Nie wyszliśmy jeszcze z oceanów

Długa wędrówka fotonów

Światło słoneczne pokonuje długą drogę, nim dotrze do oka. W 8 min i 23 sek. przebywa próżnię, by następnie przedrzeć się przez atmosferę i w przefiltrowanej postaci oświetlać otaczające nas przedmioty. Atmosfera wychwytuje większość promieniowania gamma, część UV i dużą część promieniowania podczerwonego, pozwalając światłu z zakresu widzialnego i radiowego swobodnie oświetlać powierzchnię globu.

http://amazing-space.stsci.edu/resources/explorations/groundup/lesson/basics/g17b/

Rys. 1. Otaczająca ziemię atmosfera przepuszcza promieniowanie z zakresu ultrafioletu A i B, widzialnego, bliskiej podczerwieni o raz fal radiowych, reszta fali elektromagnetycznej jest przez nią pochłaniania. (źródło: chandra.harvard.edu)

Następnie fotony z zakresu widzialnego, docierające do nas ze Słońca, wchodzą w interakcję z otaczającymi nas obiektami. Zawarte w przedmiotach barwniki pochłaniają światło o określonej długości fali. Widziane przez nas kolory to w istocie barwy dopełniające do tych, które zostały pochłonięte przez barwniki. Marchewka wydaje się być pomarańczowa, bo zawarty w niej β-karoten pochłania światło niebieskie i turkusowe. Chlorofil a i b pochłania promieniowanie niebieskie i czerwone z zakresu widzialnego, umożliwiając zielonemu światłu dotarcie do naszego oka.

http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/lecturesf04am/lect10.htm

Rys. 2. Krzywe przedstawiają ilość światła z zakresu widzialnego pochłanianego przez chlorofil a i b oraz karotenoidy. (źródło: www.uic.edu)

Od camery obscury do całego oka

Światło widzialne odbite od przedmiotów, a więc niosące informacje o ich właściwościach, dociera do oka, które w kategoriach fizycznych zachowuje się dokładnie tak, jak camera obscura. Fala świetlna przechodzi przez rogówkę, rozprzestrzenia się do komory przedniej i soczewki, gdzie ulega skupieniu, by następnie przez ciało szkliste paść na zawarte w światłoczułych receptorach siatkówki – czopkach i pręcikach – detektory chemiczne. Na powierzchni dna oka powstaje odwrócony obraz tego, co znajduje się i jest oświetlone przed nami. Komputerowe symulacje ewolucji oka sugerują, że na wytworzenie tej skomplikowanej struktury z prostych komórek światłoczułych i komórek je chroniących potrzeba 250 tysięcy pokoleń.

Oko staję się zatem drugim po atmosferze filtrem, przez który przechodzi informacja na drodze do mózgu. Ludzkie oko składa się w 95% z wody. Mówiąc całkiem dosłownie, nosimy wodne okulary i widzimy jedynie tę część widma, której cząsteczki wody nie pochłaniają. Poniższy wykres obrazuje, że tylko fotony z zakresu widzialnego i ultrafioletowego mają szansę pokonać wodną barierę. Tak ścisły związek wody oraz percepcji światła jest efektem ewolucji, jako że życie rozwinęło się właśnie w wodzie.

http://www.lerepairedessciences.fr/sciences/questions_sciences/eau_bleue.htm

Rys. 3. Krzywa przedstawia ilość światła pochłanianego przez wodę w zakresie od ultrafioletu do podczerwieni włącznie; przepuszczalne dla zakresu widzialnego „okno świetlne” zaznaczono na tęczowo. (źródło: www.lerepairedessciences.fr)

Kolory w wodzie i na lądzie

Kilkaset milionów lat temu Ziemia była wyjątkowo niegościnnym środowiskiem. Pierwsze organizmy żywe mogły się rozwinąć tylko w wodzie, pochłaniającej większość zabójczego promieniowania kosmicznego i szkodliwych promieni UV. (ekstremofile, wenty gazowe). Zamieszkujący prastare wody Nautilus (przedstawiciel rządu łodzików, mięczak zamieszkujące cieple oceany) widział dzięki wypełnionej wodą kamerze otworkowej. Potem, ok. 700mln lat temu, u naszych archaicznych przodków wyewoluowały różne odmiany komórek światłoczułych zwane czopkami, specjalizujące się w wychwytywaniu światła w bardzo wąskich zakresach. Równolegle do ewolucji komórek światłoczułych przebiegał powolny proces tkankowego rozwoju oka, w toku którego detektory były stopniowo obudowywane przez grupy komórek pełniących funkcje ochronne i optyczne, np. źrenica i soczewka. Organizmy te dysponowały czopkami rejestrującymi światło ultrafioletowe, niebieskie, żółte i pomarańczowo-czerwone. Dopiero 200 mln lat później pojawiły się pręciki, wyspecjalizowane w rozpoznawanie kształtów oraz postrzeganiu ruchu. Z czasem ultrafioletowe i pomarańczowo-czerwone czopki zanikły u naszych przodków, a u niektórych naczelnych (w tym u ludzi) doszło do zróżnicowania detektorów czerwonych. Dzięki tej zmianie jesteśmy w stanie dostrzegać dużo więcej odcieni zieleni, co miało kluczowe znaczenie np. w rozpoznawaniu dojrzałości owoców i liści.

Ludzkość a reszta natury

Widzimy zatem w bardzo ograniczonym zakresie pasma, wybranym na drodze ewolucji jako najbardziej użyteczne dla przetrwania. Inne organizmy, jak ptaki czy owady, zachowały np. możliwość widzenia światła ultrafioletowego. Z perspektywy owada umiejętność rozpoznania rośliny nadającej się do zapylenia jest ważna dla przetrwania, więc dysponują czopkiem wrażliwym na ten zakres światła. Pyłki oraz niektóre części samego kielicha kwiatu przybierają zupełnie inne, dosłownie niewyobrażalne dla nas kolory w zakresie bliskiego ultrafioletu. Większość ptaków wyposażona jest w 4 czopki, dostarczające im informacji kluczowych dla zdobycia pożywienia (trop zwierzyny, kolor kwiatu). Możemy też natknąć się na żywe skamieliny, jak np. Odontodactylus scyllarus, zwany również pod wdzięczną nazwą Ustonogie, dysponujący 16 typami detektorów światła, pozwalającymi m. in. na postrzeganie zjawiska polaryzacji.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:OdontodactylusScyllarus2.jpg

Rys. 4. Ustonogie to specyficzny rząd morskich skorupiaków wyposażonych w 16 typów czopków: 12 rozpoznaje kolory, pozostałe min. polaryzację światła. (źródło: www.wikipedia.com)

Co dalej dzieje się z informacją?

Okazuje się, że jedynie 20% postrzeganej subiektywnie sceny wizualnej to surowe bodźce sensoryczne! Mózg poddaje informacje wzrokowe ekstensywnej obróbce i nadaje im kontekst na podstawie naszych wcześniejszych doświadczeń. Klasycznym przykładem takiej odgórnej (czołowej) ingerencji jest efekt tła, zaobserwowany przy stosowaniu kolorowego oświetlenia. W barwnym świetle cienie nie są szare, ale przyjmują odcień dopełniający do koloru światła. Pamięć warunków oświetleniowych, jakie panowały podczas wcześniejszych obserwacji, pozwala mózgowi na szybkie skalibrowanie „balansu bieli”, np. przy przechodzeniu do pomieszania o innym oświetleniu. Dobrze znane nam przedmioty zachowują subiektywną stałość koloru. Zatem kolor to nie sama długość fali elektromagnetycznej, ale raczej bardzo złożona percepcja. Świat kolorów powstaje dzięki ciągłej pracy mózgu, interpretującego docierające do niego „pakiety” światła w kontekście kształtu, otaczających kolorów, koloru tła i innych właściwości sytuacji.

Kolejnymi czynnikami wpływającymi na postrzeganie kolorów są płeć, aktualny stan emocjonalny, język, kontekst kulturowy (o czym więcej za chwilę) oraz wspomnienia. Natura wyposażyła kobiety, zajmujące się niegdyś zbieraniem pokarmu, w dużo większą wrażliwość na kolory niż mężczyzn, lepiej postrzegających ruch. Niektóre kobiety mają nie 3, ale aż 4 czopki, pozwalające im o wiele dokładniej różnicować odcienie między zielonym a niebieskim. Również przeżywane emocje – smutek, radość, złość, pewność siebie, wstyd – wpływają na zdolność wychwytywania różnic tonalnych między barwami. Chociaż nauka sukcesywnie zwiększa nasze rozumienie widzenia, to wciąż trafiamy w pewnym momencie na granicę subiektywności, czyli tego, czego już nie da się wypowiedzieć. Dosłownie nie jesteśmy w stanie stwierdzić, czy dwie osoby doświadczają danego koloru tak samo.

Co naprawdę widzisz, kiedy patrzysz?

Kolejnym przykładem wpływu procesów poznawczych na percepcję jest rola języka i kontekstu kulturowego w postrzeganiu barw. Komórki światłoczułe wykształcają się u noworodka w ciągu pierwszych 3 miesięcy życia, a proces poprawnego nazywania kolorów może trwać kilka lat. Źródłem ciekawego odkrycia jest odizolowane od współczesnych kultur afrykańskie plemię Himba w północnej Nanimbi. W ich języku funkcjonują nie 11, jak w angielskim, a jedynie 4 nazwy kolorów, które na dodatek nie pokrywają się z barwami rozróżnianymi przez np. Polaków. Zuzu oznacza kolory ciemne: czerwienie, odcienie niebieskiego, zieleni i fioletu. Vapa: odcienie bieli i żółci, Boru: kolory jasnoniebieskie i zielone. Dumbu: zgniłe zielenie, czerwienie i brązy. Te inaczej rozstawione „widełki” w zakresie widzialnym sprawiają, że trudniej im odróżnić jasnoniebieski od jasnego zielonego (określa je to same słowo), niż trudno rozróżnialne dla Europejczyka odcienie zieleni. Język nabiera znaczenia w momencie, kiedy postrzegamy i definiujemy kolory nie jako pojedyncze barwy, ale gdy widzimy je w kontekście innych barw. Jeśli nie nauczymy mózgu różnicowania barw, będziemy mieli problem z reagowaniem na różnice w zbliżonych odcieniach. Przykładów takich sytuacji dostarczają wizyty w butikach: „O co ci chodzi z tymi bluzkami? Przecież jedna i druga jest czerwona…”

Przyszłość

Uwarunkowania środowiska naturalnego, jak również wszystkie przemiany, jakie impulsy elektryczne z oka przechodzą w mózgu, znacząco ograniczają nasze widzenie świata. Z jednej strony należy przyznać, że postrzegany przez nas wycinek zjawisk został wyselekcjonowany w toku ewolucji jako najbardziej korzystny dla przetrwania i zoptymalizowany do skali, w której operujemy. Z drugiej strony aż korci, by zadać pytanie, czy nie dałoby się trochę przesunąć linię horyzontu poznawczego i zwiększyć nasze możliwości percepcji barw?

Już teraz jesteśmy w stanie czerpać pewne korzyści dzięki minimalizacji sprzętu i integrowaniu detektorów w urządzeniach mobilnych. Projekty takie jak Google Glass uświadamiają nam dobitnie, że urządzenia w stylu hełmu Predatora czy wizjera Nocnego Puchacza są niemal na wyciągnięcie ręki. Co więcej, w perspektywie niedalekiej przyszłości możemy dysponować technologią, pozwalającą na cybernetyczną integrację dodatkowych/zastępczych organów postrzegania o, np. detektory podczerwieni i ultrafioletu (human augmentation). Pod pewnymi względami postęp w tej dziedzinie wydaje się być nie tylko kwestią czasu, ale również rozstrzygnięć etycznych, jakich dokona nasza cywilizacja. Wiele wskazuje na to, że stoimy na progu przełomu cybernetycznego, którego skutki mogą drastycznie zmienić nasze postrzeganie świata. Do czego nas to doprowadzi? Zobaczymy.

Znając ludzką ciekawość, nie zanosi się, byśmy musieli długo czekać na odpowiedzi…