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2.你的第一次视觉识别

在出生后的一周,你做了一个很小的动作,却让你的父母感到无比激动——你略微用力,打开了你的眼睑。

你懵懵懂懂,并不知道发生了什么,只是眼前出现了一束光。然后,你第一次看到了这个世界,看到了围在你身边的父母。他们正张大嘴巴,似乎不敢相信你睁眼这件事是真的。

你本能地认为他们有些大惊小怪——健康的婴儿都会在一周左右亮出自己的双眸,这不过是自然规律罢了。但你无从表达自己的心意,只是傻傻地笑着,这更加激起了他们的怜爱之情。

此时的你,并不能精确地掌控脸上的表情,能做出的反应大抵只有两件事:大哭与大笑。不过,这似乎也已经足够,至少这两个动作看起来有挺大的差别,能够明显地让你父母体会到你是不是感到舒适。计算机只需要0和1这两个代码就能实现强大的计算能力,你略显单薄的表情变化,又何尝不能应对各种场景呢?

所以,你并不理会这些,只是依然傻笑,好奇地环顾四周,观察你所处的环境。

父亲坐在床边摇着你正躺着的婴儿床,似乎还沉浸在因你睁眼而欢欣的余波之中,哼着什么小曲。母亲满脸微笑,正在帮你整理着身上的铺盖,自己也跟着婴儿床摇摆的幅度轻轻晃动。

这一切在你眼中看起来有些滑稽,于是你笑得更欢了。

是了,这定是你父母的卧室,而且还是他们的婚房,因为你的目光被床头上方的巨幅照片吸引,照片上那两个人,不是你的父母还能是谁?你的父亲就像一位骑士,英气地站在你母亲的身边。他那墨黑的骑士装镶着金色纽扣,与你母亲洁白的婚纱错落有致,交相辉映。长长的婚纱一直拖到地面,红色的玫瑰花瓣散落在裙摆之上,暗示着照片主人的百年好合。这一切,在有些苍黄的曝光效果之下,显得那么真实。

你盯着这张照片良久,或许只是被这富有层次的色彩所吸引。

你不会意识到,这些色彩是人类数百万年来的智慧演变——并不是所有陆地动物都能像你这样大饱眼福。

对于动物而言,视觉是一项基本而又重要的识别系统,这背后既藏有深刻的物理规律,也离不开物质的化学基础。

任何一种生物要对外界环境的变化做出反应,首先要能够接收外界的信号,而这些信号会以千奇百怪的形式存在。比如:天气冷了,就是温度带来的信号。接收这个信号后,人们知道添衣服,动物长出更厚的毛发,就连植物也都会通过落叶等形式抵御寒冬。又或者,用手触摸一下含羞草,它就会把叶子收起来。这是机械力向含羞草传递的信号。

既然是信号,传递速度自然就成了非常关键的参数,这就和手机信号一个道理。

所谓视觉,就是通过眼睛去捕捉、观察对象所发出的光。人眼能够看到的光,便是可见光。在人类目前已知的物理学常识中,光是传播速度最快的一种现象,可以达到每秒钟30万千米。用光作为信号传播的介质,在速度上显然是有优势的。相比之下,声音在空气中的传播速度只有340m/s,虽然比人类跑动的速度快得多,但是相比于光速,甚至还不及与兔子赛跑的乌龟。

这种差别于我们而言并不陌生。比如:雷电发生的时候,会同时产生耀眼的光芒与巨大的轰鸣。对地面上的人来说,几乎在雷电产生的同时就可以看到闪电,却要在好几秒之后才会听到雷声。光与声的交流方式,虽然只是区区几秒,却有可能决定一个生命体的生死。

试想,在濒临树丛的一片草原上,某个猿猴家族正在觅食,其中有几只分守在周围的土堆上瞭望远方。这些“哨兵”是在观察周边是否会有剑齿虎出没。一旦遭遇警情,“哨兵”就会发出信号。此时,所有的成员便会立即爬上树梢。

隶属于灵长目的古猿,大概是在美食的诱惑之下,离开熟悉的树梢,开始向草原进发。这并非一项轻松的使命,因为草原上那些食肉的霸主们并不甘心拱手交出自己的地盘。于是,冲突在所难免。面对剑齿虎,这些猿猴能够做的,就是尽可能提早发现危险,为逃跑赢取最大的可能性。

发动攻击时,剑齿虎可能会传递出不同类型的信号。但是,这些信号的传递速度都不够快。等到猿猴们监测到这些信号时,奔跑能力惊人的剑齿虎说不定就已攻到了眼前。因此,猿猴要想更快地发现它,就要动用自己非凡的视觉,敏锐地捕捉到远方的剑齿虎一点点逼近的身形。

正是凭借这一套兵法,古猿们才得以逐渐征服草原,并最终演化成智人。视觉的重要性,可见一斑。

但是,这个遥远的故事还缺少最关键的一环——生命体需要通过怎样的模式才能感受到光?

要搞清楚这一点,首先需要明白,什么是光?

光并非我们通常所说的物质。早在牛顿生活的年代,对于光的本质,就已经出现了很多猜想。17世纪时,在英国皇家学院工作时,牛顿有一位前辈兼同事,也是近代化学的奠基人波义耳,在自己的著作中提出了“物质由微粒构成”的哲学思想,这也成为科学革命中的一颗重磅炸弹。牛顿接受了这一思想,而且走得更远。他认为光也是由微粒构成的,并由此阐述了很多经典的光学理论。

牛顿只说对了一半。光,的确可以算作是由粒子构成的,但是这些被称为“光子”的微粒,在静止状态下的质量为零。也就是说,光子是一种“虚无”的粒子,和氧气这样的物质有着天壤之别。现代的科学家们更愿意用“波粒二象性”去描述光的特性,既承认它有光子微粒的属性,但也会用电磁波去描述它的波动性质。

以电磁波的属性来看待光,所谓的可见光,实际上是波长在400~760nm之间的电磁波。纳米是很小的长度单位,1nm只有1mm的百万分之一。

电磁波和水面的波浪一样,是利用振动传输能量的一种形式。只不过它不需要水,也不需要包括空气在内的任何介质,只需要电磁场就可以。所以,哪怕是在真空中,电磁波也可以传输。太阳是地球的能量源,而在太阳与地球之间长达1.5亿公里的行程里,绝大部分都是真空的环境。幸亏电磁波能够穿越“禁地”,为地球带来丰富的能量,也让视觉这种识别系统成为可能。

对你来说,视觉是第一个被动训练的交流方式,本质上就是你对不同波长的电磁波所做出的反应。你可以用眼睛看到整个可见光区的电磁波,但是对其他波长的电磁波,比如红外光与紫外光,便无能为力了。不仅如此,你的眼睛还可以对可见光区进一步细分,识别出其中的“赤橙黄绿青蓝紫”来。

你对这个世界的第一印象,便是你用眼睛看到的各种色彩。你刚开始学会说话时,最容易记住的词汇往往都和颜色有关。这并不意外,敏锐的视觉识别能力,是人类的一项特长。

不过,并非每个人都像你这样幸运。有些人看到的色彩也远比你单调,无法亲眼看到这鲜艳绚丽的世界。这种情况被称为“色盲”。

英国化学家道尔顿是最早发现色盲的科学家。他的主业是理论化学,最大贡献是确立了“物质由原子构成”的思想。之所以他会越俎代庖,研究色盲这种生理问题,只因为他自己就是一名色盲患者。有一次,他发现自己眼中的灰色袜子,在身边其他人看来,居然是“红色”的,只有他的弟弟对他的意见表示支持。由此,他揭开了“色盲症”的面纱。他和弟弟是天生的色盲患者,看不到别人眼中的红色与绿色。如今我们知道,色盲是一种遗传疾病,并且是伴随X染色体(我们后面还会说起它)的隐性遗传疾病。

人体能感受到光和色彩,全都仰仗不同波长的光在视网膜上的成像。可以说,视网膜就如同老相机的底片。光照可以让视网膜的颜色发生改变,从而成像。底片上涂有感光物质,视网膜上则分布着感光细胞,两者都是为了捕捉光线。感光细胞有两种形态,分别被称为视锥细胞和视杆细胞。其中,视锥细胞负责辨别颜色;视杆细胞则负责感受弱光。每一个视锥细胞中,都含有一种视蛋白与色素的组合体。这些组合体就通过色素物质吸收特定波长的电磁波。不同的视锥细胞会携带不同的组合体,它们会吸收不同波长的电磁波,这样视网膜就能感受到不同波长的色彩了。

不难想象,视锥细胞的种类越多,就可以吸收更多波长的光线。这样眼睛就能看到更加丰富的色彩。之所以你看到的世界比红绿色盲症患者的世界更丰富多彩,是因为你有三种视锥细胞而他们却只有两种。

对个人而言,色盲是个让人烦恼的基因缺陷。然而在现实世界中,色盲是生物演化博弈数亿年的结果。

你知道,地球上早期的生命都是单细胞生物,它们不可能像人类这样,利用感光细胞去看世界。可是,不管是何种生命,生长与繁殖过程都离不开信息交换。

感光是一种很有利的交流手段。因为光速快,而且可以穿越真空,为生命带来最重要的能量,所以能够利用电磁波进行交流的生命,必然会获得有利的竞争地位。

感光这个技能对地球生命来说,原理上倒也不难实现。任何物质都会吸收电磁波,区别只在于吸收电磁波的波长不同。但是从工程角度来说,感光却也不是那么容易,因为太阳光里的电磁波分布有些特殊,生命体需要筛选出最合适的感光物质才可以。

太阳发射出的电磁波,虽然覆盖了很宽的波长范围,但是大约99%的电磁波,波长都处于200~4000nm之间。正如前面所说,以人眼的视觉范围为限,可见光位于400~760nm之间。赤橙黄绿青蓝紫的顺序,实际就反映了可见光按波长从长到短的顺序。若是电磁波的波长在400nm以下,比紫光的波长还短,便是紫外光;若是波长达到760nm以上,比红光更长,便是红外光。当然,还有波长比紫外光更短或比红外光更长的电磁波,但这些电磁波和生命之间并没有太多直接的关系。

更具体来说,太阳光中的紫外光占比也不大,还不到10%。在太阳光穿过地球的大气层时,空气会吸收太阳光中的紫外线。

空气会吸收紫外光,这并不是一件令人意外的现象。事实上,几乎所有物质都能够吸收紫外光。每一种物质,哪怕只是由一个原子构成的物质,也会有不同的能量状态。激发态的物质,其能量会比基态更高。激发态比基态多出的这些能量就可能是吸收电磁波而来的。所以,物质对电磁波的吸收,本质上就是能量发生了转移。

一种物质或许会有很多个激发态,但是这些激发态与基态之间的能量差往往是固定的。这就意味着,必须要输送特定的能量,才能使物质由基态跃迁到激发态。打个比方来说,平时的你处于基态,而你跳舞、跑步或打扫房屋的时候,便处于激发态。要达到这种激发态去完成任务,你就需要通过吃糖果的方式补充能量,而这糖果就好比是能被物质吸收的电磁波。只不过,“电磁波”糖果不能被切成小块,而且一次只能吃一块,所以你就需要根据自己的实际消耗去选择合适大小的糖果。

对于电磁波而言,能量和波长之间有着很深的渊源:波长越短,能量就会越高。所以,紫外光的能量比可见光高,可见光的能量又比红外线高。如果把电磁波比作激发物质状态的糖果,那么紫外光毫无疑问是大糖果,红外光是小糖果,而可见光就是中糖果。

很多物质都愿意吸收紫外光。现代科学也发现,生命的起源和紫外光之间有着密切的联系。可是,太阳光中的紫外光又很紧俏,这就带来非常尴尬的局面:大批的可见光、红外光无人问津,想要的紫外光却又抢不到。于是,在这种局面下,原始的单细胞生命,虽然从物质层面上有感光的潜质,却没有感光的对象。而且,正因为紫外光的能量太高了,有些物质在吸收了这些能量之后,过于“兴奋”就发生化学反应,转化成了其他物质。

在经过长期的演化之后,一些生命体中形成了原始的色素物质。这些原始的色素物质可以使生命体吸收并利用可见光。这就让感光的技能真正有了用武之地。

在这些色素中,不得不提的是叶绿素。30亿年前,蓝藻拥有了叶绿素,从此具备了原始的感光能力,可以大规模地吸收阳光中的红光,发生大名鼎鼎的光合作用。当阳光中的红光被吸收后,剩下的那部分光便成了蓝绿光,这才有了蓝藻与植物绿叶为海洋和大地上了色彩。在将红光能量加以利用的同时,光合作用还释放出海量的氧气。氧气为动物的诞生做好了准备——你已经知道,氧气是你一辈子离不开的朋友。

斗转星移,几十亿年过去了,时间来到了距今大约两亿年的侏罗纪,此时的地球还在恐龙的主宰之下,昆虫也在活跃地繁衍着。这时期生命的视觉系统已经非常复杂,视蛋白,也就是主管视力的蛋白质,成为更为关键的感光物质。

这是生命演化过程中的必然趋势。蛋白质的个头远大于叶绿素这样的色素分子。如果说叶绿素有一间茅草屋大小,那么蛋白质的尺寸就如同一座摩天大厦。视蛋白和色素分子结合之后更是如虎添翼,色素分子负责感光,而蛋白质负责吸收光的能量。当硕大的蛋白质分子吸收了光以后,就不只是从基态跃迁到激发态这么简单,它还会同时发生其他变化,特别是整体形态也会因此改变。

这很重要。试想,一间茅草屋,如果它的造型发生了改变,或许并不会引起太多人注意。但是,如果帝国大厦突然变成了迪拜塔,大概就会引起一阵骚动。

在吸收了特定的光之后,激发态的视蛋白发生变形,的确引起了一阵骚动。你完全可以把视蛋白想象成是一把锁,它处于基态时,是锁住的状态;处于激发态时,“锁”便被打开了。开了视蛋白这把锁之后,关于这束光的信号,便通过神经系统传递给了做决策的中枢神经。

恐龙生存的那个年代,是一个十分依靠比拼视觉系统称王称霸的时期。此时,鱼类、昆虫、爬行动物、两栖动物,以及正在转型期的鸟类与哺乳类祖先们,普通拥有很多种视蛋白。视蛋白的种类越多,也就意味着可以识别出更多波长的光,意味着“可见光区”的范围越大。

坦率来说,如果你回到两亿年前,也会感受到“色盲”的烦恼,因为你只有三种视蛋白,身边的那些动物眼中的世界远比你更精彩。

正是在这样丰富的视觉系统之下,动物们演化出利用光线的更多能力。比如:夜晚灯下飞舞的虫群就是在利用光线导航,只不过,因为它们把路灯当作了月亮。月亮反射的是太阳光,但是因为与地球的距离远,照射到地面的光接近于平行光,于是就有了“月亮走,我也走”的现象。只要你保持与月光的夹角不变,就可以保持方向一直向前。然而,路灯实际是点光源,昆虫仍然按照原有的月光导航系统飞行,却只能徒劳地绕着路灯旋转。

眼睛中多种视蛋白存在于视觉系统中,更是让颜色成为重要的参考信息。至今我们还能观察到,很多鸟类都会通过甄别颜色去择偶,也是因为丰富的羽毛色彩可以让它们了解对方的健康状况。

只有三种视蛋白的你,或许会对此感到羡慕。不过,从化学物质的基础来说,生命体之间是非常公平的。你在失去一部分能力的时候,往往也会同时获得另一部分能力。

在恐龙生活的那个时代,你的祖先,同时也是哺乳动物的共同祖先,它们并没有能力和各类爬行动物一较高下。此时威猛雄壮的恐龙才是生物圈中的王者。

于是,哺乳动物只能选择对自己有利的时间与空间出没。

哺乳动物选择在夜间活动。夜间没有了阳光,能量也就没有那么充沛,地表的温度急剧降低。这对恐龙这样的变温动物来说,休息是最合适的选择。哺乳动物是恒温动物,依然可以很自在地活动。

既然这时期的猎食动物都有着出色的视力,那么躲避它们追捕的最佳方法便是找一个它们看不到的地方,显然地下是个不错的避难所。

然而,不管是夜行还是穴居,哺乳动物都不得不放弃视觉系统的庇护,生活也变得异常艰难。此时多种多样的视蛋白,不仅没有实际价值,还变成了自己的负担,毕竟合成蛋白质对身体而言是一件很吃力的工作,更别说怠工的视觉细胞会占据宝贵的空间。这就好比,在相机底片上,有一些区域不能感光,岂不是会影响最终的成像效果?于是,在漫长的演化过程中,哺乳动物的祖先只保留了两种视蛋白,分别能够感受到蓝色与绿色。对于身体结构如此复杂的哺乳动物而言,两种视蛋白的视觉系统已经是最简化的结果:如果一种动物只保留一个视蛋白,那么光线对它而言只有强弱之分,眼中的场景像是在观看黑白电视机,光的波长差异也没有任何意义。保留两种视蛋白,可以在两种不同的波长条件下进行比对,这样才有可能通过波长区分不同的观察对象。

正所谓塞翁失马焉知非福,在失去对色彩的敏锐辨识度之后,哺乳动物们另辟蹊径,演化出又一种视蛋白。这种视蛋白并不能很好地感受色差,却对弱光非常敏感。从生命博弈的角度来看,这当然是一种迂回战术,不过是应对夜间或地下环境的权宜之举。如果从生命发展的角度来说,这实在是一个了不起的进步。

至今,你的双眼仍然保留着这些功能。原本那些可以感受不同色彩的视蛋白,它们就待在视锥细胞里。感受弱光的这种视蛋白参与构成了视杆细胞。所以,对你而言,视锥细胞通常是白天执勤,能够识别丰富的色彩变化,而在晚上,视杆细胞则会更加活跃。

负责感应弱光的这种视蛋白和其他视蛋白一样,也需要有一个感光的小分子作为自己的帮手,这是一种被称为视黄醛的物质。视蛋白与视黄醛结合之后,则被称为视紫红质。

在人体中,视黄醛主要由维生素A转化而来。如果身体中缺乏了维生素A,视黄醛的分泌不足,对弱光的敏感性自然就会下降,甚至在光线较弱的时候什么也看不清。这便是“夜盲症”的由来。

对现在的你来说,这是个不大不小的问题。一方面,你正在飞速地发育,的确会面临维生素A的短缺;但是另一方面,母乳已经可以提供足够的维生素A。离开了母乳,你就只能吃一些富含维生素A或者可以被身体转化为维生素A的食物了。

九成以上动物的维生素A都会储藏在肝脏中,人类也不例外。成年之后,你一般不用担心身体缺乏维生素A。而在需要补充维生素A时,动物的肝脏便成了最佳选择。

至于来自植物的食物,虽然它们都不含维生素A,但是像胡萝卜素这样的物质,还是可以被人体吸收并转化为维生素A。所以,多吃胡萝卜,也可以避免夜盲症。

不难想象,为了能够在夜间觅食生存,哺乳动物的视杆细胞会更加发达。对你而言,视网膜上所有一亿多个视觉细胞里,视杆细胞的数量达到了视锥细胞的近20倍之多。

但是作为哺乳动物的你,又为何会重新获得第三种视锥细胞呢?

这还要感谢6500万前的那一场灾难,一颗巨大的陨石袭击了地球。据科学家们推测,当这颗天外来客撞到地球以后,海啸吞没了大片陆地,毒烟四起,遮天蔽日,缺少阳光照耀的地球表面很快降温。

在一系列毁灭性打击之后,地球上的生命也遭遇大清洗,恐龙未能抵抗食物短缺的压力,最终灭绝。哺乳动物却因此迎来春天,从此可以更自由地在白天占领地面以上的空间。

早期的灵长目动物来到了树梢之上,吃树上的各种果实。然而,非常不利的局面在于,灵长目动物既不能像牛羊那样的食草动物,也不像虎豹那样的食肉动物。要想吃到营养丰富的水果,它们就要去挑选那些成熟的水果。对现代人来说,这不是什么难事,在一片绿叶之中,找到红色的果实,几乎是一种本能。但是,早期的灵长目动物只有两种辨色的视蛋白,只能看到蓝色与绿色,无法分辨红色及与红色接近的黄色或橙色,加之树上的果实又不像猎物那样移动,这就让灵长目动物的觅食过程变得艰难。

但命运最终还是眷顾了勤勉的灵长目动物。大约在3000万年前,灵长目动物发生了一次基因变异,主管视蛋白合成的基因出现了一点小差错,合成出了一种次品视蛋白。这种视蛋白吸收光的波长与原有的蛋白之间存在偏差,恰巧能够感应到红色光。失而复得的第三种视蛋白是灵长目动物的“独门配方”。经过不断地复制、繁衍,绝大多数灵长目动物都有三种视蛋白。所以,人类能够利用红绿蓝三种视蛋白进行辨色,还要感谢这次意外的基因变异。如今,我们之所以会以红色、绿色、蓝色作为三原色,正是因为我们自身只会对这三种颜色有所感应。至于其他颜色,都不过是这三种颜色在人眼中的叠加效果。实际上,要覆盖整个可见光区的颜色,并非只有红绿蓝这一种组合方式,比如打印机系统就是青、洋红、黄和黑色(CMYK)的四色系统。

至此,你的祖先已经掌握了非常精妙的感光能力。人类通过三种视蛋白去感受三种不同的光,再由视紫红质感受弱光。这样的视力辨别技巧,几乎可以超越地球上已知的所有动物。他们在旷野中开拓生存领地时,和所有哺乳动物一样能够夜间活动,但又比其他哺乳动物看到的场景更生动,大大地提高了自身的存活能力。于是,他们把这些生存的密码刻在基因里,一直传到了你的身上。

当然,在传承的过程中,人类也有不少改进。比如:视网膜上的细胞分布并不均匀,其中有一片黄斑区域,只存在白天专用的视锥细胞,而且密度远超其他区域。这种分布方式,有利于人眼更专注于一些特定的对象。若是你要在一群人中寻找你的父母,并不需要大脑去识别视野中所有的人脸,而是专注于出现概率更高的区域,这样就不必花很多时间来完成这个过程。

不仅如此,人眼的视角相比于很多动物而言也更窄,甚至连前方180°都不能完全覆盖。绝大多数爬行动物与鸟类,还有很多哺乳动物的两只眼睛都分别位于两侧,看到的景象基本不重叠,所以能够看到更广的视角。但是灵长目动物却都是位于脸的前方,双眼看到的景致几乎完全相同。这样一来,看到的事物的确少了很多,却可以通过两只眼睛成像的对比,让大脑能够更好地判断空间距离。

甚至就连色盲症也并非一无是处。科学家们非常好奇,为什么人类的祖先早在数千万年前就已经获得第三种视蛋白,在经历了这么多代的繁殖之后,自然选择依然未能将导致色盲症的基因淘汰?事实上,有大约8%的人至今还携带着这种基因。有人认为,双色识别系统,在捕猎时会对移动的对象更敏感,而远古人类在演化之路上,也需要靠捕猎才能补充蛋白质,这大概便是色盲症基因得以保留的理由吧。

总之,睁眼看世界的这一瞬间,你看到的或许只是床头那幅彩色照片,但是你的视网膜,却刻着地球生命长达数十亿年的印记。

当然了,对你来说,这似乎是个有些过于厚重的话题。或许有朝一日,当你需要用这双眼去欣赏《清明上河图》,或是观察蟹状星云的时候,你会重新想起这个问题,而眼下,你正被另外一件事吸引了注意力。 RBcCkBmG6a+T3VCkV5+1Y9dFT6BAdSVC4wbRICjnvtyQOFWdM60KOsp4p7WuwjUE

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