Физика восприятия. Основы цветового восприятия Воспринимается глазом человека

В статье приводятся данные о функционировании зрительного цикла у высших животных и человека. Рассмотрен фотоцикл хромофорного ретинальсодержащего трансмембранного рецепторного белка родопсина, ответственного за функции восприятия света при поглощении его молекулой кванта света и последующих биохимических реакций, связанных с закрытием катионных (Na + /Са 2+) каналов и гиперполяризации мембраны. Показан механизм взаимодействия родопсина с рецепторным G-белком трансдуцином, являющийся ключевым биохимическим этапом в зрительном процессе, заключающимся в активации трансдуцина при его взаимодействии с активированным родопсином и обмене в связанном состоянии ГТФ на ГДФ. Затем комплекс диссоциирует и активирует фосфодиэстеразу путем замещения ее ингибиторной субъединицы. Также рассмотрен механизм восприятия цвета зрительным аппаратом, обладающим способностью анализировать определенные диапазоны оптического спектра, как цвета. Смешение зеленого и красного цвета не производит никакого среднего цвета: мозг воспринимает его, как желтый цвет. При излучении электромагнитных волн, соответствующих зеленому и красному цвету, мозг воспринимает «среднее решение» – желтый цвет.

ВВЕДЕНИЕ

Зрение (зрительное восприятие) - процесс психофизиологической обработки изображения объектов окружающего мира, осуществляемое зрительной системой, и позволяющий получать представление о величине, форме и цвете окружающих предметов, их взаимном расположении и расстоянии между ними. Посредством зрения человек получает 90 % всей поступающей в мозг информации. Не случайно так огромна роль зрения в жизнедеятельности человека. С помощью зрения человек получат не только огромное количество информации об окружающем внешнем мире, а также может наслаждаться красотами природы и великими произведениями искусства. Источником зрительного восприятия является свет, излучаемый или отражаемый от предметов внешнего мира.

Функция зрения осуществляется благодаря сложной системе различных взаимосвязанных структур - зрительного анализатора, состоящего из периферического отдела (сетчатка, зрительный нерв, зрительный тракт) и центрального отдела, объединяющего подкорковые и стволовые центры среднего мозга, а также зрительную область коры полушарий большого мозга. Человеческий глаз воспринимает световые волны лишь определенной длины - от 380 до 770 нм . Световые лучи от рассматриваемых предметов проходят через оптическую систему глаза (роговицу, хрусталик и стекловидное тело) и попадают на сетчатку, в которой расположены светочувствительные клетки - фоторецепторы (колбочки и палочки). Свет, попадая на фоторецепторы, вызывает каскад биохимических реакций содержащихся в них зрительных пигментов (в частности, наиболее изученного из них родопсина, ответственного за восприятие электромагнитного излучения видимого диапазона), и в свою очередь, - возникновение нервных импульсов, которые передаются в следующие нейроны сетчатки и далее в зрительный нерв. По зрительным нервам, затем по зрительным трактам нервные импульсы поступают в латеральные коленчатые тела - подкорковый центр зрения, а оттуда в корковый центр зрения, расположенный в затылочных долях головного мозга, где происходит формирование зрительного образа.

За последнее десятилетие российскими и зарубежными учеными были получены новые данные, раскрывающие молекулярные основы зрительного восприятия. Идентифицированы зрительные молекулы, принимающие участие в реакции на свет и раскрыт механизм их действия. В данной статье рассмотрены основные биохимические механизмы, связанные со зрительным восприятием и эволюцией зрительных молекул.

Молекулярные основы зрения.

Процесс восприятия света имеет определенную локализацию в фоторецепторных клетках сетчатки глаза, чувствительных к свету. Сетчатка по своему строению представляет собой многослойный слой нервной ткани, чувствительной к свету, который выстилает внутреннюю заднюю часть глазного яблока. Сетчатка расположена на пигментированной мембране, обозначаемой как пигментированный эпителий сетчатки (ПЭС), который поглощает свет, проходящий сквозь сетчатку. Это предотвращает обратное отображение света сквозь сетчатку и новое реагирование, что не разрешает зрению расплываться.

Свет проникает сквозь глаз и создает сложную биохимическую реакцию в клетках фоторецепторов сетчатки, чувствительных к свету . Фоторецепторные клетки подразделяются на два типа, которые за их характерную форму называют палочками и колбочками (рис. 1). Палочки расположены в окрашенном слое сетчатки глаза, в котором синтезируется ответственный за цветовое восприятие фотохромный белок родопсин, и являются рецепторами света низкой интенсивности. Колбочки выделяют группу зрительных пигментов (йодопсин), и приспособлены различать цвета. Палочки позволяют видеть черно-белые изображения при тусклом свете; колбочки осуществляют цветовое зрение при ярком свете. Сетчатка человека содержит около 3 млн. колбочек и 100 млн. палочек. Размеры их очень невелики: длина около 50 мкм, диаметр - от 1 до 4 мкм.

Электрические сигналы, генерируемые колбочками и палочками, обрабатываются другими клетками сетчатки – биполярнымм и ганглиозными клетками, прежде чем они передаются в мозг по зрительному нерву. Дополнительно существуют ещё два слоя промежуточных нейронов. Горизонтальные клетки передают сообщения туда и обратно между клетками фоторецепторов, биполярным клеткам и друг другу. Аамакринные клетки (клетки сетчатки) взаимосвязаны с биполярными клетками, ганглиозными клетками, а также друг с другом. Оба вида таких промежуточных нейронов играют главную роль в обработке визуальной информации на уровне сетчатки перед тем, как она передаются в мозг для конечной обработки.

Колбочки приблизительно в 100 раз менее чувствительны к свету, чем палочки, но гораздо лучше воспринимают быстрые движения. Палочка может быть возбуждена одним фотоном - наименьшим возможным количеством света. Каскад молекулярных взаимодействий усиливает этот «квант» информации в химический сигнал, который затем воспринимается нервной системой. Степень усиления сигнала изменяется в зависимости от фонового освещения: палочки более чувствительнее при тусклом свете, чем при ярком. В результате они эффективно функционируют в широком диапазоне фонового освещения. Сенсорная система палочек упакована в хорошо различимые клеточные субструктуры, которые можно легко выделять и исследовать in vitro .

Колбочки и палочки сходны по строению и состоят из четырех участков. В их строении принято различать:

наружный сегмент, содержащий мембранные полудиски;

внутренний сегмент, содержащий митохондрии;

связующий отдел – перетяжка;

синаптическую область.

По строению палочка представляет собой длинную тонкую клетку, разграниченную на две части. Наружный сегмент клетки содержит большую часть молекулярного механизма, детектирующего свет и инициирующего нервный импульс. Внутренний сегмент ответствен за генерацию энергии и обновление молекул в наружном сегменте. Помимо этого, внутренний сегмент формирует синаптическое окончание, которое служит для связи с другими клетками. Если изолированную сетчатку слегка потрясти, наружные сегменты палочек отпадают и весь аппарат возбуждения можно исследовать in vitro в высокоочищенном виде. Это свойство палочек делает их незаменимым объектом исследования для биохимиков.

Наружный сегмент палочки представляет собой узкую трубку, заполненную стопкой тонких мембранных дисков; образованными цитоплазматической мембраной и отделившимися от нее. В одной клетке их примерно 2 тысячи. И трубка, и диски образованы двухслойной цитоплазматической мембраной одного и того же типа. Но наружная (плазматическая) мембрана палочки и мембрана дисков имеют различные функции в фоторецепции света и генерации нервного импульса. Диски содержат большинство белковых молекул, участвующих в поглощении света и инициации возбуждающего ответа. Наружная мембрана служит для преобразования химического сигнала в электрический.

Связь между двумя сегментами осуществляется через цитоплазму и пару ресничек, переходящих из одного сегмента в другой. Реснички содержат только 9 периферических дублетов микротрубочек: пара центральных микротрубочек, характерных для ресничек, отсутствует. Внутренний сегмент палочек - это область активного метаболизма; она заполнена митохондриями, доставляющими энергию для процессов зрения, и полирибосомами, на которых синтезируются белки, участвующие в образовании мембранных дисков и зрительного пигмента родопсина.

РОДОПСИН И ЕГО СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

К числу наиболее важных интегральных молекул трансмембранных рецепторных G белков, связанных с мембраной дисков, относится родопсин . Он представляет собой фоторецепторный хромофорный белок палочек, который поглощает фотон и создает ответ, составляющий первую стадию в цепи событий, обеспечивающих зрение. Родопсин состоит из двух компонентов - бесцветного белка опсина, функционирующим как фермент и ковалентно связанного хромофорного компонента – производного витамина А, 11-цис -ретиналя, акцептирующего свет (рис. 2). Поглощение фотона света 11-цис -ретиналем «включает» ферментативную активность опсина и приводит в действие биохимический каскад фоточувствительных реакций, ответственных за зрительное восприятие.

Родопсин принадлежит к семейству G-рецепторов (GPCR-рецепторов), ответственных за механизм трансмембранной передачи сигнала, основанный на взаимодействии с внутриклеточными мембранными G-белками – сигнальными G-белками, являющимися универсальными посредниками при передаче гормональных сигналов от рецепторов клеточной мембраны к эффекторным белкам, вызывающим конечный клеточный ответ. Установление его пространственной структуры является важным в биологии и медицине, так как родопсин как «родоначальник» семейства GPCR-рецепторов является «моделью» структуры и функций множества других рецепторов, чрезвычайно важных с научно-фундаментальной и практической (фармакологической) точек зрения.

Пространственная структура родопсина долго не поддавалась изучению «прямыми» методами – рентгеноструктурным анализом и спектроскопией ЯМР, в то время как молекулярная структура другого родственного родопсину трансмембранного белка бактериородопсина с аналогичной структурой, выполняющего функции АТФ-зависимой транслоказы в мембранах клеток галофильных микроорганизмов, перекачивающему протоны через цитоплазматическую мембрану клетки и участвующему в анаэробном фотосинтетическом фосфорилировании (бесхлорофилльном синтезе), была определена еще в 1990-м году. Структура зрительного родопсина оставалась неизвестной вплоть до 2003 года .

По своему строению молекула опсина представляет собой полипептидную цепь из 348 остатков аминокислот. Аминокислотная последовательность опсина была определена российскими учеными в лаборатории Ю.А. Овчинникова в Институте биоорганической химии им. М.М. Шемякина в Москве . В этих исследованиях получена важная информация о трехмерной структуре этого важного белка, пронизывающего мембрану диска. Полипептидная цепь опсина образует семь трансмембранных участков α-спирали, расположенные поперек мембраны и соединенные между собой короткими неспиральными участками. При этом N -конец находится во внеклеточной области, а C -конец α-спирали - в цитоплазматической. С одной из α-спиралей связана молекула 11-цис -ретиналя, расположенная вблизи от середины мембраны так, что ее длинная ось параллельна поверхности мембраны (рис. 3). Также было установлено место локализации 11-цис -ретиналя, связанного альдиминной связью с ε-аминогруппой остатка Lys-296, расположенного в седьмой α-спирали. Таким образом, 11-цис -ретиналь вмонтирован в центр сложного, высокоорганизованного белкового окружения в составе клеточной мембраны палочек. Это окружение обеспечивает фотохимическую «подстройку» ретиналя, влияя на спектр его поглощения. Сам по себе свободный 11-цис -ретиналь в растворенном виде имеет максимум поглощения в ультрафиолетовой области спектра - при длине волны 380 нм, в то время как родопсин поглощает зеленый свет при 500 нм . Этот сдвиг в световых длинах волн важен с функциональной точки зрения: благодаря ему спектр поглощения родопсина приводится в соответствие со спектром света, попадающего в глаз.

Спектр поглощения родопсина определяется как свойствами хромофора – остатка 11-цис -ретиналя, так и опсина. Этот спектр у позвоночных имеет два максимума - один в ультрафиолетовой области (278 нм), обусловленный опсином, и другой - в видимой области (около 500 нм) - поглощение хромофора (рис. 4). Превращение при действии света зрительного пигмента до конечного стабильного продукта состоит из ряда очень быстрых промежуточных стадий. Исследуя спектры поглощения промежуточных продуктов в экстрактах родопсина при низких температурах, при которых эти продукты стабильны, удалось подробно описать весь фотопроцесс обесцвечивания зрительного пигмента .

При поглощении молекулой 11-цис -ретиналя фотона света его молекула изомеризуется в 11-all -транс -ретиналь (квантовый выход 0,67), а сам родопсин обесцвечивается (фотолиз). При этом происходит вращение вокруг связи между 11-м и 12-м атомами углерода молекулы 11-цис -ретиналя, в результате чего изменяется геометрия молекулы и образуется изомерная форма - all -транс -ретиналь без изгиба, а спустя 10 мс происходит аллостерический переход родопсина в его активную форму (рис. 5). Энергия поглощенного фотона света распрямляет изгиб цепи между 11-м и 12-м атомами углерода. В этой форме 11-цис- ретиналь существует в темноте. У позвоночных фотолиз родопсина заканчивается отрывом хромофора от опсина; у беспозвоночных хромофор остается связанным с белком на всех стадиях фотолиза. У позвоночных родопсин регенерируется обычно в результате взаимодействия опсина с 11-цис -ретиналем, у беспозвоночных - при поглощении второго фотона света.

Молекула родопсина, встроенная в мембрану палочек, очень чувствительна к световому воздействию (рис. 6). Установлено, что поглощение фотона света молекулой в половине случаев вызывает изомеризацию 11-цис -ретиналя . Спонтанная изомеризация молекулы ретиналя в темноте происходит очень редко - приблизительно раз в 1000 лет. Такое различие имеет важное следствие для зрения. Когда один фотон попадает на сетчатку глаза, поглотившая его молекула родопсина реагирует с ним с высокой эффективностью, в то время как миллионы других молекул родопсина в сетчатке глаза остаются “молчащими”.

Последующие циклы фотохимического превращения родопсина и его активации приводят к возбуждению зрительного нерва за счет изменения ионного транспорта в фоторецепторе. Впоследствии родопсин восстанавливается (регенерирует) в результате синтеза 11-цис -ретиналя и опсина или в процессе синтеза новых дисков наружного слоя сетчатки.

ЗРИТЕЛЬНЫЙ ЦИКЛ РОДОПСИНА

В настоящее время достигнут определенный прогресс в понимании того, что происходит на последнем этапе каскада возбуждения - на наружной мембране палочек. Цитоплазматическая мембрана клетки избирательно проницаема для электрически заряженных ионов (Na + , Ca 2+), вследствие чего образуется разность электрических потенциалов между внутренней и наружной стороной клеточной мембраны. В состоянии покоя внутренняя часть мембраны клетки несет отрицательный заряд около 40 мВ по отношению к наружной. В 1970 годах учеными было показано, что после освещения клетки светом, разность потенциалов на мембране палочки увеличивается . Это увеличение зависит от интенсивности стимула и фонового освещения; максимальная разность потенциалов при этом составляет - 80 мВ.

Увеличение разности потенциалов - гиперполяризация происходит вследствие уменьшения проницаемости мембраны для катионов натрия Na + , несущих положительный заряд. После того как была установлена природа гиперполяризации, было установлено, что поглощение одного фотона приводит к тому, что в плазматической мембране палочки закрываются сотни натриевых каналов, блокируя вход миллионов ионов натрия Na + внутрь клетки . Возникнув под действием светового облучения, гиперполяризация затем распространяется по наружной мембране палочки на другой конец клетки к синаптическому окончанию, где возникает нервный импульс, передающийся в мозг.

Эти фундаментальные исследования позволили дать представление о том, что происходит в начале и в конце фотохимического каскада зрительного восприятия света, но оставили нерешенным вопрос: а что же происходит посередине? Каким образом изомеризация молекулы ретиналя в мембране диска палочек приводит к закрыванию натриевых каналов в наружной клеточной мембране? Как известно, в палочках плазматическая мембрана не соприкасается с мембраной дисков. Это означает, что передача сигнала от дисков к наружной мембране должна осуществляться с помощью внутриклеточного посредника-медиатора возбуждающего сигнала. Поскольку один фотон может вызывать закрытие сотен натриевых каналов, каждый акт поглощения фотона должен сопровождаться образованием множества молекул посредника.

В 1973 г. было выдвинуто предположение, что в темноте в дисках накапливаются ионы кальция Ca + , а при освещении они высвобождаются и, достигая путем диффузии плазматической мембраны, закрывают натриевые каналы. Эта привлекательная гипотеза вызвала большой интерес и породила множество экспериментов. Однако последующие эксперименты показали, что, хотя ионы кальция Ca + и играют большую роль в зрении, они не являются возбуждающим медиатором. Роль медиатора, как выяснилось, играет 3", 5"-циклический гуанозинмонофосфат (cGMP) (рис. 7).

Способность сGMP функционировать в качестве медиатора определяется его химической структурой. cGMP - это нуклеотид класса гуаниловых нуклеотидов, представленных в РНК. Как и другие нуклеотиды, он состоит из двух компонентов: азотистого основания - гуанина, и остатка пятиуглеродного сахара рибозы, атомы углерода в котором в положениях 3" и 5", соединены посредством фосфатной группы. Фосфодиэфирная связь замыкает молекулу сGMP в кольцо. Когда это кольцо целое, cGMP способен поддерживать натриевые каналы мембраны в открытом состоянии, а когда фосфодиэфирная связь расщепляется ферментом фосфодиэстеразой, натриевые каналы спонтанно закрываются, в результате чего электрические свойства мембраны изменяются и возникает нервный импульс (рис. 8).

Между возбуждением родопсина и ферментативным расщеплением cGMP лежит несколько промежуточных стадий. Когда молекула 11-цис -ретиналя поглощает фотон и активируетcя опсин, родопсин в свою очередь активирует фермент, называемый трансдуцином . Взаимодействие активированной формы родопсина с G-белком трансдуцином является ключевой биохимическим стадией в зрительном процессе. Трансдуцин является ключевым интермедиатом в каскаде возбуждения. Этот рецепторный G-белок активирует специфическую фосфодиэстеразу, которая раскрывает кольцо cGMP, присоединяя к нему молекулу воды, осуществляя гидролиз cGMP. Хотя схему этого процесса описать несложно, но выяснение и понимание его физиологической роли потребовали множества различных экспериментов.

Впоследствии было обнаружено, что на свету концентрация cGMP в наружных сегментах палочек уменьшается . Последующие эксперименты показали, что это уменьшение является следствием гидролиза cGMP под действием фосфодиэстеразы, специфичной к данному нуклеотиду. В то время кальциевая гипотеза была еще очень популярна, но уже не вызывало сомнений и то, что cGMP обладает значительным прямым влиянием на возбуждающий ответ.

На конференции, проходившей в 1978 г., П. Либман из Пенсильванского университета сообщил, что в суспензии наружных сегментов палочек один фотон может инициировать активацию сотен молекул фосфодиэстеразы в секунду. В более ранних работах в присутствии другого нуклеотида - аденозинтрифосфата (АТP) наблюдалось гораздо меньшее усиление, чем в присутствии гуанозинтрифосфата (GTP).

Гуанозинтрифосфат (GTP) имеет такую же структуру, как нециклическая форма GMP, но в GMP с 5" -углеродным атомом связана не одна фосфатная группа, а цепочка из трех фосфатов, соединенных друг с другом фосфодиэфирными связями. Энергия, запасенная в этих связях, используется во многих клеточных функциях. Например, при отщеплении от GTP одной фосфатной группы (при этом образуется гуанозиндифосфат, GDP) выделяется значительное количество энергии. Таким путем клетка получает энергию, позволяющую осуществлять химические реакции, которые в ином случае энергетически невыгодны. Также важно то, что этот процесс имеет место при активации фосфодиэстеразы, где GTP служит необходимым кофактором.

В 1994 г. удалось инъецировать cGMP в наружный сегмент интактной палочки, и результаты этого оказались впечатляющими . Как только циклический гуанозинмонофосфат попадал внутрь клетки, быстро уменьшалась разность потенциалов на плазматической мембране и резко увеличивалась задержка между подачей светового импульса и гиперполяризацией мембраны. Это объясняется тем, что cGMP открывает натриевые каналы и они остаются открытыми до тех пор, пока cGMP не распадется под действием активированной светом фосфодиэстеразы на GMP. Эта гипотеза казалась весьма привлекательной, но прямых ее доказательств не было.

Существенное значение в механизме передачи светового сигнала имеет тот факт, что для активации фосфодиэстеразы необходим GTP. Это позволило предположить, что важным интермедиатом активации может быть какой-то белок, связывающий GTP. Нужно было тщательно исследовать, что происходит с GTP в палочках. Целью первых экспериментов было обнаружить связывание GTP и его производных в наружных сегментах палочек. Меченный радиоактивным изотопом углерода 14 С GTP инкубировали с палочками и фрагментами их наружных сегментов. После нескольких часов препарат промывали на фильтре, задерживающем фрагменты мембран и крупные молекулы, такие, как белки, и пропускающем мелкие молекулы, в том числе GTP и метаболически близкие ему соединения. Оказалось, что значительная часть радиоактивности остается связанной с мембранной фракцией. В дальнейшем выяснилось, что в мембране остается не GTP, a GDP.

Эти опыты показали, что в мембранах палочек содержится белок, способный связывать GTP и отщеплять от него одну фосфатную группу с образованием GDP. Казалось все более очевидным, что такой белок - ключевой интермедиат и что превращение GTP в GDP может приводить в действие процесс активации.

Одним из поразительных фактов было то, что мембраны палочек не только связывают гуаниловые нуклеотиды, но при освещении из них высвобождается GDP причем этот процесс значительно усиливается в присутствии GTP в растворе. Сформировалась гипотеза, объясняющая эти явления. По-видимому, какой-то этап процесса активации включает обмен GTP на GDP в мембране. Поэтому высвобождение GDP так сильно и увеличивается при добавлении GTP: GTP должен замещаться GDP. В дальнейшем GTP превращается в GDP.

Установлено, что обмен GTP на GDP имеет отношение к центральному событию процесса активации. Исследовалось действие света на поглощение GDP мембранами палочек и обнаружилось, что фотовозбуждение одной молекулы родопсина приводит к связыванию около 500 молекул GTP. Открытие этого усиления стало важным этапом на пути к объяснению усиления, присущего каскаду возбуждения.

Этот фундаментальный результат привел к важному выводу, что в каскаде возбуждения участвует белковый интермедиат, существующий в двух состояниях. В одном состоянии он связывает GDP, в другом - GTP. Обмен GDP на GTP, служащий сигналом к активации белка, инициируется молекулой родопсина и в свою очередь активирует специфическую фосфодиэстеразу. Фосфодиэстераза расщепляет циклический GMP, вследствие чего закрываются натриевые каналы в плазматической мембране. Вскоре этот белок был выделен. Он получил название трансдуцин, так как опосредует трансдукцию - преобразование света в электрический сигнал. Было установлено, что трансдуцин состоит из трех белковых субъединиц –альфа (α), бета (β) , и гамма (γ).

Сигнал передается от активированного родопсина к трансдуцину и от его GTP-формы к фосфодиэстеразе. Если такая картина верна, следует ожидать, во первых, что трансдуцин может переходить в GTP-форму в отсутствие фосфодиэстеразы, и, во-вторых, что фосфодиэстераза способна активироваться от возбужденного светом родопсина. Для проверки этого предположения использовалась синтетическая мембранная система, не содержащая фосфодиэстеразы. На искусственную мембрану наносили очищенный трансдуцин в GDP-форме, а затем добавляли активированный родопсин. В этих опытах было установлено, что каждая молекула родопсина катализирует захват мембраной 71 молекул аналога GTP. Значит, активируя трансдуцин, каждая молекула родопсина катализирует обмен GDP на GTP во множестве молекул трансдуцина. Таким образом удалось обнаружить усилительный эффект родопсина, для проявления которого, была выделена очищенная активная форма трансдуцина - в виде его комплекса с GTP. Здесь исследователей ожидал сюрприз. В неактивной GDP-форме молекула трансдуцина целая - все три ее субъединицы находятся вместе. Оказалось, что при переходе в GTP-форму трансдуцин диссоциирует: α-субъединица отделяется от β- и γ-субъединицы белка, а GTP связывается со свободной α -субъединицей.

Необходимо было выяснить, какая субъединица трансдуцина - α- (с присоединенным GTP) или β-, γ-субъединица активирует фосфодиэстеразу. Было установлено, что фосфодиэстеразу активирует α-субъединица в комплексе с GTP; остающиеся вместе β- и γ-субъединицы не влияют на работу фермента. Более того, α-субъединица вызывала активацию трансдуцина и без родопсина; это объясняло предположение о том, что трансдуцин может активировать фосфодиэстеразу без присутствия родопсина.

Механизм активации специфической фосфодиэстеразы трансдуцином в настоящее время детально изучен. В темноте фосфодиэстераза мало активна, поскольку находится в инактивированном состоянии. Добавление небольшого количества трипсина - фермента, расщепляющего белки активирует фосфодиэстеразу. Молекула фосфодиэстеразы состоит из трех полипептидных цепей; как и у трансдуцина, они обозначаются соответственно α-, β- и γ- субъединицы. Т рипсин разрушает γ- субъединицу, но не α- и β -субъединицу. Таким образом, выяснилось, что ингибитором фосфодиэстеразы служит γ-субъединица.

Позже удалось выделить γ-субъединицу в чистом виде, добавили ее к активному комплексу α, β-субъединиц и обнаружилось, что γ-субъединица подавляет каталитическую активность трансдуцина более чем на 99% . Кроме того, скорость разрушения γ- субъединицы трипсином хорошо соответствует скорости активации фосфодиэстеразы в каскаде возбуждения. Трансдуцин в GTP-форме может связываться с γ- субъединицей фосфодиэстеразы, образуя комплекс.

Все эти данные складываются в следующую картину. После воздействия света α-субъединица трансдуцина с присоединенным GTP связывается с фосфодиэстеразой и ингибируюшая ее γ-субъединица отделяется. В результате этого трансдуцин активируется и проявляется каталитическая активность фосфодиэстеразы. Эта активность велика: каждая активированная молекула фермента может осуществить гидролиз 4200 молекул циклического гуанозинмонофосфата за 1 секунду. Итак, стала ясной большая часть биохимических реакций зрительного цикла (рис. 9). Начальный этап каскада возбуждения - поглощение фотона родопсином. Затем активированный родопсин взаимодействует с трансдуцином, что приводит к обмену GDP на GТР, происходящему на α-субъединице трансдуцина. В результате α-субъединица отделяется от остальной части фермента, активируя фосфодиэстеразу. Последняя расщепляет множество молекул сGМР. Этот процесс длится всего около миллисекунды. Через некоторое время «встроенный таймер» α-субъединицы трансдуцина расщепляет GTP с образованием GDP и α-субъединица воссоединяется с β- и γ-субъединицами. Фосфодиэстераза также восстанавливается. Родопсин инактивируется и затем переходит в форму, готовую к активации.

В результате действия одной молекулы родопсина образуется несколько сотен активных комплексов α- субъединицы трансдуцина GTP, что является первой ступенью усиления. Затем α-субъединица трансдуцина, несущая GTP, активирует фосфодиэстеразу. На этой стадии усиления нет; каждая молекула α-субъединицы трансдуцина связывает и активирует одну молекулу фосфодиэстеразы. Следующую стадию усиления обеспечивает пара трансдуцин-фосфодиэстераза, действующая как одно целое. α-субъединица трансдуцина остается связанной с фосфодиэстеразой до тех пор, пока та не расщепит 3"-5"-связь в циклическом гуанозинмонофосфате. Каждая активированная молекула фермента может осуществить превращение нескольких тысяч молекул GMP. Это усиление, обеспечиваемое родопсином, лежит в основе замечательного по своей эффективности преобразования, благодаря которому один единственный фотон вызывает интенсивный нервный импульс.

Однако организм способен воспринимать свет многократно, значит, этот цикл должен и выключаться. Оказывается трансдуцин играет ключевую роль не только в активации, но и в деактивации. Его α-субъединица имеет встроенный механизм - “таймер”, который прерывает активированное состояние, превращая связанный GTP в GDP. Механизм действия этого “таймера” не совсем ясен. Известно, что гидролиз GTP с образованием GDP в фазе деактивации играет важную роль в осуществлении всего цикла. Реакции, ведущие к активации, энергетически выгодны. Напротив, некоторые реакции деактивации невыгодны; без превращения GTP в GDP система не может быть приведена в исходное состояние для новой активации.

Когда GTP расщепляется и образуется GDP, α-субъединица трансдуцина освобождает ингибирующую γ-субъединицу фосфодиэстеразы. Затем γ-субъединица опять связывается с фосфодиэстеразой, возвращая ее в состояние покоя. Трансдуцин восстанавливает свою доактивационную форму благодаря воссоединению субъединиц α и β, γ. Родопсин деактивируется с помощью фермента - киназы, распознающей его специфическую структуру. Этот фермент присоединяет фосфатные группы к нескольким аминокислотам на одном конце полипептидной цепи опсина. Родопсин затем образует комплекс с белком арестином, который блокирует связывание трансдуцина и возврашает систему назад в темновое состояние.

Исследования зрительного каскада в середине 1980-х начале 1990-х гг. опирались в значительной мере на предположение о том, что циклический гуанозинмонофосфат открывает натриевые каналы в наружной мембране палочки и что его гидролиз приводит к их закрыванию. Однако о механизмах этих процессов было известно немного. Действует ли cGMP на каналы прямо или же через какие-то промежуточные стадии? Определенный ответ на этот вопрос был получен в 1985 г. российским ученым Е.Е. Фесенко из Института биологической физики в Москве. В экспериментах использовалась микропипетка, в которую затягивался маленький участок плазматической мембраны палочки. Он плотно прилипал к кончику пипетки и та сторона, которая в норме была обращена внутрь клетки, оказывалась наружной. Эту сторону мембраны омывали различными растворами и определяли их влияние на натриевую проводимость. Результаты были получены совершенно однозначные: натриевые каналы открываются непосредственно cGMP; другие вещества, включая ионы кальция Ca + , на них не влияют.

Блестящие эксперименты российских учёных опровергли представления об ионах кальция Ca + как о медиаторе возбуждения и установили последнее звено в каскаде возбуждения. Стал понятен и общий контур цепи возбуждения. Как и предполагалось, поток информации направлен от родопсина к трансдуцину, затем к фосфодиэстеразе и, наконец, к cGMP.

Хотя изучение путей и механизмов каскада возбуждения добилось больших успехов, ряд важных вопросов все еще остается без ответа. В частности, не ясно, каким образом регулируется усилительный ответ каскада. Палочки значительно менее чувствительны на ярком свету, чем в темноте. Фоновое освещение должно как-то влиять на общий результат действия системы, т. е. на суммарное усиление, создаваемое на двух стадиях - при передаче сигнала от родопсина к трансдуцину и от фосфодиэстеразы к cGMP. Многое свидетельствует об участии ионов кальция в этом процессе, однако детали этого механизма полностью не изучены. В связи с этим важно было также установить структуру натриевых каналов и механизмы, предотвращающие истощение циклического гуанозинмонофосфата в клетке. Большой вклад в изучение этого внесли группы Б. Кауппа из института нейробиологии при Оснабрюкском университете (ФРГ) и Либмана: они выделили управляемые cGMP каналы и реконструировали их функцию на модельных мембранах. Ключевой элемент - гуанилатциклаза - фермент, синтезирующий cGMP. В клетке существует регуляция концентрации сGMP по типу обратной связи, которая обеспечивает после ответа на световой стимул восстановление концентрации cGMP до исходного уровня. Не будь этого, клетка имела бы возможность сработать лишь несколько раз и тем надолго исчерпала бы способность к ответу.

Результаты последних исследований каскада зрительных реакций в палочках, имеют отношение и к другим типам клеток. Система преобразования светового сигнала в других фоторецепторных клетках - колбочках - сходна с таковой палочек. Известно, что в колбочках содержатся три аналогичных родопсину зрительных пигмента, отвечающих на свет определенной длины волны - красный, зеленый либо синий. В состав всех трех пигментов входит 11-цис -ретиналь. С применением методов молекулярной генетики было установлено, что структура у колбочковых пигментов такая же, как у родопсина. Трансдуцин, фосфодиэстераза и каналы, контролируемые cGMP, в колбочках и в палочках очень похожи.

ЭВОЛЮЦИЯ G-БЕЛКОВ

Значение каскада с участием циклического гуанозинмонофосфата не ограничивается зрением. Каскад возбуждения в палочках имеет заметное сходство с механизмом действия некоторых гормонов. Например, действие адреналина начинается с того, что он активирует фермент, называемый аденилатциклазой. Аденилатциклаза катализирует образование циклического аденозинмонофосфата (сАМР), который служит внутриклеточным посредником для многих гормонов. Обнаружилось поразительное сходство этой реакции с функционированием каскада возбуждения в палочках. Подобно тому как каскад возбуждения начинается с поглоще­ния фотона родопсином, гормональный каскад начинается со связывания гормона специфическим белковым рецептором, расположенным на поверхности клетки. Комплекс рецептор-гормон взаимодействует с так называемым G-белком, напоминающим трансдуцин. Такой же обмен связанных молекул, какой активирует трансдуцин (GTP на GDP), активирует и G-белок, когда он взаимодействует с комплексом рецептор-гормон. G-белок, как и трансдуцин, состоит из трех субъединиц. Аденилатциклаза активируется его α-субъединицей, снимающей ингибирующее влияние. Стимулирующее действие G-белка тоже прекращается благодаря встроенному “таймеру”, превращающему GTP в GDP.

Сходство трансдуцина и G-белков относится не только к активности, но и к структуре. Трансдуцин и G-белки принадлежат к одному семейству - семейству рецепторных мембранных белков, передающих те или иные сигналы. Все идентифицированные к настоящему времени представители этой группы имеют практически одинаковую α-субъединицу. Кроме того, α-субъединица выполняет одну и ту же функцию, что показано на молекулярном уровне. Недавно в нескольких лабораториях были установлены нуклеотидные последовательности ДНК, кодирующие α-субъединицы трансдуцина и трех G-белков. Судя по ДНК, аминокислотные последовательности этих четырех полипептидных цепей примерно на половине своей длины идентичны или почти идентичны друг другу.

При сравнительном анализе генетической информации обнаружилось, что в составе α-субъединиц трансдуцина и G-белков имеются как участки, оставшиеся неизменными в ходе эволюции, так и сильно дивергировавшие области . В каждом белке имеются три места связывания: одно для гуаниловых нуклеотидов, одно для активированного рецептора (родопсина или комплекса гормон-рецептор) и одно для эффекторного белка - фосфодиэстеразы или аденилатциклазы. Места связывания GTP и GDP, как и следовало ожидать, исходя из их решающей роли в каскаде возбуждения, оказались наиболее консервативными.

Кроме того, оказалось, что GTP-связывающие участки этих белков напоминают одну область функционально совершенно иного белка; так называемого фактора элонгации Tu. Этот белок играет важную роль в синтезе белков: он образует комплекс с GTP и с молекулами аминоацил-тРНК, а затем связывается с рибосомой, т. е. обеспечивает процесс элонгации - доставку аминокислот к месту роста синтезируемой полипептидной цепи. Цикл событий, происходящих с белком Tu в процессе его функционирования подобен трансдуциновому циклу. Цикл начинается расщеплением GTP. На молекуле Тu есть место связывания GTP, причем по аминокислотной последовательности оно очень сходно с участками связывания гуаниловых нуклеотидов в трансду-цине и различных G-белках.

Синтез белков - один из основных аспектов метаболизма клетки, и вероятно, что фактор элонгации Тu, участвующий в этом фундаментальном процессе, в ходе эволюции возник раньше, чем G-белки или родственный им трансдуцин. Этот интересный белок может быть предком и трансдуцина и G-белков. Контролируемое высвобождение и связывание белков, связанное с обменом GTP на GDP сформировалось на ранних этапах эволюции и фактор элонгации Тu, возможно, представляет один из первых эволюционных вариантов такого цикла.

Одна из удивительных особенностей эволюции заключается в том, что механизм, возникший применительно к определенной функции, может в дальнейшем изменяться и использоваться для совершенно иных функций. Именно это, и произошло с механизмом действия Тu. Сформировавшись в ходе эволюции для осуществления синтеза белка, он сохранялся на протяжении миллиардов лет и впоследствии вошел в систему передачи гормональных и сенсорных сигналов. В последние несколько лет одна из его функций - трансдуциновый цикл - изучен до мельчайших деталей. Результаты этих исследований имеют большое научное значение, поскольку удалось на молекулярном уровне понять один из наиболее удивительных сенсорных механизмов - механизм передачи света и зрительного возбуждения.

Возможно, вскоре будут раскрыты и новые представления о цветном зрении. Все еще неясно, является ли зеленый цвет, который мы видим, средним эффектом между желтым и синим цветом, или в некоторых случаях он соответствует длине волн, соответствующих зеленому цвету спектра.

Наш мозг может регистрировать зеленый цвет, как спектрометр, т.е., при определенной длине электромагнитных волн. Он также может регистрировать зеленый цвет и как смесь желтого и синего цветов. Восприятие цветов зрительным анализатором не может быть определено, как спектрометром.

В качестве примера смешивания электромагнитных волн, которые соответствуют зеленому и красному цвету, приводится желтый цвет. Считается, что при зрительном акте, действуют пары сине-желтый и зелено-красный цвет. Зрительный анализатор обладает свойством анализировать определенные диапазоны оптического спектра, как цвета. Смешение зеленого и красного цвета не производит никакого среднего цвета. Мозг воспринимает его, как желтый цвет. Когда происходит излучение электромагнитных волн, которые соответствуют зеленому и красному цвету, мозг воспринимает «среднее решение» – желтый цвет.

Таким же образом синий и желтый цвет воспринимаются, как зеленый. Это означает, что между парами - синий-желтый и зелено-красный цвет происходит спектральное смешивание цвета. Это относится и к положению, когда зрительный анализатор «принимает решение» о цветах, к которым он более чувствителен. Аналогично зеленый и синий цвет воспринимаются, как циан. Например, зрительный анализатор всегда воспринимает апельсин в оранжевом цвете, поскольку от него отражаются электромагнитные волны, которые соответствуют желтому и красному цвету. Ниже всего проявляется зрительная чувствительность к фиолетовому, синему и красному цвету. Причем смешение электромагнитных волн, которые соответствуют синему и красному цвету, воспринимается, как фиолетовый цвет. При смешении электромагнитных волн, которые соответствуют большему количеству цветов, мозг не воспринимает их, как отдельные цвета, или как «среднее» решение, а как белый цвет. Эти данные свидетельствуют о том, что представление о цвете не определяется однозначно длиной волны. Анализ производится «биокомпьютером» - мозгом, и представление о цвете, по своей сущности, является продуктом нашего сознания .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Структурные исследования родопсина и других родственных ему ретинальсодержащих хромофорных белков (йодопсин, бактериородопсин), а также выявление глазных патологий, связанных с его функционированием, продолжаются в НИЦМБ (Болгария) последние 10 лет, и среди вопросов, требующих скорейшего разрешения, можно выделить следующие:

Какие структурные превращения сопровождают активацию родопсина и придают ему способность взаимодействовать с рецепторными G-белками (трансдуцин, белки-киназы и аррестин)?

Каковы пространственные структуры комплексов активированного родопсина и трансдуцина?

Каков механизм клеточного «созревания» и деградации родопсина?

Дальнейшее исследование родопсина имеет не только научно-фундаментальное, но и прикладное значение, и может быть использовано для лечения или предотвращения биохимических нарушений зрения. Родопсин является наиболее исследованным белком из семейства GPCR-рецепторов, и вышеизложенные выводы, полученные для него, могут быть использованы для изучения структуры и функциональных свойств других трансмембранных белков этого семейства, например бактериородопсина .

ЛИТЕРАТУРА

1. Д. Хьюбел. Глаз, мозг, зрение / под ред. А. Л. Бызова., Мир, Москва (1990), 172 с.

2. M. J. Hogan, J. A Alvarado, J. E. Weddell. Histology of the Human Eye , Saunders, Philadelphia (1971), 115 p.

3. J. Nathans, D. Thomas, D. S. Hogness. “Molecular genetics of human color vision: the genes encoding blue, green, and red pigments”, Science , 232(47), 193–202 (1986).

4. R. Henderson, J. M. Baldwin, T. A. Ceska, F. Zemlin, E. Beckmann, K. H. Downing. “Model for the structure of bacteriorhodopsin based on high-resolution electron cryo-microscopy”, J. Mol. Biol ., 212 , 899–29 (1991).

5. K. Palczewski, T. Kumasaka, T. Hori, C. A. Behnke, H. Motoshima, B. A. Fox, I. Le Trong, D. C. Teller, T. Okada, R.E. Stenkamp, M. Yamamoto, M. Miyano, “Crystal Structure of Rhodopsin: A G-Protein-Coupled Receptor”, Science , 289 , 739–745 (2000).

6. Ю. А Овчинников, Н. Г. Абдулаев, М. Ю. Фейгина, И. Д. Артамонов, А. С. Богачук. “Зрительный родопсин: Полная аминокислотная последовательность и топология в мембране”, Биоорганическая химия , 10 , 1331–1340 19830.

7. P.A. Hargrave, J.H. McDowell, D.R. Curtis, J. K. Wang, E. Juszczak, S. L. Fong, J. K. Rao, P. Argos, “The structure of bovine rhodopsin”, Biophys. Struct. Mech ., 9 , 235–244 (1983).

8. G. F. Schertler, P. A. Hargrave, “Projection structure of frog rhodopsin in two crystal forms”, Proc. Natl. Acad . Sci . U . S . A ., 9 2, 11578–11582 (1995).

9. В. М. Липкин. “Зрительная система. Механизмы передачи и усиления зрительного сигнала в сетчатке глаза”, Соросовский образовательный журнал , 9 , 2–8 (2001).

10. Y. Shichida, H. Imai. “Visual pigment: G-protein-coupled receptor for light signals”, Cell. Mol. Life Sci ., 54 , 1299–1315 (1998).

11. А. Б. Рубин. Фотопревращения бактериородопсина и родопсина, Биофизика , т.2., Москва, Наука (2004), 87 с.

12. Y. Liang, D. Fotiadis, T. Maeda, A. Maeda, A. Modzelewska, S. Filipek, D. A. Saperstein, A. Engel, K. Palczewski. “Rhodopsin signaling and organization in heterozygote rhodopsin knockout mice”, J. Biol. Chem., 279 , 48189–48196 (2004).

13. J. M. Baldwin, G. F. Schertler, V. M. Unger. “An α carbon template for the transmembrane helices in the rhodopsin family of G-protein-coupled receptors”, J. Mol. Biol ., 272 , 144–164 (1997).

14. J. Fitzgibbon, B. Appukuttan, S. Gayther, D. Wells, J. Delhanty, D. M. Hunt. “Localisation of the human blue cone pigment gene to chromosome band 7q31.3-32”, Human Genetics , 93 (1), 79–80 (1994).

15. K. Palczewski “G-Protein-Coupled Receptor Rhodopsin”, Annu. Rev. Biochem ., 7 5, 743–767 (2006).

16. P. S. Park, S. Filipek, J. W. Wells, K. Palczewski. “Oligomerization of G-protein-coupled receptors: past, present, and future”, Biochemistry , 43 , 15643–15656 (2004).

17. I. Ignatov, M. Marinov. Color Kirlian Spectral Analysis. Color Observation with Visual Analyzer, EUROMEDICA, Hanover, (2008), 32 p.

18. О.В. Мосин, И. И. Игнатов. “Природный фотопреобразующий наноматериал бактериородопсин из галофильной бактерии Halobacterium halobium”, Наноматериалы и наноструктуры, 2 , 47-58 (2012).

Восприятие цвета – сложный процесс, обусловленный физическими и психологическими стимулами. С одной стороны ощущение цвета вызывается волнами определенной длины, существующими объективно и независимо от нас, с другой стороны – восприятие цвета невозможно без посредничества глаз. Это создает впечатление, что цвет существует лишь в восприятии.

Современная психология выделяет в цветовом зрении два качественных уровня: ощущение цвета и восприятие цвета, а творческая тематика курса требует третьего уровня: чувства цвета. Если ощущение понимается как простейший психологический акт, непосредственно обусловленный физиологией зрения, а восприятие – как более сложный процесс, определенный рядом закономерностей психологического характера, то чувство цвета в наибольшей степени относится к эмоциональной и эстетической сфере.

Ощущение цвета как простейший зрительный акт свойственно и некоторым видам животных, обладающих цветовым зрением. Но для человека чистого ощущения цвета не существует. Мы всегда видим цвет в определенном окружении, на том или ином фоне, в связи с предметной формой. В ощущении принимает участие и сознание. На качество восприятия цвета оказывает влияние состояние глаза, установка наблюдателя, его возраст, воспитание, общее эмоциональное состояние.

Однако все это лишь до известной степени изменяют качество восприятия, они только смещают его в ту или иную сторону. Красный цвет, например, будет в любых обстоятельствах восприниматься как красный, за исключением случаев патологии зрения. Рассмотрим некоторые особенности восприятия цвета.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЛАЗА. Так как основные различия между воспринимаемыми цветами сводятся к различию по светлоте, цветовому тону и насыщенности, то важно установить способность глаза различать изменения цвета по каждому из этих параметров.

При исследовании чувствительности глаза к изменению цветового тона было установлено, что глаз неодинаково реагирует на изменение длины волны в различных участках спектра. Изменение цветности наиболее заметно в четырех частях спектра, а именно в зелено-голубой, оранжево-желтой, оранжево-красной и сине-фиолетовой. К средней зеленой части спектра и к его концу, красному и фиолетовому, глаз наименее чувствителен. При определенных условиях освещения человеческий глаз различает до 150 цветовых оттенков. Число замечаемых глазом различий по насыщенности неодинаково для красной, желтой и синей поверхности и колеблется от 7 до 12 градаций.

Наиболее чувствителен глаз к изменению яркости – различает до 600 градаций. Способность к различию цветовых тонов не является постоянной и зависит от изменений цветовых объектов по насыщенности и яркости. При уменьшении насыщенности и увеличении или уменьшении яркости мы различаем цветовые тона хуже. При минимальной насыщенности хроматические цвета сводятся к двум различным тонам желтоватому (теплому) и синеватому (холодному). Подобным образом обедняется цветовая гамма и тогда, когда хроматические цвета становятся очень близки к белому или черному. Поэтому нельзя определить возможное общее число воспринимаемых глазом цветов путем простого перемножения количеств различных цветовых тонов, степеней насыщенности и светлоты.

Чувствительность глаза к отдельным цветам изменяется не только количественно, но также и качественно в зависимости от освещенности. При слабой освещенности не только понижается чувствительность глаза к различию цветовых тонов вообще, но и происходит смещение этой способности в сторону коротковолновой части спектра (синие и фиолетовые)

СМЕШЕНИЕ ЦВЕТОВ. Смешение цветов – одна из самых главных проблем теории цвета, потому что со смешением цветов человеческое зрение имеет дело постоянно. Ощущение цвета поверхности вызывается в нас не потоком световых волн одной какой-либо длины, а совокупностью различных по длине световых волн. Какой цвет мы при этом воспринимаем, будет зависеть от того, какой длины и интенсивности волны преобладают в потоке излучаемого света.

Если два окрашенных пятна располагаются рядом, то на определенном расстоянии они создают впечатление единого цвета. Такое смешение носит название АДДИТИВНОГО (слагательного). Если же на окрашенную поверхность накладывается другая цветная прозрачная пластинка, тогда смешение происходит в результате вычитания или отсеивания некоторых волн. Такое смешение называется вычитательным или СУБСТРАКТИВНЫМ. Выявлены следующие три основных закона оптического смешения.

1. Для всякого цвета имеется другой, дополнительный к нему. Будучи смешаны, эти два цвета дают в сумме ахроматический (белый или серый) цвет.

2. Смешиваемые (не дополнительные) цвета, лежащие по цветовому кругу ближе друг к другу, чем дополнительные, вызывают ощущение нового цвета, лежащего между смешиваемыми цветами. Красный и желтый дают оранжевый. Второй закон имеет наибольшее практическое значение. Из него вытекает тот факт, что путем смешения трех основных цветов в различных пропорциях можно получить практически любой цветовой тон.

3. Третий закон говорит о том, что одинаковые цвета дают и одинаковые оттенки смеси. Здесь имеется в виду случаи смешения одинаковых по цвету, но разных по насыщенности или по светлоте, а также смешение хроматического с ахроматическим.

ВЗАИМОДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЦВЕТА. Термин взаимодополнительные цвета весьма популярен в искусствоведении. Всегда отмечается исключительная роль этих цветов в создании цветовой гармонии.

Обычно ими называют три пары: красный – зеленый, синий – оранжевый, желтый – фиолетовый, не принимая во внимание, что каждое из этих родовых названий включает в себя большой диапазон цветовых тонов и не всякий зеленый является взаимодотолнительным ко всякому красному.

В цветоведении взаимодополнительность цветов определяется как способность одного какого-либо цвета дополнить другой до получения ахроматического тона, т.е. белого или серого, в результате оптического смешения. Вычислено, что дополнительной будет каждая пара цветов, длины волн которой относятся между собой как 1: 1,25.

Будучи же сопоставлены, эти пары представляют наиболее гармоничные сочетания и взаимно повышают насыщенность и светлоту друг друга, не меняя цветового тона.

КОНТРАСТ. Контраст можно определить как противопоставление предметов или явлений, резко отличающихся друг от друга по качествам или свойствам. А суть контраста в том, что будучи вместе, эти противоположности вызывают новые впечатления, ощущения и чувства, которые не возникают при рассмотрении их отдельно.

Контрастирующие цвета способны вызвать целую цепь новых ощущений. Например, белое и черное вызывают некоторый шок от внезапного перехода от белизны к черноте, кажущимися изменениями размеров и светлоты, возникновением пространственного эффекта и т.п.

Контраст – важное формообразующее средство, создает ощущение пространства. Цветовая гармония, колорит и светотень непременно включают в себя элементы контраста.

Леонардо да Винчи был первым, кто описал контраст: «Из цветов равной белизны и равно удаленных от глаза тот будет на вид чистым, который окружен наибольшей темнотою, и, наоборот, та темнота будет казаться более мрачной, которая будет видна на более чистой белизне, каждый цвет лучше распознается на своей противоположности». Контрасты разделяются на два вида: ахроматический (световой) и хроматический (цветовой). В каждом их них различаются контрасты: одновременный, последовательный, пограничный (краевой).

ОДНОВРЕМЕННЫЙ СВЕТОВОЙ КОНТРАСТ. «Чем ночь темнее, тем звезды ярче». Суть явления в том, что светлое пятно на темном фоне кажется еще более светлым – положительный контраст, а темное на светлом – темнее (отрицательный контраст), чем оно есть на самом деле. Если пятно окружено полем другого тона (светлее или темнее), то его называют реагирующим полем, а фон – индуктирующим. Реагирующее поле меняет свою светлоту сильнее, чем индуктирующее поле.

Если светлоты этих полей будут велики, то действие контраста заметно снижается. Явление светового контраста заметны и тогда, когда поля одного цвета, но разной светлоты. Такой контраст называется монохроматическим. В этом случае меняется не только светлота, но и насыщенность. В сущности, с одновременным контрастом мы имеем дело и при сочетании хроматических и ахроматических цветов.

Эксперименты, проведенные Б.Тепловым, показали, что эффект одновременного контраста зависит от абсолютной яркости индуктирующего и реагирующего полей и от разницы яркости этих полей. При очень низких и очень высоких различиях, контраст отсутствует или весьма незначителен.

Он зависит и от величины взаимодействующих полей. Чем меньше световое пятно, тем сильнее оно подвергается высветлению. Установлено также, что при равной яркости большее реагирующее поле всегда кажется темнее маленького индуктирующего. Контраст зависит также от расстояния между полями. Сила контраста убывает по мере увеличения расстояния между полями.

Эффект контраста зависит от формы реагирующего поля: круг или кольцо, квадрат или буква на одном и том же поле при одинаковых условиях будут сопровождаться различной силы контрастом.

Если мы имеем два рядом расположенных пятна, которые не относятся между собой как фигура и фон, то контраст, который они вызывают, образуется по принципу равного взаимодействия. Однако в данном случае контраст имеет тенденцию к исчезновению. Пока эти пятна достаточно велики и мы их рассматриваем одновременно, взаимодействие их остается заметным, при этом мы замечаем и пограничный контраст. Но если эти пятна достаточно малы или воспринимаются с большого расстояния, то возникает их оптическая смесь, и мы видим общий серый тон.

Явление одновременного светового контраста сопровождается не только потемнением или посветлением реагирующего поля, но и кажущимся изменением размеров. Светлое пятно на темном фоне кажется еще светлее и больше, а темное – на светлом как бы уменьшается в размерах и темнеет.

ОДНОВРЕМЕННЫЙ ЦВЕТОВОЙ КОНТРАСТ. Эффект одновременного цветового контраста возникает при взаимодействии двух хроматических цветов или хроматического с ахроматическим. Это более сложное явление, чем световой контраст, т.к. изменения по цветовому тону сопровождаются одновременным изменением по светлоте и насыщенности, причем последние могут быть более заметными, чем сам контраст.

Если требуется определить действие цветового контраста по цветовому тону, то необходимо, чтобы контрастирующие тона были близки по светлоте и насыщенности. Тогда нетрудно заметить, что при сопоставлении различных цветов в них появляются новые качества и дополнительные оттенки.

Существует тенденция цветов в контрасте отдаляться друг от друга. Например, желтый на оранжевом светлее, зеленеет, холоднеет. Оранжевый на желтом краснеет, темнеет, теплеет. Другого рода явления происходят при контрасте взаимодополнительных цветов. При их сопоставлении не возникают новые оттенки, но сами цвета увеличивают свою насыщенность и яркость. При рассмотрении их издалека, срабатывает закон аддитивного смешения, и сопоставляемые цвета тускнеют и, в конце концов, сереют.

ПОГРАНИЧНЫЙ КОНТРАСТ. Возникает на границах двух смежных окрашенных поверхностей. Наиболее четко проявляется, когда рядом две полосы, различные по светлоте или по цвету. При световом контрасте часть светлого участка, который ближе к темному, будет светлее, чем дальняя. Создается эффект неровности (ступеньки) и объема.

При хроматическом контрасте соседние тона меняются так же как и при одновременном контрасте, т.е. желтое пятно около красного зеленеет, но чем дальше от края, тем этот эффект становится слабее. Можно сказать, что одновременный и пограничный контрасты всегда выступают вместе.

Контрастное действие цветов исчезает, если между ними проложить хотя бы очень узкую светлую или темную полоску (она называется просновка), т.е. обязательным условием контраста является расположение цветов рядом.

Итак, при краевом и одновременном контрасте цвет воспринимается более темным, если он окружен более светлыми цветами и светлеет в окружении темных.

К цветовому пятну на цветном фоне как бы примешивается цвет, дополнительный к цвету окружения. Если цвет находится на фоне своего дополнительного цвета, то он воспринимается более насыщенным.

Если на цветной фон положить пятно того же цвета, но меньшей насыщенности, то его насыщенность еще больше уменьшится. Чем более насыщен цветовой фон, тем больше он действует на «соседей». Особенно это заметно при одинаковой или близкой светлоте.

Цвета, находящиеся на концах диаметра спектрального круга, не вызывают при сопоставлении изменения оттенка, зато становятся ярче от этого соседства. Расположенные близко в спектральном круге цвета слабо контрастируют, но приобретают новые оттенки. Все холодные цвета дают больший контраст, чем теплые. Контраст зависит от размеров полей; до определенного предела величина контраста увеличивается пропорционально расстоянию, после которого начинают действовать законы оптического смешения.

Эффективность контраста находится в обратной зависимости от яркости. Сильное освещение уничтожает действие контраста, а слабое освещение усиливает. Однако эффект при восприятии пары остается неизменен при любом освещении. На черном или темно-сером фоне цвета снижают свою насыщенность, а на белом или светло-сером – повышают.

Явление краевого и одновременного контрастов обязывает находить гармонию между соседними цветами, усиливая или уменьшая их контрастное взаимодействие. Например, за счет изменения размера взаимодействующих площадей; удаления или сближения цветных поверхностей; создавая или уничтожая между ними просновку и т.п.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ КОНТРАСТ. Если посмотреть на солнце, а затем перевести взгляд на белую стену, то некоторое время видится темное пятно – это размытое изображение солнца на сетчатке. Последовательный контраст заключается также и в том, что при переводе взгляда с одного красочного пятна на другое, мы наблюдаем на последнем несвойственный ему оттенок. Ученые объясняют это остаточным раздражением сетчатки глаза при восприятии предыдущего цвета, ибо цветовое ощущение имеет длительность и продолжается некоторое время, когда предмет уже исчез. В результате, когда мы переводим взгляд с ярко-красной поверхности на серую или белую, то видим зеленоватый оттенок на светлом, т.е. наблюдается не красный, а дополнительный ему зеленый цвет. Можно с полной уверенностью сказать, что последовательный контраст – это результат цветного утомления глаза от воздействия на него цвета. Это явление называется адаптацией.

Если цветовой раздражитель определенное время действует нам на глаза, то чувствительность к этому цвету начинает понижаться. Причем, цветовое утомление тем больше, чем ярче и насыщеннее цвет. Малонасыщенные цвета не создают последовательного контраста. Явление цветового контраста необходимо учитывать визажистам, особенно при работе над вечерним или подиумным макияжем, а также стилистам и парикмахерам при подборе цвета волос и одежды. Последовательный контраст выражается и в том, что воспроизводится и форма предыдущего цветового пятна.

ЦВЕТ ПОВЕРХНОСТИ. На первый взгляд кажется, что цвет предмета это их неотъемлемое свойство, такое же, как размер, вес, форма. Однако при определенных условиях освещения желтый предмет может казаться оранжевым или зеленоватым, синий – черным или фиолетовым. При отсутствии освещения вообще все предметы будут казаться черными. Но, несмотря на незначительные изменения цвета, мы понимаем, что помидор – красный, а трава – зеленая.

Физической основой, определяющей цвет предмета, служит способность поверхности определенным образом сортировать падающие на нее лучи света, т.е. какие-то лучи поглощать, а какие-то отражать, что и дает цвет поверхности. Но отражение и поглощение еще зависят от многих других стимулов, что делает практически невозможным увидеть цвет в чистом виде.

От спектрального состава отражаемого поверхностью света зависит и кажущаяся яркость. Все голубые, зеленые, фиолетовые тона делают поверхность темнее, а желтые и красные, наоборот, придают ей яркость. Желтое электрическое освещение добавляет красному насыщенности, оранжевый краснеет, желтый теряет свою насыщенность, сереет, а желто-синие становятся почти черными.

Художники-пейзажисты давно подметили, что зеленые листья при вечернем освещении слегка краснеют. Оказывается, листья поглощают не все красные лучи спектра, а лишь их часть, другую отражая. И, в то время, как все зеленые предметы вечером темнеют, листья деревьев приобретают красноватый оттенок.

Поверхностный цвет – это цвет, воспринимаемый в единстве с фактурой предмета. Пространственный цвет - это цвет удаленных от нас предметов, цвет разнообразных сред: неба, облаков, тумана, воды.

Плоскостным называется цвет, принадлежащий какой-либо плоскости, находящейся на таком расстоянии от глаза, что особенности ее структуры глазом не ощущаются, но благодаря сочетанию своей формы и действию контраста она выделяется на каком-то фоне и воспринимается как плоскость. Например, можем видеть разные поверхности одинаково зеленого цвета – трава и фанера на ней лежащая, различить их издали невозможно. На этой неспособности глаза различать фактурные качества на расстоянии, основывается маскировка.

По мере удаления от наблюдателя поверхностный цвет изменяется в зависимости от цвета той прозрачной среды, в которой он находится. Светлота будет понижаться у белого и желтого и повышаться у темных. Кроме того, совокупность цветов в результате оптического смешения будет восприниматься как один результирующий цвет.

ВЫРАЗИТЕЛЬНОСТЬ ЦВЕТА. Наиболее яркое живое описание основных цветов можно встретить у великого Гете, в его трудах, посвященных цвету. Это не просто мнение и впечатление одного человека, это слова поэта, который знал, как выразить то, что видят его глаза. Гете утверждал, что все цвета находятся между полюсами: желтого (наиболее близкого дневному свету) и синего (наибольшего оттенка темноты).

Положительные или активные цвета – желтый, оранжевый, красный – создают активное оживленное настроение. Синий, красно-синий, фиолетовый – отрицательные пассивные цвета – настроение тоскливое, безмятежное, мягкое, спокойное.

Красный, по мнению Гете, эмоциональный, волнующий, стимулирующий цвет. Это цвет королевской власти, он объединяет все цвета. В чисто красном – благородство, он создает впечатление как серьезности и достоинства, так и прелести и грации.

Желтый – спокойный, безмятежный, веселый, очаровывающий. По определению Гете желтый цвет обладает легкостью, производит, безусловно, теплое впечатление и вызывает благодушное настроение. Гете считает, что желтый цвет можно использовать для выражения стыда и презрения. А, по мнению великолепного русского живописца Кандинского, желтый цвет никогда не несет в себе глубокого значения. Желтый способен выразить у него насилие, бред умалишенного, а ярко-желтый – ассоциируется со звуком горна.

Оранжевый у Гете – дает глазам чувство теплоты и наслаждения. Ярко-оранжевый рвется к органам зрения, производит шок. А у Кандинского – олицетворяет силу, энергию, честолюбие, триумф.

Синий – холодный, пустой, но выражающий спокойствие. Гетовский синий всегда приносит что-то темное, синяя поверхность как будто уплывает от нас вдаль. Темно-синий – погружение в глубокое раздумье обо всех вещах, не имеющих конца. Голубой цвет создает спокойствие, а фиолетовый вызывает беспокойство, нетерпенье и даже бессилие.

Зеленый цвет – удачно сбалансированный - показывает устойчивость, свойственную чистым цветам, дает реальное удовлетворение, совершенную тишину и неподвижность.

ГАРМОНИЯ ЦВЕТА. Бог сотворил все мерою и числом – все в мире должно быть гармонично. Термин «гармония» как эстетическая категория возник в Древней Греции. Проблемы гармонии интересовали людей со времени Платона, Аристотеля, Теофраста до сегодняшнего дня. Эта категория теснейшим образом связана с такими понятиями как связанность, единство противоположностей, мера и пропорциональность, равновесие, созвучие, сомасштабность человеку. Кроме того, гармоническое – это обязательно возвышенное и прекрасное.

В общем понятии гармонии возможно выделить такие ее частные подразделения, как гармония звуков, форм, цветов. Термином цветовая гармония часто определяют приятное для глаз, красивое сочетание цветов, предполагающее определенную согласованность их между собой, определенный порядок в них, определенную соразмерность и пропорциональность.

Цветовые пятна на поверхности взаимосвязаны. Каждый отдельный цвет уравновешивает или выявляет другой, а два вместе, влияют на третий. Иногда изменение даже одного цвета в композиции ведет к ее разрушению.

Теория цветовой гармонии не может быть сведена к тому, какой цвет с каким гармонирует, она требует ритмичной организации цветовых пятен. Бессистемное нагромождение цвета создает пестроту.

Попытки построить нормативную теорию цветовой гармонии предпринимались на протяжении всего Х1Х века и позже.

Для создания классической цветовой гармонии необходимо выполнять некоторые правила подбора цветов

в гармонии должны быть заметны первоначальные элементы многообразия, т.е. присутствовать красный, желтый и синий цвета

многообразие тонов должно быть достигнуто через разнообразие светлого и темного

тона должны быть в равновесии, ни один не должен выделяться – это и есть цветовой ритм

в больших цветовых композициях цвета должны по порядку следовать один за другим так, как в спектре или радуге (мелодия единства)

чистые краски следует применять экономно из-за их яркости и лишь в тех местах, которую хочется выделить.

Это конечно очень формальный подход к гармонии, но и он имеет право на существование.

Более общие правила при создании цветовой гармонии заключаются в следующем:

выделение наиболее красивых изолированных цветов и определение условий, в которых эти цвета наиболее выигрышно смотрятся

выбор некоторой последовательности теплой и холодной гаммы цветов

сопоставление цветов по контрасту, создание условий в которых каждый цвет кажется красивее сам по себе.

Существенным фактором, определяющим качество цветовой гармонии является соотношение цветовых пятен по занимаемой площади. Существуют определенные пропорциональные соотношения площадей пятен, необходимые для достижения целостности и единства впечатлений при одинаковой насыщенности и светлоте. В случае же контраста по светлоте этот закон приобретает еще большую силу. Так, например, для уравновешивания большого светлого пятна достаточно в несколько раз меньшее по площади, но насыщенное, яркое пятно, контрастное по цвету и светлоте.

Интересным моментом является и цветной фон, на котором можно создать

композицию, например, небольшой гармоничный рисунок может потеряться на неподходящем ему поле. А если этот рисунок увеличить, то он может полезть вперед.

Небезразлично и в какой последовательности будут располагаться цветовые пятна. Неуравновешенность или однообразие в ритме тоже может привести к отрицательному эффекту (пуговицы или украшения на одежде).

Не стоит забывать, что существует взаимодействие между очертаниями пятна, его

формой и цветом. Часто форма подчиняется цвету и наоборот: «острые» цвета сильнее по действию в треугольниках (желтый цвет прекрасно смотрится в геометрических формах). А, склонные к сильному воздействию красный и синий, цвета очень подходят для округлых форм. Если взять ряд квадратов, кругов и треугольников и окрасить их в разные цвета, то можно заметить, как форма и цвет взаимодействуют друг с другом. Круг может приобретать углы и грани, а квадрат наоборот, терять углы и приобретать вогнутость сторон.

ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ЦВЕТОВОЙ ГАРМОНИИ

Гете сделал попытку охарактеризовать чувственно-эмоциональное воздействие не только отдельных цветов, но и их разнообразных сочетаний. Основным, определяющим признаком качества цветовой гармонии им была признана целостность цветового впечатления. Согласно Гете, глаз неохотно терпит ощущение одного какого-либо цвета и требует другого, который составил бы с ним целостность цветового круга.

цвета, стоящие на концах диаметра спектрального круга, всегда воспринимаются как гармоничные

«характерными» называют сочетания цветов, расположенных на хордах с проскакиванием одного цвета (все характерное возникает только благодаря своему выделению из целого)

сопоставление цветов на короткой хорде – бесхарактерны, они не могут произвести значительного впечатления

Гете заметил, что впечатление от сочетания цветов может быть различным в зависимости от разности или одинаковости их светлот и от их насыщенности. И еще Гете заметил, что теплые цвета выигрывают при сопоставлении с черным, а холодные – с белым.

ГАРМОНИЯ ВЗАИМОДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ЦВЕТОВ

Это самые гармоничные сочетания. Гармоничность сочетания взаимодополнительных цветов может быть объяснена психофизическими закономерностями зрения, на которые обратил внимание еще Ломоносов и, на основе которых возникла трехкомпонентная теория цветового зрения.

Суть: наш глаз, имеющий три цветообразующих приемника, всегда требует их совместной деятельности – он как бы нуждается в цветовом балансе. А поскольку один из пары взаимодополнительных цветов представляет сумму двух основных, то в каждой паре оказывается наличие всех трех цветов, образующих равновесие. В случае сочетания других цветов, этот баланс отсутствует, и глаз испытывает цветовое «голодание».

Возможно, на этой физиологической основе и возникает определенная неудовлетворенность, отрицательная эмоциональная реакция, величина которой будет зависеть от того, насколько заметно это нарушение баланса.

Для человеческого глаза привычно воспринимать полный комплект цветов, и в повседневной жизни движение глаз регулирует зрительное восприятие таким образом, чтобы видеть как можно больше цветов, так как действие на глаза одного цвета вначале просто неприятно, затем начинает раздражать, а потом, в зависимости от яркости и длительности восприятия, может привести к резко отрицательной реакции и даже психологическому расстройству.

ЦВЕТОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ. Композиция цветовых пятен, построенная с учетом всех рассмотренных закономерностей цветовой гармонии, будет ограничена, если не будет служить главному – созданию образа.

Композиционная функция цвета заключена в его способности акцентировать внимание зрителя на наиболее важной детали. Очень существенна для создания цветной композиции, ее способность создавать за счет светлоты, цветового тона и насыщенности свой рисунок.

Цветовая композиция требует соответствующей ритмичной организации цветовых пятен. Бессистемное нагромождение большого числа цветов, даже с учетом их сочетаемости, создает пестроту, раздражает и затрудняет восприятие.

Цветовая композиция – это некое целое, в котором все согласуется и соответствует друг другу, создавая приятное впечатление для глаз.

Понятие гармонии необходимо включает в себя и дисгармонию как свою антитезу.

Если для Античности, Средневековья, Возрождения именно гармония служила идеалом, то уже в эпоху Барокко гармонии стали часто предпочитать диссонанс. В наш век экспрессионизм решительно отвергает принципы классической гармонии и, в поисках большей выразительности, часто обращаются к заведомо или даже нарочито дисгармоничным сочетаниям. Однако это не умаляет значения важности изучения классических принципов, т.к. это ключ к пониманию цвета и цветовых композиций вообще.

КОЛОРИТ. Существенную роль в создании любой композиции играет объединение цветов. Обычно объединяются между собой цвета, равные по светлоте и близкие друг другу по цветовому тону. Когда цвета тонально объединены между собой, то замечаются их качественные изменения, проявляющиеся в особой их звучности. Цвет, выпадающий из общей тональности, не согласованный с нею, кажется чуждым, мешает восприятию образа.

Гармоническое сочетание, взаимосвязь, тональное объединение различных цветов называется колоритом. Колорит раскрывает нам красочное богатство мира.

Термин «колорит» вошел в художественный лексикон в начале 18 века и почти сразу появился и утвердился в русском художественном словаре. Он происходит от латинского слова «соlor» - цвет, краска.

Колорит характеризует некую оптическую совокупность всех цветов, рассматриваемых с некоторого расстояния. Именно в этом смысле принято говорить о теплом, холодном, серебристом, мрачном, скучном, веселом, прозрачном, золотистом и т.п. колорите – особенности цветового строя, предпочтению тем или иным цветам, выражающим образ.

Однако следует отдавать должное и тому факту, что общий цветовой тон, который мы называем колоритом, может возникать совершенно случайно, помимо воли создателя и может быть присущ любому цветовому сочетанию.

Развитие науки о цвете, а также истории и теории искусства в 19 и 20 веках приводит к более глубокому и всестороннему анализу понятия «колорит». Становится понятным, что не всякий работающий с цветом, пусть даже и очень красиво и изящно, является колористом. Колорит – это особая способность художника, в широком смысле этого слова, распоряжаться цветом, настолько загадочная и непонятная, что появились даже высказывания о «тайне» колорита, «магии» колорита, о его непостижимости. А среди художников стала излюбленной поговорка: «Рисунку можно научиться, а колористом нужно родиться».

Колорит теснейшим образом связан с цветом, однако совокупность цветов еще не определяет колорит. Колорит – это система цветов, но система и сумма - не одно и то же. Система закономерна, обладает единством, целостностью и воспринимается как единое целое.

Нет смысла говорить об эмоциональной роли цвета вообще. Один и тот же цвет, будучи цветом различных предметов или объектов воспринимается совершенно по-разному. Цвет в жизни воспринимается не в его колориметрических характеристиках, а в зависимости от окружающих цветов и освещения, причем он всегда подчинен общей тональности.

Дени Дидро приводит пример: «Сравните сцену природы днем при сияющем солнце и при пасмурном небе. Там сильнее свет, цвет и тени, здесь все это бледное и серое. При изменении освещения и окружения неминуемо меняются характеристики цвета. Можно сказать, что свет является общим колоритом данного пейзажа».

Рассмотрим изменение цвета при различном освещении:

в сумерках или в пасмурный день, когда сила освещенности сравнительно мала, цвета существенно темнеют, теряя насыщенность

наиболее верное представление о цвете можно составить только при дневном свете без солнца; в комнате днем, по мере удаления от окна, цвета слабеют, сереют, теряя насыщенность

ночью вообще трудно определить цвет, а утром вначале становятся заметны голубые, синие, зеленые, потом желтые и самыми последними набирают насыщенность красные цвета

при солнечном свете все цвета хорошо видны; при ярком свете в полдень все цвета высветляются. От солнечного света наиболее страдают холодные цвета: голубой, синий, зеленый – они слегка блекнут, фиолетовый краснеет. Теплые цвета - желтый, оранжевый и красный – меняются меньше

к вечеру цвета вновь плотнеют и темнеют, последовательно меркнут желтый, оранжевый, зеленый, синий, дольше всех остается виден холодный красно-фиолетовый цвет

желтое электрическое освещение затемняет все цвета и придает им чуть красноватый оттенок, создавая теплый колорит

«дневной» электрический свет тоже меняет все цвета, делая их более холодными и темными

Цвет лучей того или иного источника света объединяет цвета, делая их родственными и соподчиненными. Как бы ни были разнообразны краски в жизни, цвет освещения, присутствующий на всех предметах и деталях объединяет их колористически. От освещения меняется не только яркостные характеристики цвета, но и прочие качества, включая фактурные характеристики. Нельзя рассматривать цвет независимо от предметных связей и от освещения. Тональная соподчиненность определяет характер каждого цвета цветовой системы, который не исчерпывается тремя основными характеристиками: светлотой, насыщенностью и цветовым тоном. Сюда необходимо прибавить плотность цвета, его весовые качества, пространственные и другие свойства. В некоторых случаях цвет достигает значения символа.

Цвет приобретает определенную выразительность только, когда вступает в содружество с остальными цветами, т.е. в систему цветов, а это и есть колорит. Совокупность цветов, находящихся в определенных соотношениях друг с другом, наделенных определенным смыслом, образует конкретный, чувственно воспринимаемый строй, способный выразить цель и смысл данной композиции.

Чтобы верно создать образ нужно научиться видеть целостно. Так в руководстве по живописи говорится, что умение видеть и постановка глаза художнику (а мы добавим и имиджмейкеру) нужны, чтобы замечать пластические качества, объемную форму, строение, цвет, светотени, фактурные качества, а также, чтобы находить значительное и красивое и уметь все это показать.

При обычном видении мы рассматриваем только то, на что направлен взгляд. «При широком охвате видимого человек не всматривается, - писал Б.Иогансон, - а видит обобщенно… и, охватывая взглядом одновременно все, вдруг замечает то, что особенно ярко, а что еле заметно. Нужно идти от целого, чтобы получить возможность сравнивать детали, чего лишается человек, идущий от детали».

Константин Коровин: - «Воспитывай глаз сначала понемногу, потом шире распускай глаз, а в конце концов все надо видеть вместе. И тогда то, что не точно было взято, будет фальшивить, как неверная нота в оркестре».

Необходимо научиться отвлекаться от заранее известного, чтобы увидеть те отношения в которых находятся детали в момент наблюдения.

ПСИХОФИЗИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЦВЕТА И ЕГО СИМВОЛИКА

«Цвета есть раздражающие и успокаивающие, кричащие, спорящие друг с

другом и живущие ласково один возле другого. В их борьбе или согласии

и есть воздействие цвета на человека через чувство зрения».

К.Петров-Водкин

Вопросами эмоционального воздействия цвета на человека интересовались многие практики и теоретики искусства – Леонардо да Винчи, И.Гете, Э. Делакруа, М.Дерибере, К.Юон, И.Грабарь и др.

Физиологам давно известно о независящем от настроения субъекта физиологическом влиянии цвета. Заметим, что действие каждого цвета и специфика его внутреннего значения не зависят от отношения человека к нему. Цвет может нравиться или не нравиться, но характер его влияния, специфика его воздействия на психику остаются неизменными, вне зависимости от состояния организма в момент воздействия. Таким образом, символическое значение цвета, его «психологический код» действительно объективны и не зависят от положения того или иного цвета в ряду индивидуального предпочтения.

Каждый цветовой оттенок производит одно и то же действие на любой живой организм, вызывает вполне определенный сдвиг в состоянии всякой биосистемы, будь то мышь или человек.

«В своих самых общих элементарных проявлениях, независимо от строения и форм того материала, на поверхности которого мы его воспринимаем, цвет оказывает известное воздействие на чувство зрения, а через него и на душу, - писал Гете. Цвета действуют на душу: они могут вызывать чувства, пробуждать эмоции и мысли, которые нас успокаивают или волнуют, они печалят или радуют». До сих пор не разрешена загадка цвета – почему и как именно влияет он на настроение и поведение человека. Что позволило Василию Кандинскому назвать живопись «цветовым инструментом состояния души»? Почему человек столь чутко откликается на всевозможные цветовые коды окружения?

Известный психиатр В.М.Бехтерев утверждал: «Умело подобранная гамма цветов способна благотворнее действовать на нервную систему, чем иные микстуры». Аристотель писал: «Все живое стремится к цвету… Цвета по приятности их соответствий могут относиться между собой подобно музыкальным созвучиям и быть взаимно пропорциональными». Ивли Грант заметил: «Чем больше смотришь на этот мир, тем больше убеждаешься в том, что цвет был создан для красоты, и красота эта – не удовлетворение прихоти человека, а необходимость для него».

Действительно, цвет способен возбуждать и подавлять, возносить и низвергать, лечить и облагораживать. Приведем несколько выдержек из замечательной книги Мориса Дерибере «Цвет в деятельности человека»:

«Физиологическое и психофизическое воздействие цвета на живые существа позволило разработать богатую технику цветотерапии… Особое внимание привлекал красный цвет, который использовали еще средневековые врачи для лечения ветряной оспы, скарлатины, кори и некоторых других кожных заболеваний. Изучались и другие цветовые лучи. Лечение невралгических явлений светом началось очень давно. Вначале оно было эмпирическим, но после наблюдений Плезантона над болеутоляющим свойством света, пропущенного через голубой фильтр, и наблюдений Поэга над тем же свойством фиолетового цвета, оно стало более точным. В начале нашего века несколько русских и немецких терапевтов подтвердили наблюдения о благоприятном воздействии голубых и фиолетовых лучей при лечении невралгических заболеваний…»

Зеленый цвет был использован Пото при лечении нервных заболеваний и психопатических расстройств. Он считал, что зеленый цвет действует в тех случаях, когда нужно дисциплинировать ум и тело и вынудить больного контролировать свои поступки.

Возможности цветовоздействия попросту фантастичны. Прямое облучение светом, использование лазерных устройств, создание однотонных интерьеров, применение пропускаемых через самоцветы светотоков, направленное влияние на точки акупунктуры, целевое воздействие на активные зоны радужки глаза – сегодня существует множество методов введения цветоэнергий в информационно-энергетический метаболизм человека. Причем все эти приемы эффективны вне зависимости от степени осознания человеком характера и направленности цветоэнергетического воздействия. Цвет, как и звук, является естественным интегратором физиологических и психических процессов

О влиянии цвета на психику человека и его использовании в медицине пишет М.Дерибере по результатам исследования доктора Подольского: « Зеленый цвет влияет на нервную систему. Это болеутоляющий, гипнотизирующий цвет. Эффективен при нервной раздражительности, бессоннице и усталости, понижает кровяное давление поднимает тонус, создает ощущение тепла, расширяя капиллярные сосуды. Облегчает невралгии и мигрени, связанные с повышенным кровяным давлением. Зеленый успокаивает, и его употребление не дает никаких вредных последствий

Голубой цвет – антисептический. Он уменьшает нагноения, может быть полезен при некоторых ревматических болях, при воспалениях и даже при лечении рака. Чувствительного человека голубой облегчает больше, чем зеленый. Однако от слишком долгого облучения голубым цветом возникает некоторая усталость или угнетенность.

Оранжевый цвет стимулирует чувства и слегка ускоряет пульсацию крови. Не влияет на кровяное давление, создает чувство благополучия и веселья, Имеет сильное стимулирующее действие, но может утомить.

Желтый цвет стимулирует мозг. Может быть эффективен в случае умственной недостаточности. Долгое облучение препятствует колебаниям в течении болезни.

Красный цвет – теплый и раздражающий. Он стимулирует мозг, эффективен для меланхоликов.

Фиолетовый действует на сердце, легкие и кровеносные сосуды, увеличивает выносливость ткани. Аметистовый цвет имеет стимулирующее действие красного и тоническое действие голубого.

В течение длительного времени исторического развития в сознании людей закрепились определенные ассоциативные связи различных цветов или цветовых сочетаний с различными жизненными ситуациями и явлениями. В отдельные периоды истории изобразительного искусства символике цвета принадлежала важная роль, например, в средние века.

Белый цвет олицетворял чистоту и непорочность, красный – кровь святого, зеленый – надежду на бессмертие души, голубой цвет символизировал печаль.

Известно символическое значение каждого цвета в русской иконописи, обусловленное различными художественными течениями, как местными, так и привезенными из Византии и от южных славян.

В русской иконописи цвет золота символизировал идеи библейского рая, был символом истины и славы, непорочности и нетленности, олицетворял идею очищения души. Красный цвет в иконописи символизировал прежде всего кровь Иисуса Христа, был символом пламенности, огня, жизни. Пурпурный цвет в искусстве Византии олицетворял идею императорской власти. Голубой – идеи созерцательности, цвет неба и горного мира. Зеленый – идеи надежды, обновления, юности. Часто применялся и применяется для обозначения райского сада. Белый в русской иконописи символизировал причастность к божественному свету.

Известно символическое значение цвета и в народном творчестве, которое складывалось под воздействием окружающей природы. У многих народов красный – символ солнца и любви, зеленый – надежды, белый – чистоты и невинности.

Вывод напрашивается сам собой: можно управлять живой системой и психическими процессами самым естественным образом, влияя наиболее привычным путем, достигая значительных результатов правильным подбором цветов и формы одежды, причесок, макияжа, интерьера, создавая вокруг себя благоприятную гармоничную цветовую обстановку, без использования синтетических лекарств и сложных физиотерапевтических воздействий.

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение гимназия

Контрольная работа

На тему: «Восприятие цвета»

Харитонов Лев

Введение

Что такое цвет

Восприятие цвета

Спектр. Основные виды цвета

Выводы и заключение

Литература

Введение

Свет дает нам возможность видеть и изучать все окружающее нас на земле, а также многое находящееся вне земли в беспредельном космическом пространстве. Мы ощущаем свет при помощи органа зрения - глаза. При этом мы ощущаем не только свет, но и цвет. Мы не просто видим освещенные или светящиеся окружающие нас предметы, но и можем судить об их окраске. Свойство глаза - не только видеть окружающие нас предметы и явления, но и ощущать их цвет - дает нам возможность наблюдать неисчерпаемые богатства красок природы и воспроизводить цвета, нужные нам в разных областях жизни и деятельности.

Цель нашей работы - изучить, что такое цвет, как он образуется и где применяется.

Для достижения поставленной цели нами поставлены следующие задачи:

По литературным источникам и материалам сети Интернет познакомиться с определением понятия цвет, видами цвета, особенностями восприятия цвета глазом и механизмами получения цветного изображения.

Провести опыты различными методами сложения цветов.

Рассмотреть применение цвета в различных областях нашей жизни

В работе использовались следующие методы исследования:

анализ литературных источников;

эксперимент;

фотографирование и видеозапись.

1. Что такое цвет

Цвет - характеристика видимого света, диапазон электромагнитных волн.

Цвет можно связать со спектральными характеристиками лучей света, имеющих определённую длину волны. Действие света на фоторецепторы глаза, определяет характер ощущения цвета. Свет - это одна из форм энергии. Источники света - различные тела, испускающие световые лучи. Другие тела только отражают свет. Именно благодаря этому мы их видим (в абсолютное темноте тела не отражают свет, и мы ничего не видим).

Свет состоит из лучей разного цвета. Убедиться в этом можно, пропустив солнечный свет через призму. Исаак Ньютон провел опыт по разложению солнечного света (рис.1). Он использовал для разложения света маленький кусочек стекла в форме трехгранной призмы. Когда солнечные лучи проходят сквозь капли дождя, каждая капелька работает как призма и возникает радуга. Цвет предметов зависит от того, лучи какого цвета они поглощают и отражают. Характеристики цвета и его особенности связаны с физическими свойствами объекта, материала, источниками света, и т.д., такими как, например: спектры поглощения, отражения, или эмиссии.

цвет спектральный свет

Рис. 1. Схема разложения пучка белого света в спектр с помощью стеклянной призмы.

Стекло пропускает все видимые лучи. Белый материал отражает все видимые лучи. Черный материал поглощает все лучи. Зеленый лист поглощает красные лучи, отражает зеленые. Красный материал отражает красные лучи, другие поглощает.

Восприятие цвета

Цвет - это одно из свойств объектов материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Тот или иной цвет «присваивается» человеком объектам в процессе их зрительного восприятия.

В подавляющем большинстве случаев цветовое ощущение возникает в результате воздействия на глаз потоков электромагнитного излучения из диапазона длин волн, в котором это излучение воспринимается глазом (видимый диапазон - длины волн от 380 до 760 нм). Иногда цветовое ощущение возникает без воздействия лучистого потока на глаз - при давлении на глазное яблоко, ударе, электрическом раздражении и др., а также по мысленной ассоциации с другие ощущениями - звука, тепла и т.д., и в результате работы воображения. Различные цветовые ощущения вызывают разноокрашенные предметы, их разноосвещённые участки, а также Источники света и создаваемое ими освещение. При этом восприятия цветов могут различаться (даже при одинаковом относительном спектральном составе потоков излучения) в зависимости от того, попадает ли в глаз излучение от источников света или от несамосветящихся объектов. В человеческом языке, однако, используются одни и те же термины для обозначения цвета этих двух разных типов объектов. Основную долю предметов, вызывающих цветовые ощущения, составляют несамосветящиеся тела, которые лишь отражают или пропускают свет, излучаемый источниками. В общем случае цвет предмета обусловлен следующими факторами: его окраской и свойствами его поверхности; оптическими свойствами источников света и среды, через которую свет распространяется; свойствами зрительного анализатора и особенностями ещё недостаточно изученного психофизиологического процесса переработки зрительных впечатлений в мозговых центрах.

В настоящее время восприятие цвета связывают с трёхкомпонентной гипотезой зрения. В её основе лежит предположение о том, что сетчатка (организма, глаза) должна содержать три типа фоторецепторов (названные ячейками колбочками) с различными спектрами поглощения, например, поглощение «красных» лучей света, где, например, колбочки более чувствительные к красным лучам света более активно на них реагируют. Аналогично происходит с взаимодействиями других колбочек, более чувствительных к другим основным цветам (например, к синему, зелёному цвету). Существуют и предположения, что число таких типов фоторецепторов может быть больше чем три. Однако на сегодняшний день подтверждения этим гипотезам нет.

Спектр. Основные виды цвета

Вспомните одно из красивейших явлений природы - радугу. Дождь не совсем прошёл, сквозь облака пробиваются лучи солнца, и на небе появляется огромная многоцветная радуга, цвета которой плавно переходят один в другой.

Глядя на радугу, невозможно указать границы отдельных цветов можно назвать лишь несколько характерных участков, расположенном в следующем порядке сверху вниз: красный, оранжевый, жёлтый, жёлто-зелёный, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. В действительности же каждый из указанных цветовых участков радуги в свою очередь состоит из множества цветовых оттенков, плавно переходящих один в другой. Свойства нашего глаза таковы, что в пределах каждого цветового участка мы отличаем друг от друга лишь ограничённое число цветов. Ньютон дал объяснение появления радуги. Лучи солнца преломляются в дождевых каплях, как в призмах, и белый свет раскладывается на составные части. В результате мы видим радугу, состоящую из множества спектральных цветов, переходящих один в другой.

Радуга является спектром солнечного света. Если бы мы через трёхгранную призму пропустили свет обычной электрической лампы накаливания, то убедились бы в том, что спектр лампы накаливания похож на спектр солнечных лучей. Все накаленные тела дают спектр одного и того же вида. Переход от одного цвета в другой происходит непрерывно, поэтому такой спектр называют непрерывным. Весь спектр можно разделить по цветовым оттенкам на две части. В одну часть входит красный, оранжевые, жёлтые и жёлто-зелёные цвета, а в другую - фиолетовые, синие, голубые и зелёные цвета. Цвета первой части спектра связываются с представлением о цвете накаленных тел - огня, поэтому их называют тёплыми цветами. А цвета второй части спектра связываются с цветом воды, льда, металла и называются холодными цветами.

Основные и дополнительные цвета.

Понятие «дополнительный цвет» было введено по аналогии с «основным цветом». Было установлено, что оптическое смешение некоторых пар цветов может давать ощущение белого цвета. Так, к триаде основных цветов Красный - Зелёный - Синий дополнительными являются Голубой - Пурпурный - Жёлтый - цвета. На цветовом круге эти цвета располагают оппозиционно, так что цвета обеих триад чередуются. В полиграфической практике в качестве основных цветов используют разные наборы «основных цветов».

Первичные и вторичные цвета.

Это разделение основано на синтезе идей многих учёных (Ломоносов, Юнг, Гельмгольц, Геринг). К первичным относят «основные цвета», вторичными - именуют все остальные, которые можно получить при смешивании основных.

Хроматические и ахроматические цвета.

Все цвета, встречающиеся в природе разделяются на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый и черный цвета, а также серый цвет, являющийся промежуточным между белым и черным цветами. Все серые цвета могут быть получены смешением черного и белого цветов, взятых в разных пропорциях. Например, если смешать сажу с мелом в разных пропорциях, то получаются, то получаются черные серые цвета различной светлоты. Ахроматические цвета в спектре отсутствуют - они бесцветны. В природе имеется бесчисленное количество цветов. Однако глаз человека способен различать лишь ограниченное их число - около 300 ахроматических цветов от белого до черного.

Хроматическими цветами являются все цвета, имеющие тот или иной цветовой оттенок. К ним, например, относятся все спектральные цвета (зеленый, желтый, красный и т.д.)

Что определяет цвет предметов

Чем же определяется цвет окружающих нас предметов? Какой физический смысл соответствует нашим представлением о том, что трава зелёная, небо голубое, краска красная и т.д.?

Пусть на какое-нибудь просвечивающее тело падает световой поток источника света с непрерывным или линейчатым спектром. Часть этого светового потока отразится от поверхности тела, часть его пройдет через тело, и часть поглотится им. Отношение отраженного и пропущенного телом световых потоков к падающему световому потоку носит название общих, или суммарных, коэффициентов отражения и пропускания и выражаются в процентах. Так, напр., свежевыпавший снег имеет коэффициент отражения 85, белая бумага, 75, черная кожа - 1 - 2%. Это означает, что снег отражает 85, белая бумага 75, а черная кожа - 1 - 2% падающего на них светового потока.

Поверхности, не изменяющие спектрального состава падающего на них света и имеющие коэффициент отражения не менее 85%, называются белыми (снег). Тела или среды, через которые световой поток проходит без изменения его спектрального состава, называются бесцветными. Например, прозрачное оконное стекло.

Поверхность, покрытая красной краской освещенная белым солнечным светом, представляется нам красной. Если мы смотрим через синий светофильтр (синее стекло) на светящуюся нить лампы накаливания, последняя представляется нам синего цвета. Это означает, что поверхность, покрытую краской, мы потому и видим красной, что она хорошо отражает красные, оранжевые и желтые лучи и плохо все остальные. Глядя через синий светофильтр на светящуюся нить лампы накаливания, мы видим последнюю синей потому, что синий светофильтр из всей совокупности лучей лампы накаливания пропускает только синие, фиолетовые и голубые лучи, которые в результате вызывают у нас ощущение синего цвета.

Тела и среды, которые неодинаково отражают или пропускают свет разных длин волн, имеют при освещении белым светом ту или иную окраску, соответствующую их физическим свойствам, и называются цветными.

Таким образом, цвет предметов, окружающих нас, зависит, во-первых, от их способности отражать или пропускать падающий на них световой поток и, во-вторых, от распределения светового потока в спектре освещающего их источника света.

Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это означает, что из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи. Отраженные поверхностью лучи воздействуют на наш глаз, и у нас создается ощущение зеленого цвета. Среда (стекло, жидкость), представляющаяся нам окрашенной в зеленый цвет (при освещении белым светом), пропускает из всей совокупности лучей, составляющих белый свет, преимущественно зеленые лучи.

Видимая нами окраска предметов зависит также от яркости цвета.

Проведем опыт. Пусть лист бумаги, выкрашенный в любой цвет, освещается прямым солнечным светом. Заслоним каким-либо белым непрозрачным предметом половину листа бумаги от прямых солнечных лучей. Одна часть листа будет затенена, и яркость ее будет меньше чем второй её части. И хотя обе половины листа бумаги, затененная и незатененная, одинаково отражают свет, т.е. качественно одинаковы, но цвет их различен. Различие состоит в том, что яркости обеих частей бумаги не одинаковы.

Так, розовый цвет при малых яркостях будет нам представляться цветом бордо, желтый - коричневым, а голубой - синим. Яркость цвета - количественный его параметр.

Смешение цветов и цветное изображение

Спектральные цвета являются самыми чистыми цветами, которые нам приходится наблюдать, так как в них отсутствует примесь белого цвета. Однако они не исчерпывают существующего в природе многообразия цветов. Полный набор встречающихся в природе цветов может быть получен при смешении спектральных цветов между собой в различной пропорции, а также смешением спектральных цветов с ахроматическими - белым и черным.

Под смешением цветов понимают явление образования новых цветов путем составления их из двух или нескольких других цветов.

Многочисленными опытами установлено, что некоторые пары хроматических цветов, смешанные в определенной пропорции, образуют ахроматический цвет. Два цвета, образующих при смешении ахроматический цвет, называются взаимодополнительными. В природе существует бесчисленное множество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных. Такими цветами являются, например, красный и голубой, синий и желтый, зеленый и пурпурный. Если один из двух взаимодополнительных цветов относится к теплым, то другой - к холодным цветам. Это совершенно понятно, так как в составе теплых цветов почти отсутствуют синие и голубые, а в холодных - красные и оранжевые излучения. В белом же присутствуют и теплые и холодные цвета.

Аддитивное сложение цветов.

Аддитивное смешение цветов - метод синтеза цвета, основанный на сложении аддитивных цветов, то есть цветов непосредственно излучающих объектов. Метод основан на особенностях строения зрительного анализатора человека, в частности на таком явлении как метамерия.

Смешивая три основных цвета: красный, зелёный и синий - в определенном соотношении, можно воспроизвести большинство воспринимаемых человеком цветов.

Один из примеров использования аддитивного синтеза - компьютерный монитор, цветное изображение на котором основано на цветовом пространстве RGB и получается из красных, зеленых и синих точек.

Рис. 2. Аддитивное (а) и субтрактивное (б) сложение цветов

В противоположность аддитивному смешению цветов существуют схемы субтрактивного синтеза. В этом случае цвет формируется за счет вычитания из отраженного от бумаги (или проходящего через прозрачный носитель) света определенных цветов. Самая распространенная модель субтрактивного синтеза - CMYK, широко применяющаяся в полиграфии.

Субтрактивный способ образования цветов широко применяется в цветном кино и цветной фотографии. Субтрактивное образование цветов имеет место при наложении красок на поверхность бумаги, полотна или других материалов. Краска представляет собой зёрна одного или нескольких различных пигментов, перемешанных между собой и скреплённых каким-либо связующим веществом. Связующее вещество может быть бесцветным и прозрачным или обладать избирательным пропусканием и некоторым рассеянием.

Опыт по аддитивному смешению цветов при отражении света заключается в следующем. Два диска разного цвета, разрезанные по радиусу, вставляются один в другой так, что получается диск, состоящий из двух секторов разных цветов (рис. 3). Надвигая один диск на другой, можно изменять соотношение площадей секторов взятых цветов.

Рис. 3. Диски с раздвигающимися секторами для смешения цветов при вращении

При быстром вращении дисков вокруг их центров с помощью небольшого электрического двигателя мы не различаем раздельно составляющих этот кружок цветных секторов. Цветные секторы быстро следуют один за другим, и создают в глазу ощущение одного смешанного цвета. Изменяя соотношение разноцветных секторов, можно получить всевозможные смеси, промежуточные между взятыми цветами.

Таким образом, смешением основных цветов с помощью небольшого электромотора можно получить множество различных промежуточных оттенков.

Аналогично - путем аддитивного сложения основных цветов (красного, зеленого и синего) получается изображение и на экране монитора компьютера, мобильного телефона и т.п. Мы убедились в этом, изучив изображение на экране мобильного телефона под микроскопом (рис. 4). Как видно на рисунке, оно построено из мельчайших прямоугольников - пикселей, светящихся красным, синим и зеленым цветом.

Рис. 4. Фрагмент изображения на экране мобильного телефона под микроскопом

При наложении же краски на лист белой бумаги цвета получаются иными, так как в этом случае имеет место субтрактивное смешение цветов.

Выводы и заключение

По результатам работы мы можем сделать следующие выводы:

Цвет - это одно из свойств объектов материального мира, воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. Тот или иной цвет «присваивается» человеком объектам в процессе их зрительного восприятия. Восприятие цвета зависит от множества факторов.

Цвет предметов обусловлен воздействием на наш глаз лучей определенного спектра (зеленого, красного и т.п.), отражаемых предметом.

В результате проделанных опытов мы выяснили, как происходит аддитивное и субтрактивное сложение цветов и каким образом получается цветное изображение на светящемся экране.

В представленной работе рассмотрены далеко не все аспекты такого интересного и многогранного явления в нашей жизни как цвет. Детальным изучением всех характеристик цвета, его значения в природе и практического применения в жизни человека занимается специальная область науки - цветоведение. Значение же данной работы состоит в понимании общей сути цвета и выполнении некоторых опытов по образованию, смешению и разложению цветов. Перспективой работы может стать изучение влияния цвета на психологическое и функциональное состояние организма человека и разработка на этой основе собственного проекта школы, детали которого пока не разглашаются.

Литература

1.Ашкенази Г.И. Цвет в природе и технике - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 96 с., ил.

2.Букварева Е.Н., Чудинова Е.В. Естествознание. 3 класс, 2000.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

свет цвет физиология восприятие

Для создания безопасных условий труда требуется не только достаточная освещенность рабочих поверхностей, но и рациональное направление света, отсутствие резких теней и бликов, вызывающих слепящее действие.

Правильная освещенность и окраска оборудования, опасных мест дает возможность следить за ними более внимательно (станок, окрашенный в однотонный цвет), а предупреждающая окраска опасных мест позволит уменьшить травматизм. Кроме того подбор правильного сочетания цветов и их интенсивности сведет до минимума время адаптации глаз при переводе взгляда с детали на рабочую поверхность. Правильно подобранная окраска может влиять на настроение рабочих, а, следовательно, и на производительность труда. Таким образом, недооценка влияния освещения, выбора цвета и света приводят к преждевременному утомлению организма, накоплению ошибок, снижению производительности труда, увеличению брака и, как следствие, к травматизму. Некоторое пренебрежение к вопросам освещенности вызвано тем, что глаз человека имеет очень широкий диапазон приспособления: от 20 лк (в полнолуние) до 100000 лк.

Естественное освещение - это видимый спектр излучения электромагнитных волн солнечной энергии длиной 380 - 780 нм (1 нм = 10 -9 м). Видимый свет (белый) состоит из спектра цветов: фиолетовый (390 - 450 нм), синий (450 - 510 нм), зеленый (510 - 575 нм), желтый (575 - 620 нм), красный (620 - 750 нм). Излучение с длиной волны более 780 нм называется инфракрасным, а с длиной волны менее 390 нм - ультрафиолетовым.

Цвет и свет взаимосвязаны между собой. Цвета, наблюдаемые человеком, делятся на хроматические и ахроматические. Ахроматические цвета (белый, серый, черный) имеют разные коэффициенты отражения и, поэтому, основной их характеристикой является яркость. Хроматические цвета (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый) характеризуются, в основном, тоном, который определяется длиной волны и чистотой или насыщенностью (степень "разбавленности" основного цвета белым). Окраска оборудования, материалов и др. в чёрный цвет угнетает человека. При переноске стандартных ящиков белого и черного цвета все рабочие заявили, что чёрные ящики тяжелее. Чёрную нить на белом фоне видно в 2100 раз лучше, чем на черном, но при этом наблюдается резкий контраст (отношение яркостей). С увеличением яркости и освещения до известных пределов усиливается острота зрения и яркость, с которой глаз различает отдельные предметы, т.е. быстрота различения. Слишком большая яркость света отрицательно влияет на органы зрения, вызывая ослепление и резь в глазах. Приспособление глаз к изменению яркости называется тёмной и светлой адаптацией. При работе на станке тёмно-серого цвета (отражающего 5% света) и с блестящей деталью (отражающей 95% цвета) рабочий переводит взгляд со станка на деталь 1 раз в минуту, при этом на адаптацию глаза затрачивается примерно 5 секунд. За семичасовой рабочий день будет потеряно 35 минут. Если при тех же условиях работы изменить время адаптации до 1 секунды за счет правильного подбора контраста, потеря рабочего времени будет равна 7 минутам.

Неправильный подбор освещения влияет не только на потерю рабочего времени и утомление рабочих, но и увеличивает травматизм в период адаптации, когда рабочий не видит или плохо видит деталь, и выполняет рабочие операции автоматически. Подобные условия наблюдаются и при монтажных работах, работе крана и других видах работ в вечернее время при искусственном освещении. Поэтому отношение яркостей (сущность контраста) не должно быть большим.

В восприятии цветов человеком важную роль играет цветовой контраст, т.е. преувеличение действительной разницы между одновременными восприятиями. Одна французская торговая фирма заказала партию красной, фиолетовой и голубой ткани с черным узором. Когда заказ был выполнен, фирма отказалась его принять, т.к. на красной ткани вместо черного узора был зеленоватый; на голубой - оранжевый, на фиолетовой - желто-зеленоватый. Суд обратился к специалистам, и когда те закрыли ткань, то в прорезях на бумаге рисунок был черный.

В настоящее время установлено, что красный цвет возбуждает, но и быстро утомляет человека; зеленый полезен для человека; желтый вызывает тошноту и головокружение. Естественное освещение считается самым лучшим для здоровья человека.

Солнечный свет оказывает биологическое действие на организм, поэтому естественное освещение является гигиеничным. Замена естественного освещения искусственным допускается только тогда, когда по каким-либо причинам нельзя использовать (или невозможно использовать) естественное освещение рабочих мест.

Поэтому нормирование освещения производственных помещений и рабочих мест осуществляется на научной основе с учетом следующих основных требований:

• 1. Достаточная и равномерная освещенность рабочих мест и обрабатываемых деталей;
• 2. Отсутствие яркости, блеклости и слепящего действия в поле зрения рабочих;
• 3. Отсутствие резких теней и контрастов;
• 4. Оптимальная экономичность и безопасность осветительных систем.

Следовательно, для правильного светового режима необходимо учитывать весь комплекс гигиенических условий, т.е. количественную и качественную стороны освещения.

Для измерения освещенных рабочих мест и общей освещенности помещений используют люксметр типа Ю-116, Ю-117, универсальный люксметр - яркометр ТЭС 0693, фотометр типа 1105 фирмы "Брюль и Кэр". Принцип работы приборов основан на использовании фотоэлектрического эффекта - эмиссии электронов под действием света (рис 2.4.1).

При выполнении различных видов работ применяют естественное, искусственное и смешанное освещение, параметры которых регламентируются ГОСТ 12.1.013-78, СНиП ІІ-4-79 "Естественное и искусственное освещение", инструкцией по проектированию электрического освещения строительных площадок (СН 81-80). Все помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь естественное освещение.

Там, где невозможно осуществить естественное освещение или если оно не регламентируется СНиП П-4-79, применяется искусственное или смешанное освещение.

Оптическая часть спектра, состоящая из ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений, имеет диапазон волн от 0,01 до 340 мкм. Видимое излучение, воспринимаемое глазом, называется световым и имеет длину волн от 0,38 до 0,77 мкм, а мощность такого излучения - световым потоком (F). Единицей светового потока принят люмен. Это величина, равная 1/621 светового ватта. Люмен [лм] определяется как световой поток, который испускается полным излучателем (абсолютно черным телом) при температуре затвердения платины с площадью 530,5?10 -10 м 2 (световой поток от эталонного точечного источника в 1 канделу, расположенного в вершине телесного угла в 1 стерадиан). Стерадиан - это единичный телесный угол щ, который является частью среды радиусом 1 м и площадью сферической поверхности, основание которой равно 1 м 2 .

где щ - единичный телесный угол, 1 стер;

S - площадь сферической поверхности, 1 м 2 ;

R - радиус сферической поверхности, 1 м.

Пространственная плотность светового потока в данном направлении называется силой света (I). За единицу силы света принята кандела [кд].

где Й - сила света, кд;

F - световой поток, лм.

Величина светового потока, который приходится на единицу освещаемой поверхности, называется освещенностью (Е). Измеряется освещенность в люксах. Люкс - освещенность поверхности площадью 1м 2 равномерно распределенным световым потоком в 1 лм.

Видимость предметов зависит от части света, отраженного предметом, и характеризуется яркостью (В). Измеряется яркость в [кд/м 2 ].

где б - угол между нормалью к элементу поверхности S и направлением, для которого определяется яркость.

Яркость - светотехническая величина, на которую непосредственно реагирует глаз. Гигиенически приемлемым являются яркости до 5000 кд. Яркость в 30000 кд и выше является ослепляющей. К качественным показателям освещенности относятся фон и контрастность, видимость, показатель ослепленности и т.д.

Фон - это поверхность, которая примыкает к объекту (различие). Фон считается светлым при коэффициенте отражения с > 0,4; средним при с = 0,2-0,4; и темным при с < 0,2.

Контрастность характеризуется отношением яркостей рассматриваемого предмета и фона:

Контрастность освещения считается большой при > 0,5; средней при = 0,2-0,5; и малой при < 0,2.

Равномерность освещения характеризуется отношением минимальной освещенности к её максимальному значению в пределах всего помещения.

Естественное освещение

Естественное освещение является наиболее приемлемым человеку, поэтому помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь в основном естественное освещение. Естественное освещение осуществляется через оконные, дверные проемы, через фонари, прозрачные кровли. Поэтому оно подразделяется на (рис.2.4.2):

• а) верхнее освещение - через световые фонари, прозрачные кровли;
• б) боковое освещение - через окна;
• в) комбинированное освещение - через окна и фонари, и т.д.

Критерием естественной освещенности является коэффициент естественной освещенности (КЕО или Е Н), который представляет отношение естественной освещенности светом неба в некоторой точке заданной плоскости внутри помещения Е вн к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой светом полностью открытого небосвода Е нар, и выражается в процентах:

Нормирование КЕО проводится согласно с требованиями СНиП ЙЙ-4-79 "Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования".

Согласно СНиП ЙЙ-4-79 при одностороннем боковом освещении критерием оценки является минимальное значение КЕО в точке, расположенной в 1 м от стены, наиболее удаленной от световых проемов, на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности или пола. Под характерным разрезом помещения понимается поперечный разрез помещения, плоскость которого перпендикулярна к плоскости остекления световых проемов. В характерный разрез помещения должны попадать участки с наибольшим количеством рабочих мест. За условную рабочую поверхность принимается горизонтальная поверхность, расположенная на высоте 0,8 м от пола. При двустороннем боковом освещении критерием оценки является минимальное значение KЕO в середине помещения, в точке на пересечении вертикальной плоскости характерного разреза помещения и условной рабочей поверхности (пола).

При верхнем, боковом и комбинированном освещении нормируется среднее значение КЕО (табл. 2.4.1.).

Все параметры освещения определяются разрядом зрительной работы. Разряд зрительной работы при расстоянии от объекта различия до глаз работающего более 0,5 м определяется отношением минимального размера объекта различия (d) к расстоянию от этого объекта до глаз работающего (l). Под объектом различия понимается рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые требуется различать в процессе работ. Всего установлено восемь разрядов зрительной работы (табл. 2.4.1).

Нормированное значение KЕO (Е н) принимается в зависимости от разряда зрительной работы, особенностей светового климата и солнечного климата.

Для зданий располагаемых в Й, II, ЙV и V поясах светового климата стран СНГ, в зависимости от вида освещения, боковое или верхнее нормированное значение КЕО (Е н б, Е н в) определяется по формуле:

где m-коэффициент светового климата; с-коэффициент солнечности климата.

Значение Е н III находится по таблице 2.4.1; коэффициент светового климата (m) - по таблице 2.4.2; коэффициент солнечности климата (С) - по таблице 2.4.3. Неравномерность естественного освещения производственных и общественных зданий с верхним или с верхним и боковым освещением основных помещений для детей и подростков при боковом освещении не должна превышать 3:l.

Неравномерность естественного освещения не нормируется для помещений с боковым освещением при выполнении работ VЙЙ, VIII разрядов при верхнем и комбинированном освещении, для вспомогательных и общественных зданий ЙЙЙ и IV групп (п.1.2 СНиП ЙЙ-4-79). При проектировании зданий в ЙЙЙ и V климатических районах, где выполняются работы I - IV разрядов, необходимо предусматривать солнцезащитные устройства. При естественной освещенности помещений большое значение имеет уход за окнами и фонарями. Грязные стекла задерживают до 50% всего света. Поэтому должна производиться регулярная чистка стекол и побелка помещений. С незначительным выделением пыли чистки стекол производится через шесть месяцев, побелка - один раз в три года; в пыльных - четыре раза в год чистка и один раз в год побелка.

При проектировании зданий одной из важных задач является правильный расчет площади световых проемов при естественном освещении.

Если площадь световых проемов будет меньше требуемой, то это приведет к снижению освещенности и, как следствие, к снижению производительности труда, повышенной утомляемости работающих, заболеваниям и появлению травматизма.

Таблица 2.4.1. Нормирование коэффициента естественного освещения

Характеристика зрительной работы	Наименьший размер объекта различия, мм	зрительной работы	КЕО (Е н IV), %
при верхнем и комбинированном освещении	при боковом освещении
в зоне со стойким снеговым покровом	на остальной территории
Наивысшая точность	Меньше 0,15
Очень высокая точность	От 0,15 до 0,8
Высокая точность	Выше 0,3 до 0,5
Средняя точность	Выше 0,5 до 1,0
Малая точность	Выше 1,0 до 5,0
Грубая (очень малая точность)	Больше 0,5
Работа с материалами, которые светятся, и изделиями в горячих цехах	Больше 0,5
Общие наблюдения за ходом производственного процесса: постоянное периодическое при постоянном нахождении людей периодическое при периодическом нахождении людей

Таблица 2.4.2. Значение коэффициента светового климата, m

Таблица 2.4.3. Значение коэффициента солнечности климата, с

Пояс светового климата	При световых проемах, сориентированных по сторонам горизонта (азимут), град	При зенитных фонарях
во внешних стенах строений	в прямоугольных и трапециидальных фонарях	в фонарях типа "шод"
а) севернее 50°с.ш. б) 50°с.ш. и южнее
а) севернее 40°с.ш. б) 40°с.ш. и южнее

Рис. 2.4.3

Для исправления допущенной ошибки необходимо дополнительно вводить искусственное освещение, что вызовет постоянные дополнительные расходы. Если площадь световых проемов будет больше, то потребуется постоянные дополнительные расходы на отопление зданий. Поэтому СНиП II-4-79 запрещает для отапливаемых зданий предусматривать площадь световых проемов больше, чем требуется по настоящим нормам (рис. 2.4.5). Установленные размеры световых проемов допускается изменять на +5, -10%.

Площадь световых проемов в свету рассчитывают

При боковом освещении, м 2:

• (2.4.8)
• - при верхнем освещении, м 2:

где - нормированное значение КЕО;

S 0 и S ф - площадь окон и фонарей;

S п - площадь пола;

з 0 и з ф - световые характеристики окна и фонаря (ориентировочно приняты для окон 8,0 - 15,0, для фонарей 3,0 - 5,0).

Световая характеристика окон (з о) оценивается по таблице 26 с учетом характеристики помещения, а световая характеристика фонаря или светового проема (з ф) - по таблицам 31 и 32 приложения 5 СНиП ЙЙ-4-79 с учетом характеристик помещения и фонарей.

Коэффициенты, учитывающие затенение окон противостоящими зданиями (К зд), тип фонаря (К ф) определяются по таблице 3 СНиП II-4-79; К з - коэффициент запаса принимается по таблице 5.

При боковом освещении до проведения работ необходимо оценить отношение ширины (глубины) помещений (В) к расстоянию от уровня условной рабочей поверхности до верхнего края окна (h 1).

Общий коэффициент (рис.2.4.3.) светопропускания (ф 0), зависит от коэффициентов светопропускания материала (ф 1), коэффициентов, учитывающих потери света в переплетах светопроема (ф 2), потери света в несущих конструкциях (ф 3), потери света в солнцезащитных устройствах (ф 4), потери света в защитной сетке, устанавливаемой под фонарями (ф 5 =0,9). Значения коэффициентов приведены в СНиП II-4-79 приложения 5 таблицы 28, 29.

Коэффициенты, которые учитывают повышение КЕО от отражения света (r 1 и r 2) находят по таблицам 30 и 33 приложения 5 СНиП ЙЙ-4-79 с учётом коэффициента отражения (с ср) и характеристик помещения.

Чтобы правильно рассчитать площадь световых проемов (в свету) при боковом (S 0) или верхнем (S ф) освещении, необходимо знать не только параметры проектируемого помещения, но и виды работ, для которых проектируется здание, в каком световом климате Украины или СНГ строится объект, взаимное расположение объектов.

В процессе зрения происходит восприятие параметров потока света. В светочувствительном рецепторе сходятся процессы из разных сфер действительности – взаимодействуют квантовые объекты (фотоны), рецепторы, как измерительные приборы, оценивающие параметры квантовых объектов, и нейроны, относящиеся к элементам, осуществляющим процессы высшей нервной деятельности.

Эта проблема интересна еще и тем, что эта сфера знания недостаточно изучена, причем от нее отказываются как физики, так и биологи. Кроме того, проблема восприятия света входит в состав проблем восприятия информации человеком, рассмотренных в статье «Восприятие информации» как часть решения психофизической проблемы -

Непосредственно сопряжение электромагнитного излучения и вещества осуществляется в зрительных рецепторах сетчатки глаза живого организма, здесь свет преобразуется в нервные сигналы в виде пачек электрических импульсов, из которых уже в мозгу создается образ видимых предметов. Светочувствительные рецепторы выступают в качестве границы, разделяющей (и соединяющей) квантовые и нервные процессы, на которой сопрягаются разные сферы реальности - излучение, вещество и нервная деятельность.

Исследования показывают, что энергия воздействующего на рецептор фотона воспринимается конкретным электроном фоточувствительного белка. Этот электрон не просто находится в составе конкретного белка, но и белок, в свою очередь, вмонтирован в тело определенного светочувствительного рецептора, а рецептор имеет вполне определенное местоположение на сетчатке глаза и связан с конкретными нейронами. На сетчатке глаза имеется специальное место, которое принимается за центр общей системы отсчета всех рецепторов.

Рецепторы имеют строение в виде столбика из пластин (порядка 2000 шт.), на каждой пластине располагаются порядка 60 тыс. светочувствительных белков. Рецепторы располагаются на сетчатке сплошным массивом, закрывают все поле сетчатки. Различают цветоразличающие рецепторы – колбочки, и черно-белые рецепторы – палочки. Количество цветных колбочек оценивается в 6 – 10 млн., колбочки располагаются преимущественно вокруг центра зрения. Палочек насчитывается порядка 100 млн. Они располагаются по всему полю сетчатки.

Зрительная система воспринимает свет в диапазоне 400 - 780 нм, ультрафиолетовое излучение (волны меньшие 360) поглощает хрусталик, большие не воспринимаются рецепторами, к тому же инфракрасные волны (1000 нм и больше) излучаются самим телом и являлись бы засветкой зрительной системы.

Для зрительной информации естественно важен спектр излучения, однако светочувствительный рецептор не просто принимает излучение, но и определяет различия между локальными характеристиками потока света. Существуют специальные горизонтальные клетки в рецепторе и между рецепторами, определяющие градиент потока света по интенсивности, длине волны и насыщенности доминантного цвета - соответственно информация передается не только о цвете, но и о яркости и насыщенности цвета на фоне белого. Необходимо также отметить, что рецептор не только воспринимает характеристики потока света и передает их в мозг, но и управляет общей и раздельно локальной прозрачностью вещества до рецептора, чтобы можно было видеть различия в потоке света даже при различной его интенсивности и контрастности.

Вследствие поглощения фотонов в рецепторе происходят электрохимические процессы, вызывающие срабатывание последующих нейронов. В целях рецепции, фотон может быть воспринят только в том случае, если воспринявший его светочувствительный белок встроен в измерительную цепь рецептора. Если белок, воспринявший фотон находится вне измерительной схемы рецептора, то поглощение фотона произойдет, но не вызовет необходимых для рецепции химических воздействий и такое поглощение окажется бесполезным, поскольку информация о таком фотоне не дойдет до следующих нейронов. Из этого можно сделать вывод, что поглощение фотонов в рамках процедур, происходящих в сенсорных системах, носит не случайный характер.

В соответствии с трехкомпонентной теорией строения цветочувствидельных рецепторов (колбочек) считается, что светочувствительная колбочка реагирует только на фотоны определенной длины волны. Однако данная теория вызывает сомнения в достоверности. Электрон в белке (или сам белок) должен сначала как-то определиться с тем - реагировать ему, если у фотона соответствующая длина волны, и не реагировать, если длина волны чуть больше (или меньше). Он же не знает длину волны, которая попадет в этот белок, не знает, на сколько длина волны отличается от той, которую он может принять. Причем неважно, на сколько отличается от "своей". В любом случае электрон (или кто-то из участников поглощения) каким-то образом должен "почувствовать", поглощать или пропустить фотон. Офтальмологи на эти вопросы не смогли ответить мне. А физики вообще отказались рассматривать проблему восприятия света глазом, под предлогом, что в этой ситуации им невозможно осуществить какие-либо измерения, а без достоверных измерений они не вправе что-либо утверждать и делать какие-либо умозаключения.

Ситуация еще больше запуталась от мысли, что цветное зрение способно воспринимать цвет (длину волны фотона) и одновременно определять его местоположение на сетчатке. Как вообще возможно определение длины волны фотона, если локализация электрона, который реагирует на фотон, составляет единицы Ангстрем (0,1 нм), а длина волны фотона примерно в пять тысяч раз больше (от 400 до 770 нм)? Ведь поглощаемая энергия фотона должна быть размазана случайным образом по несоизмеримо большему пространству, чем локализация электрона.

Возникают и другие вопросы. Какова природа энергии фотона (кинетическая, электрическая, магнитная, еще какая-то)? Что происходит с энергией фотона при поглощении его электроном? Какие происходят преобразования энергии?

Желание получить ответы на возникающие вопросы заставляет углубляться в подробности процесса поглощения света веществом. Физика утверждает, что для возбуждения электрона необходимо затратить не какую-то там энергию, а вполне конкретную величину - разницу между двумя энергетическими состояниями, что вполне определенно подтверждается в физических экспериментах. Поглощение происходит в виде определенной полосы поглощения в электронном спектре молекулы. Однако это всего лишь констатация факта поглощения конкретной порции энергии, эмпирическое его подтверждение, но еще не объяснение механизма поглощения.

Чтобы обострить проблему и показать ее физическую, а не физиологическую природу отметим, что именно из факта поглощения конкретным электроном конкретного фотона следует, что в процессе зрительной рецепции возможно одновременное и достаточно точное измерение энергии (импульса) фотона и местоположения этого фотона. Местоположение квантового объекта соответствует местоположению (месту локализации) электрона, поглотившего фотон, и это местоположение вполне определяемо на макроуровне, так как от него идет "ниточка" к приемнику сигнала, а энергия фотона соответствует разнице между энергиями состояний электрона - тоже вполне определима. Если энергия фотона соответствует разнице энергий, необходимых для изменения местоположения электрона, то поглощение происходит. Если не соответствует, то фотон проходит сквозь данную молекулу. Теперь посмотрим, что из этого получается.

Для фотона имеется уравнение

λ·P=ħ, где λ – длина волны, P – импульс фотона, а ħ – постоянная Планка. Это уравнение фотона очень похоже на соотношение неопределенности Гейзенберга:

ΔХ · ΔР >= ħ, где ΔХ - ошибка в определении местоположения квантового объекта, ΔР - ошибка в определении его импульса.

Есть возможность оценить ошибку измерения параметров фотона при его поглощении конкретным электроном конкретного светочувствительного белка сетчатки. Величину возникающей ошибки в измерении импульса можно установить по разрешительной способности зрительной системы в определении цвета. Экспериментально установлено, что чувствительность оценивается в 2 – 3 нм. Это составляет менее 1 % от длины волны света в видимом диапазоне - (0,3 – 0,5) %. По уравнению фотона λ·P=ħ определяем разницу в изменении импульса, фиксируемого зрительной системой: ΔР = ħ/λ – ħ/1,01·λ, что примерно = 0,01· ħ/λ

ΔР = 0,01· ħ/λ

Ошибку в измерении местоположения фотона (ΔХ) можно оценить, как размер области локализации самого электрона в молекуле белка. Если размер атома оценить примерно в 0,1 нм, то ошибку локализации электрона (с большим завышением) можно принять 0,5 нм. Эту величину целесообразно выразить в условных единицах, как долю от длины волны фотона (500 нм). В итоге получаем, что ошибка измерения местоположения фотона примерно (0,5/500) λ = 0,001· λ.

ΔХ = 0,001· λ

Подставляя относительные ошибки определения местоположения и импульса фотона в соотношение неопределенности, получаем:

ΔХ · ΔР = 0,001· λ · 0,01· ħ/λ = 0,00001· ħ.

В соответствии с произведенными оценками произведение ошибок измерения координат и импульса рецептором глаза оказывается в сто тысяч раз меньше, чем постоянная Планка. Причем следует учесть, что обе ошибки взяты с некоторым завышением, если взять реальные ошибки в определении ΔХ и ΔР, то их произведение будет примерно в миллион раз меньше постоянной Планка. А по соотношению неопределенностей Гейзенберга произведение этих ошибок не может быть меньше ħ. Что это: ошибка в приведенных рассуждениях или действительно с соотношением неопределенностей какая-то неувязка?

Попробуем разобраться.

Количественные значения ошибок измерения в приведенных рассуждениях можно считать соответствующими реальным, или завышенными, поэтому величина в 0,00001 - это еще заниженная степень нарушения соотношения неопределенности Гейзенберга. С другой стороны размер неувязки столь велик, что ошибки можно еще многократно завысить без ущерба для общего вывода о справедливости соотношения неопределенностей. Из чего можно сделать вывод, что если и есть ошибка в приведенных рассуждениях, то она не в количественных значениях, а в чем-то другом.

Может быть, одна из процедур (либо соотношение неопределенностей, либо рецепция света в зрительной системе) не относится к процедуре измерения? Ведь соотношение неопределенностей характеризует именно возможные ошибки измерения параметров квантового объекта.

Поскольку каждый фотон является квантовым объектом, то из этого следует, что каждый фотон поглощается индивидуально, хоть в зрительной системе, хоть в другом месте. Оценка характеристик фотона в рамках зрительной рецепции осуществляется самим актом его поглощения хромофором, а не различением характеристик фотонов нервными клетками. Если он поглотился, то уже самим фактом поглощения его энергия перешла конкретному электрону. А это значит, что в результате акта поглощения становятся известными и местоположение фотона (по исходному местоположению электрона), и энергия фотона (по величине изменения энергии электрона). И то, и другое о фотоне становится не просто "известным" конкретному электрону и белку, в котором он находится, но и известными измерительной схеме в целом. Физические и химические изменения в характеристиках электрона и белка, порождаемые поглощением, становятся известными определенному нейрону, который можно уже считать макро «наблюдателем». С другой стороны, место на сетчатке, в которое попал фотон, детерминируется пространственным местоположением предмета, который излучил этот фотон, и настройкой оптической части зрительной системы – линзой хрусталика и фокусировкой получаемого изображения.

Если же поглощения фотона не произошло, то, увы, не произошло и измерения параметров квантового объекта. Поглощение такого фотона произойдет пигментом задней стенки сетчатки, то есть вне измерительной схемы. В этом и заключается специфика электрона (хромофора, белка, рецептора в целом): они размещены в составе измерительной системы местоположения предмета, позволяющей не просто поглощать, а поглощать в рамках измерительной процедуры.

Из этого следует, что анализируемая процедура поглощения фотона в зрительной системе рассматривается именно в рамках процедуры измерения параметров фотона, а не просто его поглощения. Из этого следует, что предназначение рассматриваемой процедуры соответствует заявленному назначению и «области действия» соотношения неопределенностей.

Может быть, в процедуре измерения параметров фотонов в зрительной системе имеется какая-то уникальная специфика, порождающая столь существенное отклонение от соотношения неопределенностей?

Действительно, такие отличия имеются.

Во-первых, соотношение неопределенностей рассматривается применительно к процедуре измерения параметров квантового объекта, осуществляемой с сохранением самого квантового объекта. Например, Луи де Бройль в книге «Революция в физике» отмечает, что сама процедура измерения не должна вносить изменения в сами измеряемые параметры - вносимые измерительным прибором изменения в измеряемые параметры должны быть как можно меньше.

Суть идеи соотношения неопределенностей заключается в том, что для более точного измерения нужны фотоны с меньшей собственной локализацией, но такие фотоны являются и более энергичными. Специфика квантового объекта такова, что измерение местоположения квантового объекта с большей точностью требует применения, как указывает де Бройль, воздействия на измеряемый объект более коротких фотонов, но чем меньше длина волны фотонов, измеряющих местоположение квантового объекта, тем больше их энергия, тем большее изменение энергии происходит в измеряемом объекте. Сама процедура измерения вносит изменения в измеряемые параметры, поэтому и считается, что этого эффекта принципиально невозможно избежать. Ошибки одновременного измерения пространственных и энергетических характеристик квантового объекта подчинены рассматриваемому соотношению неопределенностей.

Итак, отличия измерений в рамках процедуры рецепции и рамках объяснения соотношения неопределенностей – имеются.

Во-первых, в отличие от измерительных процедур, описанных у де Бройля, в измерительной процедуре, осуществляемой в рамках зрительной рецепции, сам объект, параметры которого измеряются, не сохраняется , а погибает полностью в процессе измерительной процедуры. А если не погибает, то и не попадает в измерительную процедуру. В зрительной системе оцениваемый квантовый объект просто поглощается, проглатывается светочувствительным белком, в результате чего обе измеряемые величины (координата и импульс) становятся известными этому белку. Он «измеряет» указанные параметры с точностями, на несколько порядков не вписывающиеся в соотношение неопределенности. Правда, ценой уничтожения измеряемого объекта. Этот белок и есть тот измерительный прибор, который якобы невозможно построить в принципе.

Во-вторых, в процессе зрительной рецепции измерения местоположения фотона вообще-то не осуществляется. Местоположением фотона считается местоположение электрона, поглощающего фотон. Местоположение электрона является не измеряемым параметром, а априорно известным измерительной системе. Фотон «сам» натыкается на тот или иной светочувствительный белок, имеющий этот самый электрон. Но данное обстоятельство не меняет существа принципа неопределенности. В соответствии с этим принципом «невозможно построить измерительный прибор, который позволил бы нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга». Невозможно построить в принципе .

В сущности, зрительная система просто обходит установленный запрет. В зрительной системе установлено огромное множество измерительных приборов. Куда бы ни попал фотон, он наткнется на «измерительный прибор», каковым является молекула светочувствительного белка. А от нее обязательно тянется ниточка к макро измерительному прибору – рецептору и далее к нейрону. Преобразование микро сигнала от квантового объекта в макро сигнал это уже другая проблема, которую целесообразно рассматривать отдельно. В данном аспекте следует сделать акцент на понимании светочувствительного белка в качестве измерительного прибора для оценки пространственных и энергетических параметров фотона, специфического измерительного прибора, который позволяет нарушить ограничения, накладываемые неравенствами Гейзенберга.

В-третьих, нужно разобраться с пониманием величин, входящих в соотношение неопределенностей. Вообще, имеет смысл задаться вопросом - в соотношении неопределенности, дельта икс, это что? Может быть, это вообще не ошибка измерения? Общность математической структуры уравнения фотона с соотношением неопределенности подсказывает, что дельта икс это вовсе не ошибка в измерении координаты местоположения частицы, а длина волны, так что это вовсе не ошибка измерения, размер частицы. Длина волны фотона жестко связана с импульсом фотона соответствующим уравнением. Поэтому само соотношение и включенные в него переменные в таком понимании приобретают иной смысл.

Это не мы не можем одновременно измерить пространственную и энергетическую характеристики фотона, а фотон не может иметь иных величин импульса и длины волны, кроме как соответствующих уравнению фотона (и совпадающему с ним по структуре соотношению неопределенности). У уравнения фотона и соотношения неопределенностей общая математическая структура. Соотношение неопределенностей применительно к фотону приобретает форму зависимости между длиной волны и импульсом. Правда при таком понимании неопределенность превращается в определенность . А ПНГ перестает иметь исключительное отношение к измерению параметров квантового объекта и начинает описывать соотношение не между ошибками измерения, а между собственными параметрами квантового объекта. Для фотона, как самого простого из квантовых объектов, связь между длиной волны и импульсом - естественным образом совпадает с соотношением "неопределенностей". При этом измерительный аспект (измерение координаты и импульса фотона) вовсе не исключается, а приобретает вполне здравый смысл: как же можно измерить местоположение квантового объекта точнее, чем его размер? Объект есть везде в пределах своего размера.

При этом размер квантового объекта, в данном случае фотона, жестко связан с энергетической характеристикой фотона. Чем энергичнее происходят электромагнитные колебания (чем больше частота) тем меньше длина волны и размер фотона, тем меньше общая локализация фотона.

В результате подобного изменения интерпретации математическая составляющая соотношения полностью сохраняется. И это объясняет, почему соотношение так прекрасно подтверждается в экспериментах, на которые все ссылаются. Участвующие в соотношении величины имеют отношение не к процедуре измерения, а к собственным характеристикам самой частицы, в данном случае - фотона. И соотношение между собственными пространственными и энергетическими характеристиками имеет жесткую связь, описываемую этим соотношением.

В-четвертых, при обосновании необходимости введения принципа неопределенности специально указывается, что его введение есть следствие вероятностной интерпретации частиц. В частности де Бройль указывает: «Еще раз подчеркнем, что соотношение неопределенности – неизбежное следствие, с одной стороны, возможности сопоставить частице некоторую волну, с другой – общих принципов вероятностной интерпретации». Возникает закономерный вопрос: а является ли фотон, параметры которого оцениваются рецепторами зрительной системы, частицей с вероятностной природой?

Привлечение в рассматриваемое соотношение параметра «размер» частицы, оказывается, в рамках квантовой механики с вероятностной интерпретации частиц - вообще не имеет смысла. В существующей квантовой механике просто нет такого понятия и параметра, как "размер" частицы, и нет именно по причине вероятностной интерпретации самой частицы. У нее не может быть размера, поскольку при вероятностной интерпретации у частицы нет, и не может быть границ, они просто размыты. Но это только при вероятностной интерпретации. Для реального фотона "размером" частицы является длина волны. Один период электромагнитных колебаний, собственно, и есть фотон, квант света.

Таким пониманием, кстати, легко объясняется корпускулярно волновой дуализм. Внутри частицы - волна, а один период колебания - частица. Волновые свойства частицы это ее внутренние свойства, а при рассмотрении той же частицы снаружи – это корпускула, квант, частица, нечто дискретное.

Естественно, такое понимание не соответствует пониманию, принятому в квантовой механике. Когда создавалась квантовая механика, для квантовых объектов было принято матричное описание частиц. Под частицей, как правило, рассматривался электрон, и для него вывели все квантовые закономерности. Затем уже эти закономерности начали переносить и на электромагнитное излучение. В качестве фотона также стали понимать волновой пакет. Даже если волна монохроматическая, в реальных условиях она распадается на множество гармоник. Совокупность всех колебаний, связанных с основной монохроматической волной стали называть волновым пакетом, а пакет - фотоном. Для волнового пакета естественным образом подошло принятое для частиц вероятностное описание.

Однако, «что» в реальности поглощается зрительной системой человека, «какой» фотон поглощается рецептором - волновой пакет из совокупности гармоник, или один период монохроматического электромагнитного колебания?

Что является «зеленым», «красным» и т.д.?

Параметры «какого» объекта оценивает рецептор?

По моим представлениям – конечно же фотон как период электромагнитного колебания. Всякие там разбегания волнового пакета возможно и существуют, но они лишь мешает измерению и поэтому игнорируется или сглаживается измерительной системой, а оценивается основной параметр главной гармоники. Причем достаточно оценить лишь один параметр: либо импульс, либо длину волны, чтобы знать и то и другое. В силу наличия жесткой связи между длиной волны и импульсом – это же два взаимодополняющих параметра частицы по соотношению определенностей.