Как работает восприятие цвета

Леонардо да Винчи не зря говорил, что глаз «превзошел природу», – эволюция трудилась над ним сотни миллионов лет, и этот орган оказался одним из самых сложных. Люди долго пытались изучить анатомию глаза и механизмы зрения. Кто-то обходился догадками – например, Платон полагал, что человеческое око испускает лучи света, которые как бы «трогают» предметы. А кто-то исследовал: римский ученый Корнелий Цельс установил, что у глаза есть радужная оболочка, хрусталик и зрачок. Его коллеги шли тем же путем – препарировали глаз и пытались определить назначение его элементов. Некоторые исследователи «нащупывали» верные ответы. Легендарный да Винчи понял, что глаз – это линза, не испускающая, а собирающая свет. Хотя еще в XII веке к этому пришел Ибн Рушд, андалусский ученый.

Знания о строении глаза до XX века накапливались довольно медленно, сперва философами, энциклопедистами и хирургами, затем – специализированными офтальмологами. Детали процессов цветовосприятия мозгом мы узнали совсем недавно – к этому времени уже изобрели компьютер, атомную электростанцию, а первый искусственный спутник Земли вовсю бороздил космос. Завеса тайны чуть приоткрылась в конце 1950-х благодаря исследованиям кембриджского профессора Вильяма Раштона и американских физиологов Джорджа Уолда и Холдена Хартлайна и многих других ученых. Вот что они выяснили.

Механизм зрения

Приготовьтесь, сейчас будет сложный рассказ о том, как ваш глаз видит эту страницу, а точнее, ее цвета и яркость. Человеческий глаз состоит из светопреломляющего, приспособительного и рецепторного аппаратов. Роговица, хрусталик и стекловидное тело (см. схему) играют роль «объектива» – принимают и преломляют свет. С помощью приспособительного аппарата (радужка, зрачок и ресничное тело) свет с поправкой на интенсивность освещения и отдаленность отражающих его объектов фокусируется в изображение на рецепторном аппарате – сетчатке глаза. Чтобы было проще понять, представьте, что светопреломляющий и приспособительный аппараты – это что-то вроде зеркала, а сетчатка – экран, на который падают отраженные световые лучи. Примерно так это и происходит.

Ну, со зрением вроде понятно, а как мы различаем цвета? Все дело в сетчатке – многослойном покрытии задней части глаза, состоящем из фоторецепторных, нервных и пигментных клеток. Есть два вида фоторецепторов: колбочки (конической формы) и палочки (цилиндрической формы). Это совершенно особенные клетки – они способны преобразовывать полученный ими свет в нервные сигналы для мозга, который обрабатывает их и «видит» конечное изображение.

Палочки «отвечают» в основном за восприятие яркости, а колбочки – за цвета. И те, и те имеют светочувствительный слой, состоящий из зрительных пигментов: молекул с разной аминокислотной последовательностью белков-опсинов и ретиналя (о нем чуть ниже). Вариации этих последовательностей образуют разные пигменты. У палочек это родопсин, у колбочек – йодопсин. Йодопсины, в свою очередь, тоже не одинаковы – они содержат хлоролаб, эритролаб или цианолаб, которые обладают разной спектральной чувствительностью, то есть «настроены» на поглощение световых волн разной длины (400–700 нм). Благодаря им колбочки могут распознавать три цвета: зеленый (волны 534–545 нм), красный (волны 564–580 нм) и синий (420–440 нм). Промежуточные цвета и оттенки видны, когда колбочки и палочки действуют сообща, и их работа дает сложные вариации. Но базовых цветов всего три, поэтому «нормальное» зрение офтальмологами называется трихромазией, то есть трехцветным.

Суперзрение

Природа подходит к строению глаза каждого человека так же творчески, как к созданию папиллярных узоров на ладонях. Поэтому иногда случаются генетически обусловленные ошибки в анатомии глаза, но они открывают в человеке необычные «таланты» – например, тетрахроматию. Это способность видеть четыре цвета, а не три. В таком случае четвертый тип колбочек и пигментов позволяет людям распознавать ультрафиолетовый или дополнительный желтый цвет. За счет этого тетрахроматы различают не 1 млн оттенков, а все 100 млн.

Но большинство тетрахроматов не осознает свою особенность, и исследователям приходится иметь дело с единичными случаями. Наиболее известный тетрахромат – Кончетта Антико, художница из Сан-Диего. Ученые Калифорнийского университета Кимберли Джеймисон и Алиса Винклер пришли к выводу, что Кончетта помимо красного, синего и зеленого видит еще и особый красновато-оранжево-желтый цвет. Но как это влияет на восприятие других цветов, пока непонятно. Более того, попытки выяснить, как воспринимается цвет другим человеком, могут лишь отчасти увенчаться успехом, так как здесь нет эталонов. Как пишут Джеймисон и Винклер, «цвет не принадлежит этому миру, не является истинным и объективным показателем предмета». Ученые считают, что корректнее говорить не о цветах, а о «цветовых ощущениях» и индивидуальном «опыте зрительной обработки», так как «цвет существует только в вашем сознании». Даже по ярким картинам Антико мы не можем понять ее зрение, так как видим палитру иначе. К примеру, самые простые лежащие на дороге камни кажутся нам серыми, но для художницы они «светятся оранжевым, желтым, зеленым, синим и розовым».

Всю жизнь приходилось недоумевать и американской журналистке Морин Сиберг, которая уже в зрелом возрасте поняла, что она тетрахромат. Сиберг всю жизнь спорила с окружающими по поводу оттенков разных цветов – то жакет и юбка слишком диссонируют, то все 32 варианта цвета краски для ремонта квартиры недостаточно яркие. «Бежевые тона были какими-то слишком желтыми и недостаточно голубыми, недостаточно холодными. А миндальные оттенки – слишком оранжевыми», – вспоминает она.

Дальтон и дальтоники

Гораздо чаще тетрахромазии встречается дальтонизм. Дальтоники (примерно 8 % мужчин и 0,5 % женщин) частично или полностью не могут различать некоторые цвета. Сразу заметим: дальтонизмом называют любые отклонения восприятия цвета вообще, неважно, о каком цвете и силе искажения идет речь. Его провоцируют нарушения в строении колбочек – из-за генетических особенностей отсутствуют какие-либо пигменты или они находятся не на своем месте на сетчатке.

У дальтонизма неожиданный гендерный окрас из-за того, что строение сетчатки определяется генами Х-хромосомы. Мужчины имеют только одну Х-хромосому, а женщины – две, и если повреждены гены одной хромосомы, у женщин включаются гены второй, здоровой, и с цветовосприятием проблем не возникает.

Диаграмма для тестирования дальтонизма. Изображение состоит из кружков нескольких стандартных вариантов яркости и размера. Дальтоник не сможет различить образованные разными цветами цифру 3 или фигуры животных. Если вы их видите, значит, с вашим зрением все в порядке. Фото: wellcomecollection.org

Как и в случае с тетрахроматами, не все дальтоники знают, что их видение мира отличается от среднестатистического. Тот самый Джон Дальтон, в честь которого назван дальтонизм, тоже до 26 лет думал, что с его зрением все в порядке. Но, занявшись ботаникой, заметил что-то неладное: один и тот же цветок казался ему то голубым, то розовым, то красным. Сначала Дальтон обвинил классификацию цветов: «…некоторые цвета названы необдуманно. Термин “розовый” в отношении гвоздики казался довольно разумным, но когда “розовый” заменяли “красным”, я считал это в высшей степени неверным. По моим понятиям, это должен был быть синий, так как розовый и синий кажутся мне очень близкими, тогда как между красным и розовым вряд ли есть какая-то связь». Позже он поделился своими ощущениями и критикой цветов с другими, но, когда он спрашивал у кого-то, синий цветок или розовый, люди думали, что он шутит. С его наблюдениями не соглашался никто, кроме родного брата – тоже дальтоника, как выяснилось позднее. Тогда Дальтон понял, что «проблема» в нем.

В 1794 году он написал статью «Необычные случаи цветовосприятия», открыв нарушение цветовосприятия. Ученый объяснил эту особенность обесцвечиванием жидкого вещества глаза и выдвинул гипотезу, что в его глазах есть некий синий фильтр. Чтобы проверить это, ассистент Джозеф Рэнсом, согласно завещанию Дальтона, после смерти наставника препарировал его глаза. Но жидкое вещество оказалось прозрачным. Глазные яблоки Дальтона до сих пор хранятся в Кембриджском музее. Их изучили в 1995 году и пришли к выводу, что Дальтон, вероятно, страдал дейтеранопией. Нормально опознать он мог фиолетовые, голубые и желтые оттенки. Красное воспринималось им как серое, а оранжевое и зеленое – как желтоватое. Так начали изучать дальтонизм.

В поисках цвета

Врожденный дальтонизм устранить пока нельзя, и успешных случаев полного восстановления трихромазии нет. Тем не менее, ученые ищут способы скорректировать цветовосприятие дальтоников. Офтальмологи, физики и математики разных стран пришли к одному и тому же решению – применять очки со специальными цветными линзами. При анопии это не поможет, а вот при цветоаномалии (когда все колбочки есть, просто неправильно функционируют) – вполне. Очки фильтруют свет и не пропускают волны, формирующие восприятие промежуточных оттенков. В результате фильтрации неоднозначно воспринимаемых волн базовые цвета становятся более контрастными (прежде всего, красный и зеленый) и лучше распознаются дальтониками. В таких очках люди с нарушенным цветовосприятием обычно водят автомобиль. Очки могут помочь примерно в половине случаев цветоаномалии, а это уже немало. Благодаря этому методу корректировки некоторые дальтоники впервые в жизни могут увидеть яркую траву или спелую клубнику!

Дальтон проходит особый цветовой тест. За правильное определение пятна из цветных точек обезьянка получала виноградный сок. Фото: www.nature.com/articles/nature08401

Другой вариант – многообещающий, но пока не внедренный в медицинскую практику: генная инженерия для корректировки дальтонизма. В 2009 году американские ученые из университетов Вашингтона и Флориды (офтальмолог Джей Нейц и др.) ввели в глаза двум обезьянам-дихроматам Saimiri sciureus ген человеческого опсина, чувствительного к красному цвету. Он встроился в колбочки глаз саймири и начал производить нужный белок. Сетчатка стала улавливать красный цвет, и вскоре обезьяны успешно прошли тесты на дальтонизм. Кстати, одну из обезьянок зовут Дальтон – так что Дальтон помогает разобраться науке со зрением и сегодня. Исследователи утверждают, что приобретенная обезьянами способность видеть красное со временем не утрачивается. Метод, хорошо показавший себя на обезьяне, еще только предстоит опробовать на человеке, но этот день уже недалек. Скорее всего, с развитием генной инженерии дальтонизм уйдет в прошлое, а возможно, «модернизируются» не только зрение, но и слух, обоняние и другие чувства.

Иллюстрация: Olena Shmahalo/Quanta Magazine, flipboard.com