Salute e malattia
Il colore è il risultato di una catena di interazioni complesse. Una delle chiavi è l'interazione tra le lunghezze d'onda della luce e le cellule coniche nell'occhio umano. Comprendere l'interazione luce-materia e i meccanismi di segnalazione nei neuroni aiuta a capire l'assorbimento luminoso — e perché l'uomo vede in tre colori diversi.
Lunghezze d'onda diverse trasportano quantità diverse di energia: più lunghe = meno energia; più corte = più energia. Quando un fotone — la più piccola quantità di luce — attraversa un materiale, possono accadere tre cose: trasmette, riflette, o viene assorbito. Il destino del fotone dipende dalle caratteristiche del materiale. Se l'atomo o la molecola ha due stati energetici separati dall'energia del fotone, la probabilità di assorbimento è maggiore.
Gli atomi sono circondati da elettroni che possono trovarsi in diversi stati energetici, anche se preferiscono la configurazione di energia più bassa. Le energie della luce visibile corrispondono proprio alla differenza energetica degli elettroni attorno agli atomi. Quando la luce visibile attraversa un materiale, se il colore corrisponde esattamente all'energia necessaria per spostare un elettrone da una configurazione all'altra, la luce viene assorbita e l'elettrone raggiunge la nuova configurazione.
I neuroni trasmettono segnali facendo passare sostanze chimiche attraverso canali nella membrana cellulare. Quando molecole specifiche cambiano configurazione, modificano la distribuzione dei loro atomi e innescano la risposta di altre molecole. In una "cascata enzimatica", un segnale inizialmente piccolo viene amplificato attraverso la cellula, aprendo i canali della membrana. I canali aperti lasciano uscire altre molecole segnale, e il messaggio viene trasmesso. Nei coni oculari, il messaggio è: "Ho visto della luce".
Nell'occhio umano normale esistono tre tipi di cellule coniche (chi ne ha meno soffre di deficit cromatico, chi ne ha quattro è tetracromatico). Ogni tipo assorbe un colore leggermente diverso: blu, verde e giallo-verde. Come visto, la luce è assorbita meglio quando corrisponde perfettamente a una differenza energetica negli elettroni. Nei coni, questa molecola è il retinale. Il retinale assorbe la luce visibile, spostando un elettrone da un livello energetico all'altro. Il cambiamento energetico di quell'unico elettrone modifica la forma del retinale. Questo è il cuore di tutta la visione umana — e quasi tutta la visione sulla Terra: un fotone assorbito cambia la forma del retinale.
Nella sua configurazione normale, il retinale è bloccato in una molecola diversa sulla superficie di una cellula conica. L'opsina è una molecola più grande che trattiene una molecola di retinale. Quando il retinale cambia forma, rimbalza fuori dall'opsina. L'opsina cambia allora configurazione e avvia una cascata di segnalazione. Un fotone genera un segnale di circa 100.000 molecole più avanti nella catena. L'opsina viene infine riportata alla forma originale da un'altra molecola nella cellula. Nel frattempo, il retinale distorto esce dalla retina, viene riciclato nella sua altra forma, e infine è libero di legarsi a un'altra opsina.
Se la luce viene assorbita dalla stessa molecola — il retinale — come fanno fotoni di energia diversa ad essere assorbiti? La risposta sta nel fatto che i tre tipi di coni producono versioni leggermente diverse della molecola di opsina. Queste opsine, che trattengono strettamente il retinale, modificano le energie elettroniche possibili nel retinale. Energia modificata = fotone diverso assorbito. È per questo che l'uomo ha tre diversi sensori cromatici nell'occhio.
Disturbi oculari e visivi