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第14回 光の色と色覚
<質問>
素朴な疑問なのですが、光の色について、前から不思議に思っていたことがあります。光の三原色というものがあって、あらゆる色は、その三色を混ぜることで作られますよね。一方で、三原色に限らず、それぞれの光の色は、決まった波長で表せます。ということは、いくつかの波長の光を混ぜると、別の波長の光に変わるということなのでしょうか。生命科学からは、少し的外れかもしれないのですが、お答えいただけたら嬉しいです。(東京都 T.Y.)
<回答>
T.Y.さん、ご質問ありがとうございます。鋭くて、面白い問題ですね。T.Yさんが混乱するのも無理はありません。実は、この問題を理解するには、光の物理学的な性質と、光を感知する生理学的なメカニズム、両方に跨った知識が必要なのです。ですから、的外れなんて、とんでもありません。知覚や認識のメカニズムは、生命科学の研究分野として、ホットトピックです。

では、順番に解説していきましょう。まず、太陽の光は透明(白色光)ですが、雨上がりの虹は七色に見えますよね。実のところ、太陽光は、いくつもの色の光が混ぜ合わさったものなのです。

同じ現象は、プリズムという光学素子を使って確認できます。このように、光を色ごとに分離する手法を分光(spectroscopy)と言います。虹の場合は、雨上がりに空中を漂う微小な水滴がプリズムの役割を果たして、太陽光を分光しています。


そもそも分光が可能であるのは、光の色が波長によって決まるからです。波長とは、文字通り、波一つ分の長さです。波は連続していますから、波の山から山(谷から谷)の距離と考えてください。

一般には、波長が短いと屈折率が高く、逆に、波長が長いと屈折率が低いです。イメージとしては、波長の長い方が波のカーブが緩いので障害物を避けやすく曲がらずに進み、波長が短いと波のカーブが急なので障害物にぶつかって進行方向が曲がりやすい、という感じです。

つまり、屈折率の違いで波長毎に光を分けるのです。ちなみに、私たちは虹を七色と思っていますが、物理的には、七つに分けても意味はありません。むしろ、太陽光に含まれる光の波長は、連続的に変化します。

たとえば縦軸に光の強度やエネルギー、横軸に波長を取り、分光した光を描いたグラフ(あるいはデータ)を描いてみると良く分かります。ちなみに、こうしたグラフを分光分布曲線、あるいはスペクトル(spectrum)と言います。


太陽光のスペクトルには、可視光(visible light)の他に、目に見えない紫外線(ultraviolet rays)と赤外線(infrared rays)があります。

紫外線や赤外線については、もっと細かい話もあるのですが、今回のところは割愛します。ところで、私たちが普段の生活で目にする照明ですが、それぞれのスペクトルを見ると面白いことに気が付きます。


LED照明(白色LED)や蛍光灯は、透明(白色)とは言いながら、太陽光と比べてかなり不均一なスペクトルです。実際、太陽光と比べて何か冷たい印象を感じるのは、青味が比較的強い光だからです。

一方で、白熱電球のスペクトルは赤味の強い光です。横軸(波長)が可視光の範囲しか表示していませんが、実際は赤外線領域にまでスペクトルが広がっています。

ここで言いたいことは、白色光には必ずしも全ての色が均等に含まれているわけではなく、幾つかの色が混ざっている、ということです。

実際には、T.Y.さんも言及されていた、光の三原色である「赤」「緑」「青」が混ざると、白色光になります。そして、三原色の混ざり具合で、様々な色の光が作られます。また色相環で分かるように、色は連続的に変化します。


色相環を左回りに見ると、可視光が、赤(長い波長)から紫(短い波長)へ連続的に変化しています。これは光の波長と色の対応(スペクトルの連続性)と一致します。しかし、色相環における紫から赤への連続性は、スペクトルでは説明不能です。

そもそも、なぜ光の三原色が「赤」「緑」「青」なのでしょうか。その答えは、私たちの眼にあります。より正確には、光を感知する、網膜視細胞桿体細胞錐体細胞)がポイントです。


視細胞は、光が当たると分子構造を変える視物質ロドプシン:Rhodopsin)を持っています。ロドプシンは、レチナール(ビタミンAの酸化物)とオプシン(タンパク質)の複合体です。

実際に、光によって構造が変化するのはレチナールで、オプシンは決まった波長帯の光を通す一種のフィルターとして働きます。

桿体細胞は明暗の感知、錐体細胞は色覚の感知に関わります。そして、桿体細胞のロドプシンは一種類、錐体細胞におけるロドプシンは三種類あります。

もう、お分かりですね。この錐体細胞が持つ三種類のロドプシンが、光の三原色「赤」「緑」「青」に対応していたのです。3種類のロドプシンの感度スペクトルを重ねてみると、上手い具合に重なり合っているのが分かります。


つまり、ある波長の光が眼に入ると、三種類のロドプシン(光の三原色)が、特定の割合(感度)で反応し、脳の中で色情報を統合しているのです。ということは、ある波長の光に反応するのと同じ割合で、三種類のロドプシンを反応させれば、脳の中では同じ色と認識されることになります。これが、三原色の混ざり具合で様々な色の光が作られることの、生理学的なメカニズムです。

このメカニズムが巧妙なところは、赤に反応するロドプシンの特徴にあります。図の赤い星印に注目してください。実は、赤に反応するロドプシンは、青にも反応するのです。つまり、赤と青が混ざって紫になる(色相環で、赤と紫が連続する)のは、これが理由です。言い換えると、赤と青を混ぜると紫に「見える」のですが、それは紫の波長の光ではない、ということです。

結論として、私たちは、眼と脳の生理学的なメカニズムから、単色(一つの波長の光)と混ぜた色(複数の波長を合成した光)を区別できません。しかし、光の三原色に対応する三種類の錐体細胞を組み合わせて、無数とも言える色を認識できます。ちなみに、シアン(赤と紫の中間色)に対応する単色の波長は存在しません。シアンは、私たちの脳の中にしか存在しない色といえます。