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.

Справка!
Согласно теории эволюционной биологии считается, что человеческий глаз более восприимчив к зеленому цвету потому, что скорее всего нашим далеким предкам приходилось долгое время обязательно хорош различать именно этот цвет.

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.

Справка!
Всего сетчатка содержит около 100-120 миллионов палочек и примерно 7 миллионов колбочек.

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 сегментили 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.

Эти наблюдения Геринга не исключали наличия трех типов рецепторов, но он считал, что они работают по принципу биполярного ответа. Так как данное утверждение в те времена казалось абсурдным с физиологической точки зрения, эта теория не прижилась.

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.

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.

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.

Частые вопросы

Как человеческий глаз различает цвета?

Мы способны видеть красочный мир благодаря сетчатке наших глаз, а точнее, благодаря рецепторам, расположенным на ней. Основных – три. Каждый из них способен воспринимать один основной цвет, а два других его раздражают, из-за этого и происходит смешение красок и создание нового цвета из трех главных.

Какой самый редкий цвет глаз у человека?

Самым редким цветом глаз является голубой или зеленый с гетерохромией (различием в цвете радужки). Это означает, что один глаз может быть голубым, а другой зеленым. Голубой цвет глаз встречается реже, чем зеленый, потому что голубые глаза могут быть более редкими из-за генетических факторов.

Какой цвет человек видит хуже всего?

При хорошем освещении человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленым лучам. Хуже всего он воспринимает короткие световые волны, то есть те, которые отвечают за синий цвет. В сумерках ситуация меняется: мы хорошо различаем излучения синего оттенка, но практически не видим красный цвет.

Какой цвет не воспринимает человеческий глаз?

Если сравнивать цветовое зрение Homo sapiens и животных – человек дальтоник на фоне возможностей многих представителей фауны. Ему недоступны цвета УФ-спектра, наш глаз не воспринимает такие комбинации, как ультрафиолетовый с зеленым или красным.

Полезные советы

СОВЕТ №1

Познакомьтесь с основными типами рецепторов в глазу, ответственных за различение цветов – конусами. Понимание их работы поможет вам лучше понять, как мы видим мир в цвете.

СОВЕТ №2

Изучите, как цветовое зрение различается у людей в зависимости от наличия или отсутствия дефектов, таких как дальтонизм. Это поможет вам понять, почему некоторые люди видят цвета иначе.

СОВЕТ №3

Исследуйте, как окружающая среда и освещение влияют на восприятие цвета. Это позволит вам лучше понять, почему цвета могут казаться разными в разных условиях.