Teoria Younga-Helmholtza

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

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[edytuj | edytuj kod]

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]:

Znajduję w końcu, że od pierwszego rodzaju eteru pochodzi barwa czerwona, od drugiego żółta, od trzeciego niebieska. Inne barwy powstają przez mieszanie pierwszych.

— Michaił Łomonosow, 1 lipca 1756 r.

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[edytuj | edytuj kod]

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[edytuj | edytuj kod]

1
2
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:

Badania biochemiczne objęły określenie struktury i funkcji białek receptorowychfotopsyn (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.

1
2
3
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[edytuj | edytuj kod]

  1. James Sowerby jest autorem pracy pt. A New Elucidation of Colours, Original Prismatic and Material: Showing Their Concordance in the Three Primitives, Yellow, Red and Blue: and the Means of Producing, Measuring and Mixing Them: with some Observations on the Accuracy of Sir Isaac Newton[5].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Narciso Silvestrini, Ernst Peter Fischer: Franciscus Aguilonius (ang.). W: Colour order systems in art and science [on-line]. www.colorsystem.com. [dostęp 2014-07-02].
  2. Narciso Silvestrini, Ernst Peter Fischer: Isaac Newton (ang.). W: Colour order systems in art and science [on-line]. www.colorsystem.com. [dostęp 2014-06-29].
  3. Narciso Silvestrini, Ernst Peter Fischer: James Clerk Maxwell (ang.). W: Colour order systems in art and science [on-line]. www.colorsystem.com. [dostęp 2014-07-02].
  4. Zausznica 1958 ↓, s. 272–273.
  5. a b Narciso Silvestrini, Ernst Peter Fischer: James Sowerby (ang.). W: Colour order systems in art and science [on-line]. www.colorsystem.com. [dostęp 2014-07-02].
  6. Władysław Artur Woźniak: Fotometria i kolorymetria. Historia nauki o świetle. Poglądy empiryczne (pol.). W: Materiały dydaktyczne PWr [on-line]. www.if.pwr.edu.pl. [dostęp 2014-07-02].
  7. Narciso Silvestrini, Ernst Peter Fischer: Hermann von Helmholtz (ang.). W: Colour order systems in art and science [on-line]. www.colorsystem.com. [dostęp 2014-07-02].
  8. Bruce MacEvoy: The Trichromatic Theory (ang.). handprint.com. [dostęp 2014-07-03].
  9. a b c Józef Mielicki: Ewolucja poglądów na istotę barwy (pol.). W: Informator chemika kolorysty nr 11 [on-line]. Nr 11 - Stowarzyszenie Polskich Chemików Kolorystów. [dostęp 2014-06-23]. s. 2-11.
  10. a b Wiktor Stopyra. Widzenie barw. „Okulistyka > Kompendium Okulistyki”, 2012. ISSN 1505-2753 (pol.). 
  11. J. Li, P.C. Edwards, M. Burghammer, C. Villa, G.F. Schertler. Structure of bovine rhodopsin in a trigonal crystal form. „J Mol Biol.”. 343 (5), s. 1409–1438, 2004. DOI: 10.1016/j.jmb.2004.08.090. PMID: 15491621. 
  12. N.W. Daw. Neurophysiology of color vision. „Physiological Reviews Published”. 53 (3), s. 571–611, 1 1973. PMID: 4197798 (ang.). 
  13. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963 (ang.). Nobel Media AB. [dostęp 2014-07-04].
  14. Zausznica 1958 ↓, s. 281–283.
  15. Ragnar Granit - Facts (ang.). W: The Nobel Prize in Chemistry 1967 > Ragnar Granit, Haldan K. Hartline, George Wald [on-line]. Nobel Media AB. [dostęp 2014-07-04].; Biographical.; The Development of Retinal Neurophysiology. W: Nobel Lecture [on-line]. December 12, 1967.
  16. a b Zausznica 1958 ↓, s. 274–275.
  17. Bruce MacEvoy: Photopigment Molecules (ang.). handprint.com. [dostęp 2014-07-03].
  18. W. A. H. Rushton. Pigments and signals in colour vision. „J Physiol.”, s. P1–P31, 1972. PMID: 4336741. PMCID: PMC1331666 (ang.). 
  19. OPN1LW opsin 1 (cone pigments), long-wave-sensitive [Homo sapiens (human)] (ang.). National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. [dostęp 2014-07-04].
  20. OPN1MW opsin 1 (cone pigments), medium-wave-sensitive [Homo sapiens (human)] (ang.). National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. [dostęp 2014-07-04].
  21. OPN1SW opsin 1 (cone pigments), short-wave-sensitive [Homo sapiens (human)] (ang.). National Center for Biotechnology Information, U.S. National Library of Medicine. [dostęp 2014-07-04].
  22. The Nomination Database for the Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1901–1953 (ang.). Nobel Media AB. [dostęp 2014-07-04].
  23. The Nomination Database for the Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1901–1953 (ang.). Nobel Media AB. [dostęp 2014-07-04].
  24. Zausznica 1958 ↓, s. 277–281.
  25. a b Bruce MacEvoy: CIE – 1931-System (ang.). handprint.com. [dostęp 2014-07-03].
  26. Bruce MacEvoy: 1964 XYZ color matching functions (ang.). handprint.com. [dostęp 2014-07-03].
  27. International Commission on Illumination (ang.). W: Strona internetowa [on-line]. [dostęp 2014-07-03]. (w tym: CIE 1931 standard colorimetric observer. W: plik xls [on-line]. CIE. [dostęp 2014-07-03].)

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

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

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]