T43. How we see color by Anthony J. Kirby, Cambridge University, UK

We can only wonder how it is possible for CCell's vision to range all the way from the UV-Visible region to X-rays. We wonder all the more when we begin to understand how our eyes can detect and distinguish as many as ten million colors from this narrow band of wavelengths (400-700 nm) in the electromagnetic spectrum.

When light falls on the retina at the back of the eye it activates receptors that convert the light energy into nerve signals, which are transmitted along the optic nerve to the brain. The details are astonishing. There are over a hundred million of these receptors – in each of our eyes! They come in two different forms, rod-shaped and cone-shaped. Both forms contain photosensitive organic molecules (see below) which play subtly different roles. Rods are more numerous (120 million) and more than 1000 times more light-sensitive; but not to color. They are responsible for how well we can see – and why we cannot distinguish colors – at night and in low light. In bright light they are "bleached," i.e. deactivated.



Cones, by contrast, come in three varieties, distinguished by their different "response curves" to bright light of different wavelengths (Figure), each sending different, "color-coded" nerve signals to the brain. The colors we perceive are a dynamic summation of these signals, which themselves depend on the intensity and wavelength of the incoming light, from a large number (of the 6 million cones available) of these three receptors. (The absence or deficiency of one of them is a primary cause of color-blindness.)

Though the color-sensitivities of the rods and the three sorts of cone differ, they all depend on the same photo-reaction of the same molecule. 11-cis-retinal is covalently bound (as a Schiff base) in each case to a different (opsin) protein, which provides a specific environment that defines the specific color response of the chromophore.

A quantum (hn) of light energy is enough to convert 11-cis-retinal (derived from vitamin A) to the photo-insensitive trans form. This drastic change of molecular shape triggers a controlled series of changes that include sending the color-coding signal to the brain, and the release of the (now ill-fitting) trans-retinal molecule from the protein. The trans-retinal is economically recycled by enzymes to regenerate the 11-cis-isomer.

The recycling process is rapid for cones, which adapt quickly to changes in the incident light; but much slower for rods, which can take over half an hour to adapt after exposure to bright light; which is why it can take so long to acquire optimal night vision in this situation.

References. Color is an ideal topic for the web, and you will find many excellent treatments.

e.g. at http://www.webexhibits.org/causesofcolor/. An excellent book, which all good libraries should have, is "Bright Earth. The Invention of Colour" by Philip Ball. ISBN 978-0-099-50713-0

COMO ENXERGAMOS CORES
Anthony J. Kirby, Cambridge University, UK

Podemos apenas imaginar como é possível que a visão CCell funcione na ampla faixa desde a região UV-Visível até raios-X. Perguntamo-nos ainda mais quando começamos a entender como nossos olhos podem detectar e distinguir até dez milhões de cores a partir desta faixa estreita de comprimentos de onda (400-700 nm) do espectro eletromagnético.

Quando a luz incide sobre a retina na parte posterior do olho, ela ativa receptores que convertem a energia da luz em sinais nervosos, que são transmitidos ao longo do nervo óptico até o cérebro. Os detalhes são surpreendentes. Há mais de cem milhões desses receptores - em cada um dos nossos olhos! Eles vêm em duas formas diferentes, em forma de bastonete e em forma de cone. Ambas as formas contêm moléculas orgânicas fotossensíveis (veja abaixo) que desempenham papéis sutilmente diferentes. Bastonetes são mais numerosos (120 milhões) e mais de 1000 vezes mais sensível à luz, mas não a cor. Eles são responsáveis por quão bem nós podemos ver - e por que não podemos distinguir cores - à noite e com pouca luz. Na luz intensa, eles são "foto-branqueados", ou seja, desativados.



Cones, ao contrário, vêm em três variedades, que se distinguem pelas suas diferentes "curvas de resposta" à luz intensa de diferentes comprimentos de onda (Figura), cada enviando sinais nervosos diferentes, "codificados por cores" para o cérebro. As cores que percebemos são um somatório dinâmico destes sinais, os quais dependem da intensidade e comprimento de onda da luz recebida, a partir de um grande número (dos 6 milhões de cones disponíveis) desses três receptores. (A ausência ou deficiência de um deles é a principal causa do daltonismo.)

Embora as sensibilidades de cor dos bastonetes e dos três tipos de cone difiram, todos eles dependem da mesma foto-reação da mesma molécula. 11-cis-retinal é ligação covalente (como uma base de Schiff), em cada caso a uma proteína (opsina) diferentes, o que proporciona um ambiente específico que define a resposta a cor específica do cromóforo.

Um quantum (hn) de energia luminosa é suficiente para converter 11-cis-retinal (derivado da vitamina A) para a forma trans foto-insensível. Esta mudança drástica de forma molecular desencadeia uma série controlada de mudanças que incluem o envio do código de cores do sinal para o cérebro, e a liberação da (agora mal ajustada) molécula de trans-retinal da proteína. O trans-retinal é economicamente reciclado por enzimas para regenerar o 11-cis-isômero.

O processo de reciclagem é rápido para cones, que se adaptam rapidamente às mudanças de luz incidente, mas muito mais lento para os bastonetes, o que pode demorar mais de meia hora para se adaptar após a exposição à luz brilhante, que é por isso que pode levar tanto tempo para adquirir melhor visão noturna nesta situação.

Referências. A cor é um tema ideal para a web, e você vai encontrar muitos tratamentos excelentes. Por exemplo, em:

e.g. at http://www.webexhibits.org/causesofcolor/. Um livro excelente, que todas as bibliotecas boas deveriam ter, é: "Bright Earth. The Invention of Colour" by Philip Ball. ISBN 978-0-099-50713-0