Czy każdy z nas widzi kolory tak samo?

Zjawisko koloru jest o tyle trudne w opisie, że z jednej strony kolor jest stałą cechą przedmiotu, a dokładniej mówiąc substancji, z których jest on zbudowany, a z drugiej może być odbierany przez każdego nieco inaczej.

Organizmy żywe nie są identyczne, nawet osobniki tych samych gatunków. Zawsze obecna jest wśród nich odrobina zmienności wynikająca z różnic genetycznych. To samo dotyczy ludzi. Nie można więc przyjmować, że każdy widzi w dokładnie taki sam sposób [1,2]. Być może patrząc na ten sam przedmiot, ja widziałabym jego kolor odrobinę inaczej niż Ty, a Ty inaczej niż ja. Ale to nie znaczy, że mój sposób widzenia tego koloru jest „jedynym prawidłowym”, a Twój nie, czy też na odwrót. Po prostu każdy ma swój własny, właściwy dla siebie sposób widzenia.

Widzimy, ponieważ światło „wyławia obiekty z mroku”. Padając na obiekt, częściowo jest przez niego pochłaniane, ale część ulega odbiciu i rozproszeniu. I to właśnie ta odbita część światła dociera do naszych oczu, przechodzi przez przezroczystą rogówkę, następnie przez znajdujące się wewnątrz oka ciało szkliste i pada na siatkówkę, wyścielającą wnętrze oka. W niej znajdują się dwa rodzaje komórek wrażliwych na światło. Jedne z nich – pręciki – są wrażliwe na natężenie światła i „widzą” obraz jako czarno-biały. Natomiast czopki pozwalają na widzenie obrazu kolorowego, ponieważ poszczególne ich rodzaje są czułe na różne długości fali świetlnej. Sygnał odebrany przez pręciki i czopki jest dalej przekazywany przez inne rodzaje komórek nerwowych do mózgu, a mózg tworzy reprezentację koloru (W tekście kursywą zaznaczone są terminy fachowe. Można ich użyć jako słów kluczowych, ułatwiających wyszukiwanie bardziej szczegółowych informacji w literaturze lub w zasobach internetowych.).

Kluczową rolę w widzeniu barw odgrywają opsyny, czyli białka światłoczułe występujące w błonie komórkowej czopków siatkówki. Jeśli u jakiejś osoby występuje mutacja genetyczna, skutkująca zmianą w budowie tych białek, może to spowodować, że opsyny nie będą pełniły swojej funkcji we właściwy sposób. W efekcie może to uniemożliwić rozróżnienie określonych kolorów, na przykład czerwonego i zielonego. Cecha ta, znana szerzej jako daltonizm (nazwa pochodzi od nazwiska angielskiego chemika i fizyka Johna Daltona, który zaobserwował ją u siebie i po raz pierwszy opisał [3]), wielokrotnie częściej dziedziczona jest przez mężczyzn, niż przez kobiety (szacuje się, że występuje u 7,5 % mężczyzn i u 0,8 % kobiet [4]).

Natomiast jeśli w siatkówce zupełnie brak czopków lub nie funkcjonują one typowo, widzenie barw może być zupełnie niemożliwe. Achromatopsja, bo tak nazywany jest ten stan, jest bardzo rzadka w większości populacji i dotyczy jednej na 20 000 do 50 000 osób. Jednak w małych, izolowanych społecznościach, których przedstawiciele są blisko ze sobą spokrewnieni, może występować znacznie częściej. Na przykład szacuje się, że na mikronezyjskiej wyspie Pohnpei, położonej na Oceanie Spokojnym, kolorów nie widzi nawet co dziesiąty mieszkaniec [5].

Co łączy światło, nadmorski pejzaż i skakankę?

Fale. Ale zacznijmy od początku.

Słowo „fale” najprawdopodobniej większości z nas kojarzy się w pierwszym momencie z nadmorską scenerią i rytmicznie kołyszącą się powierzchnią wody. Ten rodzaj fal, powstających na powierzchni morza lub jeziora, jest skutkiem działania wiatru poruszającego górną warstwą toni wodnej. Doskonale znamy widok, kiedy grzbiety i doliny fal przemieszczają się po powierzchni wody, tak jakby wzajemnie się ścigały. To właśnie odległość, jaka oddziela dwa kolejne grzbiety fali (albo doliny między nimi) nazywana jest przez fizyków długością fali. Nie zawsze mają oni na myśli fale morskie, ponieważ w przyrodzie istnieje wiele innych rodzajów fal. Są to na przykład fale dźwiękowe, fale sejsmiczne (powstające podczas trzęsienia ziemi lub wybuchu wulkanu), fale radiowe, mikrofale, promieniowanie rentgenowskie i gamma, a także światło. To jego właściwości – wynikających z falowej natury – będzie dotyczyła dalsza część tekstu.

Możliwe jest też wprowadzenie w ruch falowy całego obiektu. Dzieje się tak ze strunami instrumentów muzycznych lub ze skakanką, której jeden koniec przywiązany jest do nieruchomego obiektu, natomiast drugi jest wprawiany w ruch falujący przez eksperymentatora.

Jedną z wielu cech różniących odmienne rodzaje fal jest właśnie ich długość. Dla fal morskich wynosi ona kilka, a nierzadko nawet kilkadziesiąt metrów. Fale powstające na skakance mają kilkadziesiąt centymetrów. Natomiast fale świetlne mają bardzo małe długości, liczone w nanometrach [nm]. Posługując się obrazowym porównaniem – jeden nanometr jest milion razy mniejszy niż średnica ziarenka maku (liczonego jako 1 mm). To daje wyobrażenie o tym, jak małą wielkością jest nanometr.

Światło nie jest jednorodne. To kolejna jego intrygująca cecha. Można powiedzieć, że jest mieszanką fal o różnych długościach. A termin światło widzialne odnosi się do tego fragmentu widma światła, który jest widzialny dla ludzi i odpowiada zakresowi długości fal zdolnych pobudzać wszystkie trzy typy czopków w naszej siatkówce (400 – 700 nm). Fal krótszych niż 400 nm (ultrafiolet) oraz dłuższych niż 700 nm (podczerwień) nie widzimy. Inne organizmy mogą natomiast widzieć w odmiennych zakresach widma niż my. Na przykład wśród wielu zwierząt rozpowszechniona jest zdolność widzenia również w świetle ultrafioletowym (UV) [6].

Określenie widmo światła może wydawać się w pierwszym momencie niejasne Kiedy myślimy o świetle widzialnym, najlepiej wyobrazić je sobie jako wiązkę światła o różnych kolorach odpowiadających rożnym długościom fali. Na przykład fale, których długość mieści się w przedziale między 400 a 430 nm odpowiadają kolorowi fioletowemu, te o długości 480-560 nm – kolorowi zielonemu, a 600-720 nm – kolorowi czerwonemu [7].

Światło docierając do obiektu może oddziaływać z nim w różny sposób. Może ulec odbiciu od jego powierzchni, zostać pochłonięte, a jeśli obiekt jest przejrzysty, może również swobodnie przejść przez jego strukturę. I tak ciało doskonale czarne pochłaniałoby całe padające na nie promieniowanie świetlne, niezależnie od długości jego fali.  Ciało doskonale białe całkowicie rozproszyło by padające na nie światło, tak, że żadna długość fali nie ulegała by pochłonięciu. Natomiast w przypadku ciała doskonale przezroczystego, przenikałoby przez nie całe docierające do niego światło. Nie dzieje się tak, ponieważ takie obiekty nie istnieją. Są jedynie koncepcjami teoretycznymi, dzięki którym możemy lepiej opisywać zjawiska optyczne. W świecie realnym obiekty łączą te właściwości w rożnym stopniu i proporcjach. Ponadto poszczególne długości fali świetlnej w rożny sposób oddziałują z materią. Dlatego każdy z pigmentów ma określony, charakterystyczny dla siebie „wzór” pochłaniania światła.

Żeby dokładniej prześledzić to zagadnienie wróćmy na moment do świata sztuki i posłużmy się przykładem ultramaryny. Barwnik ten stosowany jest w malarstwie od wieków i pierwotnie był uzyskiwany ze sproszkowanej skały – lazurytu, znanego też pod nazwą lapis lazuli. Ultramaryna cieszyła się wyjątkową sławą w okresie renesansu, a artystów nie zrażały trudności w jej zdobyciu ani rujnujące ich budżety koszty zakupu tego pigmentu. Z biegiem czasu z pomocą sztuce przyszła nauka i w XIX opracowana została metoda otrzymywania dużo tańszego i łatwo dostępnego syntetycznego odpowiednika [8].

Kolor, jak wiemy, przez każdego z nas może być postrzegany nieco inaczej, jednak istnieje obiektywna metoda jego pomiaru. Możliwe jest na przykład określenie jakiego dokładnie barwnika używał żyjący setki lat temu artysta do namalowania swojego dzieła. A w przypadku farb dostępnych współcześnie – odpowiedź na pytanie czy dana farba zawiera barwnik naturalny, czy jego syntetyczny odpowiednik, a także jakie jest stężenie zastosowanego pigmentu. Wykorzystywane są w tym celu techniki spektroskopii świetlnej.

W takim razie farby w dłoń! …i tym razem udamy się w odwiedziny do laboratorium naukowego. Czeka tu na nas urządzenie, które pomoże w dokładnym określeniu koloru ultramaryny. Spektrofotometr, bo o nim mowa, z zewnątrz przypomina skrzynkę, z elektronicznym wyświetlaczem i małą szufladką, do której wstawia się badaną próbkę. Teraz wystarczy niewielką ilość pigmentu rozpuścić w wodzie, przygotowany roztwór wlać do specjalnego przeźroczystego naczynka pomiarowego (kuwety), a następnie umieścić je wewnątrz komory pomiarowej i wykonać analizę. W największym uproszczeniu pomiary takie polegają na przepuszczeniu przez próbkę wiązki światła, a następnie porównaniu wiązki światła docierającego do badanej próbki oraz światła przez nią przenikającego. W ten sposób dowiadujemy się, która cześć światła została pochłonięta (zaabsorbowana) przez próbkę, a która – po odbiciu od cząsteczek barwnika znajdujących się w roztworze – przeszła dalej. Urządzenie zinterpretuje dla nas te dane i nawet narysuje wykres, który będzie wyglądał mniej więcej tak [9]:

Co z tego wynika? W ten dość zawoalowany sposób spektrofotometr „powiedział”, że ultramaryna pochłania długości fali odpowiadające światłu zielonemu i czerwonemu, a odbija światło niebieskie. Dlatego właśnie ultramaryna widziana jest przez nas jako niebieska! Ale jej „niebieskość” jest inna niż w przypadku błękitu pruskiego, błękitu polskiego, błękitu ftalowego, błękitu kobaltowego, indygo i wielu innych kolorów z „rodziny niebieskiej”, używanych tradycyjnie w malarstwie. Dla każdego pigmentu kształt wykresu widma jest nieco inny, przy innej długości fali dochodzi do maksymalnego odbicia, a my jako obserwatorzy, również odbieramy je jako inne barwy.

Aby umożliwić jednoznaczne określanie kolorów wprowadzone zostały systemy nazewnictwa umożliwiające sprawną komunikację między osobami, dla których ścisłe określenie koloru jest konieczne. W malarstwie obok, przytoczonych przed chwilą zwyczajowych nazw kolorów farb, funkcjonują również oznaczenia dla pigmentów wchodzących w skład określonych receptur. Poszczególne pigmenty są konsekwentnie opisywane tymi samymi kodami. Ultramaryna oznaczana jest zawsze jako PB29 (Pigment Blue 29).

Podobny system funkcjonuje również dla „cyfrowych” wersji kolorów. Jednym ze sposobów definiowania kolorów wyświetlanych na ekranach urządzeń elektronicznych są kody RGB, podające jaki jest udział barw podstawowych w danym odcieniu (czerwieni, zieleni i niebieskiego) lub kody szesnastkowe

Co nadaje kolor liściom, a co krwi?

Patrząc na wzory strukturalne hemu oraz chlorofilu (rysunek), łatwo zauważyć, że obie cząsteczki są bardzo podobne pod względem budowy chemicznej. Natomiast znacznie różnią się pełnionymi funkcjami.

Chlorofil odnajdziemy w zielonych częściach roślin, gdzie jego rola polega na pochłanianiu promieniowania świetlnego i przekazywaniu pozyskanej w ten sposób energii do dalszych elementów skomplikowanej komórkowej „aparatury” umożliwiającej roślinom przeprowadzanie fotosyntezy.

Natomiast hem w połączeniu z białkiem globiną tworzy cząsteczki hemoglobiny. Są one zawarte we wnętrzu erytrocytów przemieszczających się wraz ze strumieniem krwi po całym organizmie. Hemoglobina w pracowity sposób wyłapuje, wiąże i przenosi tlen, tak aby dotarł z płuc do wszystkich tkanek naszego ciała (z resztą, nie tylko naszego, ponieważ taki mechanizm występuje u wszystkich ssaków). Jej intensywny kolor nie ma jednak wpływu na pełnione w organizmie funkcje, jest raczej „dodatkową właściwością” wynikającą z budowy cząsteczki.

Hem oraz chlorofil, pomimo podobieństw w budowie, różnią się pod względem zdolności pochłaniania światła, co skutkuje odmiennym postrzeganiem przez nas ich barwy [10]. Bardzo silne pochłanianie przez chlorofil światła niebieskiego i czerwonego sprawia, że do naszych oczu dociera głównie odbijane przez niego światło zielone i żółte. Dlatego postrzegamy liście jako zielone. Natomiast brak tak silnego pochłaniania światła czerwonego przez hemoglobinę jest źródłem czerwonego koloru krwi.

Powstawanie koloru jest złożonym i „wielowymiarowym” procesem. Na najbardziej podstawowym poziomie kolor wynika z chemicznej budowy materii – zarówno nieożywionej, jak i organizmów żywych – nadającej im różne właściwości optyczne. Następnie do głosu dochodzi fizyka – gdy światło dociera do powierzchni obiektów i jest przez nie pochłaniane oraz odbijane. Kolejnym, nie mniej ważnym elementem widzenia kolorów, są procesy biologiczne zachodzące w ciele odbiorcy. Dlatego posługując się dużym uproszczeniem można powiedzieć, że to co nazywamy kolorami, jest właściwie wyobrażeniem na temat wyglądu przedmiotów wytworzonym przez nasze mózgi pod wpływem światła odbitego od powierzchni obiektów, na które patrzymy.

W ten sposób dotarliśmy do odpowiedzi na tytułowe pytanie. Jednak odpowiedź wcale nie była tu najważniejsza. Artykuł ten był raczej pretekstem do zaproszenia Was do swobodnego wędrowania przez różne dziedziny nauki, poszukiwania powiązań pomiędzy pozornie odległymi tematami i do podzielenia się moim nieodmiennym zachwytem nad tym jak spójną i przenikającą się wzajemnie całością jest nauka. Mam nadzieję, że ta wspólna podróż w poszukiwaniu natury koloru przypadła Wam do gustu i sami spróbujecie takiego „detektywistycznego” podejścia w obserwowaniu otaczającego nas świata.

Źródła:

[1] Emery KJ, Volbrecht VJ, Peterzell DH, Webster MA. Variations in normal color vision. VI. Factors underlying individual differences in hue scaling and their implications for models of color appearance. Vision Res. 2017;141:51-65. doi:10.1016/j.visres.2016.12.006;  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042698916301985

[2]Abramov I, Gordon J, Feldman O, Chavarga A. Sex and vision II: color appearance of monochromatic lights. Biol Sex Differ. 2012;3(1):21. Published 2012 Sep 4. doi:10.1186/2042-6410-3-21;  https://jov.arvojournals.org/article.aspx?articleid=2191999

[3]Hunt DM, Dulai KS, Bowmaker JK, Mollon JD. The chemistry of John Dalton’s color blindness. Science. 1995;267(5200):984-988. doi:10.1126/science.7863342;  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7863342/

[4]Fareed M, Anwar MA, Afzal M. Prevalence and gene frequency of color vision impairments among children of six populations from North Indian region. Genes Dis. 2015;2(2):211-218. Published 2015 Feb 25. doi:10.1016/j.gendis.2015.02.006;  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352304215000215

[5]Ben Simon GJ, Abraham FA, Melamed S. Pingelapese achromatopsia: correlation between paradoxical pupillary response and clinical features. Br J Ophthalmol. 2004;88(2):223-225. doi:10.1136/bjo.2003.027284;  https://bjo.bmj.com/content/bjophthalmol/88/2/223.full.pdf

[6]Douglas RH, Jeffery G. The spectral transmission of ocular media suggests ultraviolet sensitivity is widespread among mammals. Proc Biol Sci. 2014;281(1780):20132995. Published 2014 Feb 19. doi:10.1098/rspb.2013.2995;  https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2013.2995

[7]Zwinkels, J (2015). Light, Electromagnetic Spectrum. 10.1007/978-3-642-27851-8_204-1.;  https://www.researchgate.net/publication/304195368_Light_Electromagnetic_Spectrum

[8] Mangula R., True blue, The Paris Review, 2015;  https://www.theparisreview.org/blog/2015/06/08/true-blue/

[9]Pettikiriarachchi A, Gong L, Perugini MA, Devenish RJ, Prescott M. Ultramarine, a chromoprotein acceptor for Förster resonance energy transfer. PLoS One. 2012;7(7):e41028. doi:10.1371/journal.pone.0041028; researchgate.net/figure/The-effect-of-pH-on-some-optical-properties-of-Ultramarine-A-The-absorbance-spectrum_fig3_229427903; z publikacji zaczerpnięto informacje na temat widma absorpcyjnego ultramaryny

[10]  Basic spectroscopy, Nonell S, Viappiani C:  http://photobiology.info/Nonell_Viappiani.html; z opracowania zaczerpnięto informacje na temat widma absorpcyjnego hemu oraz chlorofilu