Правда ли, что глаза выцветают от слёз?
Распространено мнение, что если человек много плачет, то цвет его глаз со временем тускнеет. Мы решили проверить, подтверждается ли такая точка зрения наукой.
Спойлер для ЛЛ: неправда
Образ выцветших глаз постоянно встречается в литературе. Варлам Шаламов в сборнике «Колымские рассказы» пишет: «Синие глаза выцветают. В детстве — васильковые, превращаются с годами в грязно-мутные, серо-голубые обывательские глазки». Константин Паустовский приводит такой образ: «Глаза выцветают в невесёлом труде». Николай Гейнце в романе «Князь Тавриды» использует такой диалог: «— Перестань, перестань, глаза испортишь, разве можно плакать, от слёз глаза выцветают. Уж я с твоим отцом в молодости и горе видала, да и то не плакала, боялась... — Чего? — сквозь слёзы спросила дочь. — А вот того, что глаза выцветут». Виктор Круглов в сборнике «Радист особого назначения» также прибегает к этому образу: «Слышишь, мама, не надо опять волноваться, // Ведь глаза выцветают от слёз». Ответ на вопрос, могут ли от слёз выцвести глаза, пользователи интернета ищут на ресурсах с вопросами и ответами, а также в СМИ.
Цвет глаз, так же как цвет волос и кожи, определяется пигментом меланином. Радужная оболочка глаза состоит из двух слоёв: мезодермального переднего и эктодермального заднего. В мезодермальном слое расположены светоотражающие и пигментосодержащие клетки хроматофоры — именно в них меланин и содержится, а от количества и распределения этого пигмента будет зависеть цвет глаз. Эктодермальный слой всегда тёмный, за исключением альбиносов. Также в формировании цвета глаза играют роль сосуды и коллагеновые волокна радужной оболочки.
В русскоязычной традиции основной классификацией цветов глаза считается шкала Бунака (она применяется и в этом тексте), а англоязычная наука использует обычно систему Мартина — Шульца. Синие и голубые оттенки проявляются тогда, когда меланина мало, а коллагеновые волокна распределены относительно плотно. Рассеяние попадающего света внутри роговицы — прозрачной выпуклой линзы наружной капсулы глаза — даёт оттенки синего спектра. Если коллагеновые волокна расположены ещё плотнее, а меланина так же мало, то цвет глаза определяется как серый. За жёлтые и зелёные оттенки отвечает дополнительный пигмент липофусцин, при этом плотность коллагеновых волокон примерно такая же, как у голубоглазых. Карие глаза свидетельствуют о том, что меланина в радужной оболочке много. Чисто чёрные глаза встречаются тогда, когда концентрация меланина достигает максимума.
Хотя в школах учат, что цвет глаз напрямую наследуется по правилам классической генетики, то есть за тёмные глаза отвечают доминантные гены, а за светлые — рецессивные, на самом деле всё несколько сложнее. Исследования последних десятилетий находят всё новые гены, влияющие на цвет глаз.
Для того чтобы роговица не пересыхала, организм регулярно вырабатывает слёзную жидкость. Она производится особыми железами, расположенными в верхнем латеральном углу глазницы. Чтобы от частой обильной выработки слёзной жидкости глаза теряли цвет, меланин должен был бы ею просто вымываться из радужной оболочки наружу. Такое предположение по своей сути примерно равно тому, как если бы мы верили, что тёмный цвет кожи или волос можно высветлить регулярным мытьём. Более того, слёзы находятся только на поверхности глаза и не попадают в мезодермальный слой радужной оболочки, которая расположена за роговицей.
При этом кратковременный эффект на цвет глаз слёзы оказать могут, однако обратный выцветанию. Из-за жидкости на поверхности белок начинает казаться ещё светлее, а сами капельки создают блеск, поэтому оттенённая радужная оболочка выглядит ярче. Конечно же, эффект этот длится недолго, и, как только человек перестанет плакать, белок и радужная оболочка начнут постепенно возвращаться к своим естественным оттенкам.
Однако не только слёзы могут изменить цвет глаз. Во-первых, на субъективное восприятие цвета радужной оболочки влияет окружающая палитра. Макияж, одежда, цвет волос и головного убора могут изменить то, как цвет глаз будет восприниматься сторонним наблюдателем.
Во-вторых, на то, как окружающие воспринимают цвет глаз человека, может влиять диаметр зрачка. Некоторые эмоции, например боль или аффект, приводят к тому, что зрачок расширяется. Субъективно при расширенном зрачке цвет глаз может восприниматься иначе — возможно, именно с этим связан литературный оборот «глаза потемнели от гнева».
На реальный же цвет глаз, а не его восприятие окружающими, влияют только изменения в самом организме. Например, редкое и не до конца изученное офтальмологами заболевание — синдром дисперсии пигмента. При такой патологии пигментные клетки радужной оболочки отделяются от неё и начинают плавать в жидкости, заполняющей камеры глаза. Этот синдром приводит к нечёткому зрению и затем к глаукоме, а глаз начинает выглядеть как Око Саурона из трилогии «Властелин колец»: тёмного цвета и окружённый оранжевым кольцом.
Слева: глаз пациента с синдромом дисперсии пигмента. Справа: Око Саурона, кадр из фильма «Властелин колец». Источник
Катаракта — помутнение хрусталика — изменяет его цвет с прозрачного на молочно-белый. И хотя эта патология не затрагивает радужную оболочку, за счёт изменения преломления света цвет может восприниматься иначе. Болезнь Вильсона — Коновалова (патологическое накопление меди в организме) также способно изменить цвет глаза, так как медь, откладываясь в том числе и в роговице, образует зелёно-жёлтые кольца Кайзера — Флейшера.
Кольца Кайзера — Флейшера. Источник
Но, скорее всего, миф о том, что глаза выцветают от слёз, появился из-за другой офтальмологической патологии — старческой дуге, или arcus senilis. При ней белые или сероватые липидные отложения, накапливающиеся с возрастом на периферии роговицы, придают глазам мутно-голубой или мутно-серый цвет. Классический образ персонажа с выцветшими от слёз глазами — это весьма пожилой человек, а к возникновению arcus senilis наиболее склонны люди старше 50 лет. В отличие от глаукомы и катаракты, эта патология обычно никак не влияет на зрение. Насторожить должно только появление таких отложений и изменение цвета глаз у молодых людей, тогда есть основания заподозрить атеросклероз сонных артерий.
Таким образом, предположение, что от слёз глаза могут выцвести, так же антинаучно, как и предположение, что тёмный цвет кожи и волос можно осветлить мытьём. При этом слёзы и правда влияют на то, как окружающие воспринимают цвет наших глаз — на фоне увлажнённого белка радужная оболочка смотрится ярче. Что действительно влияет на цвет глаз, так это различные патологические процессы в организме. А за посветлевшие в старости глаза чаще всего отвечает накопление липидных отложений, по-научному называющееся arcus senilis, и оно с частым плачем в предыдущие годы жизни никак не связано.
Изображение на обложке: See page for author, Public domain, via Wikimedia Commons
Наш вердикт: неправда
В сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла)
Аудиоверсии проверок в виде подкастов c «Коммерсантъ FM» доступны в «Яндекс.Подкасты», Apple Podcasts, «ЛитРес», Soundstream и Google.Подкасты
Правда ли, что дальтонизмом болеют только мужчины?
Считается, что дальтонизм (цветовая слепота) — исключительно мужское заболевание, а женщины не могут быть дальтониками. Мы решили проверить, действительно ли это так.
Спойлер для ЛЛ: неправда
Убеждение, что дальтонизм — исключительно мужская патология, широко распространено. Об этом пишут на сайтах вопросов и ответов. Но встречаются такие утверждения и на ресурсах, посвящённых медицине. Например, MedAboutMe пишет: «Среди множества хромосомных болезней, сцепленных с полом у мужчин, стоит выделить дальтонизм». Информационный портал XMedicin называет дальтонизм «сугубо мужским заболеванием». А сайт OkulistPro сообщает, что «дальтонизм — весьма распространённое нарушение типично мужского характера».
Дальтонизм — это наследственная, реже приобретённая, особенность зрения человека и приматов, выражающаяся в сниженной способности или полной неспособности видеть и различать все или некоторые цвета. Бывает красно-зелёный тип дальтонизма, сине-жёлтый и смешанные формы, в том числе полная неспособность различать любые цвета.
Чаще всего дальтонизм связан с нашими генами. Генетически обусловленный дальтонизм появляется из-за дефекта развития колбочек в глазу. Колбочки — это фоторецепторы, которые обеспечивают цветное зрение. Их существует три типа: колбочки типа S (short) отвечают за распознавание коротковолновой части спектра, то есть сине-фиолетовых оттенков, тип M (middle) чувствителен к средним волнам и жёлто-зелёным цветам, а тип L (long) — к длинным волнам и жёлто-красной палитре. При дальтонизме может быть повреждён только один или несколько типов колбочек.
По данным организации Color Blind Awareness, примерно одна из 200 женщин во всём мире страдает дальтонизмом по сравнению с одним из 12 мужчин. Красно-зелёный тип дальтонизма происходит из-за дефектного гена на X-хромосоме, которая есть и у мужчин, и у женщин. Однако, поскольку мужчины имеют только одну Х-хромосому, они более склонны к развитию дальтонизма, чем женщины, которые имеют две Х-хромосомы. Если у женщины есть дефектный ген только на одной из двух Х-хромосом, то она может быть носительницей дальтонизма, но сама не будет страдать от этого расстройства зрения. Чтобы такой тип цветовой слепоты появился у женщины, она должна унаследовать две повреждённые X-хромосомы: одну — от матери-носительницы, не имеющей проявлений дальтонизма, а другую — от отца, который имеет дефектную Х-хромосому и не различает цвета. Такой риск составляет 50%. При этом риск для сына этой же пары родителей ровно такой же. Таким образом наследуется красно-зелёная цветовая слепота.
Сине-жёлтая цветовая слепота кодируется не на половой хромосоме, а на аутосоме — парных хромосомах, одинаковых у мужских и женских организмов. Одной мутации гена OPN1SW, которая может быть у любого родителя, достаточно, чтобы потомок (вне зависимости от пола) имел такое нарушение зрения.
Помимо дальтонизма существует более тяжёлое нарушение зрения — ахроматопсия, в этом состоянии человек в принципе не различает цветов и видит весь мир в оттенках серого. Однако оно встречается крайне редко (один случай на 30 000 человек) и наследуется по аутосомно-рецессивному типу, то есть оба родителя должны иметь дефектный ген, чтобы передать его потомку. При этом не у всех больных ахроматопсией учёным удаётся найти повреждения в отвечающих за зрение генах, это заболевание активно изучается наукой.
На сегодняшний день не существует способа вылечить наследственный дальтонизм. Однако некоторые люди, живущие с этим расстройством, отмечают, что им помогают различать некоторые сочетания цветов особые стёкла очков или специальные линзы. Впрочем, врачи настороженно относятся к таким способам коррекции, так как есть опасение, что подобные приспособления могут оказаться или бесполезны, или даже вредны. При этом учёные разрабатывают генетическую технологию полного излечения дальтонизма, при которой в глаз будет произведена инъекция «здорового» генетического материала. Пока опыты проводятся на обезьянах и дают обнадёживающие результаты. Технология замещения сломанных генов здоровыми уже активно применяется для лечения других заболеваний. Например, препарат «Золгенсма» поставляет в организм больного спинальной мышечной атрофией здоровую копию гена и останавливает прогрессирование этого редкого заболевания.
В некоторых случаях учёные наблюдают так называемый негенетический (ненаследственный) дальтонизм. Например, заболевания, которые повреждают сетчатку и зрительный нерв, могут привести к дальтонизму. Цветовая слепота может быть и побочным эффектом некоторых лекарств, например тех, которыми лечат малярию. Воздействиетоксичных химических веществ также может повредить сетчатку глаза и привести к дальтонизму.
Некоторые заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, возрастная макулярная дегенерация (дегенерация сетчатки), рассеянный склероз и диабет, повышают риск развития дальтонизма. Женщины более подвержены первым трём из этих заболеваний, поэтому шанс получить цветовую слепоту, как следствие, у них тоже выше, чем у мужчин. Описанытакже случаи наступления дальтонизма из-за различных повреждений мозга, однако оценить, кто будет больше подвержен такому механизму развития цветовой слепоты, затруднительно, так как подобные происшествия единичны (в научной литературе зафиксированы 92 случая в период с 1970 по 2006 год).
Таким образом, женщины действительно имеют значительно меньшую предрасположенность к одному из видов дальтонизма — к наследственному красно-зелёному. Однако это лишь одна форма, хотя и самая распространённая. Сине-жёлтый дальтонизм может возникнуть с одинаковой вероятностью у обоих полов. А к ненаследственному дальтонизму женщины даже более предрасположены потому, что вызывающие его заболевания чаще проявляются именно у женщин.
Изображение на обложке: SayHi
Наш вердикт: неправда
В сообществах отсутствуют спам, реклама и пропаганда чего-либо (за исключением здравого смысла).
Аудиоверсии проверок в виде подкастов c «Коммерсантъ FM» доступны в «Яндекс.Подкасты», Apple Podcasts, «ЛитРес», Soundstream и Google.Подкасты.
Цвето-колористика (1 часть)
Ни один человек, Вам не расскажет ничего путного про цвет. Такого понятия как "Цвет" в принципе не существует, всё создали люди для других людей, чтобы нормально ориентироваться в этом мире.
Каждый день, мы потребители, выбираем товар, не только по вкусу, форме, составу, но и по цвету. Это самая главная часть. ЦВЕТ. В первую очередь мы обращаем наше внимание именно на этот элемент.
Более благоприятные цвета для нашего глаза, стоят в n раз дороже. Это так и есть. Маркетологи пользуются этим и очень умело.
Например, представим такую ситуацию. Вы находитесь в магазине и видите прекрасную куртку, так она ещё со скидкой, но, к сожалению, она чёрного цвета. Рядом с ней расположен, такой же экземпляр куртки (без скидки), но она в цветовой палитре, которая сейчас находится в тренде и зацепляет глаз. МЫ КОНЕЧНО ВЫБЕРЕМ, ТУ КОТОРАЯ ПОДОРОЖЕ. СТИЛЬНО МОДНО МОЛОДЕЖНО. Но вы станете возражать мне и скажите , что чёрная курта более универсальная, так она ещё и со скидкой. А я скажу вам: "Скидки скидками, а моднявым хочу быть".
Был произведён опрос, где люди выбирали любимые цвета. Чёрный цвет выбрало 3#^ % людей. Так что выводы делайте сами.
Внизу представлена схема, как цвет равен деньгам. Это чтобы было понятнее, о чём мы вообще вели разговор.
Ну вот мы поговорили о деньгах, пришло время вернуться в теорию. А что же такое есть "Цвет"?.
Цвет - это сочетание несочетаемого, для людей у которых не развиты какие-либо творческие стороны и сочетание несочетаемого, для людей у которых есть художественное образование.
Большинство творцов, так и не творцов, очень затрудняются в этом понятии.
Первое понятие цвета появилось, тогда, когда меня даже на свете не было и Вас тоже. Если мы зайдём в интернет и начнём читать, с чего вообще зародилось это определение, то первое, во что нас тычат носом это: "Одним из первых был Исаак Ньютон".
Мы глубоко не будем вдаваться в физику, ведь её не существует, как и цвета.
Самое главное, что открыл для нас Ньютон, так это "color wheel" (с нем. цветовой круг). Рисунок представлен ниже.
Как говорит теория цвета, выбранный нами цвет, классно смотрится с противоположным. На этом её полномочия всё. Больше это колесо к ничему хорошему не ведёт. Оно не способно нам сказать, какой насыщенности и тональности выбрать нам цвет. Но это дало большой толчок к развитию этого понятия.
В следующей части, мы рассмотри понятия: насыщенность, тональность, яркость, контрастность и на десерт будет ГРАДИЕНТ.
Хотелось бы узнать, какую куртку вы бы выбрали?
Сколько цветов различает глаз?
Человеческий глаз уверенно можно назвать сложнейшей оптической системой, за функционирование которой отвечают порядка 125 миллионов светочувствительных клеток.
Теоретически наш глаз различает порядка 10 миллионов цветов. Но практически можно говорить о сотне оттенков. Если профессия человека связана с работой с тонами – дизайнеры, художники – то количество определяемых оттенков вырастает до 150.
Эта разница связана не столько с тренировкой глаз, сколько с особенностями работы мозга – он акцентирует внимание на действительно важных деталях и нюансах.
На самом деле возможности глаза не безграничны. Но практически всегда есть возможность улучшить имеющиеся показатели.
Немного наблюдений касательно вороньего зрения
Как и большинство птиц, вороны – тетрахроматики. Это значит, что, вместо свойственного людям RGB, они воспринимают четыре цветовых канала. Так что это для вас вороны – чёрные, а друг для друга они очень даже цветные.
Разрешение вороньего глаза – как пространственное, так и временное – весьма высокое. То есть, по разрешению экрана и по FPS врановые играючи уделывают кожаных мешков. Днём. А вот в темноте хуманы имеют серьёзное преимущество: с ночным зрением у вранов всё плохо. Это плата за хорошее цветовосприятие и высокую разрешающую способность.
Но самая главная фича вороньих глаз вовсе не в этом. В силу широкой специализации, вороны обладают уникальным гибридным зрением. Поясняю: в грубом приближении в природе есть два типа зрения: круговое монокулярное и фронтальное бинокулярное. Жертва и хищник (картинка с загнивающей «сова-голубь» прилагается). Круговое свойственно тем, кому надо быть всё время начеку. Идеальный вариант для них – VR-камера с обзором 360°, чтобы сократить до минимума мертвую зону, в которой таится опасность. Голубь, корова, утка, лошадь – прекрасные примеры. Очень часто обладатели такого зрения присматриваясь поворачивают голову правой или левой стороной в интересующему объекту, дабы он оказался напротив глаза. А вот то, что располагается у них перед носом они видят плохо, самым краем сетчатки.
Бинокулярный режим
В противоположность этому, бинокулярное зрение охватывает относительно небольшой сектор впереди, зато позволяет рассмотреть его обоими глазами, а самое главное - за счёт стереоэффекта даёт возможность точно определить дистанцию до объектов в поле зрения. Это очень важно при атаке (а также, например, при прыжке с ветки на ветку). Примеры: орел, собака, кошка, сова (ВНЕЗАПНО, например, обезьяна, ибо ей промер дистанции критичней кругового обзора). Обладатели бинокулярки, присматриваясь, поворачивают нос (клюв, лицо) к предмету интереса.
Круговой обзор
Вернёмся к нашим бара… воронам. Расположение глаз, а также не вполне характерная для птиц подвижность оных (глаза у птиц большие, башка маленькая, и места для приводных мышц почти не остается) дают вранам уникальный перк: гибридное зрение. Посмотрите снова на пикчу выше. Ворона умеет в оба этих режима. Глаза у вранов могут как разъезжаться в стороны, обеспечивая обзор в почти 360° (на самом деле где-то около 320° по моим наблюдениям, со стороны затылка остаётся узенький сектор «слепой зоны»), так и сводиться буквально на кончик клюва, если им требуется. Таким образом, имея возможность кругового обзора, ворона не лишена и преимуществ бинокулярки; пока курица или утка тычет клювом в корыто наугад с погрешностью в пару сантиметров влево-вправо, ворона без проблем достает соринку из человеческого глаза, ибо несмотря на устрашающий вид, вороний клюв – высокоточный инструмент на стабилизированной платформе, оснащенный камерами высокого разрешения. Вдевали нитку в иголку? А теперь представьте, что руки не дрожат, а глаза (с опцией фокусировки практически в упор) расположены на пальцах. Это даёт вороне существенный бонус к тонким манипуляциям посредством клюва, а возможность мгновенно переключиться на круговой обзор не позволяет застать птицу врасплох. Кроме того, бинокулярное зрение дает заметный бонус к маневренности в полёте, ибо встроенный дальномер здорово облегчает расчёт траектории.
Наука о цвете
Изысканные бриллианты приобретают свои уникальные оттенки различными способами.
Спектр света
Как и звук, свет распространяется волнами. Это электромагнитное излучение (как радиоволны или рентгеновские лучи), видимое человеческим глазом. Одна длина волны создает монохроматический луч света и аналогична игре одной ноты на инструменте, но большинство света, который мы видим, полихроматический. Подобно музыкальному аккорду или сложному звуку, он сочетает в себе множество различных длин волн. Эта совокупность длин волн и их интенсивности называется спектром света.
Когда луч света входит в какую-либо прозрачную среду под острым углом, луч света изгибается. Именно так очки могут корректировать зрение или так люди выглядят короче в плавательном бассейне.
Что более важно для нас, именно так полировщики изгибают свет, чтобы заставить бриллианты сиять! А для любителей цвета существует еще одно удивительное явление: различные длины волн изгибаются на разную величину, и поэтому, когда луч сложного полихроматического света изгибается кристаллом, мы видим, как он разлагается на различные длины волн, составляющие его спектр. Именно это приводит к появлению радуги в дождливый солнечный день. Это также создает «огонь» в бриллианте, эти маленькие искры разных цветов.
Восприятие цвета
К сожалению, наши человеческие глаза чрезвычайно ограничены, и могут воспринимать лишь очень небольшие фрагменты спектра. Наши глаза воспринимают свет в трех диапазонах длин волн. Мы видим их как уровни красного, зеленого и синего цветов. Затем наш мозг комбинирует эти три сигнала для создания цветовых ощущений и ассоциирует эти комбинированные цветовые ощущения с естественными предметами в повседневной жизни. Вот почему слова "банан" или "мандарин" пробуждают в нашем сознании эти цвета, хотя мало кто подумает, что это просто смесь красного и зеленого.
Белый свет - это любой свет, который имеет красную, зеленую и синюю длины волн в таких же пропорциях, как и естественный свет. Поэтому искусственный белый свет (от лампы накаливания или лампы для оценки бриллиантов) кажется очень похожим на солнечный свет, хотя имеет совсем другой спектр, но некоторые объекты (особенно бриллианты натурального цвета) могут казаться радикально разными по цвету при разном освещении. То, как мы воспринимаем цвета, зависит от многих других факторов, таких как положение объекта, окружающие цвета или даже наше настроение.
Что придает бриллиантам цвет?
Когда лучи белого света попадают на алмаз, его материал поглощает некоторые длины волн спектра, а другие пропускает. Например, атомы азота в алмазах поглощают синие волны, излучая желтый, оранжевый или коричневый цвет.
Присутствие бора в решетке алмаза может создавать голубой оттенок. Изгибы и искажения в решетке алмаза могут придать ему желтый, коричневый или даже розовый и красный цвет. Цвет зеленых бриллиантов обусловлен воздействием радиоактивных пород вблизи поверхности Земли. Радиация выбивает некоторые атомы углерода из их положения в решетке алмаза, и это заставляет алмаз поглощать красные волны.
Только один из 10 000 бриллиантов обладает природным цветом, и каждый цвет возникает в результате крайне редких обстоятельств. Эксперты по бриллиантам естественного цвета часто могут, просто наблюдая за бриллиантом, проследить часть его уникальной истории и происхождение.
Спасибо за внимание.
Как подготовить машину к долгой поездке
Взять с собой побольше вкусняшек, запасное колесо и знак аварийной остановки. А что сделать еще — посмотрите в нашем чек-листе. Бонусом — маршруты для отдыха, которые можно проехать даже в плохую погоду.
Немного о цветах, или почему нет розового лазера и зелёных звёзд
Сегодня мы основательно разберёмся, как нам удаётся видеть цвета, почему нет зелёных звёзд, и почему даже самый лучший дизайнерский монитор не может передать спектрально чистый цвет.
Поскольку видим мы глазами, то начнём именно с их устройства.
На картинке ниже показано схематическое изображение глаза человека:
Свет проходит через зрачок, затем хрусталик фокусирует его на задней стенке глаза, покрытой сетчаткой. Вот именно с тем, как она устроена, мы и разберёмся.
Мы со школы помним про палочки и колбочки у нас в глазу и знаем, что именно они и воспринимают свет и превращают его в нервные сигналы. В настоящее время известны три типа фоторецепторных клеток в глазу млекопитающих: палочки, колбочки и фоточувствительные ганглиальные клекти сетчатки (intrinsically photosensitive retinal ganglion cells (ipRGCs):
Но нас сейчас интересуют только два типа этих клеток: палочки и колбочки. Вот они отдельно на рисунке:
Диски в нижней части клеток – это складки клеточной мембраны, в которых содержится фоточувствительный белок (фотопротеин). Этот белок поглощает фотон и вызывает изменение потенциала клеточной мембраны. В палочках в роли фотопротеина выступает родопсин, а в колбочках – фотопсины разного типа.
Ниже показаны палочки и колбочки под электронным микроскопом. На левом снимке S-колбочки (показаны зелёным) и L-колбочки (показаны красным). Зелёный окрас получен с помощью антител HJ455 для того, чтобы отличить S-колбочки. На правом снимке цвета выбраны произвольно.
Как вы, возможно, заметили, палочки и колбочки лежат глубоко под поверхностью сетчатки, и диски с фотопротеинами находятся почти у задней стенки глаза, т.е. свет проходит через весь глаз и поглощаятся почти у задней поверхности:
У такого расположения «задом наперёд» есть свои причины. Во-первых, диски с родописном и фотопсином постоянно обновляются. Они расположены вплотную к клеткам пигментного эпителия сетчатки (retinal pigment epithelium - RPE), которые и отвечают за их возобновление. Во-вторых, эти самые клетки RPE поглощают рассеянный свет и не дают ему черезмерно активировать фоторецепторы, тем самым делая наше зрение намного более контрастным.
Кстати, у некоторых животных (например, у кошек) клекти RPE содержат кристаллы гуанина с примесью пигментов и отражают непоглощённый свет обратно к фоторецепторам, как зеркало, улучшая зрение в темноте. В этом случае этот слой клеток называется «тапетум», и отражённый от него свет мы и видим как светящиеся в темноте глаза.
Палочкам для активации нужно совсем немного света – они позволяют нам видеть при низкой освещённости, но никак не помогают воспринимать цвета. Именно поэтому ночью и в сумерках мы всё видим в оттенках серого. В человеческом глазу содержится около 100 миллионов палочек.
Колбочкам же для активации нужно намного больше света, зато они позволяют различать цвета. У нас три типа колбочек – для красного, зелёного и синего цветов. В глазу колбочек всего около шести миллионов, и больше всего их сосредоточено в области глаза, называемой центральной ямкой, которая находится в центре области, называемой жёлтым пятном.
Именно жёлтое пятно с его центральной ямкой – зона наиболее чёткого восприятия изображения.
На графике ниже показано, как палочки и колбочки распределены по сетчатке.
Обратите внимание, что в зоне центральной ямки палочек нет - в темноте мы лучше видим периферийным зрением. Смотреть прямо на объект в темноте - не лучший способ что-то разглядеть.
А вот плотность колбочек в зоне центральной ямки просто огромна. Кроме того, вышележащие биполярные и ганглиальные клетки расходятся в стороны, чтобы больше света смогло дойти до фоторецепторов:
Именно поэтому мы чётко видим только в небольшой области, и нашим глазам приходится непрерывно "сканировать" изображение.
Но вернемся к восприятию цветов. Как уже упоминалось выше, за это отвечают три вида колбочек: S- (short, коротковолновая синяя часть спектра), M- (middle, средняя зелёная часть спектра) и L- (long, длинноволновая красная часть спектра).
Интересно то, что S-колбочек («синих») в сетчатке очень мало. По сравнению с остальными их всего 8-10%. Причём это характерно для всех млекопитающих. У большинства из них S-колбочки перемешаны с L-колбочками, что даёт дихроматическое (двухцветовое) зрение. L-колбочки при этом отвечают не всегда за красную часть спектра, это зависит от вида животного. А вот у приматов произошла мутация, которая продублировала ген, отвечающий за L-колбочки. Это привело к появлению «средних» M-колбочек и, как следствие, трихроматическому (трехцветовому) зрению . Такие три типа цветовых рецепторов позволяют различать оттенки зелёного, жёлтого и голубого.
Если построить для колбочек график эффективности поглощения фотонов разной длины волны, то получится вот так:
Тут видно, что каждый из типов колбочек чувствителен к довольно широкому диапазону длин волн, хотя и имеет максимальную чувствительность на своей длине волны (420нм, 530нм и 560нм). Кроме того, их диапазоны пересекаются. Например, свет с длиной волны 470нм (голубой) активирует все три типа колбочек, а жёлтый (570 нм) – два типа.
Для сравнения на графике приведен спектр поглощения палочек (черная линия) с пиком в районе 500нм – это диапазон нашего ночного зрения.
Очень важно то, что отдельный тип колбочек не различает оттенки. Например, выходной сигнал «красных» колбочек для длин волн 500нм (зелёный) и 620нм (оранжевый) будет совершенно одинаковым. Более того, меняя яркость света, можно получить любой уровень сигнала: яркий темнокрасный свет вызовет такой же сигнал этих колбочек, как неяркий зелёный (520нм) или тусклый жёлтый (560нм). Если в диапазон чувствительности одного типа колбочек попадёт свет нескольких длин волн, то колбочки их тоже не различат, а выдадут сигнал, соответствующий сумме одиночных сигналов. Т.е. сигнал колбочки – это общая интенсивность всех одиночных сигналов в её диапазоне чувствительности.
И вот чтобы различать цвета, наш мозг сравнивает сигналы со всех типов колбочек. Каждая колбочка (кроме «синих» S-типа) подключена к биполярным клеткам, которые могут выдавать сигнал на один выход (ON), если колбочка возбуждена, и на другой выход (OFF), если колбочка не возбуждена (прямо как в электронике). Ниже на картинке приведена таблица истинности для всех «выходов».
Причём значение имеет не степень возбуждения каждого типа колбочек (сигнал), а разница в их сигнале. Учёные не упустили возможность провести эксперименты и определить, какой цвет мы видим в зависимости от степени возбуждения разных колбочек.
Цветовое пространство CIE 1931
Поскольку у нас три типа цветовых рецепторов, то все возможные воспринимаемые цвета можно описать в трёхмерном пространстве координат. Например, можно выбрать в качестве базиса (осей) степень возбуждения каждого типа колбочек (L, M, S).
Но исторически первая достоверная модель цветового пространства была построена в 1931 году, за 20 лет до открытия функций колбочек, и называется CIE 1931. Это пространство в трёх координатах X, Y и Z. На картинке ниже (а) показан только один «слой» (для одного Z) этого пространства. Ось Z направлена вам в лицо:
Тут важно уточнить, что ваш монитор не может отобразить все цвета пространства CIE 1931 и ограничен цветовой палитрой sRGB (отмечено треугольником на картинке), все цвета за пределами этого треугольника искажены и на самом деле выглядят не так, как на мониторе. Так же не забывайте, что на картинке только срез трёхмерного пространства – он содержит цвета только для одного значения Z.
Так вот, после множества опытов ученые точно установили зависимость между координатами цвета в цветовом пространстве (X Y Z) и степенью возбуждения разных колбочек (L M S):
В части (б) того же рисунка сверху нарисованы соответствующие функции от длины волны (это не кривые чувствительности колбочек! это результат для приведённой формулы). Видно, что для координаты X будет учитываться сигнал всех типов колбочек (красная линия захватывает диапазон всех колбочек), а вклад в координату Z дают в основном S-колбочки.
На картинке цветового пространства (а) на внешнем краю (черная линия) лежат монохроматические цвета – их мы будем воспринимать, если увидим монхроматический (только одной частоты) свет соответствующей длины волны (синие числа вдоль края).
И тут мы находим ответ на первый вопрос из заголовка – розовый цвет не касается внешней границы цветового пространства, т.е. его нельзя получить с помощью света только одной длины волны. Т.е. фотонов розового света не бывает. Этот цвет - наше субъективное восприятие смеси из нескольких длин волн.
Смешение цветов. RGB и CMYK
Сначала разберемся со светом, потом перейдем к краскам.
Если мы выберем в цветовом пространстве два цвета, то смешивая свет этих двух цветов с разной интенсивностью, мы сможем получить любой цвет, лежаший на прямой между исходными цветами. А если выберем три исходных цвета – то с их помощью (изменяя пропорции) сможем получить любой цвет внутри треугольника между этими точками. На рисунке ниже представлено цветовое пространство sRGB, у него за основу выбраны красный (Red), зелёный (Green) и синий (Blue) цвета:
Именно этот способ получения цветного изображения и используется в мониторах и экранах (даже когда кодировался в YDbDr в SECAM). Для каждой точки изображения (пикселя) используются источники света (субпиксели) трех цветов – красного, зелёного и синего. Яркость каждого субпикселя влияет на воспринимаемый цвет пикселя. Примерно так выглядит экран через увеличительное стекло (картинка из интернета):
Как нетрудно заметить, sRGB кодирование не может передать все цвета, воспринимаемые человеком. Более того, оно не может передать ни одного спектрально чистого цвета (область sRGB не касается края цветового пространства CIE 1931).
Описанный выше способ получения цветов называется аддитивным – цвета добавляются один к другому. На самом деле это единственный способ получения цвета – физика именно так и работает. Но для удобства работы с красками применяется субстрактивный синтез цветов:
Суть идеи следующая. Любой пигмент (краситель) – это вещество, которое поглощает часть длин волн и отражает остальные. Например, красный краситель отражает свет с красной длиной волны (или несколько длин волн, которые мы суммарно видим как красный).
Если взять чистый белый лист без красок, то весь отражённый от него свет будет белым – т.е. будет смесью всех длин волн (тут от источника освещения зависит, но мы так глубоко не полезем). Когда мы нанесем на лист немного красной краски, то мы «вырежем» из белого цвета часть (не полностью) всех цветов, кроме красного, и в итоге получим розовый цвет. Чем больше красного мы будем наносить, тем больше «некрасного» мы будем вырезать. Если мы начнем добавлять синюю краску, то из общего цвета начнем вычитать всё «несинее». При этом, чем больше краски мы наносим, тем темнее результат, так как тем меньше света отражается от бумаги. В аддитивной модели как раз наоборот – чем больше света попадает в глаз, там ярче цвет.
Широко используюемая схема – четырехцветная CMYK, в которой базовыми цветами служат голубой (Cyan), пурпурный (Magenta), жёлтый (Yellow) и чёрный (Key). В идеале смесь первых трех в равной пропорции должна давать чёрный цвет, но на практике это обычно оттенки тёмнокоричневого, поэтому отдельно используется чёрная краска. Как и любая трёхцветная модель, CMYK не может покрыть всё цветовое пространство.
Как я уже писал выше – физика работает по аддитивной модели. Субстрактивная модель просто облегчает описание работы с красками - проще составить таблицу для добавляемых цветов, чем для всех вычитаемых.
Какого цвета звезды?
Теперь отвлечемся от смешивания красок и разберёмся, почему же нет зелёных звезд.
Спектр излучения любого нагретого тела можно описать законом, открытым Максом Планком в 1900 году и названным в его честь. Этот закон сформулирован для абсолютно чёрного тела – объекта, который поглощает всё падающее на него излучение во всех диапазонах. При этом это самое тело излучает энергию, и спектр излучения зависит только от температуры тела. Хотя абсолютно чёрных тел не существует, любое реальное тело можно описать этим же самым законом с введением «коэффициента черноты» (это очень удобно, т.к. он равен коэффициенту поглощения, см. закон Кирхгофа).
На рисунке ниже приведены спектры излучения для чёрного тела, нагретого до разной температуры (в Кельвинах, но отнимать 273 каждый раз необязательно, нам важна суть, а не точные числа):
Если измерить солнечный спектр за пределами нашей атмосферы (жёлтый на картинке ниже), то он очень хорошо накладывается на спектр излучения абсолютно черного тела с температурой 5777К (5500 С).
Отклонение от идеального спектра вызвано строением солнечной фотосферы – её газы поглощают часть излучения, которое идет из более низких слоёв. Эти линии поглощения называются Фраунгоферовыми линиями (на той же картинке справа).
Вот ещё одна очень красивая картинка с полным спектром Солнца (спектр нарезан на строки, чтобы не рисовать одну очень длинную полосу). Хорошо видны линии поглощения:
У поверхности Земли солнечный спектр ещё больше погрызен: при прохождении света через атмосферу из него "отнялись" полосы поглощения воды, кислорода, озона и углекислого газа:
На графике выше видно, что в видимом спектре (400-700нм) сильных полос поглощения нет, и максимум светимости приходится на диапазон длин волн в 500-550 нм – т.е. на зелёную часть спектра. Но ведь мы не видим Солнце зелёным!
Как мы уже разбирались в первой части статьи – для определения цвета важна не просто длина волны с максимальной интенсивностью, но и интенсивность света во всём видимом диапазоне. Если сравнить солнечный спектр с кривой чувствительности колбочек, то видно, что Солнце активирует все колбочки, причём во всю ширину их диапазона. Суммарный сигнал дает нам жёлтовато-белый солнечный свет.
Такой же расчёт (и эксперимент) можно проделать и для тел, нагретых до любой другой температуры. Результат представлен на картинке ниже:
Это не спектр нагретого тела, а именно цвет, который мы воспринимаем нашими глазами – т.е. это уже обработанный мозгом сигнал трёх видов колбочек.
Все возможные цвета для нагретого абсолютно черного тела можно показать на графике цветового пространства (полноценного, т.е. CIE 1931). Все эти цвета будут лежать на кривой, называемой Планковским локусом (Планковским местом точек):
Из графика видно, что при повышении температуры тела, в том числе и звезды, выше 6000 К, мы будем воспринимать его, как голубоватое. При понижении – как жёлтое. При температуре ниже 2500 К цвет станет оранжевым, ещё ниже – красным. Планковский локус лежит в стороне от зелёных оттенков (как и от розовых и темно-синих) – это значит что мы своими глазами не можем видеть нагретое тело зелёным при любой температуре этого тела – от нуля до бесконечности.
Кстати, этот подход с небольшими нюансами используется для определения цветовой температуры источников освещения. Но для них вводится диапазон отклонений от "идеального" цвета. Длины изотерм (засечек) на картинке выше как раз показывают допустимый диапазон отклонений - только в этих пределах понятие "цветовая температура" имеет смысл.
Есть ещё несколько нюансов: при описании цвета нагретых объектов мы говорим о непрерывном спектре. В нашей повседневной жизни непрерывным спектром излучения обладают только Солнце (и другие звёзды) и нагретые детали, в том числе и разогретые спирали ламп накаливания. А вот спектры отражённого света почти никогда не бывают сплошными (кроме белых или серых объектов). Все воспринимаемые нами цвета в окружающем мире – это именно «рваные» спектры. Иногда это всего несколько узких спектральных линий, а иногда несколько широких (например, в экранах телефонов).
С проблемой несплошного спектра освещения вы точно сталкивались при использовании газоразрядных или недорогих светодиодных ламп. В их свете многие цвета становятся неестественными или совсем неразличимы, так как в спектре этих ламп отсутствует значительная часть солнечного спектра. В современных светодиодных лампах это решается правильно подобранными люминофорными покрытиями, которые поглощают свет от светодиода и перезлучают его уже широким спектром.
Бонусом еще немного интересного о цветовосприятии.
Если изображение на сетчатке остается неподвижным, то оно «исчезнет» через несколько секунд. Это было доказано с помощью следующего опыта. Человек с зафиксированным глазом изначально видит изображение красного и зелёного полей (верхний ряд на картинке ниже):
Через несколько секунд изображение перестаёт им восприниматься. Если после этого добавить светлосиний свет в оба поля – то подопытный видит оба поля как светлосиние. Через несколько секунд и это изображение перестаёт восприниматься. Теперь, если выключить голубой свет, то человек снова увидит красное и зелёное поля на несколько секунд.
Это доказывает то, что мы видим только в момент смены изображения на сетчатке. Если же изображение не меняется (или не двигается), то оно исчезает из нашего восприятия. Именно поэтому наш глаз постоянно совершает микродвижения – тремор (эллиптические движения частотой 250Гц с амплитудой в 30 секунд дуги) и саккады (рывки продолжительностью в 10-20мс и амплитудой от 2 до 50 минут дуги).
Может ли человек увидеть одиночный фотон?
Эксперимент по определению минимального количество фотонов, необходимых, чтобы вызвать визуальный эффект, был проведён в 1942 году (Hecht et al., 1942). Подопытных людей оставляли в темноте на 30 минут для достижения оптимальной чувствительности к свету. Источник света располагался так, чтобы свет подал в область сетчатки с максимальной концентрацией палочек.
В результате оказалось, что нужно от 54 до 148 фотонов для того, чтобы вызвать отклик. С учётом отражения от роговицы (4%), поглощения внутриглазной жидкостью (50%), а также фотонов, прошедших сквозь сетчатку без поглощения палочками (80%), определили, что только от 5 до 14 фотонов были поглощены. С учетом того, что на освещённом участке сетчатки находилось около 500 палочек, маловероятно, что хоть одна палочка поглотила больше одного фотона. Т.е. палочка даёт отклик на одиночный фотон, но одной палочки с таким сигналом недостаточно – одиночный фотон должны поглотить от пяти до четырнадцати палочек для появления визуального эффекта.
На сегодня всё. Как-нибудь я еще напишу о невозможных цветах.
Ещё немного о цветах можно почитать в посте Как устроена радуга
Задавайте вопросы и пишите свои уточнения в комментариях.
В статье использованы материалы из следующих источников:
Webvision: the organization of the retina and visual system, H Kolb, E Fernandez, R Nelson