איך רואים צבעים?

[צבי דגן]

איך רואים צבעים? 

מהי בעצם העין?
עיִן היא איבר חישה שהוא רגיש לגלי אור ומשמש על ידי כך לראייה.
לאדם, וגם לרוב בעלי חיים רבים יש עיניים.
העין מעבירה למוח מידע על מידת האור שיש בסביבה, ומאפשרת את הראייה.
העין האנושית מורכבת באופן בסיסי מעדשה שתפקידה לרכז את קרני האור על הקולטנים (רצפטורים) שרגישים לאור, והם ממירים את האור לאות חשמלי שמועבר למוח.
עיני האדם - בדומה לחלק גדול ממיני הטורפים ואוכלי-הכול - ממוקמות בקדמת הראש, כדי לאפשר התמקדות בטרף, ובמרחק-מה האחת מהשנייה, כדי לאפשר ראייה תלת-ממדית.
החלקים העיקריים
לובן העין - השכבה החיצונית ביותר של גלגל העין המשמשת כמעטפת של העין עצמה.
בשכבה הזו יש, בחלקה האחורי, מעבר עבור הסיב האופטי וכלי הדם של הרשתית.
הקרנית - זוהי רקמה שקופה ודקה שבנויה לפחות מחמש שכבות ידועות.
תפקידה לאסוף ולמקד את קרני האור שנכנסות לעין על ידי העדשה ויפלו על הרשתית בצורה מושלמת.
הקשתית - נמצאת מאחורי הקרנית.
הקשתית היא טבעת של שרירים, שבמרכזה נמצא נקב האישון (דומה לצמצם המצלמה).
תפקיד הקשתית הוא לשלוט בכמות האור שנכנס לעין. היא עושה זאת על ידי התכווצות והתרפות - כשהקשתית מתכווצת האישון קטן, ולעין מגיעה כמות קטנה יותר של אור. הקשתית מקנה לעין את צבעה.
האישון - אישון העין הוא למעשה נקב במרכז הקשתית שמאפשר לאור לעבור אל הרשתית דרך העדשה.
האישון מתכווץ ומתרחב בעזרת שרירים שנמצאים בקשתית כדי לווסת את כמות האור שעוברת דרכו אל הרשתית.
כאשר כמות האור קטנה - האישון מתרחב על מנת לקלוט כמות גדולה יותר של קרני אור, וכאשר כמות האור גדולה - הוא מתכווץ.
במצב נורמלי, האישונים בשתי העיניים מתרחבים ומתכווצים באותה מידה ובאותו זמן, וכאשר הם לא עושים זאת הדבר מעיד בדרך כלל על בעיה. כאשר האישונים לא נעים במקביל בו זמנית, נוצר מצב הנקרא פזילה.
העדשה - נמצאת מאחורי הקשתית והאישון.
העדשה בנויה שכבות שכבות (בדומה לבצל).
היא יכולה לשנות את עובייה על ידי השרירים הריסניים, ובכך היא משנה את רמת השבירה של קרני האור (ככל שהיא פחוסה יותר ועבה יותר, השבירה גדולה יותר).
כשאנחנו מסתכלים על דמות רחוקה, מיקוד הקרניים בדרכן לרשתית נעשה בקרנית, ולכן העדשה יכולה להיות שטוחה.
וכאשר אנחנו מסתכלים על דמות קרובה, יש צורך בשבירה נוספת ומיקוד על ידי העדשה.
הגוף הזגוגי - חומר קרישי (ג'יל) שקוף, על בסיס של מים, שממלא את החלל שבין העדשה לבין הרשתית (האזור האחורי), ומיועד להגן על תאי האור הרגישים מפני מגע ישיר עם הסביבה.
הרשתית - נמצאת בחלק העמוק ביותר של העין.
על הרשתית מתרחשת ההמרה של גלי האור לזרמים חשמליים שמועברים למוח.
פוטורצפטורים - תאים רגישים לאור.
פגיעת חלקיק אור בתא יוצרת שינוי כימי שמשחרר אנרגיה ומתחיל תהליך של המרת אנרגיית האור לפולס כימי/חשמלי (לדחף עצבי).
ברשתית ישנם שני סוגים שונים של פוטורצפטורים:
קנים - ישנם כ־120 מיליון קנים ברשתית.
אלו הם תאים ארוכים ודקים שפועלים בעיקר בלילה.
הם נמצאים בעיקר בהיקף הרשתית, ופחות במרכזה.
בתאים אלה אין המרה של צבע ושל פרטים קטנים בשדה הראייה, והם פעילים יותר לזיהוי אור (שחור/לבן).
כמו כן, לוקח להם זמן להתרגל לשינויי אור.
מדוכים - ישנם כ־6 מיליון מדוכים ברשתית.
אלו הם תאים קצרים ועבים שפעילים ביום, ונמצאים רק במרכז הרשתית.
לתאים האלה יש רגישות מיוחדת לצבעים (אורכי גל שונים של אור). הם רגישים ביותר לפרטים, ואינם רגישים לשינויי תאורה.
הגומה המרכזית - אזור ברשתית שבו מתבצעת עיקר הראייה - האזור שבו נופלת התמונה המתקבלת לאחר מיקודה על ידי הקרנית והעדשה.
שטחו כמילימטר וחצי מרובע ובו מרוכזים התאים שרואים בצפיפות גבוהה.
הפוטורצפטורים, שממירים את האור לפולס חשמלי שהופך לאחר מכן למרכיב בתמונה הנראית.
הגומה המרכזית מכילה מעל רבע מיליון פוטורצפטורים וללא שכבות נוספות, לכן המקום הזה דק ועדין מאוד ונתון להפרעות ומחלות רשתית שונות.
הדיסק האופטי - נקודה על הרשתית שממנה יוצא עָצָב הראייה אל המוח.
בדיסקית אין פוטורצפטורים בכלל, מה שגורם לתופעה שקרויה הכתם העיוור - אזור חסר בשדה הראייה בכל עין.
המוח משלים את השדה בעזרת המידע שהוא מקבל משתי העיניים, וכך אנו רואים את שדה הראייה כרצף, ולא מבחינים בכתם העיוור.
עָצָב הראייה - אוסף האקסונים (זיז בסיב העצב היוצא מן הנוירון ומעביר אימפולסים מן התא) של תאי הגנגליון (צומת עצבים, אוסף תאי עָצָב וסיבים עצביים) ברשתית מתנקזים במרוכז דרך אזור הדיסקה האופטית (הכתם העיוור) ומשם ממשיכים לגרעין הברך הצדי במוח.
הגוף הריסני - נמצא בהיקף של העדשה, ומכיל את השריר הריסני שגורם לתזוזה של העדשה - לצורך כיוון המוקד.
בנוסף, הוא אחראי על ייצור נוזל שמזין את העדשה והקרנית.
מבנה העין

היכולת שלנו לתפוס את העולם בצבעים מעשירה ללא ספק את הדרך שבה אנו חווים את המציאות, אבל הצבעים שאנו רואים אינם אלא פרשנות שעושים מערכת הראייה האופטית והמוח שלנו לאור שמופיע באורכי גל שונים.
למעשה לא כל בעלי החיים רואים את העולם בצבעים, ולעומת זאת יש בעלי חיים שרואים הרבה יותר צבעים מאיתנו.
מה מאפשר לנו ולבעלי חיים אחרים לראות צבעים ומהו אור?
אור הוא סוג של קרינה אלקטרומגנטית (גל אלקטרומגנטי הוא למעשה "הפרעה" המתפשטת במרחב בעלת מחזוריות והרמוניות, בשדה חשמלי או שדה מגנטי. הגל מוגדר ע"י אורכו (אורך הגל) ותדירותו - ההופכי של אורך הגל).העין האנושית מסוגלת להבחין באור באורך גל שנע בין 400 ננומטר (מיליונית המילימטר, או מיליארדית המטר), שאותו אנחנו רואים כסגול, ועד ל-700 ננומטר (אדום), ולכן התחום של 700-400 ננומטר נקרא האור הנראה.
יצורים אחרים מסוגלים לקלוט אורכי גל נמוכים מ-400 (על-סגול) וגבוהים מ-700 ננומטר (תת-אדום).
כיוון שמדובר בגל אלקטרומגנטי, לאור השמש יש אנרגיה שיכולה להתגלגל לצורות אחרות: למשל לאנרגיית חום (דודי שמש), אנרגיה חשמלית (תאים פוטו-וולטאיים) או אנרגיה כימית (תהליך הפוטוסינתזה שעושים צמחים).
ראיית אור וצבע
ראייה היא היכולת לקלוט בעין אור שמוחזר מעצמים ולתרגם את תכונותיו הפיזיקליות – אורך הגל, והתדר לתכונות כמו צבע, בהירות וניגוד צבעים. יחד הן יוצרות את התכונות האלה במוחנו לתמונה של הדמות שהחזירה את האור, שהגיע אליו, אל עין שלנו.
צבע, כאמור, היא אחת התכונות החשובות והיא בעצם האופן שבו אורך הגל של האור מתבטא בתפיסה החושית שלנו.
מה שמאפשר לנו לראות צבעים הוא קיומם של שלושה קולטנים ברשתית העין שנקראים מדוכים, שרגישים לאור בשלושה תחומים שונים של אורכי גל שמקבילים לאדום, כחול וירוק. הצירופים השונים של דפוסי התגובות של שלושת הקולטנים הללו הם מה שמאפשר לנו לראות מגוון רחב של צבעים – כעשרה מיליון גוונים שונים. אדם שיש לו פגם במדוכים יהיה עיוור צבעים ולא יוכל להבחין בין אדום לירוק או לא יראה צבעים בכלל, בהתאם לסוג הפגיעה.
מלבדם קיימים קולטנים בשם קנים שאינם רגישים לצבע אך קולטים עוצמות אור נמוכות ומשמשים אותנו לראייה בחשכה. לכן איננו רואים צבעים בחושך.
ספקטרום האור הנראה אורכי הגל בננומטרים | תרשים וטבלה: ויקיפדיה

בעלי חיים מעטים,  ביניהם רוב היונקים הימיים, מתאפיינים בראייה מונוכרומטית, כלומר יש להם קולטן מסוג אחד בלבד שרואה גוונים של שחור או לבן ואת כל הצירופים היחסיים שלהם שנקלטים כגוונים שונים של אפור. 
למעשה לא מדובר בצבעים אלא בהיעדר אור (שחור) וקיום אור (לבן או גווני אפור).
הראייה של רוב היונקים שאינם פרימטים (שאינם בני אדם או קופים), היא דיכרומטית, עם שני קולטני צבע. 
בקצה העליון של המורכבות בראיית הצבע נמצאים זוחלים, ציפורים וחרקים, שלהם יש ארבעה קולטני צבע ואפילו חמישה. 
יונים וסוגים מסוימים של פרפרים מסוגלים לראות עד עשרה מיליארד צבעים שונים – פי אלף מהאדם.
הפעלה זהה של כל שלושת הקולטנים בעין האדם תתפרש במוחנו כצבע הלבן, ואם אף לא אחד פועל המשמעות היא שאין אור, ולכן נראה צבע שחור. 
אולם אין צורך ביותר מקולטן אחד לראייה בשחור-לבן.
הטלוויזיה הצבעונית מתבססת על מערכת הראייה האנושית, משום שיש בה התקן שפולט קרני אור בשלושת הצבעים שאנו רגישים להם: אדום, כחול וירוק - שיטת RBG (שמשמעותה Red, Green, Blue).

---

סרטן (שרימפס) המנטיס (חסילון גמל שלמה) - Mantis shrimps
בעל החיים עם ראיית הצבע המשוכללת ביותר הוא סרטן בשם "חסילון המנטיס", שמכונה גם "חסילון גמל שלמה", אם כי אינו שייך לסדרת החסילונים וכמובן אינו קרוב של גמל השלמה. 
הוא חי באזורי אקלים טרופי וסובטרופי. לכמה מהמינים שלו יש 16 קולטני אור, ש-12 מהם מנתחים אור באורכי גל שונים, מהם ארבעה שרגישים לאור על-סגול.
המנטיס מסוגל לזהות גם אור מקוטב, שבני אדם יכולים לראות רק באמצעות עזרים כמו מסנן מקטב במצלמה. 
יש לו גם מסננים צבעוניים שמקטינים את כמות האור שמגיעה לקוטני הראייה, בדומה למשקפי שמש. 
צבע המסננים משתנה בין הזנים השונים ועשוי לכלול את הצבעים סגול, כחול, אדום, כתום וצהוב.
מעניין לציין שהראייה המשוכללת ביותר מופיעה אצל המינים בעלי הגוף הצבעוני ביותר, ונראה שהיא נועדה לאפשר לנקבות לקלוט את צבעיו הססגוניים של הזכר בתקופת החיזור. 
מעבר לראיית הצבע גם ראיית העומק של המנטיס משוכללת: לכל עין יש תפיסת עומק משלה, בעוד שבעלי חיים אחרים זקוקים לשתי עיניים לצורך תפיסת עומק. 

---

צבע הוא מושג תפיסתי (סובייקטיבי) ולא פיסיקלי.
זהו למעשה האופן שבו אנו תופסים את אורכי הגל שונים.
אורך גל הוא מושג פיסיקלי שאפשר למדוד באופן אובייקטיבי.
ראיה לכך שצבע הוא פרשנות היא ששני אנשים שונים יכולים לראות אותו חפץ כבעל צבעים שונים.
וכמובן - בעלי חיים אחרים תופסים אחרת את העולם ויכולים למשל לראות קרינה אולטרה סגולה שאנחנו לא יכולים לקלוט.
אז הם רואים אחרת חפצים שפולטים קרינה אולטרה סגולה מאיך שאנו רואים אותם.




מקור: מכון דוידסון - הזרוע החינוכית של מכון ויצמן