Tại sao con người khó xác định màu sắc trong bóng tối?

Nếu bạn từng mặc đồ tối và sau đó nhận ra rằng chiếc áo sơ mi bạn đang mặc không có màu như bạn nghĩ thì bạn không đơn độc. Việc xác định màu sắc có thể khó khăn trong bóng tối và ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, các màu khác nhau có thể trông giống nhau một cách đáng kể.

Nhưng tại sao việc phân biệt màu sắc trong bóng tối lại khó hơn trong ánh sáng rực rỡ?

Khả năng nhận biết màu sắc của con người thay đổi tùy theo cách chúng ta nhìn thấy trong các điều kiện ánh sáng khác nhau. Mắt người chứa hai loại tế bào cảm quang hoặc tế bào thần kinh phát hiện ánh sáng: tế bào hình que và hình nón. Mỗi tế bào cảm quang chứa các phân tử hấp thụ ánh sáng, được gọi là sắc tố quang, trải qua sự thay đổi hóa học khi bị ánh sáng chiếu vào. Điều này kích hoạt một chuỗi sự kiện trong tế bào cảm quang, khiến nó gửi tín hiệu đến não.

Các que chịu trách nhiệm cho phép nhìn trong bóng tối, được gọi là tầm nhìn xa. Sara Patterson, nhà thần kinh học tại Đại học Rochester ở New York, cho biết chúng được tạo thành từ nhiều lớp sắc tố quang học. Cô nói, các thanh đặc biệt thu được ánh sáng ngay cả khi trời tối vì “mỗi một ngăn xếp đó đều là cơ hội để các photon bị hấp thụ”. Photon là các hạt bức xạ điện từ – trong trường hợp này là ánh sáng khả kiến – và các thanh có thể được kích hoạt khi tiếp xúc với tương đối ít photon.

Mặt khác, tế bào hình nón chịu trách nhiệm về tầm nhìn trong ánh sáng mạnh hoặc tầm nhìn quang học. Hầu hết mọi người đều có ba loại tế bào hình nón, mỗi loại nhạy cảm với một phạm vi bước sóng khác nhau của ánh sáng khả kiến, tương ứng với các màu sắc khác nhau. Những thay đổi nhỏ trong các phân tử hấp thụ ánh sáng ở các tế bào hình nón khác nhau khiến chúng trở nên chuyên biệt trong việc phát hiện ánh sáng đỏ, lục hoặc lam.

Nhưng điều quan trọng là các tế bào hình nón riêng lẻ không thể phân biệt được màu sắc, AP Sampath, nhà thần kinh học tại UCLA cho biết. Khi một phân tử bên trong tế bào hình nón hấp thụ một photon, nó chỉ kích hoạt hình nón; tại thời điểm đó, không có thông tin nào về màu sắc hoặc cường độ ánh sáng được xử lý. Tầm nhìn màu sắc phát sinh khi não kết hợp các phản ứng từ cả ba loại tế bào hình nón trong mắt - các mạch sinh học cực nhỏ biến đổi những phản ứng đó thành màu sắc mà chúng ta nhìn thấy.

Các tế bào hình nón chiếm ưu thế trong tầm nhìn dưới ánh sáng chói vì các tế bào hình que nhanh chóng trở nên bão hòa hoặc bị choáng ngợp bởi các photon và về cơ bản, não sẽ điều chỉnh hoạt động của các tế bào hình nón. Đó là lý do tại sao chúng ta có thể nhìn thấy màu sắc dễ dàng dưới ánh sáng mạnh. Nhưng khi trời tối hơn, khi mặt trời lặn hoặc khi bạn tắt đèn trong phòng, tế bào hình que bắt đầu chiếm ưu thế vì chúng nhạy cảm hơn với ánh sáng so với tế bào hình nón.

Các tế bào hình que chiếm ưu thế trong tầm nhìn ban đêm, trong khi tế bào hình nón chỉ được kích hoạt yếu. Tuy nhiên, không giống như hình nón, hình que chỉ có một loại. Tầm nhìn màu sắc xuất phát từ việc so sánh phản ứng của ba loại tế bào hình nón, điều này không thể thực hiện được ở tầm nhìn chủ yếu bằng que. Vì vậy, trong bóng tối chúng ta không thể phân biệt rõ màu sắc.

Tuy nhiên, tế bào hình que vẫn có thể ảnh hưởng đến nhận thức màu sắc trong những điều kiện nhất định. Trong ánh sáng mờ, mắt chúng ta hoạt động trong phạm vi trung gian được gọi là tầm nhìn trung bình, trong đó cả tế bào hình que và tế bào hình nón đều góp phần tạo nên thị lực nhưng không chiếm ưu thế.

Sampath nói: “Trong phạm vi mesopic này, có lý do để tin rằng các tế bào hình que cũng có thể góp phần xử lý màu sắc bằng cách cung cấp độ nhạy quang phổ riêng biệt để so sánh với các tế bào hình nón”. Các tế bào hình que nhạy cảm nhất với ánh sáng xanh lục và trong phạm vi trung gian này, chúng cung cấp thêm thông tin cho não để so sánh với thông tin từ các tế bào hình nón.

Patterson cho biết, sự giao thoa giữa tầm nhìn hình que và tầm nhìn hình nón cũng tạo ra hiệu ứng Purkinje, trong đó các màu đỏ trông tối hoặc hơi xanh dưới ánh sáng mờ và màu tím, xanh lam và xanh lục đột nhiên nổi bật. Hiệu ứng Purkinje đặc biệt đáng chú ý vào lúc chạng vạng hoặc khi nhật thực toàn phần.

Sampath cho biết, mặc dù chúng ta không thể nhìn rõ màu sắc vào ban đêm, nhưng hệ thống thị giác của chúng ta cho phép chúng ta tiếp nhận thông tin ở nhiều cường độ ánh sáng khác nhau, từ một đêm không trăng đến những sườn dốc trượt tuyết sáng chói.

Ông nói: “Một trong những điều đáng kinh ngạc về hệ thống thị giác là chúng ta có phạm vi cường độ rất lớn và nó thay đổi liên tục”. "Tuy nhiên, chúng tôi có thể đáp ứng được 12 bậc cường độ ánh sáng. Không có máy dò tổng hợp nào có thể quản lý được loại hiệu suất này."