Ощущение цвета сквозь столетия

Ю. Маханьков, канд. биол. наук, Vifor Pharma AG
М. Синяк, канд. техн. наук, XRite

«Глаз — как зеркало, а видимый объект — как нечто отраженное в этом зеркале» — пожалуй, это высказывание врача и философа Авиценны можно с легкостью перенести с начала XI столетия в наш век и констатировать, что глаз всё еще остается не до конца изученным объектом для полного понимания механизма восприятия и обработки информации об окружающем нас мире.

На протяжении тысячелетий люди пытаются понять, каким образом внешний мир становится видимым и почему природа наделила глаз подобным свойством. Ученые до сих пор находятся в поиске ответов на вопросы о восприятии окружающего мира и связи этого восприятия с реакцией нервной системы и ощущениями, возникающими при этом. Несмотря на то что на ранних этапах истории развития человека было трудно понять концепцию физических и физиологических основ света или светового ощущения, он все же каким-то третьим чувством осознавал, что глаз — это орган, наделенный особой силой, способной передавать окружающий мир таким, каков он есть. Со времен древних цивилизаций Индии, Вавилона, Китая и Египта люди пытались восстановить или улучшить зрение у больных людей, порой не имея никакого понятия об основных принципах формирования зрения в человеческом глазу и о способах лечения пациентов.

Характерно, что в классической китайской литературе цвет отождествляется с любовью между мужчиной и женщиной. В классическом буддизме цвет и свет — это широкие понятия всех природных феноменов, происходящих вокруг человека, что отчасти наложило свой отпечаток на лечение глазных заболеваний нетрадиционными методами. Такая трактовка, кстати, нашла свое дальнейшее развитие в современном японском индустриальном стандарте JIS (Japanese Industrial Standard) — JIS 8105:2000. Она предполагает понятия «цвет ощущения» (описывающий ощущение в имени цвета) и «психофизический цвет» (трехстимульное значение XYZ). Однако ключевым моментом во всех теориях и при исследовании цветовосприятия являлось восприятие глазом цвета при освещении объекта.

Глаз как орган восприятия был предметом противоречивых интерпретаций и дискуссий начиная с древних времен. Греческие философы Гиппократ, Аристотель и Платон были первопроходцами в изучении теории, касающейся глаза и его функции, анатомии и лечения заболеваний глаз. Многие врачи и философы того времени верили в идею так называемого активного глаза.

Демокрит в 460-370 годах до нашей эры разработал теорию, согласно которой глаз способен видеть объекты только при условии физического контакта с ними. Это теория «внутреннего излучения». Демокрит, изучая анатомию глаза, пришел к выводу, что глаз состоит из воды, которая заполняет и глаз внутри, и зрительный нерв. Демокрит также утверждал, что существует четыре цвета: белый, черный, красный и зеленый. Остальные цвета — это комбинация основных четырех (рис. 1).

Рис. 1. Строение человеческого глаза по Демокриту. Глаз состоит из воды, вода заполняет не только глаз, но и глазной нерв, идущий от глаза. Демокрит также утверждал, что существуют четыре цвета: белый, черный, красный и зеленый. Остальные цвета формируются за счет их комбинации

Древнегреческий философ и математик Платон в 427-347 годах до нашей эры написал, что свет, исходящий из глаза, окутывает объект перед ним своими лучами. В те времена существовала так называемая теория «выхода», давшая определение зрительному ощущению как сформированному лучами света, источником которых является глаз.

Аристотель, живший в 384-322 годах до нашей эры, был сторонником другой теории — теории «входа», которая утверждала, что зрительное ощущение формируется на базе некого освещаемого светом предмета перед глазом, на поверхности которого образуются «отражательные лучи», идущие по направлению к глазу. Его постулаты о цвете базировались на идее «существования цвета в промежутке от белого до черного». Другими словами, цвет становится видимым при восходе солнца и пропадает при заходе светила (рис. 2). Кажущийся на первый взгляд абсурдным, этот постулат выдержал испытание временем и повлиял на мировоззрение Гёте в XIX веке.

Рис. 2. Строение человеческого глаза по Аристотелю. Он изучал строение глаз животных и пришел к заключению, что глаз состоит из стекловидного тела, окруженного тремя слоями тканей. На рисунке не отображен хрусталик глаза, так как ученый препарировал глаза умерших животных

Однако Теофраст, ученик Аристотеля, опровергал эту теорию, утверждая, что нет причин думать о том, что способность видеть объекты формируется чем-то расположенным внутри глаза. Он более детально описал и изобразил строение глаза обезьяны и сформулировал довольно странную, но в то же время интересную идею о пневме. Пневма представляет собой «зрительный дух», который соединяет глаз с мозгом при помощи зрительного нерва. Сетчатка глаза позволяет пневме передвигаться вдоль зрительного нерва и взаимодействовать с изображением, которое увидел глаз.

Гален, живший в 133-200 годах нашей эры, был древнегреческим врачом и философом, великим анатомом глаза. У него было свое видение того, что такое зрение. Он утверждал, что источником зрения является мозг, от которого информация поступает по зрительному нерву в глаз (рис. 3). Таким образом, Гален был сторонником теории «выхода». Он также дал определение многим фундаментальным особенностям анатомии и физиологии глаза, которые были актуальны до XVII века. Используя опыт и знания анатомов своего времени, он описал глаз в деталях, уделив особое внимание таким важным структурам, как сетчатка, роговица, радужная оболочка, зрачок, веки, хрусталик и стекловидное тело. В этом исследовании Гален особо выделил бинокулярное зрение человека, а также соединение в зрительной коре головного мозга изображений, полученных каждым глазом, в единый образ. Гален описал хрусталик как нечто похожее на сферическую линзу в середине глаза. В результате наблюдений он сделал вывод, что хрусталик является основополагающим инструментом при формировании зрительного ощущения. Этот факт был впоследствии подтвержден врачами, которые на основании проведенного исследования описали такое патологическое состояние глаза, как катаракта, связанное с помутнением хрусталика глаза и вызывающее различные степени расстройства зрения.

Рис. 3. Строение человеческого глаза по Галену. Великий анатом человеческого глаза детально описал его анатомию и объяснил функции сетчатки глаза, роговицы, хрусталика, а также причину такого заболевания, как катаракта

Глаз был предметом особого интереса в средневековой арабской медицине и философии. Между IX и XIV столетиями появилось множество трактатов по офтальмологии. Изучая их, большинство арабских ученых, таких как ученый-философ аль-Кинди и врач-философ Хунаин ибн Исхак (Йоханнитиус) в IX столетии, стали сторонниками теории «выхода». Йоханнитиус в своих трудах «Десять трактатов о глазе» и «Книга вопросов о глазе» проанализировал структуры, расположенные позади стекловидного тела глаза. Особое внимание ученый уделил сетчатке глаза, функция которой, по его мнению, заключалась в том, чтобы быть источником питания стекловидного тела, проводником зрительного ощущения через зрительный нерв. В заключение ученый подчеркнул важность хрусталика глаза при формировании зрительного ощущения.

Арабские врачи того времени активно обсуждали и анализировали множество деталей глаза. В начале X столетия нашей эры великий багдадский клиницист аль-Рази (Разес) впервые описал сужение и расширение зрачка глаза. И только столетие спустя врач-философ, ученый и специалист по оптике аль-Хайтан (Альхазен) доказал в своей «Книге об оптике», что глаз может быть поврежден падающим на него сильным источником света. В результате этих наблюдений оба врача сделали разумный вывод о том, что свет воздействует на глаз, а не наоборот. Современник Альхазена, Авиценна, предложил более систематический критический анализ идей Галена. Он поддерживал многие аспекты теории Галена, но был, тем не менее, сторонником теории «входа».

Хунаин ибн Исхак, живший в средние века (808—873), описал человеческое зрение более детально. В своем труде «Десять способов лечения глаза» он впервые рассмотрел анатомию глаза, заболевания глаз и способы лечения глазных болезней, а также попытался объяснить связь глаза со зрительным нервом (рис. 4).

Рис. 4. Анатомия человеческого глаза по Хунаину. Он в деталях описал зрительную систему человека в своем труде «Десять способов лечения глаза», изложив свой взгляд на анатомию глаза, заболевания глаз и способы лечения глазных болезней и объяснив связь глаза со зрительным нервом

В XI, XII и в течение XIII столетий было сделано много переводов различных трудов с арабского языка на латинский. В результате у средневековых европейских врачей появилось достаточно много отправных точек для дальнейшего изучения глаза и определения его как источника зрительного ощущения. Начиная с этого времени теория «выхода» уже не принималась во внимание, поскольку особое внимание было уделено трудам Авиценны и новым учебным программам по медицине того времени. Достаточно сравнить различные зарисовки человеческого глаза, сделанные в разные столетия, чтобы увидеть различия в представлении зрительного восприятия согласно теориям «выхода» и «входа».

В эпоху Ренессанса поиски ответов на вопросы продолжались, но уже под более коммерческим уклоном: в связи с развитием стекольного производства изучались оптические явления, происходящие в стекле и других подобных прозрачных средах.

Ученые того времени уже имели большие знания и опыт в анатомии глаза. Леонардо да Винчи, например, существенно преобразовал свою теорию зрительного восприятия. В 1480-х годах он защищал теорию «выхода», но к 1490-м полностью изменил свои представления. Его позиция поменялась благодаря теоретическому анализу, а не наблюдениям. Он представлял глаза как две концентрические сферы, что было гораздо сложнее, чем в теории Галена. Леонардо да Винчи был очарован эффектами света во время изучения и наблюдениями за изменениями в зрачке глаза и возникающими оптическими эффектами. На основании своих наблюдений он описал простую схему отражения света сетчаткой глаза и реакцию зрачков глаза на падающий свет. Одним из его выводов было то, что зрачок глаза сужается в течение дня и расширяется ночью (рис. 5).

Рис. 5. Простая схема отражения света сетчаткой глаза по Леонардо да Винчи, описавшего зависимость падающего света на глаз и реакцию зрачков глаза. Ученый сделал заключение о том, что зрачок глаза сужается в течение дня и расширяется ночью

В XVI столетии основная теория зрительного ощущения оставалась в силе, несмотря на то что было известно о многих физических особенностях глаза. Врач-философ Алессандро Ахиллини, возможно, был первым, кто бросил вызов теории о том, что хрусталик глаза является источником формирования зрительного ощущения. Врач, автор книг по анатомии человека Весалиус, соглашаясь с тем, что хрусталик глаза является источником зрительного ощущения, в корне отрицал идею о полом зрительном нерве.

К середине XVI столетия анатомы приступили к более детальному изучению хрусталика глаза и обнаружили, что он имеет продолговатую форму и располагается к фронту глаза, а не к центру, как думали раньше.

В 1583 году швейцарский врач Феликс Платтер впервые выделил сетчатку глаза как основную структуру, которая обеспечивает зрительное ощущение, и отвел второстепенную роль хрусталику в этом процессе.

В 1604 году немецкий математик, астроном и астролог Иоганн Кеплер, близко знакомый с трудами Альхазена, предложил первую теорию зрительного ощущения сетчаткой глаза, согласно которой зрительный объект формируется в результате отражения и преломления по тем же самым принципам, как и с помощью линзы в телескопе, через который можно наблюдать небо вверх тормашками.

Астрономия, как одна из древнейших наук, тоже внесла свою лепту в развитие цветовых теорий еще во времена Вавилона и Древнего Египта. Все знают о таком природном феномене, как радуга, который возникает при определенной концентрации водяных капель в атмосфере, преломляющих лучи солнца. При определенных условиях можно наблюдать даже двойную радугу, одна из которых ярко выраженная, а вторая слабая, находящаяся как бы вне первой. Основная радуга появляется, когда свет отражается под углом 42° от поверхности воды, а вторая — когда свет падает под углом 51°; дважды отразившись, она имеет обратную последовательность цветов. Первым рассчитал и проиллюстрировал эффект радуги на капле воды Рене Декарт, взявший за основу концепцию индексов отражения известного датского математика Вилеборда Снеллиуса, опубликованную в 1639 году. Этот расчет помог в дальнейшем при изучении разного рода заболеваний глаз.

Со временем научные исследования человеческого восприятия стали более простыми и понятными благодаря развитию математики и других смежных технических областей в начале XVII века. Английский ученый Исаак Ньютон впервые описал спектр света, что дало толчок в развитии оптики, светового и цветового ощущения глазом и стало фундаментом в понимании черно-белого и цвета. Такой раздел науки, как психофизика, изучающая природу зрительных стимулов, является важной дисциплиной для тестирования зрительного ощущения.

Ньютон был восхищен теорией Декарта, когда ставил свои эксперименты в возрасте 20 лет, однако их результаты были опубликованы, только когда ему было уже 60 лет.

Рис. 6. Опыт Ньютона по разложению света на спектр. Ученый разработал теорию цвета, согласно которой цвет объектов зависит от цветного света, а сам объект не может генерировать цвет

Ньютон объяснил эффект отражения, разделив свет призмой на отдельные ярко выраженные зоны, что известно нам со школьной скамьи (рис. 6). Одной из основ теории о свете было объяснение смещения света с помощью цветового круга, соединяющего концы спектра, находящиеся на окружности. При этом в центре должен был находиться белый цвет. Эта примитивная двумерная цветовая модель может по праву считаться прообразом современных цветовых моделей. Интересно отметить, что Ньютон даже пытался связать семь выделенных им основных цветов с семью музыкальными нотами. Как тут не вспомнить древнекитайские и древнеиндийские исследования, связывающие световое ощущение с музыкой?!

Иоганн Вольфганг фон Гёте тоже занимался определением цвета и созданием законченной цветовой модели. Изначально он выступал против опытов Ньютона и его обоснования цвета, так как в ньютоновском учении отсутствовал один из основных элементов — черный цвет. Гёте был ярым приверженцем аристотелевского учения о невозможности разделения света на составляющие и что черный цвет является некой «субстанцией», как и белый. Он рассматривал цвет как феномен умственной деятельности и последовательно проводил физиологические эксперименты. Гёте разработал теорию цветовой гармонии, которая включала две противоположности: желтый (свет) и голубой (темнота). Кто-то был согласен с его доводами, кто-то — нет. Например, Артур Шопенгауэр поддержал его идеи в своей публикации 1816 года.

Наряду с учением Гёте упомянем Иоганна-Евангелиста Пуркинье, который начал изучать феномен «переключения» человеческого восприятия с дневного на ночное видение. Эту идею развил и оформил Артур Кёниг, впервые измеривший «нормальность» и «сверхнормальность» цветового зрения в вопросе экспериментальной физиологии, теоретизации зрительного понимания и мозговой интерпретации.

Физиолог и доктор Томас Юнг впервые полностью изложил волновую теорию цвета в своей статье, опубликованной в 1802 году (правда, ее не оценили по достоинству). Он впервые выдвинул гипотезу, что цветовые рецепторы окрашены в красный, зеленый и синий цвета.

Первая серьезная попытка обрисовать спектральные кривые красного, зеленого и синего цветов, эквивалентные рецепторам глаза, впервые была предпринята Германом Гельмгольцем, который также описал аддитивное и субтрактивное смешение цветов. Его теория «трехстимульности» фактически стала фундаментом для последующих научных работ.

В 1878 году другой немецкий физиолог, Эвальд Геринг, под влиянием Гёте согласился, что трехцветная теория зрения не может полностью объяснить феномен «остаточного изображения при резком выключении внешнего источника света», однако он яростно защищал теорию четырех основных цветов и трех пар добавочных: красный-зеленый, желтый-голубой, черный-белый. Эта теория была принята после того, как было описано внутреннее строение глаза и выделены колбочки, переводящие три цвета в добавочные цвета в нервной системе.

Герман Грасман, немецкий математик, назвал световое «затемнение» гениальной неудачей. Он внес вклад в измерение цвета, изобретя первое трехмерное векторное цветовое пространство. В 1853 году Грасман математически описал аддитивное смешение трех цветов, выразив цвет как вариацию, основанную на цветовом тоне, светлоте и насыщенности.

В 1846 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл пришел к окончательному выводу об электромагнитной природе света, когда, будучи студентом университета, наблюдал за вращением цветного колеса.

Сегодня известно, что цветовосприятие — это субъективное ощущение каждого отдельно взятого индивидуума, базирующееся на многих факторах. Цвет воспринимается всеми людьми по-разному, а потому является важной составляющей человеческого мировосприятия. Многие люди с рождения обладают повышенной чувствительностью к цвету, то есть различают большее количество оттенков цветов. У многих, например специалистов в области цвета и деятелей искусства, которые работают с цветом каждый день, это может быть приобретенное качество.

Стоит отметить, что природа света состоит из двух важных и в то же время физически простых составляющих: энергии и частоты длин волн. Как человеческий мозг способен воспринимать и разделять эти два параметра, а затем комбинировать их таким образом, чтобы эти две величины формировали цветовое восприятие в головном мозге, остается загадкой.

Некоторые ученые и исследователи в области цветовосприятия говорят, что цветовое зрение — это иллюзия, которая формируется за счет электрических связей между клетками-нейронами различного типа в нашем головном мозге. Исходя из этого, можно сказать, что во внешнем мире не существует цвета как такового, а цветовосприятие формируется специальной клеточной нейронной программой и проецируется на внешний мир, который мы и видим в цвете.

До сих пор не найден ответ на вопрос о том, каким образом цвет формируется на клеточном уровне в головном мозге и как сетчатка глаза участвует в цветовосприятии. Ученые пытаются понять, как одна клетка или нейрон либо группа нейронов формируют физиологическое восприятие цветового зрения в нашем головном мозге. Открытие данного механизма даст возможность в дальнейшем смоделировать нейронную сеть, которая отвечает за восприятие цвета и определение форм предметов в головном мозге и позволит ответить на многие вопросы в физиологии цветовосприятия.

Date: 2015-09-05; view: 293; Нарушение авторских прав