Пурпурного цвета не существует, а настоящий зеленый вы никогда не видели: молекулярный механизм рецепторов и феномен «запрещенных» цветов

В окружающем мире не существует цвета в том виде, в котором его воспринимает человек. С точки зрения физики существует лишь электромагнитное излучение разной длины волны и фотоны разной энергии. Цветовая картина мира создается внутри нервной системы. Зрительный анализатор принимает физический сигнал, преобразует его в биохимический, а затем в электрический, после чего мозг формирует итоговый образ.

Человеческое зрение ограничено возможностями фоторецепторов сетчатки и правилами, по которым головной мозг обрабатывает полученные сигналы. Однако серии недавних исследований в области биофизики и нейрофизиологии позволили ученым подробно описать работу глазных белков на атомарном уровне и научить людей видеть цвета, которые раньше считались недоступными для восприятия.

Молекулярное устройство фоторецепторов: как белки реагируют на свет

Преобразование света в нервный импульс происходит в сетчатке — тонком слое нервной ткани на задней стенке глаза. За восприятие света отвечают два основных типа клеток:

1. Палочки. Эти клетки обладают высокой чувствительностью и работают при слабом освещении. Они не различают цвета и обеспечивают ночное зрение.
2. Колбочки. Эти клетки работают при ярком свете и отвечают за цветное зрение. У человека есть три вида колбочек, каждый из которых реагирует на свой участок спектра: S-колбочки воспринимают короткие световые волны (синий цвет);M-колбочки воспринимают средние световые волны (зеленый цвет);L-колбочки воспринимают длинные световые волны (красный цвет).

Внутри каждой колбочки и палочки находятся специальные белки — опсины. Внутри каждого белка содержится молекула ретиналь, которая является производным витамина A. Именно ретиналь улавливает свет.

Когда квант света попадает на молекулу ретиналя, она мгновенно меняет свою пространственную форму. Это изменение формы вынуждает изменить структуру и весь белок опсин. В результате внутри клетки запускается цепь химических реакций, которая завершается появлением электрического импульса. Этот импульс по зрительному нерву передается в мозг.

После того как рецептор сработал, он должен быстро вернуться в исходное состояние, чтобы уловить следующий квант света. Долгое время оставалось загадкой, почему красные и зеленые колбочки восстанавливаются значительно быстрее, чем синие колбочки или палочки.

Международная группа исследователей из Австралии, Германии и Китая опубликовала в журнале Science работу, в которой дала ответ на этот вопрос. Ученые заморозили белки опсины и изучили их устройство с помощью мощного электронного микроскопа, который позволяет увидеть расположение отдельных атомов.

Выяснилось, что в красных и зеленых опсинах вокруг молекулы ретиналя находятся аминокислоты, обладающие специфическим электрическим зарядом. Эти заряды создают внутри белка локальное электрическое поле. Данное поле нейтрализует напряжение, возникшее при поглощении света, и позволяет белку быстро сбросить полученную энергию.

Благодаря такому устройству красные и зеленые колбочки способны восстанавливаться за считанные миллисекунды. Это обеспечивает человеку высокую точность зрения при быстром движении объектов в дневное время.

Границы восприятия и неспектральные цвета

Видимый человеком свет занимает диапазон длин волн примерно от 380 нанометров (фиолетовый цвет) до 750 нанометров (красный цвет). Цвет, который соответствует конкретной длине волны из этого промежутка, называется спектральным. Однако человек способен видеть цвета, которых нет в этом диапазоне.

Ярким примером является пурпурный цвет (или маджента). В физическом спектре между фиолетовым и красным краями находятся синий, зеленый, желтый и оранжевый цвета. Пурпурного цвета как отдельной световой волны не существует.

Пурпурный цвет возникает исключительно в головном мозге при соблюдении следующих условий:

1. На сетчатку одновременно попадают короткие волны (активирующие S-колбочки) и длинные волны (активирующие L-колбочки).
2. Средние волны отсутствуют, поэтому M-колбочки (зеленые) остаются неактивными.

Зрительная кора мозга не может сопоставить такой сигнал ни с одной существующей длиной волны. Чтобы объединить сигналы с противоположных краев спектра, мозг формирует ощущение пурпурного цвета. Это внутренний способ нервной системы обозначить одновременное присутствие двух крайних световых волн при отсутствии средних.

Помимо формирования неспектральных цветов, зрение человека ограничено давней эволюционной особенностью. Гены, отвечающие за создание зеленых (M) и красных (L) опсинов, возникли у древних приматов в результате удвоения одного и того же гена. По этой причине зоны чувствительности зеленых и красных колбочек очень сильно перекрываются.

В естественной среде невозможно получить или отразить свет, который возбуждал бы только зеленые колбочки и не задевал красные. Любой зеленый свет из окружающего мира неизбежно стимулирует оба типа рецепторов одновременно. Из-за этого человек никогда не видит предельно чистый зеленый цвет в природных условиях.

Эксперимент с лазерами: получение чистого зеленого цвета Olo

Группа исследователей из Калифорнийского университета в Беркли нашла способ преодолевать природное перекрытие чувствительности колбочек. Описание их системы под названием «Оз» опубликовано в журнале Science Advances.

Главная сложность при попытке изолированно осветить одну колбочку заключается в том, что человеческий глаз совершает непрерывные непроизвольные микроскопические движения — микросаккады. Из-за этого любой направленный луч света смещается по сетчатке.

Ученые применили адаптивную оптику — систему зеркал и датчиков, которая в реальном времени отслеживает микросаккады глаза и мгновенно корректирует направление света. Это позволило направить микроскопический луч зеленого лазера строго на отдельные M-колбочки, не задевая находящиеся рядом L-колбочки.

Когда ученым удалось передать сигнал только от зеленых колбочек в полном отсутствии сигнала от красных, испытуемые увидели цвет, который был назван Olo («оло»).

Участники эксперимента описали его как зеленый цвет невиданной ранее чистоты и насыщенности. Цвет Olo невозможно воспроизвести ни на одном современном мониторе и невозможно увидеть в живой природе, так как обычный свет всегда активирует красные рецепторы вместе с зелеными.

Оппонентная теория и открытие «запрещенных» цветов

Ограничение на восприятие некоторых цветов накладывается не только рецепторами сетчатки, но и нейронами, которые передают сигнал в мозг.

Согласно оппонентной теории цветового зрения, нервная система оценивает цвет не по отдельности, а через сравнение противоположных сигналов. В зрительной системе работают два основных канала сравнения:

1. Канал «красный — зеленый». Нейроны вычисляют разницу между сигналами L- и M-колбочек.
2. Канал «синий — желтый». Нейроны вычисляют разницу между сигналом S-колбочек и суммой сигналов L- и M-колбочек.

Нейрон оппонентного канала работает по принципу переключателя. Если он получает преобладающий сигнал от красных колбочек, он увеличивает частоту электрических импульсов и передает мозг информацию «красный». Если преобладает сигнал от зеленых колбочек, нейрон снижает частоту импульсов и передает сигнал «зеленый».

Один и тот же нейрон не может одновременно увеличивать и уменьшать частоту передаваемых импульсов. По этой причине в обычных условиях человек не способен увидеть красно-зеленый или сине-желтый цвет. Эти цвета взаимно подавляют друг друга, и при их смешивании на бумаге или экране получается грязный серый или коричневый тон.

Исследователи Винсент Биллок и Брайан Цоу разработали метод, позволяющий отключить эту нейронную задержку. Для этого они соединили два физических условия:

1. Стабилизация изображения на сетчатке. Проекция изображения привязывается к движениям глаза так, чтобы картинка находилась строго на одних и тех же клетках сетчатки. Когда изображение перестает перемещаться по рецепторам, нейроны-детекторы адаптируются и прекращают посылать в мозг информацию о границах между цветами.
2. Изояркость. Яркость красного и зеленого участков подбирается абсолютно одинаковой, с точностью до долей процента. Без разницы в яркости мозг теряет возможность сравнивать участки по контрасту.

Когда границы между цветами исчезли из-за адаптации клеток, а контраст по яркости отсутствовал, оппонентные нейроны перестали вычитать сигналы друг из друга.

В результате эксперимента шесть из семи участников впервые увидели запрещенные цвета. Они наблюдали область, которая одновременно воспринималась как полностью красная и полностью зеленая, либо как синяя и желтая одновременно. При этом цвета не смешивались в третий оттенок, а присутствовали в одной и той же точке пространства в равной степени.

Значение открытий для науки и медицины

Проведенные исследования показывают, что человеческое зрение ограничено тремя последовательными барьерами:

Расшифровка структуры опсинов на атомарном уровне дает молекулярной биологии инструменты для создания методов лечения наследственных заболеваний глаз. Зная, как именно заряды внутри белка влияют на скорость его работы, ученые получают возможность разрабатывать генную терапию для людей, страдающих дистрофией колбочек или полным отсутствием цветового зрения.

В то же время эксперименты с точечной лазерной стимуляцией сетчатки и стабилизацией изображения доказали, что человеческий мозг способен обрабатывать гораздо более широкий спектр визуальных сигналов, чем те, с которыми он сталкивается в повседневной жизни. Ограничения цветного зрения заложены в устройстве глазных рецепторов и первичных нейронных каналов, но сам мозг сохраняет способность воспринимать ранее неизвестные цветовые комбинации, если подать сигнал в обход стандартных биологических ограничений.