондрии;
• базальный сегмент или зона синоптического соединения.

В настоящее время описаны два вида пигмента йодопсина — эритроллаб (чувствителен к красному спектру и длинным L-волнам) и хлоролаб (чувствителен к зеленому спектру и средним М-волнам). Пока ученым не удалось найти пигмент, который чувствителен к синему спектру и коротким S-волнам, но у него уже есть название — цианолаб.

Теории цветового зрения

В истории науки существовало множество теорий, которые по-разному пытались объяснить механизмы цветового зрения. На данный момент ученые придерживаются трех концепций, позволяющих разобраться в этом сложном механизме.

Трихроматическая теория

Эта теория была разработана в конце XIX века, она основана на трудах Максвелла, Юнга и Гельмгольца. Эти ученые догадывались о существовании особых рецепторов глаза, которые чувствительны к красной, зеленой и синей области спектра. Согласно этой теории, предполагалось, что эти три вида рецепторов формируют три изображения мира, которые передаются в мозг, где сравниваются.

В результате этих процессов возникает цветовое ощущение. Природа цветового зрения по этой теории не вызвала сомнений, но по поводу трех изображений, которые посылаются в мозг, были возражения — нет объяснения ряду зрительных феноменов.

Оппонентная

Геринг примерно в тоже время предложил другую теорию, которую назвал оппонентной. Она основана на большом количество субъективных наблюдений — восприятие цветового тона и одновременного контраста.

Геринг заявлял, что цветовые тона не воспринимаются все сразу, например, никогда цветовое ощущение не описывается как желто-синее или зелено-красное, а вот комбинация красного и желтого, или желтого и зеленого воспринимается глазом легко. В связи с этим у ученого возникла мысль, что должна быть фундаментальная причина, которая противопоставляет цвета друг другу.

В середине XX века оппонентная теория вновь возрождается, так как стали появляться данные, которые ее подтверждали. Были обнаружены сигналы в сетчатке глаза золотой рыбки, оппонентные физиологические ответы в клетках макаки, получены психофизические данные.

Эксперименты позволили измерять относительную спектральную чувствительность оппонентных путей. Так появилась современная оппонентная теория цветового зрения, которую также называют стадийной теорией.

Двухэтапного цветового зрения

Если в первой половине XX века основное внимание обращалось на модификацию рецепторного звена, то во второй половине прошлого столетия акценты смещаются — больше обсуждаются структуры второй, нейрональной стадии анализа излучений.

Причиной этого стали исследования, которые выявили реальную структуру рецепторных приемников сетчатки. Это биохимические исследования Брауна и Уолда, а также эксперименты Маркса, МакНикола и Доубела.

Основоположником этой теории был Адольф фон Криз, но финальный вид теория приобрела благодаря Лео Гурвичу и Доротее Джеймсон.

По сути эта теория объединяет собой две предыдущие, она показывает, что они не противоречат друг другу, а дополняют.

В настоящее время ученые знают, что первый этап обработки подходит под трихоматичсекую теорию, а второй — под оппонентную.

С развитие генетики были установлены пики поглощения для трихоматов:

• 426 нм — короткие волны;
• 530 нм — средние волны;
• 552 или 557 нм — длинные волны — возможны наследственные различия в формировании пигментов.

Таким образом, теория двухэтапного цветового зрения предусматривает следующий порядок обработки:

• цвет разделяется на три базовых — трихроматическая теория;
• цвета преобразуются в три оппонентные пары — оппонентная теория;
• сигнал интерпретируется в латеральном коленчатом теле;
• в зрительной окре происходит формирование цветового феномена.

О нарушениях в восприятии цветов

Нарушения цветового зрения происходят в результате неправильного возбуждения колбочек и сбоя в передаче импульсов в мозг. При условии, что такое нарушение врожденное, человек долгое время может не подозревать о его наличии, поскольку ориентируется по насыщенности и яркости цвета. Сведения о цвете приобретаются в результате опыта и общения с людьми.

Когда у человека полностью отсутствует или очень снижена возможность различать некоторые или все цвета, говорят о дальтонизме.

Существует врожденный и приобретенный дальтонизм, и в зависимости от его клинических проявлений выделяют следующие нарушения цветового зрения:

1. Ахроматопсия — цветовое зрение отсутствует полностью, человек видит все в черно-белом цвете. Редкое явление.
2. Дейтеранопия — человек не воспринимает зеленую часть спектра, встречается достаточно часто.
3. Протанопия — расстройство восприятия красной части спектра. При дейтеранопии и протанопии восприятие цветов схожее, поскольку смешивание синего и красного, синего и зеленого в головном мозге рождает схожий болотно-зеленый цвет.
4. Тританопия — нарушение восприятия синего цвета, встречается редко.

Кроме цветовой слепоты, у человека может быть слабая цветовая чувствительность. В этом случае ему нужно больше времени или более сильная насыщенность цвета, чтобы распознать окраску объекта.

[expert_bq id=3194]Самой частой причиной нарушения цветового восприятия является повреждения гена, который принимает участие в цветовосприятии. Находится он в Х-хромосоме. Так как у мужчин хромосомный набор ХУ, а женщин ХХ, то мальчик, получивший от матери дефектную хромосому, не может ее ничем компенсировать.[/expert_bq]

С этим связан факт, что у мужчин дальтонизм встречается чаще, чем у женщин. Ген дальтонизма может передаваться через поколение, и чтобы убедиться в отсутствии генетической предрасположенности к сбою восприятия цвета, необходимо пройти тест ДНК. Этот способ используется в тех случаях, когда визуальные тесты провести невозможно, скажем у новорожденных детей и у детей первых лет жизни.

Что касается приобретенных нарушений цветовосприятия, они встречаются значительно реже, и могут быть связаны со следующими причинами:

• повреждение сетчатки ультрафиолетом;
• сахарный диабет — при постоянном повышении концентрации глюкозы сосуды повреждаются, и сетчатка перестает выполнять свои функции;
• воспаления зрительного нерва и сетчатки;
• атеросклероз головного мозга;
• прием некоторых медикаментозных препаратов — чаще всего на цветовосприятие негативно воздействует прием сердечных гликозидов;
• ожоги сетчатки;
• отравления химическими веществами;
• глаукома;
• катаракта;
• недостаток витамина А;
• механические повреждения сетчатки;
• брюшной тиф;
• неврологические расстройства — инсульт, инфаркт мозга, опухоли мозга, рассеянный склероз.

Заключение

Большинство млекопитающих видят только черный и белый цвет. Особенность их глаза заключается в повышенной чувствительности к серым оттенкам. Например, собаки могут различать большое количество серых оттенков, и именно поэтому многие ошибочно считают, что собаки могут различать цвета. На самом деле, они идентифицируют оттенок серого, а не цвет в его естественном проявлении.