Forståelse af farvesyn: Hvordan tapceller opfatter lys

Farve er resultatet af en kæde af komplekse interaktioner. En af de vigtigste interaktioner er mellem bølgelængder af lys og tapcellerne i det menneskelige øje. Et lidt baggrundswiden om interaktionen mellem lys og stof samt lidt om signaleringsmekanismer i neuroner vil hjælpe med at forstå mekanismen bag lysabsorption – og hvorfor mennesker ser i tre forskellige farver.

Lys og stof

Forskellige bølgelængder af lys bærer forskellige mængder energi. Længere bølgelængder betyder mindre energi; kortere bølgelængder betyder mere. Når et foton – den mindst mulige mængde lys – rejser gennem et materiale, sker enten én af tre ting: det transmitteres gennem, det reflekteres af, eller det absorbères. Fotonens skæbne afhænger af materialets egenskaber, som det rejser gennem. Hvis atomet eller molekylet har to forskellige energitilstande, der er adskilt af den energimængde, som fotonen bærer, er sandsynligheden for absorption højere.

Synligt lys

Atomer er omgivet af elektroner. Elektroner kan være i forskellige energitilstande omkring atomet, selvom de typisk foretrækker at være i deres laveste energikonfiguration. Det viser sig, at energierne i synligt lys ligger præcis i området for energiforskellen hos elektroner omkring atomer. Så når synligt lys rejser gennem et materiale, hvis farven af lyset matcher præcis den energi, der er nødvendig for at flytte et elektron fra én konfiguration til en anden, så absorbères lyset, og elektronen ender i sin nye konfiguration.

Cellesignalisering

Neuroner overfører signaler ved at overføre kemikalier gennem kanaler i deres cellemembran. Som specifikke molekyler ændrer deres konfiguration, ændrer de fordelingen af deres atomer og udløser andre molekyler til at reagere. I det, der kaldes en "enzymatisk kaskade", ender et oprindeligt lille signal med at blive forstærket gennem cellen, og udløser åbningen af kanalerne i cellemembranen. De åbne kanaler lader andre signalmolekyler ud, og beskeden sendes. I tapcellerne i øjet er beskeden "Jeg så noget lys."

Retinal og tapceller

Der findes tre forskellige typer tapceller i det normale menneskeøje (mennesker med færre typer lider af farveblindhed, og mennesker med fire typer kaldes tetrakromatiske). Hver type tapcelle absorberer en lidt anden farve af lys: blå, grøn og gulgrøn. Som diskuteret i afsnit 1 og 2, absorbere lys bedst, når det matcher perfekt til en energiforskel i elektronerne i et atom. I tapper er det molekyle, der kaldes retinal. Retinal absorberer synligt lys og flytter et elektron fra én energi til en anden. Ændringen i energien hos det ene elektron ændrer formen af retinal. Det er kernen af alt menneskeligt syn – og næsten alt syn på Jorden: et absorberet foton ændrer formen af retinal.

Retinal i øjet

Retinal i sin normale konfiguration er låst ind i et andet molekyle på overfladen af en tapcelle. Opsin er et større molekyle, der holder fast i et retinalmolekyle. Når retinalen ændrer form, hopper den ud af opsinen. Opsinen ændrer derefter sin konfiguration og starter en signaleringskaskade. Et foton resulterer i et signal på ca. 100.000 molekyler længere nede i kæden. Opsinen bliver til sidst returneret til form af et andet molekyle inden i cellen. Samtidig bevæger det forvrængnede retinal sig ud af netheden, genvindes tilbage til sin anden form, og er til sidst frit til at binde til en anden opsin.

Forskellige farver

Hvis lyset alt bliver absorberet af det samme molekyle – retinal – hvordan kan fotoner med forskellig energi så blive absorberet? Svaret er, at de tre forskellige tapceller i øjet producerer lige netop lidt forskellige versioner af opsininmolekylet. De opsininmolekyler, som holder fast i retinalen, modificerer de mulige elektronenergier i retinalen. Modificeret energi betyder, at et andet foton absorberes, og det er derfor, at mennesker har tre forskellige farvesensorer i øjet.