Teoria Younga-Helmholtza

Teoria Younga-Helmholtza (teoria trójchromatyczna, trójskładnikowa teoria widzenia barwnego) – teoria wyjaśniająca powstawanie barwnych wrażeń wzrokowych (zob. widzenie fotopowe, widzenie barwne) dzięki obecności w siatkówce oka człowieka i innych naczelnych trzech różnych fotoreceptorów, absorbujących światło widzialne w różnych zakresach długości fali promieniowania elektromagnetycznego. Została sformułowana przez Thomasa Younga w roku 1802 i rozbudowana w roku 1852 przez Hermanna Helmholtza.

Historia teorii trójchromatycznej

Problemy percepcji barw były przedmiotem rozważań filozofów i malarzy już w starożytności i w średniowieczu (zob. rys historyczny rozwoju wiedzy o barwie). Tworzono liczne systemy barw (metody porządkowania wrażeń), często z wykorzystaniem pojęć ton (odcień), jasność i nasycenie. Formułowano też empiryczne zasady mieszania barw (opierano się zwykle na obserwacjach zjawisk zwanych obecnie syntezą subtraktywną). Pierwszym uczonym, który stworzył system oparty na tylko trzech barwach – czerwonej, niebieskiej i żółtej – był prawdopodobnie belgijski uczony i jezuita, François d'Aguilon (1567–1617)^[1]. Za początek naukowych badań w dziedzinie kolorymetrii uważa się odkrycia Newtona (1642–1726), który jako pierwszy wykazał, że za powstawanie barwnych wrażeń wzrokowych odpowiadają cechy światła, a nie obiektów, które obserwujemy jako barwne^[2], oraz prace Maxwella (1831–1879)^[3]. Od tego czasu zmieniły się podstawy nowych systemów barw (zob. np. system barw Ostwalda).

Za prekursora teorii trójchromatycznej jest uznawany Michaił Łomonosow (1711–1765), rosyjski uczony (prekursor chemii fizycznej) i poeta. W traktacie pt. Słowo o pochodzeniu światła, nową teorię o barwach przedstawiające, 1 lipca 1756 r. rzeczone napisał m.in. że na „dnie oka” znajdują się trzy rodzaje cząstek, pobudzanych do drgań przez drgające cząstki „eteru”, a następnie^[4]:

W kolejnych latach do podobnych wniosków – opartych już na wynikach prac Newtona – doszedł James Sowerby (1757–1822)^[5][6], brytyjski botanik i historyk przyrody, który określił trzy barwy – żółtą, czerwoną i niebieską – mianem podstawowych^[a], jednak za twórców naukowej teorii trójchromatycznej są uważani dwaj naukowcy związani z medycyną: Thomas Young (1773–1829) i Hermann von Helmholtz (1821–1894)^[7].

Teoria Younga i Helmholtza

Historyczna ilustracja istoty koncepcji Younga-Helmholtza (Hermann von Helmholtz 1856)^[8];
uwaga: kierunek osi od R (czerwony) do V (fioletowy) oznacza wzrost długości fali λ od prawej do lewej

Angielski fizyk i lekarz Thomas Young, zainteresowany badaniami falowej natury światła (zob. m.in. doświadczenie Younga), wygłosił w roku 1801 w Royal Society wykład pt. On the Theory of Light and Colours (o teorii światła i barw). Istotą przedstawionej hipotezy było założenie, że w siatkówce oka znajdują się trzy rodzaje „włókien nerwowych”, reagujących na promieniowanie całego widma światła widzialnego, ale najbardziej wrażliwych na zakresy długości fal, które odpowiadają jednej z barw podstawowych – czerwonej, żółtej lub niebieskiej. Stwierdził, że jednakowe pobudzenie trzech rodzajów włókien wywołuje wrażenie bieli, pobudzenie niejednakowe – wrażenia barwne, a brak pobudzenia – wrażenie czerni^[9].

Na początku lat 50. XIX w. badania Younga podjął niemiecki fizjolog, fizyk i filozof, Hermann von Helmholtz. Zmodyfikował założenia Younga, przyjmując, że powstawanie różnych wrażeń barwnych jest efektem trzech niezależnych procesów fotochemicznych zachodzących w „substancji nerwowej” pod wpływem promieniowania, z udziałem trzech rodzajów światłoczułych receptorów, których reaktywność jest zależna od długości fali (λ) padającego światła – największa wówczas, gdy λ odpowiada barwom podstawowym: czerwonej, zielonej i fioletowej. Wyniki zostały opublikowane w roku 1860 w pracy Handbuch der physiologischen Optik (podręcznik optyki fizjologicznej). Poza rozwinięciem teorii Younga Helmholtz zdefiniował trzy – do dzisiaj stosowane – cechy otrzymywanych barw: jasność (jaskrawość), odcień (ton barwy) i nasycenie (czystość) oraz wyjaśnił różnice między subtraktywnym i addytywnym mieszaniem barw^[9][10].

Kontynuacja badań Younga i Helmholtza

Struktura cząsteczki jednej z rodopsyn (1L9H Bovine Rhodopsin)^[11] i wzrokowy cykl reakcji biochemicznych

Dalszy szybki rozwój teorii trójchromatycznej nastąpił dzięki rozwojowi biochemii i neurofizjologii, w tym neurofizjologii wzroku^[12], który nastąpił w XX w. Badania w tych dziedzinach prowadzili m.in. laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny:

• 1963 – sir John Carew Eccles, Alan Lloyd Hodgkin i Andrew F. Huxley – za odkrycia dotyczące mechanizmów jonowych zaangażowanych w pobudzanie i inhibicję peryferyjnych i centralnych części błony komórkowej nerwów^[13],
• 1967 – Ragnar Granit, Haldan Keffer Hartline i George Wald – za odkrycia dotyczące podstawowych fizjologicznych i chemicznych procesów widzenia^[14][15].

Badania biochemiczne objęły określenie struktury i funkcji białek receptorowych – fotopsyn (zob. opsyny, rodopsyna, jodopsyna, retinal). Wśród naukowców, którzy wnieśli znaczący wkład, wymieniani są m.in.^[10][9]:

• Stjepan Poljak (1889–1955) – amerykański neurofizjolog chorwackiego pochodzenia, który zakładał istnienie w każdym czopku mieszaniny trzech różnych fotopigmentów, przy czym komórki dwubiegunowe monosynaptyczne miały reagować na promieniowanie odpowiadające czerwieni, „szczoteczkowe” – zieleni i „pędzelkowe” – barwie niebieskiej^[16],
• William A.H. Rushton (1901–1980) – angielski fizjolog, autor pracy Barwniki i bodźce w widzeniu barwnym (1970), który opisał barwniki wzrokowe^[17][18][16]:

erythrolabe – pigment reagujący z największą czułością na czerwień (λ = 590 nm), OPN1LW^[19],

chlorolabe – barwnik najbardziej czuły na zieleń (λ = 540 nm), OPN1MW^[20]

cyanolabe – barwnik niebieski (λ = 450 nm), OPN1SW^[21],

Istotny wkład wnieśli również m.in. Karl Ewald Hering (1834–1918, nominowany do Nagrody Nobla w roku 1911^[22]), Johannes von Kries (1853–1928, nominowany do Nagrody Nobla w roku 1917^[23]), Henri Piéron (1881–1964), Frank J. Weigert, Leo Hurvich i Dorothea Jameson^[24].

Współcześnie teoria trójchromatyczna (w tym trójkąt Maxwella, który dzięki niej przestał być wyłącznie jakościowym opisem cech koloru) stała się podstawą matematycznych modeli przestrzeni barw, takich jak np. RGB (oraz RGB z kanałem alfa), CMYK, CIEXYZ (CIE1931 i 1964)^[25][26], CIELab (CIE1976), CIELUV, HSV (HSB), HSL, YUV i YIQ.

Wizualizacja przebiegu ewolucji fotopigmentów oraz współczesne składowe widma w przestrzeni CIEXYZ – pasma absorpcji czopków X Y, Z i obraz widma w zakresie λ = 380–710 nm według CIE 1931^[27][25]

Uwagi

Przypisy

Bibliografia

• Adam Zausznica: Nauka o barwie. Warszawa: PWN, 1958.

Linki zewnętrzne

• Leo M. Hurvich, Dorothea Jameson, Helmholtz and the Three-Color Theory: An Historical Note, The American Journal of Psychology, Vol. 62, No. 1 (Jan., 1949), pp. 111-114
• Czopki i pręciki, czyli podstawy fizjologii widzenia na www.logbia.republika.pl