Ο αμφιβληστροειδής είναι ένα στρώμα νευρικών κυττάρων στο πίσω μέρος του ματιού, που μεταδίδει οπτικές πληροφορίες στον εγκέφαλο μέσω του οπτικού νεύρου. Η έγχρωμη όραση στηρίζεται στα κωνία: αισθητήρια κύτταρα που περιέχουν φωτοευαίσθητες χρωστικές. Τα άλλα φωτοευαίσθητα κύτταρα που ονομάζονται ραβδία λειτουργούν σε ασθενές φως και συνήθως δεν συμβάλλουν στην έγχρωμη όραση. Τα ραβδία και τα κωνία, γνωστά ως φωτοϋποδοχείς, βρίσκονται πίσω από άλλα υποστηρικτικά κύτταρα.

Αν και ο τριχρωματισμός είναι κοινός ανάμεσα στα πρωτεύοντα θηλαστικά, δεν είναι γενικό φαινόμενο στο βασίλειο των ζώων. Σχεδόν όλα τα μη πρωτεύοντα θηλαστικά είναι διχρωματικά, με την έγχρωμη όρασή τους να βασίζεται σε μόνο δύο είδη οπτικών χρωστικών. Μερικά νυχτόβια θηλαστικά έχουν μόνο μία χρωστική. Μερικά πουλιά, ψάρια και ερπετά έχουν τέσσερις φωτοευαίσθητες χρωστικές και μπορούν να ανιχνεύσουν το υπεριώδες φως, που είναι αόρατο στους ανθρώπους. Φαίνεται ότι ο τριχρωματισμός των πρωτευόντων θηλαστικών είναι κάτι μάλλον ασυνήθιστο. Πώς προέκυψε μέσω της βιολογικής εξέλιξης; Μετά από δεκαετίες μελέτης, πρόσφατες έρευνες στη γενετική και τη μοριακή βιολογία και νευροφυσιολογία της έγχρωμης όρασης των πρωτευόντων θηλαστικών έδωσαν μερικές απρόσμενες απαντήσεις, καθώς και ευρήματα που προκαλούν έκπληξη όσον αφορά στην ευελιξία του εγκεφάλου τους.

Τα περισσότερα θηλαστικά είναι διχρωματικά. Η έγχρωμη όρασή τους βασίζεται σε δύο μόνο χρωστικές, μία που απορροφά κυρίως τα φωτεινά κύματα μικρού μήκους και μία που είναι ευαίσθητη σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Αλλά ο άνθρωπος και ορισμένα άλλα είδη πρωτευόντων έχουν τριχρωματική έγχρωμη όραση, διαθέτοντας δύο είδη χρωστικών για τα μεγαλύτερα μήκη κύματος. Ετσι βλέπουν πολύ περισσότερα χρώματα.

Οι τρεις χρωστικές αποτελούν σύμπλεγμα μιας πρωτεΐνης με μια φωτοαπορροφητική χημική ένωση παράγωγο της βιταμίνης Α και συναντώνται στις μεμβράνες των κυττάρων που ονομάζονται κωνία (νευρικά κύτταρα - φωτοϋποδοχείς στον αμφιβληστροειδή). Οταν μια χρωστική απορροφήσει φως, πυροδοτεί μια ακολουθία από μοριακά γεγονότα που οδηγούν στον ερεθισμό του κωνίου που φέρει τη χρωστική. Αυτός ο ερεθισμός ενεργοποιεί στη συνέχεια άλλους νευρώνες του αμφιβληστροειδούς που τελικά μεταφέρουν στον εγκέφαλο ένα σήμα μέσω του οπτικού νεύρου.

Τη δεκαετία του 1980 οι επιστήμονες εντόπισαν τα γονίδια που κωδικοποιούν τις απαραίτητες πρωτεΐνες για τις χρωστικές και διαπίστωσαν ότι οι χρωστικές M και L οφείλονται σε γονίδια που διαφέρουν μόνο κατά 3 αμινοξέα σε σύνολο 364. Τα γονίδια αυτών των χρωστικών βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο, στο χρωμόσωμα Χ, ένα από τα δύο χρωμοσώματα που διαφοροποιούν τα δύο φύλα (οι άντρες έχουν ένα Χ και ένα Υ και οι γυναίκες δύο Χ). Αυτό εξηγεί το γεγονός ότι οι ανωμαλίες στην έγχρωμη όραση είναι πιο συχνές στους άντρες, αφού έχουν μόνο ένα αντίγραφο από το χρωμόσωμα Χ.

Μελετώντας τα αντίστοιχα γονίδια άλλων ζώων, οι ερευνητές ερμήνευσαν τον τριχρωματισμό των πρωτευόντων θηλαστικών ως αποτέλεσμα της μετάλλαξης του γονιδίου για τη χρωστική M. Ερμήνευσαν, επίσης, τη διαφορά της έγχρωμης όρασης στα πρωτεύοντα θηλαστικά της Αμερικής (μόνο το ένα τρίτο των θηλυκών διαθέτει τριχρωματική όραση), ως αποτέλεσμα της διαφορετικής εξέλιξής τους μετά την αποκόλληση της ηπείρου αυτής από την Αφρική (όπου όλα τα πρωτεύοντα, ανεξαρτήτως φύλου, έχουν αναπτύξει τριχρωματική όραση).

Τα χρώματα των ώριμων φρούτων συνήθως έρχονται σε έντονη αντίθεση με τα χρώματα της φυλλωσιάς και τα τριχρωματικά ζώα μπορούν να τα διακρίνουν ευκολότερα από τα διχρωματικά. Η βελτιωμένη ικανότητα εντοπισμού ώριμων φρούτων είναι ένας από τους τρόπους που η τριχρωματική όραση μπορεί να βοήθησε στην επιβίωση των ζώων που την πρωτοεμφάνισαν και να οδήγησε στη διάχυση των γονιδίων τριχρωματικότητας στον πληθυσμό των πρωτευόντων θηλαστικών.

Στα συμπεράσματα αυτά κατέληξαν οι επιστήμονες κάνοντας μεταξύ άλλων πειράματα με ποντίκια, στα οποία είχαν τεχνητά ενσωματώσει στο γενετικό τους κώδικα και το ανθρώπινο γονίδιο για την τρίτη χρωστική. Αποδείχτηκε ότι τα μεταλλαγμένα ποντίκια όχι μόνο μπορούσαν να διακρίνουν, αλλά και μετά από λίγη εκπαίδευση να κάνουν επιλογές στη βάση χρωματικών διαφορών που τα κανονικά ποντίκια δεν μπορούν να δουν. Οι αλλαγές στο «εμπρόσθιο» μέρος του συστήματος όρασης φαίνεται να παρέσυραν στην εξέλιξη ολόκληρο το σύστημα.

Μερικές γυναίκες έχουν τέσσερις φωτοευαίσθητες χρωστικές, με την τέταρτη να αποτελεί μετάλλαξη του γονιδίου για τα μεγαλύτερα μήκη κύματος που βρίσκεται στο χρωμόσωμα Χ. Μέχρι στιγμής δεν έχει διαπιστωθεί ότι οι γυναίκες αυτές έχουν κάποιου είδους τετραχρωματική όραση. Ακόμα κι αν έχουν, το πιθανότερο είναι ότι δεν το αντιλαμβάνονται, αφού έχουν μεγαλώσει μ' αυτή.

Γενετικά τροποποιημένα ποντίκια έμαθαν να πλησιάζουν το τμήμα του τοιχώματος που φωτίζεται με διαφορετικό χρώμα, αποκαλύπτοντας ότι μπορούν να διακρίνουν τις αποχρώσεις πορτοκαλί. Tα κανονικά ποντίκια, ως διχρωματικά, δεν μπορούν να τις διακρίνουν από τις αποχρώσεις του γαλάζιου. Την ικανότητα αυτή απέκτησαν μαζί με το γονίδιο για μια από τις χρωστικές μεγάλων μηκών κύματος του ανθρώπινου οργανισμού. Το πείραμα δείχνει την εκπληκτική πλαστικότητα του εγκεφάλου των θηλαστικών, αφού τα ποντίκια μπορούν να χρησιμοποιήσουν τη νέα χρωστική χωρίς να έχουν νευρικά κύτταρα που να διαχειρίζονται τα σήματα που στέλνει.