Světlo. Valná většina života na Zemi existuje právě díky němu. První fototrofní organismy v Kambriu díky fotosyntéze změnily charakter životního prostředí do té míry, aby mohly ostaní organismy vystavět své životní cykly na spotřebě kyslíku. Už z názvu fotosyntézy vyplývá, že jde o chemickou reakci iniciovanou světlem, a vědní obor zabývající se takovými procesy se nazývá fotochemie. Pro moderní fotochemiky je dnes velice významné viditelné světlo. Jak fotochemici pohlížejí na svět barev nám přiblíží Viktor Mojr, doktorand Ústavu organické chemie.
Svícení pod obojí
Světlo je vnímáno z pohledu fyziky dvojím způsobem. Chceme-li určit rychlost šíření světla, vnímáme ho jako proud fotonů – nehmotných částic, u nichž můžeme určit polohu v čase. Rychlost světla byla poprvé změřena v roce 1849 a následně byla několikrát korigována. Ve valné většině výpočtů bohatě stačí c = 3⋅108 m/s. Existuje však i druhý pohled, který vnímá světlo jako elektromagnetické vlnění. Uvažujeme-li rychlost světla jako konstantu c, energie tohoto záření je funkcí vlnové délky, jejíž škála ve viditelné oblasti je spektrum od fialové až po červenou (Obrázek 1).
Fialová barva mezi 380 a 410 nm je pro lidské oko nejkratší pozorovatelnou vlnovou délkou. Zkrátíme-li vlnovou délku pod 380 nm, mluvíme o ultrafialovém (UV) záření. Čím je vlnová délka kratší, energie se zvyšuje, jak plyne z de Broglieho hypotézy (rov. 1). Vysokoenergetické (tvrdé) UV-záření má energii jednoho fotonu srovnatelnou s vazebnou energií a není tedy divu, že je schopno štípat chemické vazby, v čemž tkví i jeho nebezpečí pro živé organismy. Naopak energie infračerveného záření o vlnových délkách nad 720 nm je nízká, nižší než je schopno absorbovat barvivo v čípcích oční sítnice, čili je pro nás nepozorovatelné. Energie infračervených fotonů je však srovnatelná s energií nevazebných sil mezi molekulami kondenzovaných systémů, a proto je možno jej použít k ohřívání.
Ve vědě naštěstí v ohledu povahy světla neexistují dva protichůdné proudy názorů, a tak se všichni shodli na vlnově-korpuskulárním charakteru záření. Má to výhody při výpočtech, které perfektně zapadají do všech mechanismů a naměřených hodnot. Z toho vyplývá, že tento popis bude asi velice blízko realitě. Potřebujeme-li například určit energii potřebnou k nějakému fotochemickému ději založenému na pohlcení světla, z vlnové délky absorbovaného záření můžeme tuto energii vypočítat s využitím vlnového popisu. Je-li naší požadovanou veličinou naopak množství pohlcených fotonů, vnímáme světlo jako proud částic.
Pravá barva jenom v hlavě
Viditelné spektrum je škála tzv. pravých barev, tedy barev, které vnímáme v mozku na základě analýzy signálů ze sítnice tak, jak jsme zvyklí. Signály na sítnici jsou výsledkem fotochemické reakce barviva rhodopsinu. Je to Schiffova báze retinalu – aldehydu odvozeného od vitaminu A, retinolu – a lysinového konce proteinu opsinu. Po pohlcení fotonu přejde retinal ze své 11-cis-formy ve stabilnější trans-formu (Obrázek 2) a rychlým sledem chemických reakcí způsobí uzavření iontového kanálu na membráně senzoru, což vede ke vzniku nervového signálu. Retinal v rhodopsinu funguje jako chromofor, tedy část molekuly, která nese barvu. Navíc je to chromofor velice variabilní díky tomu, že je navázán přes dusík, který je možné protonovat, elektronová hustota celého konjugovaného systému se posunuje v závislosti na pH a tím se mění i absorpční maximum. V tyčinkách je toto absorpční maximum kolem 500 nm, což znamená, že při nízké intenzitě světla bychom měli nejlépe vidět zelené předměty. Uvidíme je ovšem v odstínech šedi, protože konečný obraz a barvy jsou záležitostí analýzy zrakového centra mozku.
Tři typy čípků lidského oka však dokážou rozpoznat, ve které části viditelného spektra se nachází světlo, jež na ně dopadá. Princip je celkem jednoduchý. Každý typ čípku pokrývá jinou část spektra, jak je naznačeno na obrázku 3, přičemž jejich senzorické oblasti se překrývají. Absorpční maxima retinalu na povrchu čípků jsou oproti tomu rhodopsinovému v tyčinkách modifikována pomocí přítomnosti jiného proteinu, který na iminiovém konci zajišťuje jiné chemické prostředí, míra protonace je proto rozdílná, elektronová hustota i absorpční spektrum chromoforu se posunuje. Intenzita odezvy pro daný signál pak vyplývá z intenzity absorpce daného barviva. Mísením signálů vzniká v mozku informace o barvě. Pokud jste někdy toužili mít mozek jako počítač, sen se vám splnil. Analýza těchto dat, kdy každá tyčinka a čípek říká něco jiného, odpovídá výpočetnímu výkonu, na který se nehrabe žádná grafická karta na světě!
Barvy kolem nás? Jen paběrky
Stačí se rozhlédnout kolem sebe, abychom spatřili spoustu barevných předmětů a okamžitě rozeznali jejich barvy. List pokojové rostliny na parapetu je zelený, to je přece jasné. Ale co ve skutečnosti vidíme? Opět se jedná o záření dopadající na naši sítnici. Buďme přesní: Světlo směřující od toho listu k našemu oku má nejvyšší intenzitu v zelené oblasti viditelného spektra. Je třeba si uvědomit, že ho vidíme pouze v přítomnosti nějakého zdroje světla, ideálně bílého denního světla, které je víceméně rovnoměrnou směsí celého spektra. Na náš list tedy dopadá bílé světlo a my vidíme pouze zelenou. Znamená to tedy, že náš list pohltil velkou část modrého a červeného světla. Z toho by nám vycházela purpurová. A to je z určitého pohledu pravá barva toho listu. To, co vidíme, jsou pouze zbytky světla, které si barevné předměty a materiály nenechaly pro sebe, zbylé světlo, kterému bylo dovoleno podráždit naše sítnice, jakési paběrky, podle nichž usuzujeme, jakou barvu mají předměty, které nás obklopují.
Na základě tohoto modelu si můžeme vysvětlit systém barev a inverzních barev, sytém RGB a CMYK. Na Obrázku 4 vidíme schéma barevného vnímání. Jeho funkčnost si můžete ověřit snadno. Zadívejte se na nějaký jednobarevný předmět, po chvíli, když se podíváte na bílou stěnu, uvidíte ten předmět, jako by byl vypálený do vašeho oka inverzní barvou. Starší generace si jistě pamatují inverzní obrázky na negativech z fotoaparátů, podobné je to vlastně i se skutečnými barvami předmětů. Ve zobrazování proto nelze použít ten samý systém pro „světelné zdroje“ a „pohlcovače světla“. Na monitoru, který funguje jako světelný zdroj, můžeme dle libosti míchat tři základní barvy, jak je vnímá naše oko. Smícháním modré a zelené získáme azurovou, zelená s červenou nám dají žlutou a modrá s červenou purpurovou. Říká se tomu také aditivní barevný systém. Komplikace ovšem nastává, pokud chceme náš obrázek dostat na papír. Pro zjednodušení předpokládejme, že papír je dokonale bílý a barvy dokonale barevné. Abychom z bílého světla, které se odráží od papíru, dostali zelené, potřebujeme odstranit červenou a modrou složku, o to se nám postarají inverzní barvy, čili azurová, resp. žlutá. Stejným mechanismem uvažujeme i při míchání ostatních barev.
V ideálním případě smícháním všech tří inverzních barev pohltíme všechny tři barevné složky světla a zůstane tma. Do tiskáren však je nutno přidat černou barvu a celkově upravit poměr přidaných barev, protože barviva používaná k tisku nejsou zdaleka dokonalá. Pokud jste někdy tiskli třeba poster na konferenci a nepřevedli barvy do CMYKu, jistě si z toho vezmete ponaučení pro příště.