چشم رنگی

وقتی یک شئ رنگی را می‌بینیم، سه عامل مهم در این پدیده نقش دارند: منبع نور، جسم و چشم ما. نور از منبع نور به جسم و پس از بازتاب از جسم به چشم ما می‌رسد. پس برای درک کامل عوامل مؤثر در تفاوت رنگ اجسام، باید این سه عامل را در کنار هم بررسی کنیم. در این مقاله، چشم را که شاید پیچیده ترین این سه عامل باشد، بررسی می‌کنیم و اثر منبع نوری و جسم را مطالعه خواهیم کرد.

چرا ما بینایی رنگی داریم؟

حیوانات برای کسب اطلاعات از محیط اطراف خود، از نور و صدا استفاده می‌کنند. آن ها از این راه با هم ارتباط برقرار می‌کنند، به هم هشدار می‌دهند و یا به کمک آن، غذای خود را پیدا می‌کنند. پس اگر این حواس، در یک گونه، قوی تر باشند، شانس بقای آن حیوان نیز بیش تر خواهد شد.

بسیاری از حیوانات ( مثلاً سگ ها و گربه ها ) بینایی رنگی ندارند. شاید به این دلیل است که جانوران در طی تکامل، ویژگی هایی را حفظ می‌کنند که منافع آن در یک مدت زمان کوتاه حاصل شود. یعنی سگ ها و گربه‌ها بینایی رنگی را مفید نمی دانستند، ولی انسان‌ها آن را مفید می دانستند.

ما هرگز نمی توانیم در این باره با قطعیت اظهار نظر کنیم. اما می‌توان یک توجیه نسبتاً منطقی برای آن ارائه کرد. گربه سان ها ( گربه ، شیر ، پلنگ ، ببر و غیره ) شکارچی هستند. طعمه ی آن ها در دشت‌ها و مراتع زندگی ‌کنند. پس بهتر است، چشم آن ها حرکت اشیاء را تشخیص دهد تا تنوع رنگی آن ها را. گاوها و گوسفندها هم به بینایی رنگی نیازی ندارند. آن ها برای پیدا کردن غذای خود از یک دستور بسیار ساده استفاده می‌کنند: "اگر چیزی حرکت نمی کند، می‌توانی آن را بخوری".

اما پرندگان ، نخستین‌ها ( میمون، گوریل ، انسان و ... ) و برخی از حشرات مانند زنبورها، بینایی رنگی دارند، زیرا رژیم غذایی آن ها پیچیده تر است. آنان باید بدانند که یک میوه چه وقت می‌رسد و یا کدام غذا سمی است. رنگ به آن ها کمک می‌کند تا در این باره تصمیم گیری کنند.

شکی نیست که اجداد ما هم بینایی رنگی نداشتند. بنابراین می‌توان نتیجه گیری کرد که انجام بسیاری از فعالیت های پیچیده ای که وظیفه ی چشم است مثلاً ( شناختن یک دوست )، بدون داشتن بینایی رنگی هم امکان پذیر است. در واقع تشخیص رنگ، مهارتی است که ضروری نیست، اما زندگی را برای ما خوشایند می‌کند.

چشم

چشم انسان با وجود کوچکی، اندام بسیار پیچیده ای است. چشم، تقریباً یک اینچ ( 2.54 سانتی متر ) پهنا، یک اینچ عمق و 0.9 اینچ ارتفاع دارد. قصد داریم قسمت های مختلف چشم انسان را بررسی کنیم و تأثیر هر یک از آن ها را در بینایی بیان کنیم. معمولاً چشم را به دوربین عکاسی تشبیه می‌کنند. عدسی چشم را با لنز دوربین و شبکیه را با فیلم آن مقایسه می‌کنند. بر روی شبکیه، میلیون‌ها گیرنده وجود دارند که نسبت به نور حساس هستند. عنبیه هم مانند دیافراگم دوربین است و نور ورودی به چشم را کنترل می‌کند. اما در چشم انسان دو نقطه وجود دارد که در دوربین عکاسی وجود ندارد: نقطه ی کور و لکه ی زرد.

- نقطه ی کور بخشی از چشم است که هیچ گیرنده ای در آن وجود ندارد. تمام پایانه های عصبی که از گیرنده های چشم خارج می شوند، از گیرنده های چشم به هم متصل شده و در این نقطه از چشم خارج می‌شوند و در نهایت از طریق اعصاب بینایی به مغز می‌رسند، بیش تر افراد از وجود این نقطه در چشم خود آگاه نیستند.

یک آزمایش ساده

اگر می‌خواهید در عمل، وجود این نقطه را حس کنید، چشم راست خود را با دست بپوشانید و به دایره ی قرمز خیره شوید. سپس به تدریج صورت خود را به سمت مانیتور ببرید. مربع قرمز ناپدید خواهد شد. ( می توانید چشم چپ را ببندید و به مربع خیره شوید. در این صورت دایره ناپدید می‌شود ).

یک روش ساده ی دیگر برای اطمینان از وجود این نقطه آن است که شست های خود را در کنار هم و در مقابل خود قرار دهید. شست چپ خود را به آرامی به سمت چپ ببرید و سعی کنید بینایی خود را روی شست راست متمرکز کنید. وقتی فاصله ی شست‌ها تقریباً به اندازه ی یک دست برسد، شست چپ شما ناپدید می‌شود. پس چشم آن قدر هم که به نظر می‌رسد، بی نقص نیست.

- لکه ی زرد، قلب بینایی رنگی ماست. درست است که ما در هنگام دیدن، این لکه را احساس نمی کنیم؛ اما در واقع بینایی دقیق ما توسط همین ناحیه ی کوچک تأمین می‌شود. وقتی کتاب می‌خوانید، یا وقتی با دقت به چیزی نگاه می‌کنید، لکه ی زرد به شما قدرت تفکیک مناسب می‌دهد؛ به همین علت افرادی که دارای لکه ی زرد آسیب دیده باشند، از نظر قانونی نابینا محسوب می‌شوند و اجازه ی انجام برخی کارها به آن ها داده نمی شود. حال مطالبی را درباره ی گیرنده های نوری چشم بیان می کنیم و دوباره به طور مفصل راجع به لکه ی زرد بحث خواهیم کرد.

گیرنده های نوری - مخروط‌ها و میله ها

گیرنده های نوری شبکیه به دو دسته تقسیم می‌شوند، مخروط‌ها و میله ها. این نام گذاری بر اساس شکل تقریبی مقطع عرضی این گیرنده‌ها زیر میکروسکوپ انجام شده است. میله‌ها مسئول بینایی ما در شب هستند و مخروط‌ ها بینایی رنگی ما را در روز تأمین می‌کنند. بیش از صد میلیون گیرنده در شبکیه وجود دارد.

مخروط‌ها و میله ها، تصویر با میکروسکوپ الکترونی تهیه شده است.

قسمت های مختلف سلول های مخروطی و میله ای

این گیرنده‌ها از بعضی جهات شبیه به موهایی هستند که به عنوان گیرنده ی صوتی در گوش کار می‌کنند، اما یک تفاوت عمده بین آن ها وجود دارد:

مخروط‌ها و میله‌ها در چشم توزیع شده اند و این امر به مغز کمک می‌کند تا بتواند موقعیت اشیاء نسبت به هم را به سادگی درک کند. در صورتی که برای تشخیص موقعیت منبع صوت با استفاده از گوش، به پردازش پیچیده تری نیاز داریم.

چشم، سیگنال های گیرنده های نوری را به مغز می‌فرستد. مغز با استفاده از این سیگنال ها، نقشه ای از تصویر تشکیل شده بر روی شبکیه پدید می آورد. این اتفاق، بسیار شبیه چیزی است که در دوربین های دیجیتالی رخ می دهد، اما یک تفاوت اساسی بین چشم و این دوربین‌ها وجود دارد که بسیار جالب است.

در دوربین، فاصله ی تمام نقاط از یکدیگر یکسان است. یعنی گیرنده های نور به طور یکنواخت توزیع شده اند. اما در چشم تقریباً تمام مخروط‌ها در لکه ی زرد قرار دارند. می‌توان گفت که در لکه ی زرد تقریباً هیچ میله ای وجود ندارد. به همین دلیل هر چه از لکه ی زرد دور شویم، دقت بینایی ما کاهش پیدا می‌کند. در شکل تراکم مخروط‌ها و میله‌ها بر حسب فاصله از لکه ی زرد نشان داده شده است. تقریباً 6 میلیون مخروط در شبکیه قرار دارد. مخروط‌ها در محیط هایی که روشنایی زیاد نیست ( تاریک و یا کم نور )، کارآیی چندانی ندارند. در این شرایط میله‌ها به کار می‌افتند. در چشم حدود 125 میلیون میله وجود دارد.

تراکم مخروط‌ ها و میله ‌ها بر حسب فاصله از لکه ی زرد

در واقع حداکثر دقت بینایی ما در یک ناحیه ی بسیار کوچک متمرکز شده است. پس چه طور این موضوع را حس نمی کنیم؟ چشم دائماً حرکت می‌کند. این حرکت باعث می‌شود که تصویر نقاط مختلفی روی لکه ی زرد بیافتد و به این ترتیب جزئیات تمام ناحیه ای که در معرض دید ما قرار دارد، مشاهده می‌شود. مغز با استفاده از سیگنال هایی که قبلاً دریافت کرده، جزئیات مربوط به نقاطی را که هم اکنون تصویر آن ها روی لکه نیست، بازسازی می‌کند تا ما بتوانیم تصویر واضحی ببینیم.

در داخل گیرنده های نوری چشم، یک ماده شیمیایی وجود دارد که نسبت به تغییرات نور حساس است. این ماده را "رنگ دانه ی بصری" می‌نامند. هر کدام از این رنگ دانه‌ها نسبت به طول موج خاصی حساس هستند. گیرنده های نوری چشم نسبت به طول موج های 400 تا 700 نانومتر ( تقریباً ) واکنش نشان می‌دهند. میله‌ها و هر کدام از سه نوع مخروطی که در چشم ما قرار دارند، رنگ دانه ی خاص خود را دارند و در نتیجه هر کدام نسبت به طول موج خاصی عکس العمل نشان می‌دهند. این عکس العمل متفاوت، اساس بینایی رنگی ماست. چون نحوه ی کار میله‌ها ساده تر است، ابتدا آن را شرح می‌دهیم.

میله ها

رنگ دانه ای که در میله‌ها وجود دارد نسبت به طول موج های کوتاه حساس تر است؛ یعنی نسبت به نورهای آبی، واکنش شدیدتری نشان می‌دهد، به نمودار شکل نگاه کنید.

در نمودار، حساسیت نسبی میله‌ها و میانگین حساسیت سه نوع مخروط نشان داده شده است. از این نمودار چند نکته ی مهم مشخص می‌شود:

نمودار حساسیت نسبی میله‌ها و مخروط ها

- میله‌ها نسبت به مخروط ‌ها حساسیت بیش تری در مقابل روشنایی دارند. نمودار نشان می‌دهد که عکس العمل آن ها نسبت به نور، حدوداً هزار بار بیش تر از مخروط هاست. یعنی آن ها می‌توانند نوری را حس کنند که باید حداقل هزار بار قوی تر شود تا مخروط ها هم آن را حس کنند.

-در قله ی منحنی، حساسیت میله‌ها در وسط طیف مرئی قرار ندارد و به سمت چپ متمایل است. به عبارت دیگر بینایی ما در نور کم نسبت به نور آبی حساس تر است تا نسبت به نور قرمز. این نکته در طراحی کابین خلبان ها نقش مهمی دارد.

کابین خلبان

برای توضیح این موضوع، لازم است تا بیش تر با نحوه ی کار گیرنده های نوری آشنا شوید. وقتی فتون ( یک بسته ی نوری ) به یک گیرنده می‌رسد، رنگ دانه ی بصری آن دچار نوعی تغییر شیمیایی می‌شود که پس از یک زمان کوتاه مجدداً به وضعیت اولیه ی خود بر می‌گردد؛ اما دراین فاصله، گیرنده حساسیت خود را موقتاً از دست می‌دهد. چشم ما این زمان را با توجه به روشنایی محیط تنظیم می‌کند. اگر مدت زیادی در آفتاب باشید و سپس به درون ساختمان بروید ( یا برعکس )، چند ثانیه طول می‌کشد تا چشم شما با روشنایی این محیط جدید وفق پیدا کند. در چنین شرایطی، میله‌ها نسبت به مخروط ‌ها زمان بیش تری لازم دارند تا با این شرایط سازگار شوند.

کابین هدایت بویینگ 727 در شب

حال فرض کنید که خلبان در شب مشغول هدایت هواپیماست. در این شرایط، چشمان او با محیط تاریک وفق پیدا کرده اند، تا بتواند بهتر ببیند. درعین حال لازم است که او عقربه‌ها و تجهیزات درون هواپیما را هم به خوبی ببیند. برای حل این مشکل تمامی چراغ های درون کابین خلبان قرمز ساخته می‌شوند. چرا؟ چون حساسیت میله‌ها نسبت به نور قرمز بسیار کم است، در نتیجه اختلالی در سازگاری چشم های خلبان با تاریکی بیرون ایجاد نمی شود. ولی مخروط ها چراغ های قرمز را به راحتی می‌بینند و در نتیجه خلبان می‌تواند به راحتی هر دو را مشاهده کند. در شب، تشخیص جزئیات با استفاده از میله‌ها بسیار دشوار است، چون تعداد میله ‌ها در لکه ی زرد - که مرکز بینایی ماست - بسیار کم است. اگر در شب مستقیماً به یک ستاره ی کم نور نگاه کنید آن را نخواهید دید، ولی اگر چشم خود را کمی منحرف کنید ستاره مجدداً ظاهر خواهد شد.

اما چرا لازم است که ما دو سیستم بینایی مستقل از هم داشته باشیم؟ زیرا هر دوی آن ها در کار خود تخصص بسیار بالایی دارند؛ مخروط ‌ها برای دید در روز که تفکیک رنگ و وضوح بالا مورد نیاز است و میله‌ها برای دید شبانه که تشخیص نور مهم تر از رنگ و وضوح آن است. واضح است که حیواناتی که یکی از این دو سیستم را ندارند، توانایی رقابت کم تری دارند. پستان داران که دارای هر دو سیستم هستند، می‌توانند هم در شب و هم در روز فعالیت کنند.

مخروط ها

در اکثرافراد، سه مخروط در چشم وجود دارد که به طول موج های بلند، متوسط و کوتاه نور مرئی حساس هستند. این مخروط ها را به ترتیب قرمز، سبز و آبی می‌نامیم. مخروط‌ ها در لکه ی زرد به طور فشرده در کنار هم قرار گرفته اند. تقریباً 64% کل مخروط های چشم، مخروط های قرمز، 32% آن ها سبز و فقط 2% آن ها آبی هستند؛ اما مخروط های آبی بیش ترین حساسیت را دارند. در بیش تر نقاط چشم، مخروط  های قرمز، سبز و آبی به طور خوشه ای در کنار هم قرار گرفته اند، اما در لکه ی زرد تعداد مخروط های آبی به طرز چشم گیری کاهش می‌یابد. هنوز هیچ کس علت این  امر را نمی داند.

نمودار حساسیت سه مخروط به طول موج

چرا فقط سه مخروط؟

ما سه نوع مخروط داریم. سگ ها دو نوع مخروط دارند و تعداد کمی از جانوران بیش تر از چهار نوع مخروط دارند. نوعی میگو وجود دارد که دارای 10 نوع حس گر رنگی مختلف است. اگر چشم را با گوش مقایسه کنیم به نکته ی جالب توجهی پی می‌بریم. چشم و گوش، بسیار شبیه یکدیگر هستند و وظیفه ی هر دو این است که یک محرک بیرونی را دریافت کنند و نتیجه را به صورت یک سیگنال به مغز ارسال کنند. ورودی هر دوی آن ها امواج است. چشم، نور ( امواج الکترومغناطیسی ) را و گوش، صوت ( امواج فشاری ) رادریافت می‌کند. در گوش، هزاران مو با طول های مختلف وجود دارد که نسبت به طول موج های مختلف یک موج فشاری ( صدا ) عکس العمل نشان می‌دهند، ولی در چشم، فقط 3 مخروط وجود دارد و همین 3 نوع مخروط، نسبت به تمام طول موج ها عکس العمل نشان می‌دهند. چرا تعداد مخروط ‌ها نیز مانند گیرنده های صدا زیاد نیست؟ اگر تنوع مخروط های چشم ما بیش تر بود مطمئناً جزئیات رنگی بیش تری را درک می‌کردیم، اما این کار به آن سادگی که ما فکر می‌کنیم نیست؛ زیرا:

- تعداد محدودی رنگ دانه های بصری وجود دارد. بنابراین نمی توانیم به هر تعداد که مایل باشیم، تنوع حس گرهای رنگی خود را افزایش دهیم. به طور مثال میگوی گفته شده برای جداسازی رنگ های مختلف، از مایعات رنگی متفاوت استفاده می‌کند و نه از رنگ دانه ها.

- وقتی گیرنده ای یک فوتون را دریافت می‌کند، گیرنده های دیگر نمی توانند آن را احساس کنند. پس اگر مخروط‌ ها تنوع بیش تری داشتند، حساسیت کلی چشم ما نسبت به نور کم تر می‌شد. این مشکل در گوش وجود ندارد، چون یک موج فشاری می‌تواند به طور هم زمان توسط چند گیرنده ی صوتی مختلف احساس شود.

- چشم، هر تصویر را به تعداد زیادی نقطه تفکیک می‌کند. اگر قرار باشد تعداد حس گرهای رنگی موجود در هر یک از این نقطه‌ها افزایش یابد، مساحت این نقطه بیش تر خواهد شد. چون فضای شبکیه ی چشم محدود است، تعداد این نقاط کاهش می‌یابد. واضح است که اکنون تصاویر با تعداد نقاط کم تری در چشم تشکیل می‌شود که این امر موجب کاهش وضوح تصویر خواهد شد. شاید فکر کنید این مشکل با کوچک کردن اندازه ی مخروط ‌ها حل می‌شود، اما در این صورت هنوز مشکل قبلی باقی است.

- حتی اکنون که سه نوع گیرنده ی نوری در چشم ما وجود دارد؛ حجم زیادی از فعالیت های عصبی، برای تجزیه و تحلیل اطلاعات آن لازم است. حال فرض کنید که با زیاد شدن مخروط‌ها، به چه میزان فعالیت عصبی نیاز داشتیم. به عنوان مثال میگو برای حل این مشکل، تعداد گیرنده های رنگی خود را کاهش داده است. گیرنده های چشم او فقط در یک نوار باریک افقی قرار گرفته اند.

نحوه ی توزیع سه مخروط در چشم. به ناحیه ی فاقد مخروط آبی توجه کنید

رنگ آبی ویژگی های منحصر به فرد فراوانی دارد. اول این که، چشم تمایل دارد برای کانونی کردن نور ورودی، از پاسخ مخروط های قرمز و سبز استفاده کند. این کار یک مسئله ایجاد می‌کند و آن این است که چون رنگ های مختلف در مکان های متفاوتی از چشم، کانونی می‌شوند، وقتی چشم خود را روی یک جسم غیر آبی رنگ متمرکز کنید، اجسام آبی رنگی که می‌بینید، مبهم خواهد بود. دوم این که قرنیه ی چشم، نور آبی را حدوداً دو برابر بیش تر از نورهای دیگر جذب می‌کند. به علاوه شبکیه هم تا حدودی همین اثر را دارد ( توجه کنید که سلول های عصبی چشم، جلوی گیرنده های نوری هستند و بخشی از نور را پیش از رسیدن به آن ها جذب می‌کنند). با افزایش سن، وضعیت چشمان شما از این نظر بدتر هم می‌شوند و نور آبی بیش تری را پیش از رسیدن به مخروط‌ها جذب می‌کنند. بنابراین توانایی انسان ها در تشخیص رنگ های آبی فقط 2% کل مخروط‌ها را تشکیل می‌دهد، اما حساسیت ما به نور آبی کم تر از نورهای دیگر نیست. به نظر می‌رسد که سیگنال خروجی مخروط های آبی در هنگام پردازش در مغز به نوعی تقویت می‌شود. در جدول زیر مخروط‌ها و میله‌ها با هم مقایسه شده اند:

در دهه ی1860، مونه رنوار و تعدادی نقاش دیگر سبکی را پایه گذاری کردند که بعدها " امپرسیونیسم " نام گرفت. این نام از یکی از آثار کلود مونه (Claude Monet) گرفته شده که طلوع خورشید در یک بندر را نشان می‌دهد. او تابلوی خود را " طلوع خورشید " ( Impression: sunrise ) نامیده بود. بیایید با هم نگاهی به نقاشی او بیاندازیم تا ببینیم چه ویژگی خاصی دارد، و او چگونه این ویژگی را به وجود آورده است؟

بسیاری از کسانی که به نقاشی نگاه می‌کنند، احساس می‌کنند که خورشید، حرکت موجی شکل یا نوسانی دارد. چرا؟ روشنایی خورشید و ابرهای خاکستری اطراف آن تقریباً یکسان است، یعنی از نظر میله‌ها این دو تفاوتی با هم ندارند. اما چون رنگ آن ها متفاوت است، مخروط ها آن ها را متمایز از هم تشخیص می‌دهند. ( با حرکت دادن کلید پایین تابلو می‌توانید رنگ آن را حذف کنید. اگر دوباره روی نقاشی کلیک کنید، تابلو مجدداً به وضع اولیه ی خود برمی گردد ). پس خورشید توسط قسمت های مختلف چشم ما، به دو صورت متفاوت درک می‌شود. از نظر میله‌ها تمایزی بین خورشید و ابرها وجود ندارد؛ اما از نظر مخروط ها وضعیت کاملاً طبیعی است. در بیش تر اوقات، پیام ارسال شده از مخروط ها توسط مغز ترجیح داده می‌شود، اما اگر مدتی به نقاشی خیره شوید، این دوگانگی ادراک باعث می‌شود که مرزهای خورشید محو و مجدداً ظاهر شوند. اگر مونه خورشید را کمی روشن تر یا کمی تیره تر می‌کشید، نقاشی این ویژگی را نداشت. ( شما می‌توانید با جابجا کردن کلید پایینی، خودتان این کار را انجام دهید.) در آن حالت، هر دو بخش چشم ما خورشید را متفاوت از اطراف آن حس می‌کردند. در نتیجه دیگر این وضعیت نوسان در خورشید دیده نمی شد.

نقاشی بالا هم اثر دیگری از مونه را نشان می‌دهد که همین ویژگی را دارد. در این تابلو، به نظر می‌رسد که موقعیت گل‌ها نامشخص است. اکثر بینندگان احساس می‌کنند که گل‌ها در باد حرکت می‌کنند. در این جا هم اگر رنگ را به تدریج حذف کنید، مشاهده می‌کنید که گل ها کم کم محو می‌شوند. گل‌ها و زمینه ی پشت آن ها از نظر میله‌ها یکسان هستند، چون روشنایی یکسانی دارند. اما تفاوت رنگی آن ها باعث می‌شود مخروط ها آن ها را متفاوت احساس کنند. اگر مونه رنگ دیگری را انتخاب می‌کرد، این احساس حرکت در ما القا نمی شد و گل ها ساکن و بی حرکت به نظر می‌رسیدند.

در این مطلب توضیح دادیم که چشم انسان چگونه کار می‌کند، اما در واقع چشم هر فرد اندکی با آن چه گفتیم، تفاوت دارد که گاهی باعث می‌شود اشخاص درک متفاوتی از رنگ های مشابه داشته باشند. به علاوه شرح ندادیم که اطلاعات دریافتی از چشم چگونه در مغز تعبیر می‌شوند.