Раскрашивая мир по номерам. Эволюция зрения и цветовой год

История идеи Автор: Павел Войтовский | 1 июня 2017, 18:10

Цветовое зрение у человека развилось с целью наблюдения за оттенками кожи. В этом уверен нейробиолог Марк Чангизи. Его идеи позволяют сделать несколько далеко идущих выводов. Например, соотнести зеленый, желтый, красный и синий цвета со стихиями древних греков, четырьмя темпераментами и временами года. Обо всем этом — Павел Войтовский в новом посте из серии «Пятое колесо».

Цветовое зрение

Зачем человеку цветовое зрение? Согласно господствующей теории, оно облегчало добывание пищи нашими предками. Красный цвет невидим для большинства млекопитающих. Они относятся к дихроматам: в их глазу два типа колбочек, поэтому они воспринимают оттенки, различающиеся только по желто-синей оси. Это примерно соответствует тому, как видят мир дальтоники.

У приматов, эволюционно близких к людям, появляется третий тип колбочек, и они становятся трихроматами. По идее, усовершенствование позволяет им различать красные плоды на зеленом фоне.

В 2006 году нейробиолог Марк Чангизи и его соавторы предложили альтернативную теорию, позднее изложенную в книге «Революция в зрении». Ученый утверждает, что появление третьего типа колбочек обусловлено «цветовой телепатией», то есть способностью оценивать физиологические показатели по цвету кожи. Этих показателей два: избыток/недостаток крови и избыток/недостаток кислорода в крови. Если кровь скапливается под кожей, как в синяке, мы получаем синий цвет, если ее недостаточно — желтоватый. При избытке кислорода кожа краснеет, при недостатке слегка зеленеет. Каждый из этих процессов позволяет сделать вывод о состоянии человека, что особенно важно при сексуальной сигнализации и в случае болезни.

Наше цветовое зрение это древнейший оксиметр, то есть датчик, фиксирующий насыщение крови кислородом.

В качестве доказательства своей теории Чангизи приводит следующие соображения. Во-первых, он делит обезьян на три группы. У первых цветовое зрение отсутствует, у вторых им обладают только самки, у третьих — все представители вида. Оказывается, чем больше оголена кожа, тем более вероятно наличие третьего типа колбочек.

Во-вторых, Чангизи задается вопросом о телесном цвете. Нам трудно подобрать точное название для цвета нашей кожи. Он даже толком не воспринимается как цвет. Зато в одежде мы предпочитаем оттенки, которые как можно дальше уходят от телесного. Нейробиолог пишет: «Наша система восприятия цвета откалибрована так, что цвет кожи представляет собой ноль, начало координат, и это позволяет нам четче ощущать отклонения от нуля, то есть от данного исходного цвета».

Третье и главное доказательство строится на физиологии зрения и физике цвета. Чангизи берет чувствительность колбочек к разным длинам волн, а затем наносит на тот же график спектр отражения человеческой кожи. Получается такая картина:

S-, М– и L-колбочки — клетки, чувствительные к синей, зеленой и красной частям видимого спектра (short, medium, long — «короткие, средние, длинные»). Почему М– и L-колбочки настолько близки друг к другу? Хитрость кроется в спектре отражения здоровой кожи (тонкая синяя линия). Кривая имеет двойную впадину в форме буквы W, которая как раз приходится на длины волн в районе 550 нанометров. Физическая причина такого искажения — в особенностях поглощения света окисленным гемоглобином, содержащимся в подкожной крови.

Если физиологические показатели меняются, буква W на графике либо ползет вверх/вниз, либо делается плоской:

Чангизи считает, что именно такой набор рецепторов делает наши глаза максимально полезными при наблюдении за кожей, особенно на чужом лице.

«Световосприимчивость наших колбочек идеально подходит для того, чтобы замечать разнообразные спектральные сдвиги, происходящие с нашей кожей в ответ на изменения в физиологии кровообращения»

Парадоксы цвета

Идеи Чангизи поразительны в своих следствиях. На вопрос: «Почему трава зеленая?» — его теория дает примерно такой ответ: «Это бесполезная иллюзия». Мы перенесли на траву и другие зеленые объекты цвет кожи, под которой течет кровь с низким содержанием гемоглобина. «Эволюция взяла набор карандашей и пометила разными цветами вещи, которые важны для нашего выживания и размножения, — пишет нейробиолог. — В сущности, животные, обделенные цветовым зрением, смотрят на мир объективнее нас».

И однако меня в книге «Революция в зрении» больше всего поразила другая вещь, касающаяся цвета. Чтобы теория Чангизи работала, он должен допустить существование не трех, а четырех основных тонов: синего, желтого, красного и зеленого. В первой же картинке, которую приводит ученый, он кодирует с помощью этих оттенков четыре темперамента, о которых я писал в прошлом посте серии:

Когда новичок берется за изучение теории цвета, его встречает набор, на первый взгляд, противоречащих друг другу моделей. Как так может быть, что один ученый называет основными цветами красный, желтый и синий (RYB), другой — красный, зеленый и синий (RGB)? И при чем тут частота волн того или иного спектрального цвета?

Основная проблема кроется в том, что восприятие цвета — многоступенчатый процесс. То, что попадает в глаз, — это не то, что воспринимает сетчатка, то, что она воспринимает — не то, что передается в мозг, а это, в свою очередь, отличается от субъективного ощущения цвета.

Чтобы прояснить картину, Чангизи первым делом напоминает: радуга вносит путаницу. В ней нет множества цветов, например, коричневого и розового. На радуге мы видим только одно цветовое измерение, а именно тон, да и то не полностью: необходимо добавить пурпурный цвет (не тот, что фиолетовый, а тот, что воспринимается как плавный переход между красным и фиолетовым):

Чтобы представить себе всю гамму, необходимо добавить еще два цветовых измерения: насыщенность и яркость. Насыщенность — это близость оттенка к серому, грубо говоря, то, насколько сочным он выглядит. Цветовой диск с двумя координатами — тоном (оттенком) и насыщенностью — выглядит так:

Остается добавить яркость — количество в оттенке желтого. Только теперь мы получаем полноценное «цветовое тело» или «цветовое пространство». Обычно его изображают в виде волчка, конуса или цилиндра. Здесь Hue — тон, Saturation — насыщенность, Valuе — яркость:

Чангизи замечает, что модель HSV (тон-насыщенность-яркость) не годится для понимания субъективного восприятия цвета. Она почти ничего не говорит об иерархии основных и дополнительных цветов. Чтобы справиться с этой задачей, Чангизи берет на вооружение идеи немецкого физиолога Эвальда Геринга.

Оппонентная теория цвета

Во второй половине XIX века Эвальд Геринг предложил оппонентную теорию цвета. В ее основе наличие трех пар оппонентных, или комплементарных, цветов: желтого и синего, красного и зеленого, черного и белого. Геринг обратил внимание на следующую вещь: есть цвета, которые воспринимаются нами как смесь двух других цветов (оранжевый субъективно похож на смесь красного с желтым), а есть цвета, которые кажутся несмешанными. Ко второй группе принадлежит не три, а четыре цвета. Да, зеленый можно получить, смешав желтый с синим, и однако субъективно зеленый не кажется «желто-синим». Он выглядит так, как будто в нем нет ни желтого, ни синего. То же касается желтого, синего и красного.

Геринг сделал вывод, что синий с желтым и зеленый с красным — это пары перцепционных противоположностей, и есть всего четыре варианта их смешивания: сине-зеленый, зелено-желтый, желто-красный и сине-красный.

Почему колбочки у нас в глазах соответствуют трем длинам волн (примерно синей, зеленой и красной части спектра), но желтый кажется несмешанным? Разгадка кроется в схемах обработки сигналов от рецепторов. В случае с красным и зеленым все просто: если сильнее активированы L-колбочки, мы видим больше красного, если М-колбочки — больше зеленого. Однако желто-синяя ось определяется активацией S-колбочек, с одной стороны, и усредненным значением активации M– и L-колбочек, с другой. Если S выходит на первый план, то мы видим синий, а если M и L, то желтый.

У дихроматов (большинства млекопитающих) на месте M– и L-рецепторов был только один тип — M/L. Красно-зеленая ось — эволюционное новшество. Вот как выглядят цветовые пространства дихроматов и трихроматов:

С включением желтого в список базовых цветов есть определенные трудности. На всех цветовых кругах желтый занимает меньше места, чем другие несмешанные цвета — у желтого меньше оттенков, чем у красного, зеленого и синего. Как правило, синему противопоставлен оранжевый, желтому — фиолетовый. Неудивительно, что идеи Геринга подверглись жесткой критике со стороны последователей Германа Гельмгольца. Великий немецкий физиолог стоял на том, что в сетчатке есть колбочки трех типов (теория Юнга-Гельмгольца), а значит, есть и три основных цвета. Сегодня очевидно, что две системы не противоречат друг другу. Гельмгольц верно утверждал наличие колбочек, соответствующих синему, зеленому и красному частям видимого спектра, а Геринг угадал следующий этап процесса — смешивание сигналов от разных типов колбочек. В целом, модель Гельмгольца полезнее для тех, кто вплотную работает с цветом, однако оппонентная схема Геринга проще для восприятия. Она лучше объясняет субъективное представление о цветах.

Цвет характера, возраста, времени года

Применим оппонентную теорию цвета к четырем временам года — и получим следующую картину:

Логика здесь проста: от зеленых побегов и листьев к желтым цветам, а от них — к красным плодам. Конечно, система неидеальна. Осень и красная, и желтая. Лето и желтое, и зеленое. Когда ищешь в интернете соответствия между сезонами и оттенками, весне часто отдают желтую часть спектра, а лету — зеленую. Тем не менее, когда мы начинаем сравнивать с другими четверками, эта раскраска подходит довольно неплохо.

Детство, действительно, ассоциируется с зеленым цветом. Самый яркий цвет — это вершина дня и года. Наименее интенсивный цвет отдан зиме, ночи и старости. Со стихиями тоже получается неплохое совпадение: огонь — желтый, вода и лед — более-менее синие. Плодородная земля темно-красная. Воздух, правда, бесцветен, но свежий воздух вызывает мысли о деревьях и зеленых листьях, выделяющих кислород.

В случае с темпераментами цвета не слишком помогают. Холерик — скорее, распаленный и красный, сангвиник — веселый желтый, меланхолик — грустный синий (английское blue также значит уныние), а флегматик — безразличный, бесцветный. Может быть, в следующей инкарнации «Пятого колеса» эти ячейки, действительно, надо будет сдвинуть.

Главным здесь для меня является тот удивительный факт, что человеческое восприятие сворачивает прямой участок электро-магнитного спектра в цветовой круг, тем самым создавая пародию на дневные, годовые и жизненные циклы. Можно представить себе, что существует «космический цветовой баланс». Не только деревья и земля переодеваются из одного цвета в другой на протяжении года, но то же происходит с человеком и со всем миром.

Четыре цвета в искусстве

Посмотрим на несколько примеров использования «космического цветового баланса» в искусстве. Итальянский уличный художник Блю создал такую фреску в Риме:

Здесь вся история человеческой цивилизации получает сезонно-цветовую траекторию. Мы словно поднимаемся из зимнего бесцветного небытия, проходим синюю водную фазу, вылезаем на поверхность, переживаем зеленую весну, затем рождается человек с желтым огнем, но его лето длится недолго — под тяжестью техники и перенасленности города рушатся в красную осеннюю бездну.

А вот Хоан Миро в 1968 году создал картину, которую назвал «Рождение дня». Здесь камера как бы наезжает, вместо исторического цикла мы сосредотачиваемся на суточном. День движется справа налево, через зеленое утро, короткий и яркий полдень, долгий красный вечер, а затем попадает в синюю ночь, где мы видим звездочку на небе:

Еще пример: на картине Казимира Малевича «Девушки в поле» можно увидеть воплощение половины годового цикла. С точки зрения моей схемы, здесь изображается смена осени зимой (красно-синий переход у левой фигуры), унылая черно-белая зимняя гамма, а затем смена зимы весной (сине-зеленый переход у правой фигуры):

Тема, безусловно, обширная. Искусство двадцатого века, когда художники намеренно отворачивались от цветового богатства и ограничивали свою палитру простыми цветами — благодатный источник для подобных изысканий.

Четыре цвета в дизайне и анимации

Когда мы видим все четыре попарно противоречащих друг другу цвета, для восприятия это перегрузка. Схема выглядит слишком пестрой. Возможно, поэтому зеленый-желтый-красный-синий имеет «детские» ассоциации. Этот набор особенно часто встречается во всем, что связано с детьми, как раз потому что от этих оттенков создается ощущение «простоты» и игривости.

Технологические компании, которые позиционируют себя так, будто они на короткой ноге с гик-аудиторией, тоже очень любят эту гамму.

На дизайнерском форуме пишут, что такие логотипы появились только в 90-х, с развитием интернета, и что серьезные компании, наоборот, боятся слишком цветастых логотипов — они создают ощущение несерьезности.

Комплементарные оттенки часто встречаются и в анимации. В знаменитом японском мультфильме «Акира» во многих кадрах можно видеть сразу зеленые, желтые, красные и синие элементы. Сильные контрасты и кислотная отчетливость всех деталей отражает шум и ярость в головах юных персонажей. Неестественно оголенный цветовой круг, где от всего богатства оттенков остались только базовые пары противоположностей, — визуальный аналог оголенности чувств героя Тэцуо, который сходит с ума от неуправляемой способности к телекинезу.

Цветовой символизм был использован на полную катушку в пиксаровской «Головоломке». Если сдвинуть один из ободов «Пятого колеса» на четверть оборота, то персонажи мультика (все, кроме фиолетового страха) еще и отражают четыре темперамента: желтый — сангвиник, красный — холерик, синий — меланхолик, зеленый — флегматик. И они же — базовые человеческие эмоции.