Om färgseendet

Tappar och stavar är sinnesceller som fungerar som receptorer för ljus och färg i ögats näthinna. Stavarna är ljuskänsliga men kan inte skilja på färger. De finns mest i näthinnans ytterkanter. Tapparna är färgkänsliga och finns samlade i gula fläcken. Men hur kommer det sig att vi ser färger?

  Färgseendets historia...

...är uråldrig.

Det skulle gå att klara sig med att bara se i svart-vit-skalan, så varför ser vi (oftast) i färg och hur uppkom färgseendet? 
Ett system som utförligare skiljer på olika frekvenser är förstås ännu mer effektivt än bara svart-vitt då det ger mer information, t.ex. för att avgöra om olika frukter är mogna eller om det är en orm i trädet eller bara en gren.

Färgseendets historia sträcker sig flera hundra årmiljoner bakåt i tiden.

Hela ryggradsdjurens arvsmassa fördubblades för ca 500 milj år sedan, t.o.m. två gånger. En mängd extra genkopior uppkom då som var fria att utveckla nya funktioner under evolutionär selektion. De tidiga fördubblingarna gav upphov till de gener som gör skillnad mellan synsinnets tappar och stavar. (1)

Ytterligare en fördubbling skedde för ca 350 milj år sedan hos förfadern till benfiskarna. Grunden till utveckling av synen (och färgseendet!) var därmed lagd.

Så - mycket av evolutionen kan alltså ske tack vare genkopiering för hundratals miljoner år sedan som följts av förändring som ger funktionella skillnader. (1)

    Bilden träder fram

Näthinnan, retina, det ljuskänsliga lager som täcker insidan av ögongloben är en speciell del av hjärnan. Baktill på retina har vi fotoreceptorer, tappar för färgseende och stavar för att se i svagt ljus. Fotoreceptorerna är egentligen nervceller med ett fint flimmerhår som omvandlats så att det är fullpackat med skivor uppbyggda av cellmembran. (3)

Men innan ljuset når tapparna och stavarna, måste det passera igenom flera cellager som retina är uppbyggd av  och neuron för att processa bilden och överföra den till hjärnan för tolkning. Varför ligger syncellerna bakom nervcellerna och inte tvärtom? 
Tills nyligen har man inte förstått varför dessa celler ligger framför tappar och stavar, inte bakom. Särskilt som denna lösning finns hos alla vertebrater och således synes evolutionärt stabilt.

Nu har forskare funnit att gliacellerna (supportceller) i retina har en intressant uppgift: Dessa celler är också tjockare än andra retinaceller. I den genomskinliga retinan gör detta att gliacellerna styr (guide) ljuset ungefär som fiberoptiska kablar!

De bidrar alltså till att ge en bättre bild! Och hela arrangemanget fungerar ändamålsenligt.

De färger som lättast passerar genom gliacellerna är färger inom grön-röd-spektrat som ögat behöver mest för seende i dagsljus. Vanligen mottar ögat "för mycket" blått och har därför färre tappar för blått.

Grönt och rött koncentreras 5-10 gånger mer av gliacellerna till respektive tappar än blått ljus. Överflödigt blåljus sprids till omgivande stavar.

Evertebrater, som bläckfiskar har en annan lösning för sitt seende där ljuset träffar syncellerna direkt, utan att passera cellagret. (2) Ögat har hos djuren anpassat sig efter just det djurslagets behov.

  Gula fläcken

 Längst bak i mitten av näthinnan finns hos människor och apor en liten millimeterstor fläck som innehåller ett gult pigment: den s.k. gula fläcken. (Det här gula pigmentet lär bara finnas hos apor och människor.)  Mitt i gula fläcken är synskärpan som bäst. Där är näthinnan tunnare och bildar en grop (fovea centralis). I botten av gropen finns mest tappar. De övriga cellerna och stavarna har skjutits åt sidan. Fördelen med det är att ljuset når tapparna och stavarna obehindrat så synskärpan blir maximal. (4)

Tapparna, som alltså registrerar färg, har tre olika sorts synpigment eller fotopigment (kemiska ämnen) för att täcka alla färgkombinationer. Dessa pigment är känsliga för ljus av olika våglängder, för de långa: röd, de medellånga: grönt och de korta som registrerar blått. (5) Dessa tre färger kallas primärfärger. Blandar man två av dem får man sekundärfärger. Blandar man tre får man tertiärfärger osv.
Om alla typer stimuleras samtidigt ser man vitt. Om ingen stimuleras alls, ser man svart. (6)
Vid felfunktion hos någon av tapptyperna får man färgblindhet. Det finns också människor, tetrakromater (fler kvinnor än män), som kan ha en fjärde tapptyp och således extremt bra färgseende. Anlaget måste ärvas från båda föräldrarna för att slå igenom.

Tapparna behöver mycket ljus och vi ser därför färger sämre i mörker. Runt gula fläcken överväger stavarna som är mycket ljuskänsliga. Det finns ca 10 ggr fler stavar än tappar. (7) De är utspridda över hela näthinnan. Stavarna är mer ljuskänsliga än tapparna men spektralt lika varför de inte kan skilja olika våglängder (färger) åt. Stavarna sköter alltså om seende i svagt ljus och det perifera seendet. (8)

Människans synliga spektrum är ungefär mellan 380 - 750 nm.
Det är hjärnan som bearbetar och tolkar styrkan hos de färgtyper som ögat registrerar och det är hjärnan som "blandar till" alla tusentals och åter tusentals nyanser av färger vi kan se. 

Diskussion: Finns färger? Eller bara ser vi dem?

Ljus är kort sagt elektromagnetisk strålning. Teoretiskt sett har det ett oändligt spektrum av våglängder. Men med det ljus vi befattar oss med brukar vi vanligen mena (och menar i denna artikel) den minimala del av det elektromagnetiska spektret som vi kan uppfatta med våra ljuskänsliga receptorer; synsinnet. (8)

De våglängder av strålningen som vi kan uppfatta som färg håller sig mellan ca 380 - 780 nm. Endast dessa våglängder fungerar som färgstimuli, från blått, via grönt till rött. 

Färg är inte något vi ser som det är i rummet utanför, utan färg skapas i vår hjärna när den tolkar mottagna stimuli och skapar en bild av omgivningen.  Det är en förnimmelse som skapas i hjärnan när elektromagnetisk strålning av viss våglängd träffar och stimulerar receptorerna i näthinnan vilket ger upphov till processer i nervsystemet med färg som resultat.(8)
Färg är alltså ingen egenskap hos omgivningen eller ljuset, utan en perception. Om vi ändrar omgivningens ljus ändras färgerna. Färgen kan alltså inte vara en egenskap, utan är något som hjärnan tolkar som färg.
En färgblind person uppfattar färgerna annorlunda och en person med extremt gott färgseende se fler nyanser än de flesta andra. Allt beror på sinnet och hjärnan och vi vet aldrig exakt hur någon annan uppfattar en färg. (8)

"Att verkligen ta till sig kunskapen om att världen där ute inte har några färger, utan bara ett evigt varierande flöde av elektromagnetiska vågrörelser utan några gränser, ett flöde som mitt nervsystem sedan delar upp och kategoriserar, det är både känslomässigt och förnuftsmässigt svårt att inse." (9)

"Färger, liksom ljud, är alltså symboliska system inne i nervsystemet, som utlöses av retningar från sinnesorganen. De skapas inte av retningen, och är bara en sorts översättning av dem, på samma sätt som ordet 'rött' i sig bara är ett abstrakt ord, inte en röd fläck." (9)

Det får bli slutorden, i tacksamhet och glädje över att vi kan uppleva vår färgrika omgivning tack vare vårt fantastiska nervsystem.

källa: 

1. WWF Eko 2015:02
     http://uu.se/press/pressmeddelanden/pressmeddelande-visning/?id=2608&area=3,8&typ=pm&lang=sv

2. http://www.iflscience.com/health-and-medicine/look-your-eyes-are-wired-backwards-here-s-why

3. Olson/Josephson: "Hjärnan"

4. Red. Lennart Widén: "En bok om hjärnan"

5. http://www.ogat.n.nu/ogat

6. https://sv.wikipedia.org/wiki/F%C3%A4rgseende

7. Michael O'Shea: "Hjärnan"

8. http://www.csc.kth.se/utbildning/kth/kurser/DM1021/ingaov07/projekt/dokument/exempeldokument.pdf

9. Sverre Sjölander. "Vårt djuriska arv - om människans biologiska natur"

bilder från www.pixabay.com

Lite mer om den evolutionära utvecklingen:

Många av de gener som utgör skillnaden mellan tappar och stavar härrör från de tidiga fördubblingarna av ryggradsdjurens arvsmassa.

De ursprungliga ryggradsdjuren hade fem ljusreceptorer. Fyra användes för färgseende. Två av dess finns inte kvar hos oss men väl hos fåglar och fiskar som i vissa fall har bättre färgseende än vi.

Zebrafisk är ett vanligt studieobjekt i både fysiologi och utvecklingsbiologi. Syngener hos zebrafisk används i samma celltyper som dess motsvarigheter hos däggdjuren. Man kan alltså se att specialiseringen är mycket gammal.

Vissa extra genkopior hos zebrafisk används i olika delar av näthinnan. Några av dem finns i tallkottkörteln som reglerar dygnsrytmen. (1)

De populärvetenskapliga utläggningarna om tetrakromacitet och "testerna" för att visa på egenheten innehåller ett grovt felgrepp.

Om man tittar på känslighetskurvorna för de tre "normala" tapparna, ser man att det finns en känslighet för violett hos alla tre, men att det är en markant skillnad på hur kurvorna beter sig innan de når violett. Den som avviker mest är den för de rödkänsliga tapparna. Den ökar i känslighet där den gröna faller, och är mer känslig än den gröna i det violetta området.

Det är själva förutsättningen för att vi ska kunna se violett, eftersom violett inte ingår i de tre färgerna som vi har benämnt receptorerna efter. Visserligen kunde den violetta också skapas via jämförelse mellan receptorer för grönt och blått, men nu är det en gång så att de rödkänsliga tapparna har den här ökade känsligheten i det violetta området.

En annan intressant iakttagelse, som talar emot de långa utläggningarna om tetrakromater, är att ögats lins med tiden färgas. Som nyfödda kan vi faktiskt se ultraviolett strålning som ljus. Förmågan avtar med åldern, och i puberteten och senare har vi ett väldigt effektivt UV-filter i linsen.

De som opereras för katarakt kan åter se in i det kortvågiga området, men ingen har uttryckt den ökade känsligheten för violett och ultraviolett som färg, utan snarare som vibrans.

Så rent tekniskt är vi alla tetrakromater, vilket möjliggör att vi kan särskilja toner i området mellan blått och violett, och det gör vi genom att våra rödkänsliga tappar också är känsliga för violett. Det är också därför det är möjligt att åstadkomma digitala färgbilder med bara tre färger i våra bildskärmar, vilket helt förklarar varför alla tetrakromatitest på nätet är bluff. Bildskärmen sänder inte ut något violett ljus. Den sänder ut tristimuli, som vi tolkar med ögonen på liknande sätt som när vi ser ett färgat motiv i verkligheten.

När vi ser det i verkligheten kan det finnas kortvågigt ljus, som vi via tristimuli ser att det är violett. På bildskärmen finns inget violett, men kameran har tolkat det violetta åt oss genom en lämplig blandning av blått och rött. Den blandningen uppstår genom att det "röda" filtret framför sensorns ljusbrunnar, precis som våra rödkänsliga tappar, släpper fram violett. Därigenom, när bilden avmosaikeras, kommer violett att levereras i form av en blandning av rött och blått, en mer direkt väg att ge vårt synsinne samma tristimulieffekt.

Och tetrakromat eller inte. Bildskärmen har bara tre färger, och den kan inte visa fler färger för en tetrakromat än för en trikromat.

Ett diagram över känsligheten hos en fågel som är tetrakromat:
https://en.wikipedia.org/wiki/Tetrachromacy

Lägg märke till att även här stiger känsligheten i det violetta området för övriga tappar.

Och det mänskliga ögats känslighet finns här:
https://sv.wikipedia.org/wiki/F%C3%A4rgseende

Och färgerna finns som nämnt tidigare bara inne i huvet på oss, ute i den fysiska världen handlar det bara om våglängder. Och för en trikromat, som människan, kan man blanda till alla synliga färger med de tre som ger oss tristimulus, medan tetrakromaten behöver en fjärde "färg" som inte finns i datorskärmen, för att få hela sitt spektrum. Det är därför det inte går att testa tetrakromaticitet med en bildskärm.

Och vi som är trikromater kan omöjligt veta hur en tetrakromat upplever färg utanför det område som för oss är synligt. Vi kan inte ens veta hur en annan trikromat upplever färger. Däremot kan vi ganska lätt syntetisera färgerna genom att bygga upp dem med de tre grundfärger vi har i bildskärmen.

#2  Som nyfödda kan vi faktiskt se ultraviolett strålning som ljus.

Det vore intressant med en källa.

Det här är ju sådant som jag har från föreläsningar, och jag är övertygad om att det går att hitta källor på nätet som påvisar det, men jag har inte hittat någon riktigt bra sökprofil för att kristallisera ut dem. Ett par som jag hittade är den här: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1444-0938.2010.00538.x/pdf

Den visar att UV-strålningen når långt in i ögat, men att detta minskar med ålder när linsen gulnar, och att man numera sätter in UV-filtrerande linser när man gör kataraktoperation. Det innebär alltså att den som har fått en sådan lins inte får något ökat seende i det ultravioletta området.

Sedan är det faktiskt rätt enkelt att se på känslighetskurvorna i diagrammen på receptorerna, att den blåkänsliga har känslighet långt in i det ultravioletta området, men kurvorna som visas exempelvis på Wikimedia klipper skarpt för röda och gröna liksom stavarna. Jag misstänker att den verkliga känsligheten inte klipper så abrupt, och det är känt att den blå inte klipper bort violett eller de längre våglängderna av UV-strålar.
https://en.wikipedia.org/wiki/Photoreceptor_cell

Det som mest hindrar oss att i vuxen ålder se UV är att linsen gulfärgas med åldern, och det är antagligt att det är just UV-strålningen som leder till att den färgas. UV är också starkt bundet till utveckling av katarakt, grå starr, som är en grumling av linsen.

#4 Men det är ju något annat än att nyfödda ser UV-ljus.

Utöver de fotoreceptorer som hör till seendet finns ännu en i ögat, känslig för blått ljus, som påverkar vår dygnsrytm. Den ger ingen information till synen, utan den påverkar direkt vårt hormonsystem, kopplat till hypofysen. Den är nämnd på Wikipedia så här: 

• A small percentage of retinal ganglion cells contribute little or nothing to vision, but are themselves photosensitive; their axons form the retinohypothalamic tract and contribute to circadian rhythms and pupillary light reflex, the resizing of the pupil.
  https://en.wikipedia.org/wiki/Retinal_ganglion_cell
  http://neuronbank.org/wiki/index.php/Retinal_Ganglion_Cell
  

Det är på föreläsningar om den receptorn som UV-känsligheten hos barn brukar nämnas, och jag har inte någon skriven källa. Mitt område när jag var tekniker på ett företag som gjorde belysning innefattade också sådan forskning och att delta i föreläsningar kring synen.

Jag är helt övertygad om att det inte är svammel, men du kanske kan leta vidare själv om du vill hitta mer information.

#5 Nej, det är inte något helt annat. Kurvorna för känslighet hos tapparna visar att de blåkänsliga också är känsliga för UV.

T.o.m. vissa bakterier kan se och uppfatta färger:

"Forskarna upptäckte att bakterierna känner av både ljus och färger. De encelliga organismerna vet också vilken riktning ljuset kommer från. Hela bakteriecellen har sfärisk form och fungerar som en optisk lins i mikroformat"

"Enligt forskarna är bakteriecellen sannolikt det minsta och äldsta ögat på jorden."

http://www.svt.se/nyheter/vetenskap/ny-upptackt-visar-att-vissa-bakterier-kan-se

Färger - optiska illusioner.

Vilka färger vi ser är beroende på omgivning och sammanhang. På en bild ser vi inte så mycket till kontext, därav dessa virala diskussioner om en jacka är blå-vit eller svart-guld eller vad det nu kan vara.

Se exemplet i länken, samt den välkända optiska illusionen med schackbrädets rutor.

http://www.iflscience.com/brain/why-everybody-seeing-jacket-different-colors

#9 Diskussionerna kring färgerna på klänningen, respektive jacka och ryggsäck, har egentligen inget med vårt färgseende att göra, utan det handlar i högre grad om bilder, som har visat färgerna förvrängda på våra bildskärmar.

Nu kan man väl invända att bildskärmar i regel inte är kalibrerade, men de flesta datorskärmar har möjlighet att visa alla färger som är möjliga inom färgrymden sRGB. Men bilden av klänningen är kanske det sämsta av exemplen, eftersom den var inte bara illa exponerad, utan också hade helt fel färger, fel tristimuli, så att det faktiskt var omöjligt att se vilken färg den hade.

Så det som förs fram i artiklarna stämmer inte, vilket man kan se ganska tydligt i diskussionerna inunder den med Adidas-grejerna. Där har någon tagit sig före att undersöka tristimulivärdena i Photoshop.

Visst har vi var och en vårt individuella färgseende, men tristimuli kan man faktiskt analysera; om någon nu inte skulle se skillnad på klart olika tristimuli från bildskärmen, så handlar det om sämre färgseende. Det kanske inte är ovanligt, men det ändrar inte att bilden av klänningen som visades där man fick gissa på färgen helt enkelt inte visade klänningens färger.

En liknande diskussion på ett fotoforum handlade om blåklockor. En person ville envetet att blåklockans färg skulle vara blå, men jag har hittills inte sett en rent blå blåklocka. Alla jag har sett har varit lila. Vad som där kan vara intressant är så klart om deras lila färg innehåller spektralt violett strålning, men det har jag inte tagit reda på. Så som vårt färgseende fungerar, kan vi inte skilja en purpurton med samma tristimulivärde som en violett från varandra. Blåklockan kan alltså vara lila genom att rött och blått blandas, eller genom att den strålar ut violett. Man måste göra en spektralanalys för att få reda på det, och kanske jag gör det när blommorna kommer fram igen.

Och färgdiskussionerna hänger alldeles självklart ihop med hur vi uppfattar färg, och bara man nämner någon av dem, så avser man en perceptuell färg, en upplevd färg, som är skild från de rent fysikaliska egenskaperna hos strålningen. Men när man börjar blanda in teknik, som att visa färgen på en bildskärm, måste man ta hänsyn till teknikens begränsningar. En bildskärm kan inte stråla ut violett. Violett ingår inte i de färger som respektive bildpunkt blandas av i skärmen. Detsamma gäller gul Gult är en färg som överhuvudtaget inte finns på skärmen. Skärmen presenterar alltid färgerna i form av tristimuli, en blandning av de spektralband skärmens pixlar kan stråla ut.

Och en dålig bild, illa exponerad och med vitbalansen bortitok, den kan man inte använda för att se vilken färg det fotograferade föremålet har.

En typ av Riddarfjäril ser omgivningen på ett helt annat sätt än vi.

Den har 15 olika färgreceptorer i ögonen. Bara fyra av dem verkar användas för färgseende, de andra är mer specialiserad för att hålla övrig koll på omgivningen, som att se snabbt flygande objekt mot himlen eller urskilja en insekt i grönskan.

Särskilt intressant är att fjärilen kan urskilja ultraviolett och polariserat ljus. Dessa korta våglängder ser inte vi människor.

Av fjärilens femton färgreceptorer stimuleras en av ultraviolett, en av violett, en av blågrön och fyra av grön färg. Den har vidare fem receptorer för röd färg, men endast en av dem används för färgseende.
De andra receptorerna har mer specialiserade funktioner, tror man.

Även om fjärilsseendet har många fördelar jämfört med vårt ser de inte med sina facettögon lika skarpt som vi.

Studien publiceras av de japanska forskarna i veckans nummer av Frontiers in Ecology and Evolution.

http://www.svt.se/nyheter/vetenskap/fjarilen-med-supersyn

Det skulle vara intressant att se med fjärilsögon, bara lite grann....

Att insekter i många fall ser UV är känt sedan tidigare, och också att de kan ha hjälp av himlens polarisering för att orientera sig. Den mest undersökta insekten för de egenskaperna lär vara honungsbiet.

Många blommor har mycket stark UV-reflektion, även om deras färg för oss inte ser överdrivet framträdande ut, och insekterna kan alltså lättare upptäcka dem när de har UV-känsliga ögon. Man kan anta att det är en frukt av evolution, både att pollinerarna kan se UV och att växterna utvecklar egenskapen att visa sin "färg" för de insekterna.

Lite ny forskning från John Hopkin-universitetet om färgseende, som visar att det där med färger och färgseende - inte är helt självklart eller enkelt...

Se färgrutan överst i länken. Vilken färg skulle du beskriva den som?

http://www.sciencealert.com/your-brain-straight-up-can-t-handle-this-colour

Studien indikerar att människor inte minns nyanser som de är utan hjärnan gör om dem till något annat, enklare. 
Försökspersoner kunde t.ex. minnas den ljuslila färgen som rosa.

Ny sorts glasögon gör det möjligt att se färger som inte annars syns och att särskilja mellan olika nyanser som annars skulle se likadana ut.

http://www.iflscience.com/technology/new-glasses-may-allow-the-wearer-to-see-colors-not-usually-visible/

En ny blå färg...mmmm, vad vacker!

YInMn Blu är det något kryptiska namnet.

http://www.iflscience.com/chemistry/a-chemist-discovered-the-first-new-blue-in-200-years-now-crayola-is-turning-it-into-a-crayon/

Kvinna med en fjärde färgreceptor i ögat:

http://www.sciencealert.com/scientists-have-found-a-woman-whose-eyes-have-a-whole-new-type-of-colour-receptor

#16 Jag vill också haa! Haha. :D