Вячеслав Демидов - Как мы видим то, что видим [издание 3-е , перераб. и доп.]
Глава восьмая. Палитра
Для возникновения цвета необходимы свет
и мрак, светлое и темное, или, пользуясь
более общей формулой, свет и несвет.
ГётеКогда в 1903 г. французский химик Луи Жан Люмьер (тот самый, который изобрел вместе со своим братом Огюстом кинематограф) решил заняться цветной фотографией, он ничего не знал о том, как устроена сетчатка курицы. И при всем при том почти буквально повторил в своем новом изобретении важную особенность ее конструктивной схемы (сетчатки, конечно, а не курицы).
У курицы, как и у многих птиц, и у некоторых видов черепах, природа поставила перед совершенно одинаковыми рецепторами сетчатки светофильтры – жировые клетки красного, оранжевого и зеленовато-желтого цветов. И еще бесцветные. А Люмьер брал зерна крахмала, окрашивал их в красный, зеленый и синий колеры, после чего посыпал этим трехцветным порошком фотопластинку.
Рис. 51. Одна из схем получения белого цвета. В реальности дело обстоит несколько сложнее...
Изобретатель руководствовался теорией цветового зрения, которую принято называть сейчас трехкомпонентной. Она ведет начало от речи «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее, в публичном собрании Императорской Академии Наук июля 1 дня 1756 года говоренное Михаилом Ломоносовым». Великий ученый сообщал слушателям: «Я приметил и через многие годы многими прежде догадками, а после доказательными опытами с довольною вероятностью утвердился, что природа эфирных частиц имеет совмещение с тремя родами действующих первоначальных частиц, чувствительные тела составляющих... От первого рода эфира происходит цвет красный, от второго – желтый, от третьего – голубой. Прочие цветы рождаются от смешения первых... Натура тем паче всего удивительна, что в простоте своей многохитростна, и от малого числа причин произносит (так и автора – В.Д.) неисчислимые образы свойств, перемен и явлений»».
Эта смелая мысль не была тогда по достоинству оценена научным миром. Лишь спустя полвека к ней обратился английский физик Томас Юнг. Он отметил, что идеи Ломоносова дали ему, выражаясь нынешним лексиконом, материал для размышлений.
Юнг оттолкнулся от самоочевидного факта: сетчатка сообщает мозгу о форме и цвете предметов (представления о более высоких мозговых структурах и их роли тогда еще находились в самом зачатке), а любая часть изображения может быть окрашена в любой, вообще говоря, тон. Как же глаз ухитряется видеть все многообразие красок? Неужели на любом кусочке сетчатки находится бесчисленное множество элементов, призванных реагировать каждый на свой цвет? Вряд ли: уж очень сложно, и тут к месту было вспомнить Уильяма Оккама с его принципом «не плодить лишних сущностей, кроме необходимых».
Вполне логичным поэтому выглядело такое предположение: ощущающих цвет клеток немного, но благодаря их совместной работе возникает ощущение бесконечного богатства красок. Три эфира, упомянутые Ломоносовым, трансформировались у Юнга в три цветоощущающих элемента сетчатки.
Детально это его предположение развил Гельмгольц в своем «Справочнике по психологической оптике», изданном в 1859...1866 гг. в Гейдельберге, где он читал физиологию студентам университета. После чего трехкомпонентная теория Юнга-Гельмгольца вполне утвердилась в науке о зрении.
Сейчас точно установлено, что в сетчатке цветовые фотоприемники – колбочки – именно трех родов: у одних максимальна чувствительность к желтым лучам, у других к зеленым, у третьих к синим. Удалось даже подобраться с измерительным прибором непосредственно к колбочкам сетчатки обезьяны, которая различает цвета почти так же, как человек. Чувствительность колбочек к частоте световых колебаний оказалась очень близкой к той, которая следует из теории трехкомпонентного зрения. Графики ответов занимают обширные области: «размазанность» кривых, перекрывающих друг друга, обеспечивает цветовое восприятие.
Но природа не поставила никаких светофильтров перед фоторецепторами нашей сетчатки. Она сделала хитрее: создала несколько разновидностей светочувствительных пигментов. Каждый из них лучше всего ловит «свои» кванты – минимальные порции света и вообще электромагнитных колебаний.
Глаз человека – система невероятно высокочувствительная. Академик Сергей Иванович Вавилов писал в книге «Глаз и Солнце», что порог раздражения палочек, с помощью которых мы видим ночью, эквивалентен силе света обыкновенной свечи, рассматриваемой с расстояния двухсот километров. Тогда на кусочек сетчатки, где находится примерно 400 палочек, попадает всего лишь шесть – девять квантов.
То есть для срабатывания фоторецептора достаточно одного-единственного кванта, ибо совершенно невероятно, чтобы даже две частицы света попали точно в один и тот же рецептор.
Долгие годы этот результат, к тому же подтвержденный опытами, во время которых глаз действительно ощущал квантовый характер света (ни один прибор не способен похвастать подобной чувствительностью!), казался граничащим с чудом: как ухитрилась природа сконструировать такой механизм? Новейшие исследования дали ответ: влетевший в светочувствительную клетку фотон – это как бы палец, нажимающий на спусковой крючок ружья.
Рис. 52. Молекула ретиналя реагирует на влетевший в нее квант света поворотом ее «хвостика»
В фоторецепторах любого живого существа находится несколько видоизмененный витамин А – ретиналь, вы видите его на рисунке слева (для создания объемности я написал на основной части молекулы ARABIKA). У основной части молекулы есть небольшой хвостик длиной в три атома углерода (он изображен черным цветом и тем же словом). Пока фотон не попал в молекулу, она изогнута так, что хвостик перпендикулярен плоскости, в которой лежат углеродные атомы основной части (картинка А). Квант заставляет хвостик повернуться, молекула становится плоской (картинка В).
В тонких наружных члениках палочек и колбочек молекулы ретиналя прикреплены к плоским дискам, собранным в стопку, словно монеты. Дисков множество, в палочке глаза лягушки, например, их около двух тысяч, на них несколько десятков миллионов молекул ретиналя. У фотона мало шансов проскочить мимо. Какой-нибудь диск да окажется удачливым хозяином ретиналя, поглотившего квант света.
И тогда начинается самое интересное. Стенка наружного членика фоторецептора – мембрана – вместе с окружающей жидкостью представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянного тока. Пока квант не попал в фоторецептор, мембрана почти одинаково хорошо пропускает через себя ионы калия и натрия: калий – в клетку, натрий – из клетки(см. верхнее изображение на картинке справа). Каждый ион – носитель электрического заряда, и генератор вырабатывает небольшое, близкое к нулю напряжение.
«Выстрел ружья» сразу меняет картину. В мембране начинает работать насос, резко увеличивающий поток натриевых ионов и, следовательно, напряжение, отдаваемое генератором (нижняя картинка). В итоге внутренние структуры фоторецептора усиливают энергию кванта примерно в два миллиона раз. И экспериментатор видит на экране осциллографа импульс светочувствительной клетки – ответ на попадание фотона. Все это гораздо дольше рассказывается, чем происходит.
Рис. 53. До попадания фотона потоки калия и натрия одинаковы, и потенциал на выходе фоторецептора равен нулю. Ретиналь имеет обычный красный цвет. Однако после попадания фотона ретиналь становится желтым и резко возрастает поток натрия из фоторецептора: образуется мощный электрический импульс, поступающий далее в нервную систему
После «нажатия на спуск» сигнал фоторецептора поступает в нейронные цепи сетчатки через три тысячные доли секунды. Самое же замечательное, что природа остается верна этой схеме процесса в зрительных органах всех животных, от моллюсков до человека.
Вы спросите: а как же три цветочувствительных элемента, если один ретиналь? Тут вмешивается особый белок – опсин. Соединяясь с ретиналем-один (в его шестичленном углеродном кольце всего одна двойная связь), он дает родопсин, присущий высокочувствительным палочкам и наиболее охотно поглощающий световую энергию с длиной волны пятьсот семь микрометров.
Соединяясь же в колбочках с ретиналем-два (у него две двойные связи), опсин превращается в «глубоководный» родопсин (названый так потому, что впервые был обнаружен у рыб), порфиропсин и иодопсин – соответственно в синем, зеленом и желтом фоторецепторах.
Рис. 54. Три вида родопсина, обеспечивающих наше трехцветное зрение
Если какого-то пигмента нет, человек не ощущает соответствующих тонов, становится частично цветослепым. Именно цветовой слепотой страдал английский физик Джон Дальтон, по имени которого и назван дальтонизмом этот недостаток зрения. Открыл его, кстати, у Дальтона не кто иной, как Юнг...
