Когда 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.
#img2A0F.png
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.
#img6BAC.png
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.
#imgC015.png
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.
#imgFFDD.png
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...
Колбочки, сравнительно малочувствительные, тяготеющие к центру сетчатки («желтому пятну»), работают днем. Палочки, которых в двадцать семь раз примерно больше, – ночью, и поскольку их не три типа и даже не два, никаких цветов различать ни в сумерки, ни ночью не удается. «Ночью все кошки серы», – справедливо говорит пословица.
Зато «ночные» элементы сетчатки чувствительны к ультрафиолетовому свету. Нам, правда, эта способность ни к чему, и хрусталик, словно светофильтр, отсекает ультрафиолет. Но если во время операции хрусталик удаляют и заменяют пластмассовой линзой (эту виртуозную операцию первым в СССР стал делать Станислав Николаевич Федоров, замечательный хирург-офтальмолог, директор Московского НИИ микрохирургии глаза), больные потом читают всю офтальмологическую таблицу в свете ультрафиолетовой лампы! Обычные люди ничего при этом не видят и думают, что их мистифицируют.
Едва квант света попал в ретиналь любого пигмента, тот отделяется от опсина, и пигмент обесцвечивается.
Родопсин, за свой цвет названный зрительным пурпуром, становится светло-желтым, почти совершенно прозрачным.
Такое выцветание интенсивнее в тех местах, где света больше, поэтому на сетчатке возникает как бы фотографический портрет. Подчеркиваю: как бы! Ибо процесс нетороплив, а глаза непрерывно в движении.
#img34F7.png
Рис. 55. Общая схема превращения родопсина. Слева верху – молекулы родопсина, словно стопка монеток, заполняют верхний членик фоторецептора. После попадания фотона в молекулу ретиналя, «хвостик» поворачивается. А ретиналь меняет свой цвет на желтый. На всё это уходит 0,003 секунды
Впрочем, все это не помешало любителям сенсаций сочинить в конце ХIХ века живучую легенду: якобы на сетчатке мертвеца останется то, что он видит в последний момент, например лицо убийцы. Следователю остается аккуратно вынуть сетчатку (по иной версии, сделать фотоснимок глаза), и портрет преступника у него в руках. Увы, самые тщательные опыты не подтвердили таких рассказов. Жаль, конечно, что природа отказала правосудию в такой веской улике, да что поделаешь...
Но вернемся к теории Юнга-Гельмгольца. Она неплохо объясняет, как из цветов спектра образуются различные краски. Она подсказывает, каким способом можно «обмануть» глаз и показать ему один и тот же цвет, смешивая пары совершенно различных лучей. Для этого нужно только соответствующим образом возбудить различные колбочки. Существует множество комбинаций лучей, воспринимаемых глазом как белый свет: его дадут такие пары, как, например, имеющие длины волн 486 и 590 нанометров (голубой и оранжевый), 467 и 572 нанометра (синий и желто-зеленый), 494 и 640 нанометров (красный и зеленый), и так далее, и так далее... Вместе с тем красный и зеленый лучи могут дать великолепный желтый тон, который, кроме того, легко составить из оранжевого и зеленовато-синего света... Рецептов создания любого цвета, лежащего в средней части спектра, оказывается тысячи. Обо всем этом убедительно говорят учебники. Умалчивают они лишь о том, чего теория не объясняет.
А трехкомпоненная теория плохо объясняет некоторые расстройства зрения. Например, почему некоторые дальтоники видят только синие лучи, а всё остальное – в черно-белом варианте. Ведь белое по этой теории есть результат сочетания трех сигналов от трех типов колбочек, и если это так, должны быть ощущения других цветов. Словом, когда нейрофизиологи смогли подключить к ганглиозным клеткам сетчатки свои приборы и стали освещать ее не белым светом, а разноцветными лучами, оказалось, что сигналы от колбочек есть, только они сочетаются между собой совсем не так, как мыслилось по теории Юнга-Гельмгольца. Что поделать, наука на месте не стоит, и у любой теории есть вершина и спад...
Основываясь на феномене «сине-белых» дальтонических расстройств, известный немецкий физиолог Эвальд Геринг выдвинул в 1874 г. гипотезу, весьма расходившуюся с господствовавшей тогда трехкомпонентной: вместо сложения сигналов основой было вычитание. Геринг утверждал, что в чувствительных элементах глаза находятся три вещества, из которых одно распадается под действием красных лучей и восстанавливается от зеленых, другое претерпевает такие же изменения благодаря синим и желтым лучам, а третье чувствительно к черным и белым. Это казалось нелепостью: вы когда-нибудь видели черный свет? Да к тому же никаких веществ такого рода найти не удалось, а авторитет Гельмгольца, и вполне заслуженно, был высок.
Словом, о гипотезе Геринга вспоминали в учебниках не более как об историческом факте, чуть ли не курьезе. Но судьба почему-то любит неудачников с острым умом. Девяносто лет спустя после публикации работы Геринга вышла из печати статья Роберта Де Валуа и Джорджа Джекобса: ганглиозные клетки сетчатки глаза лягушки работают «по Герингу»!
Помните, мы говорили об обратных связях в сетчатке? Мы увидели там систему, благодаря которой в мозг поступают из ганглиозных клеток сигналы, свидетельствующие не о яркости света на данном участке, а только об отклонениях этой яркости от некоего среднего значения, средней освещенности. Вверх – белый свет, а вниз... иначе как черным его не назовешь!
Такое же положение и с цветовыми сигналами. Цветовые лучи воспринимаются лягушачьей сетчаткой с помощью полей ганглиозных клеток. Но поля эти по своим ответам гораздо сложнее, чем черно-белые. До тех пор, пока никакого света на него не подано, ганглиозная клетка отправляет в мозг сигналы спонтанной активности – редкие, как бы случайные импульсы. Благодаря им даже в полной темноте мы видим не черноту перед глазами, а как бы колеблющуюся серую пелену.
#img87BB.png
Рис. 56. Цветовые поля наружного коленчатого тела (НКТ между сетчаткой и зрительной корой), «взвешивающие» пары цветов: какого цвета больше? Всего возможно восемь комбинаций: четыре комбинации с ON-центром сложного поля и четыре комбинации с OFF-центром сложного поля. Этим обеспечиваются ответы о перепады яркостей «свет – темнота» и «темнота – свет». Всё это происходит задолго до работы зрительных полей коры
Но вот исследователь начинает проверять поле с зеленым «он»-центром и красной «офф»-периферией (левый верхний рисунок). Дает зеленый свет на центр – спонтанная активность сменяется дробью импульсов: «Есть свет!». Выключает свет – сигналов нет, затормаживается на некоторое время даже спонтанная активность.
С периферией, как и положено, зависимость обратная. Красное световое кольцо угашает спонтанную активность, а выключение света заставляет ганглиозную клетку дать сигнал.
У других трех типов «красно-зеленых» ганглиозных клеток поля имеют либо зеленый «офф»-центр и красную «он»-периферию, либо красный «офф»-центр и зеленую «он»-периферию, либо, наконец, красный «он»-центр и зеленую «офф»-периферию... Уфф! И еще четыре такие же пары существуют для желтых и синих лучей. (У приматов такой работой заняты нейроны коры.)
Нейроны же НКТ лягушачьего мозга предстают в роли «весов», взвешивающих цветовые сигналы. Первый тип возбуждается от красного и тормозится от зеленого, второй тип от красного тормозится, а от зеленого возбуждается. Третий и четвертый типы таким же манером обращаются с голубым и желтым цветами.
Де Валуа обнаружил, что реакция таких клеток НКТ зависит не только от длины волны света, падающего на сетчатку. Клетки отвечают на направление сдвига длины этой волны. Положим, мы исследуем клетку, тормозящуюся от красного и возбуждающуюся от зеленого света. Но сменив освещающий красный луч на желтый, мы все равно получим возбуждение: ведь произошел сдвиг от более длинноволнового, красного света, к более коротковолновому, желтому. Зато если возбуждающий зеленый сменится тем же желтым (сдвиг от коротких волн к длинным), возникнет тормозная реакция.
То есть ответ ганглиозной клетки зависит не от абсолютного значения длины волн, а от длины волны «предыдущего» света. По трехкомпонентной теории такого просто быть не может.
И когда изменяется яркость возбуждающего зеленого света – клетка НКТ отслеживает своим сигналом эти изменения.
Аналогично действуют и другие клетки НКТ такого рода.
Смотрите, какая удивительная получается картина: нейронам безразлично, какова причина «позеленения» или «покраснения» цвета, падающего на поле данной клетки НКТ. Изменилась ли яркость (вышло солнце из-за туч или спряталось), стало ли иным сочетание лучей разных длин волн в спектре (в зените солнце или оно у горизонта со своей алой зарей), – в любом случае реакция нейронов НКТ будет соответствовать только направлению этого изменения. Словно качели в детском саду: Сережа поднимается вверх – Петя опускается...
Однако из «качелей» следует и другой, куда более важный вывод: с помощью рецепторов сетчатки и нейронов НКТ лягушка не в состоянии увидеть цвет. И мы тоже. Самое большее – это отметим, в каком направлении по спектру (от красного конца к фиолетовому или наоборот) изменяется окраска того участка изображения, который попал на поле данного нейрона. Значит, и тут встречаемся все с тем же принципом: цвет «конструируется» в высших отделах мозга, а сетчатка только поставляет для этого «строительные материалы».
Действительно, в 1977 г. ученик Глезера, каунасский физиолог Альгис Бертулис со своими коллегами (а год спустя американец Д. Майкл) обнаружили в затылочной коре обезьяны поля – такие же, какие для черно-белых стимулов нашли у кошек Хьюбел и Визел. Эти новые поля отвечают на всевозможно ориентированные полоски вполне определенного цвета. Оставалось только доказать, что нейроны коры реагируют на цветные решетки – красно-зеленые и желто-синие.
Прямые опыты с нейронами и косвенные – психологические – дали одинаковые по смыслу результаты. Например, испытуемому показывают две решетки: вертикальную красно-черную и горизонтальную сине-черную. Затем появляются вертикальная и горизонтальная черно-белые решетки тех же пространственных частот. Но испытуемый видит... черно-зеленую и черно-желтую! Почему? Потому что по закону последовательного цветового контраста «иллюзорный» цвет является дополнительным к истинному, предыдущему, соответственно работе нейронных «качелей».
Итак, иллюзия. Но мы-то знаем, что любая иллюзия есть отражение нормальной работы зрительного аппарата, нарочно поставленного в непривычные условия.
Так и в опытах Бертулиса и Майкла. Эксперимент удается лишь при равенстве пространственных частот цветной и черно-белой решеток. В противном случае эффекта нет. Цветоощущающие поля коры, настроенные на выделение цветных решеток, работают, по-видимому, так же, как поля лягушачьей НКТ. Если в первой фазе эксперимента они возбуждены и дают сигнал «Цвет есть!», то во второй фазе белый луч выглядит для них уменьшением яркости «их» цвета (ведь белый свет потому и белый, что не имеет резкого преобладания какого-то одного тона). То есть получается «скольжение» по красно-зеленой или сине-желтой оси сигналов. И вместо красного видится зеленый тон, вместо синего – желтый. Все те же «качели»...
Отсюда Глезер и его коллеги по Лаборатории заключают: цветовое зрение формируется благодаря тому, что в затылочной коре, помимо черно-белых полей, осуществляющих кусочное квазиголографическое представление изображений, обязаны быть нейроны, таким же квазиголографическим способом отражающие окраску. Это и есть те самые каналы передачи цвета, существование которых давно уже предполагалось.
Альгис Бертулис обнаружил в 1980...1982 гг. очень интересную их особенность: каналы (то есть составляющие их рецептивные поля) способны передавать только сравнительно низкие пространственные частоты. Это значит – не выше 10 цикл/град, если краски отстоят друг от друга далеко по спектру (скажем, красный и фиолетовый), и всего 2...3 цикл/град, если надо распознавать красный и оранжевый, зеленый и голубой, синий и фиолетовый.
Казалось бы, при таких условиях мы принципиально не в состоянии различать мелкие детали цветных изображений. Но опыты говорят иное. При нормальном освещении четкость цветового зрения около одной угловой минуты, то есть в худшем случае шестикратно, а в лучшем – тридцатикратно выше, чем следует из опытов Бертулиса. Ошибка? Некорректно поставленный эксперимент? Нет, работа безупречна. Просто цветовому зрению помогает черно-белое! Как? Чтобы рассказать об этом, придется вспомнить о некоторых опытах Ярбуса.
Глаза наши все время находятся в движении, но что случится, если их остановить? Для этого Ярбус изобрел в начале 60-х гг. присоску (мы ее уже упоминали) – крошечный проекционный аппаратик, куда можно вставлять картинки, тест-объекты. Аппаратик столь миниатюрен, что сила атмосферного давления «приклеивает» его прямо к глазному яблоку, так что тест-объект оказывается совершенно неподвижным относительно сетчатки. И... спустя одну-две секунды изображение исчезает! Вместо картинки в поле зрения возникает светло-серая пелена, которую можно увидеть, закрыв глаза или попав в темную комнату. Пелена, как мы знаем, – результат спонтанной активности ганглиозных клеток сетчатки.
Куда же девалось изображение? А никуда. Легкий удар кончиком карандаша по тест-объекту – и он вновь возникает, чтобы через секунду опять пропасть. Вот теперь все ясно: удар нарушил неподвижность картинки относительно сетчатки. Выходит, только движение (глаза или картинки, неважно) порождает зрительный образ. Оно принципиально необходимо, чтобы зрение работало. И действительно, стоит ввести перед тест-объектом что-нибудь движущееся, как этот предмет оказывается прекрасно различим на фоне серой пелены – «нуль-цвета», как назвал его Ярбус.
Совершенно неожиданное следствие вытекало из опытов: сам по себе свет еще не обеспечивает видения.
Зрительная система равно отображает «нуль-цветом» и полную темноту, и неподвижность изображения относительно сетчатки. Более того, пусть яркость этого неподвижного тест-объекта сколь угодно велика – глаз этого не заметит. «Даже раскаленная, слепяще яркая нить электрической лампочки становится невидимой», – писал Ярбус. Какой же элемент выключается? Скорее всего, сетчатка. Ведь второй глаз, на котором нет присоски, продолжает все великолепно различать. Значит, после хиазмы все структуры зрительного аппарата, через которые проходят сигналы от обеих сетчаток, действуют нормально. А в глазу с присоской картинка попадает все время на одни и те же фоторецепторы, они воспринимают постоянную, никак не изменяющуюся яркость, хотя нуждаются в ином: чтобы световое воздействие на них было все время разным. Для этого глаза и движутся.
Что случится, если «нуль-цвет» появится на фоне какого-нибудь видимого изображения? Ярбус изготовил присоску, тест-объект которой закрывал лишь часть поля зрения. Испытуемый увидел странную вещь: тест-объект (это была просто белая бумажка) превратился в какого-то хамелеона. Стоило направить взор на зеленый щит, и она становилась зеленой, на фоне красного – красной, в несколько секунд полностью перекрашиваясь и совершенно сливаясь с ним. Бумажку заменили цветной, но это, как и следовало ожидать, совершенно не повлияло на ее «перекрасочные» свойства.
Возникло противоречие. С одной стороны, неподвижный тест-объект обязан вызвать «нуль-цвет» на том участке изображения, куда он проецируется, попадая на сетчатку. С другой стороны, зрительный тракт с этим не желает считаться и подменяет «нуль-цвет» другим, зависящим от цвета изображения. Значит, фоторецепторы фоторецепторами, а в высших структурах зрительной системы работает некий маляр.
Как он выглядит нейрофизиологически?
#imgCB6B.png
Рис. 57. Опыты каунасского исследователя Альгиса Бертулиса, ученика В.Д. Глезера, продемонстрировали, что более яркий фон «закрашивает» детали малого размера, и на большом расстоянии мы их просто не видим! Например, белое пятно диаметром 6 см сливается с фоном (в данном случае голубым) уже на расстоянии 10 м
Опыты Бертулиса и его коллег продемонстрировали, что эффект «прокрашивания» можно получить без присоски, во время нормального рассматривания. Нужно лишь установить яркость объекта и фона одинаковыми, а сам объект сделать не слишком большим, примерно в 20 угловых минут (так выглядит с десятиметрового расстояния кружок диаметром шесть сантиметров). Разница в цвете объекта и фона в этом случае может быть огромной, и все-таки объект будет окрашен в цвет фона, ассимилирован.
Выходит, сами по себе цветовые каналы еще не способны дать сведения о цвете малых объектов. Чтобы цветоощущение заработало, надо увеличить яркость объекта, повысить его контраст с фоном. На яркость же реагируют черно-белые, ахроматические поля. Как только они выделили предмет, отличили его от фона, вступают в игру цветочувствительные поля и присваивают предмету цветовой тон – «прокрашивают».
Ведь различия в яркости – это пример простейшей, вырожденной текстуры. А для улавливания текстурных различий имеется ахроматический канал, он благодаря своим небольшим рецептивным полям (нейронов затылочной коры) обладает гораздо лучшей разрешающей способностью, нежели цветоощущающие каналы, то есть воспринимает мелкие и мельчайшие детали.
Это очень хорошо видно, когда на ассимилированный по цвету кружочек накладывают решетку, а на фон – точно такую же, но по-иному ориентированную. Цвет кружочка сразу проявляется, хотя его яркость осталась прежней («невидимой») относительно фона. Ведь текстурный канал уже выделил форму объекта, так что цветовому не составляет труда окрасить выделенное.
Итак, окончательное суждение о цвете зависит и от яркости предмета относительно фона, и от текстуры. Это объясняет множество эффектов, известных каждому из собственного опыта.
Вот на красном полотнище нарисована зеленая ветвь – и ощущение зеленого цвета оказывается связанным и с этим красным цветом, и с цветом неба, на фоне которого смотрится полотнище, и с общей яркостью освещения. Каждый новый цветовой тон, лежащий на фоне иной краски, выглядит очередной фигуркой удивительной цветовой «матрешки»: окраска каждой внутренней фигуры зависит от окраски внешнего по отношению к ней фона. Так что фон способен и «поднять», и «убить» положенный на него цвет, как прекрасно чувствуют не только художники, но и многие дамы, следящие за своими нарядами. Все дело в сложной игре сигналов-чисел, поступающих в высшие отделы мозга от нейронов затылочной коры.
Нейрофизиологи раскрыли и причину того, каким образом зрение берет поправку на освещение, на его спектральный состав, то есть обладает константностью (над этой проблемой плодотворно работали в свое время советские ученые Н.Д. Нюберг и М.М. Бонгард). В самом деле, краски мы с вами, в общем воспринимаем правильно, пусть свет будет солнечным или от желтоватых электроламп накаливания. Цветные фотографические эмульсии этой способностью не обладают, и для съемки днем приходится использовать один тип пленки, а когда включены лампы – другой, иначе цвета на фотографии будут безнадежно искажены.
А глазу хоть бы что. Он автоматически вводит коррекцию на спектральный состав (разумеется, не беспредельно).
Психологам казалось, что глаз ищет в картинке что-нибудь белое (что это действительно белое – известно из прошлого опыта) и по нему берет поправку. А если белого нет, сойдет и блик: он всегда кажется белым... Скептики возражали: затяните комнату зеленым бархатом, бликов нигде не будет, а материал как был зеленым, так им и останется. Почему? Тут даже крупные специалисты по цвету только разводили руками...
Однако в последней четверти ХХ века американский нейрофизиолог Зеки обнаружил в зрительной коре обезьян (не в затылочной, а еще выше по пути движения зрительного сигнала – в так называемой престриарной) поля, реагирующие только на очень узкие кусочки спектра. Ширина этих кусочков – примерно 15 нанометров, то есть пять процентов всей ширины спектра видимых лучей от красного до фиолетового. «Узкая вырезка» приводит к тому, что нейроны Зеки «видят» цвет, не обращая внимания на то, как меняется спектральный состав освещения в целом. Они играют роль эталонов, опорных пунктов системы различения цветов.
Пока освещение «более или менее белое», в нем присутствуют все электромагнитные волны, соответствующие всем цветам спектра (даже цветные лампы излучают свет весьма широкого спектрального состава). Пока от окрашенных поверхностей отражается столько света, что действуют нейроны Зеки, зрительная система имеет «точки отсчета», на которые опираются цветоощущающие красно-зеленые и сине-желтые «качели».
Но, конечно, поздним вечером, когда на горизонте тлеет одна красноватая заря, спектральный состав освещения изменяется столь резко, что нейроны Зеки перестают работать. «Качели» теряют опору. Они показывают только, что изменилась яркость освещения, но не способны определить цвет.
Есть какая-то глубокая аналогия между восприятием цвета и узнаванием высоты музыкального тона. Очень многие люди умеют правильно напевать мелодии, обладают относительным слухом, но лишь единицы способны сказать; «Это фа-диез третьей октавы», когда им предъявляют чистый тон частотой 1480,0 герц, и «Это фа третьей октавы», когда частота 1396,9 герца. У этих немногих – абсолютный слух. «Трудно удержаться от предположения, что мозг человека, обладающего абсолютным слухом (в отличие от мозга других людей), хранит в долговременной памяти мысленное представление об основных тонах звукоряда», – писал журнал «В мире науки».
Может быть, именно расстройство нейронов Зеки – причина дальтонизма, по крайней мере некоторых его проявлений? Со времен Юнга принято было считать, что причина болезни – отсутствие колбочек с одним из цветочувствительных пигментов. В наше время предполагали, что один из пигментов во всех колбочках заменен на другой из-за ошибки в генетическом коде.
Однако точные измерения, проведенные академиком АПН СССР Евгением Николаевичем Молоковым и сотрудником кафедры психологии МГУ Чингисом Абильфазовичем Измайловым, показали некорректность обеих гипотез. Нет, все дело в отсутствии одной или нескольких опорных точек...
Подводя итог, можно так описать нейрофизиологическую гипотезу цветового зрения.
Сначала красно-зеленые, сине-желтые и черно-белые поля создают с помощью кусочно-квазиголографического отображения шестимерное пространство яркостей. Затем крупные по размеру цветные поверхности воспринимаются цветочувствительными полями. А если внутри такой поверхности оказываются мелкие детали другого цвета, их контуры выделяются черно-белыми полями, после чего красно-зеленые и сине-желтые «качели» присвоят выделенному участку... Хочется сказать: «цвет», но погодите: эти «качели» не способны определить его без сигналов от нейронов Зеки, которые укажут точную окраску почти вне зависимости от спектрального состава освещения.
То есть в зрительной системе действуют одновременно два механизма. Один выделяет контуры, не особенно заботясь об окраске того, что внутри. Другой прокрашивает выделенное, не обращая внимания (в известных пределах) на спектр освещающих лучей и давая нам возможность в общем правильно воспринимать цвета.
Эта гипотеза выдвинута Глезером и его коллегами по Лаборатории. Она обладает тем достоинством, что с единых позиций объясняет множество эффектов цветового зрения, в частности парадокс коричневого цвета.
Художник легко получит такой цвет, смешав оранжевую и черную краски. Черный тон в обыденном представлении ассоциируется с чем-то таким, что поглощает все лучи, само ничего не отражая. Хорошее приближение к столь идеальному объекту – маленькая дырочка в ящике, выложенном изнутри черным бархатом. Она действительно почти ничего не отражает, но черные краски, увы, такой способностью не обладают! Поэтому черная компонента красителей оказывается далеко не нейтральной, она изменяет не только яркость смешанных с нею красок, но и цвет. А вот можно ли так скомбинировать световые лучи, чтобы получить коричневый тон?
Долгое время на вопрос отвечали отрицательно: черного света нет! Нет? А как же цветное телевидение? Испытуемого подводят к телевизору и демонстрируют примитивную картинку – оранжевое пятно на белом фоне. Поворот рукоятки – и оранжевое становится насыщенно коричневым. Что случилось? Включили еще один цветогенератор? Отнюдь! Просто уменьшили яркость фона. И для черно-белых светочувствительных полей мозга это эквивалентно добавлению в картинку черного света.
Новая гипотеза подсказывает инженерам, как строить цветоанализаторы, которые ничуть не хуже человеческого глаза способны различать краски и столь же мало (а еще важнее, так же) реагировать на изменения спектрального состава освещающего света. Эти приборы должны повторить схему зрительного тракта, смоделировать разделение обязанностей между сетчаткой, НКТ и зрительной корой. Тогда удастся объективно контролировать не только цвета, образуемые смешением чистых тонов спектра, но и все нестандартные, определяемые такими расплывчатыми терминами оттенки, как «горчичный», «шоколадный», «бурый» и так далее, которые вызывают столько споров, что приходится составлять атласы образцов, иначе не прийти к соглашению
Любой воспринимаемый человеком цвет, как видим, – продукт мозговой работы. Что ж удивляться, что разные люди неодинаково видят краски, по-разному ощущают гармоничность или диссонансностъ их сочетаний? Даже среди художников (хотя, если разобраться, почему «даже»?) одни больше преуспевают в изображении форм, а другие лучше чувствуют живописную сторону дела. История живописи сохранила имена выдающихся колористов – Веласкеса, Тициана, Веронезе, Рафаэля. Русские критики так, например, отзывались о колористическом мастерстве Сурикова: «...дал новую, чисто русскую гамму красок, которой воспользовались Репин и Васнецов и следы которой мы можем найти в палитре Левитана, Коровина, Серова»; «угадал странную красивость русского колорита»; «цвета сливаются в непередаваемую гамму, постигаемую зрением и не поддающуюся наглядному описанию». Сам художник шутливо говаривал: «И собаку можно рисованию выучить, а колориту – не выучишь».
И здесь надо остановиться немного на почтенного возраста заблуждении, неоднократно разоблаченном, но опять и опять появляющемся на страницах популярных книг и журналов. Я имею в виду сказку о том, что древние якобы не воспринимали некоторых цветов, например синего.
Основывают ее на строках, в которых Гомер называет море у берегов Крита «виноцветным», то есть зеленоватым, а не лазурным, как на самом деле. Один популяризатор в книге, изданной в СССР в начале 60-х годов прошлого века, так прямо и написал: «Гомер этого (синевы – В.Д.) не заметил. И современники его тоже не заметили. Лишь спустя несколько веков греческие скульпторы стали различать ярко-синий цвет и, чрезвычайно обрадовавшись этому открытию, принялись раскрашивать в синий цвет статуи».
Все это – сплошное недоразумение. Ведь даже зрение обезьян, стоящих ниже нас на эволюционной лестнице, прекрасно чувствует синие тона!
Заблуждение насчет цветослепых греков уходит корнями в середину XIX в., когда английский премьер-министр Гладстон, большой знаток древнегреческого языка и творчества Гомера, в одном из своих сочинений заявил, что великий поэт, по-видимому, различал далеко не все оттенки цветов. Тут же нашлись филологи, объявившие, будто названия красок «ущербны» и в древнееврейском языке, и древнеиндийском – санскрите. Определили даже последовательность ощущений цвета, якобы возникавших у человека: сначала только оттенки серого, потом наступил черед красного, оранжевого, желтого (как раз, мол, в тот период и жил Гомер), затем светло-зеленого и, наконец, синего и фиолетового.
Восторги быстро охладели, едва этнографы установили, что самые отсталые племена не отличаются от европейцев по способности ощущать и различать краски. Затем более строго подошедшие к своей профессии языковеды нашли, что прямые или косвенные обозначения белого, желтовато-белого, желтого, желто-зеленого, синего, красного, коричневого цветов рассыпаны во множестве по древнееврейским текстам. Так что в конце XIX в. Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона мог уже категорично и четко подвести итоги: «Совокупность всех историко-филологических исследований не позволяет допустить идею эволюции цветоощущения в исторические времена. Гипотеза физиологической эволюции этих ощущений не может представить также никаких доказательств в свою пользу из области естественных наук».
В 30-х гг. ХХ века очень интересное наблюдение сделал Александр Романович Лурия (в той самой экспедиции в глухие районы Узбекистана, о которой у нас уже была речь). Узбеки и в особенности узбечки охотнее пользовались не привычными для нас названиями красок, а определяли цвета по аналогии с чем-то обыденным, хорошо знакомым. В блокнотах ученых появлялись цвета «гороха», «персика», «розы», «телячьего помета», «помета свиньи», «озера», «цветущего хлопка», «фисташки», «табака», «печени», «вина» и множество иных. Можно ли на основании этого делать вывод, что узбечки, великолепные ковровщицы, и узбеки, мастера цветной керамики, не различали цветов? Нет, конечно. Им просто были не нужны европейские названия.
Чем глубже входят филологи в эту терминологическую проблему, тем яснее видят: у каждого народа названия цветов такие, а не иные, потому, что это вытекает из его условий жизни, из его деятельности. Папуасы тангма, живущие в горах, называют только два цвета – мули (этим словом обозначают черный и зеленый) и мола (то есть белый, красный и желтый), а чтобы понять, о чем идет речь, добавляют уточняющее слово. Так же и у вьетнамцев всего четыре основных названия цветов и бессчетное количество дополнительных, поясняющих оттенок: от слова «голубой» образуется 42 производных термина – обозначения синего, голубого и зеленого оттенков...
Так что семь цветов радуги – чистейшая условность. С таким же успехом спектр мог бы быть мысленно разделен и на 4, и на 14 отрезков. Семь цветов понадобились великому Ньютону, чтобы непременно привязать их к семи тонам хроматической музыкальной гаммы – тоже чистейшей условности. Зато не менее великий Леонардо да Винчи считал, что основных, он называл их «простыми», цветов – только пять: белый, который «является причиной цветов», желтый (земля), зеленый (вода), синий (воздух), красный (огонь) и черный (мрак «...который находится за элементом огня, так как там нет ни материи, ни плотности, где лучи солнца могли бы задерживаться и в соответствии с этим освещать»).
Вдумаемся: глаз различает тысячи оттенков, а в словаре каких-нибудь три десятка обозначений. Почему? Потому что термин – всегда абстракция, а «абстракции обобщения не существуют в неизменном виде на всех этапах; они сами являются продуктом социально-экономического и культурного развития» – вот вывод, к которому пришла наука.
В последние десятилетия цветом пристально интересуются не только художники, но и инженеры. По мнению некоторых исследователей, половина несчастных случаев на производстве происходит потому, что машины и цеха окрашены без учета свойств человеческого зрения. А для него черный цвет ассоциируется с тяжестью, белый и голубой – с чем-то легким, праздничным. Освещенная красным абажуром комната кажется теплой, а смените его на синий – люди станут ежиться, будто повеяло прохладой.
«Окраска грязного производства часто бывает затруднена, так как считают, что красить то, что все равно будет испачкано, нецелесообразно. Но надо иметь в виду, что существуют определенные цвета, которые менее восприимчивы к грязи, и это не только «краски для грязи», которые сами по себе уже имеют грязный и невзрачный вид. [...] Установка для подачи песка выглядит очень привлекательно, когда желтовато-серый песок лежит слоем толщиной в палец на ее голубовато-стальных конструкциях. Достигнутое этим сочетание двух цветов производит лучшее впечатление, чем если бы тот же слой песка лежал на элементах, выкрашенных в цвет, близкий к цвету песка», – пишут германские колористы Г. Фрилинг и К. Ауэр. А вот сообщение из журнала «Сайенс дайджест»: стены кабинетов в одной из стоматологических клиник окрасили в синие цвета, чтобы уменьшить у пациентов чувство страха.
Чувства, подстегнутые цветом, спорят с весами и термометром. Список влияний так же длинен, как список красителей: работоспособность и кровяное давление, аппетит и внимание, эмоции и острота слуха – вот несколько взятых наугад «параметров» человека, подверженных воздействию красок и лучей.
Психологи провели опыт: осветили аппетитно накрытый стол светом, прошедшим через такой светофильтр, что окраска кушаний резко изменилась. Мясо стало серым, салат – фиолетовым, зеленый горошек превратился в «черную икру», молоко приобрело фиолетово-красный тон, яичный желток – красно-коричневый... Гости, только что пускавшие слюнки в предвкушении богатого ужина, оказались не в силах даже попробовать столь странную пищу. А тем, кто ради науки все же приступил к трапезе, стало дурно...
Воздействие цвета иной раз сильнее выговоров и запретов. Если поставить урну на белый круг или квадрат, люди стараются поточнее бросить окурок, чтобы тот не упал на белое. Желтые стены классов и коридоров меньше провоцируют школьников на занятия «живописью». Оператор точнее считывает показания приборов, если пульт окрашен в теплые тона. И так далее, и так далее – результаты, которые говорят: мозг наш не только создатель цвета, но и его подчиненный.