1. [이과가 이해한 Color] 시각 세포와 빛

Color와 시각세포

이번 시리즈를 계속 읽다보면 "쳬계화한 색체계" (RGB 색체계라든가 HSV 색체계등)에 대해서 알 게 될테지만 그러기 위한 시작은 시각세포에서 출발한다

Color 란 무엇인가? 라고 하면 다양한 색의 이미지가 머릿속에 떠오르는 것들이 많겠지만 간과하기 쉬운것은 머릿속에 떠오른 모든 색상들은 "인간"의 관점(인간의 시각세포)에서 인지되는 감각이 Color 라는 것이다.

Color, 색을 우리는 동일한 물리량이라고 생각 할 때가 있다.
우리가 장미를 볼때 느끼는 그 색감을 인간 모두가 같을 것이라고 생각하기 때문이다. 

장미의 빨간색을 유발하는 빛 자체는 동일한 물리량이 맞다.

빨간 장미에서 반사 되서 나오는 625nm의 파장을 가지는 빛은 어느 상황에서나 동일 하다.

그러나 빨간색은 625nm파장의 빛을 의미하지 않는다.
빨강색은 1). 625nm의 파장의 빛이 2). 시각세포에 들어오고 전기 자극으로 변환되어 3). 뇌에 인지되는 것이 Color 이지 625nm의 빛 자체를 의미하는 것은 아니다. 

625nm 파장의 빛 -> 시각세포 -> 뇌 -> 빨강

인간이 정한 빨간색이라는 빛은 약 625nm의 파장을 가지고 있다. 

위에서 언급했듯이  625nm의 빛은 개와 인간에게 동일하게 눈으로 들어 올테지만(1단계는 동일)
개와 인간은 같은 시각세포를 가지고 있지 않기 때문에(2단계 부터 달라진다.)
동일한 625nm 파장의 빛을 다르게 느낄 것이다. 
개는 빨강 장미와 초록 잔디의 색을 동일하다고 느낀다.

인간도 신생아 때는 색을 잘 구분 할 수가 없다고 한다. 살면서 시각세포가 성장하고 적응하게 되면서 성인과 같은 시각세포와 감각을 가지게 되면 성인과 동일하게 느끼게 되는것이다. 

여담으로 모든 성인들의 세포가 동일 하지 않다. 

시각세포 또한 조금씩 개인차가 있다.
이러한 차이가 심하면 색맹이라고 불리는데 아무튼 정상인들 사이에서도 시각세포의 차이는 있기 마련이다.

지구상의 모든 사람이 각기 다른 시각세포를 가지고 있는 상황에서
빨간색이라는 것을 어떻게 정의 할까? 

국제조명위원회(CIE)라는 기구가 있다. 

이 기구에서는 색에 대해서 수학적으로 면밀하게 색체계 공간을 만들기도 하고 또 색을 정의하는데
위에서 언급한 개인차를 반영하기 위해 수많은 사람들의 표본들을 모아 표준색 관찰자 라는 것을 정의 했다.
여기에서 대략적으로 어느정도의 범위를 포함하는 것을 같은 색으로 정의 했다. 

어쨋든 색이라는 감각은 이렇게나 시각세포에 의존한다.

 

갑자기 다른 생물이 나오는 이유는 무엇일까? 왜 이런 소리를 하는 것일까?

예를들어
유글레나는 편모에 안점이라는 세포가 있는데 명암만을 구분 할 수 있다고 한다. 

만약 지구에서 문명을 이루고 있는 우리 모두가 만약에 유글레나 였다면? 
명암만 구분 가능한 유글레나들에게 Color란 어둡고 밝은 명암이 전부일 것이다. 

유글레나에게 같은 질문인 Color란 무엇인가? 라고 질문을 한다면 명암을 이야기 할 것이다. 

그에 따라 유글레나들의 문명에서는 색체계는 그냥 명확하게 Gray Scale만 있으면 될 것이다. 간단하다.

왜냐하면 유글레나들이 느끼지 못하는 영역의 광선이(가시광선같은) 분명히 있을테지만
유글레나들이 이루고 있는 문명에서는 필요가 없기(느낄수도 없기) 때문이다. 

우리는 유글레나들의 Color를 이해하고 색체계를 만들었다.
사실 색체계에 대해 빠짐없이 해명했다고 볼 수 있다. 왜냐하면 유글레나들의 시각세포에 대해 이해하고 그 시각세포가 느끼는 모든 부분을 커버했기 때문이다. (결국 명암 뿐이였지만)

그럴 수 있었던 이유가 유글레나들의 시각세포에 대한 이해에서 부터 시작되었다는 것을 생각해보면 

인간에게 Color란 무엇인가? 에 대해 답하려면
인간이 어떤 시각세포를 가지고 있는지 이해 해야한다는 것을 알 수 있다.

만약에 우리가 다른 생물이라서 시각세포가 달랐더라면 감각이 현재와 달라 전혀 다른 색체계가 형성 되었을 것이다.  따라서 인간의 시각세포에 대해서 아는 것은 색체계 공부에 가장 기초가 된다.

또한 색을 공부할때 이건 왜 이렇게 구상을 했을까? 혹은 빛의 삼원색이 왜 3개 일까? 등의
근원적인 질문에 대해 "그냥 그런것" 이라는 대답보다는 좋은 답변을 해주기 때문이다.

 

시각세포 : 원추세포와 간상세포

이야기 한것처럼 Color라는 감각은 인간의 감각 세포인 시각세포에 의존적이기 때문에 Color에 대해서 알려면 시각세포에 대해 알아야 한다.

지금은 생물학시간이 아니고 나도 아는것이 없기 때문에 깊게 들어가지는 않을 것이다.

시각세포는 크게 두가지 세포로 분류 할 수 있다.

간상세포(Rod cell) 와 원추세포(Cone cell)
거기에 원추세포만 나중에 3가지로 다시 분류가 된다.

일단 두 세포는 구조에서 부터 작용 방식까지 다르다.

 

원추세포 - Wiki 이미지 (Ivo Kruusamägi)                                                 간상세포 - Wiki 이미지 (Madhero88)

 

간상세포는

1. 빛이 양(앞으로 광량이라고 하겠다.)이 적을 때 활발히 작동한다
2. 간상세포는 빛의 명암 그러니까 Gray Scale을 구분하는 역할만 한다.

원추세포는

1. 밝은 빛(광량이 많은)에서 활발히 작용한다.
2. 원추세포는 빛의 색을 구분하는 역할을 한다.

 

원추세포의 3가지 세부 분류

빛의 색을 구분하기 위해 원추세포는 3가지로 나누어진다. S,M,L로 명명되는 세가지 종류의 원추세포로 나누어져 있으며 3가지 세포가 동시에 색을 표현하는 역할을 한다.

어떤 기준으로 원추세포를 3가지로 나눌까?
원추세포의 S,M,L 은 Short Medium Long의 약자이며 짧은 , 중간 , 길다 3가지 인데 파장을 의미한다.
세가지 원추세포는 빛의 파장에 따라 반응하는 민감도가 다른데 민감도가 짧은 파장에서 제일 높으면 S세포 라고 부르는 것이다. 

원추세포는 모두 충분한 광량이 있어야 함으로 실생활에서 어두운 밤에는 색을 잘 구분할수 없게 된다. 그 이유는 광량이 적은 상황에서는 원추세포가 잘 활동할수 없기 때문이고 그나마 간상세포가 활발히 작용하기 때문에 명암은 분별 할 수 있다.


정리하자면
간상세포는 명암을 원추세포는 Color를 구분하는 역할을 한다는 것이다.

시각세포를 서브 카테고리까지 구분하면 4가지 세포가 존재한다고 정리 할 수 있다.

R - 간상세포
S  - 원추세포
M - 원추세포
L  - 원추세포

로 구분 할 수 있다 R , S , M , L 으로 표기 한다.

아래는 각 시각세포 4개별로 가장 민감하게 반응하는 파장대역을 표시한것이다. 

Wiki ;GNU Free Documentation License 

 

앞서 언급한듯이 L세포는은 가장 긴 파장에서 제일 전기 신호가 강하고,
M은 중간파장에서 , S세포는 는 가장 짧은 파장에서 전기 신호가 가장 강하다. 

미술 시간에 빨,초,파 를 빛을 혼합하면 백색파가 된다는 것을 배운 적이 있을 것이다.
이것을 빛의 삼원색이라고 한다.
그런데 왜 빨,초,파를 합성하면 백색파가 되는지 왜 하필이면 그 3가지 색깔인지 질문이 스쳐지나 간적이 있을까? (보통 어린아이들이 위와 같은 질문을 많이 할 것이다. 어른이되면 그냥 납득하고 지나가기 마련이다.)

결론적으로는 우리가 Color를 느끼는 원추세포가 3가지이기 때문이다.
빛의 3원색이라는 것은 어떤 다른 물리 법칙 같은 원리,원칙이 아니고 인간이 가진 원추세포가 3가지이기 때문이다.
삼원색이 빨초파인 이유는 그냥 그 파장의 부분에서 원추세포 3종류가 가장 잘 반응하기 때문이다 

만약에 우리의 원추세포가 4가지 종류 였다면 빛의 4원색이였을 것이다.
이처럼 빛의 삼원색에 대한 간단한 질문에 대해 설명하려면 간단한 생물학분야까지 와야 설명이 가능하다.
(그렇기 때문에 어렸을적에 빛의 삼원색에 대해 제대로된 설명을 들을 수 없었나보다)

 

마무리

여태까지 Color라는 것은 감각기관에 종속된 것이라는 것을 강조했다고 생각한다.


이렇게 Color가 감각기관, 시각세포에 종속되었다면 원추세포 3가지를 잘 자극 할 수 있는 색체계를 만든다면 우리가 느끼는 모든 색을 표현 할 수 있지 않을까? 라는 생각에서 유래 된 것이 RGB색체계이다.

 

다음글 

2.[이과가 이해한 Color] RGB 색체계