视觉：要有光

你好，欢迎来到生命科学50讲，我是王立铭。

我们继续讨论感觉，这个构成智慧的元素。

毫无疑问，感觉系统非常重要，因为感知外部世界是生命和环境互动的基础。而对于地球人类而言，在所有感觉中，视觉是最重要的一种。

这是因为，在咱们人类每天的日常生活中，超过90%的信息，都是通过眼睛获取的。相比其它感觉，视觉提供的信息是最丰富的。

除了视觉，人类当然也有其他感觉，比如：听觉、嗅觉、味觉、触觉，还有温度感觉、痛觉、痒觉等等。

但是你也能想到，自然界有很多物体没有气味，没有声音，但是至少在地球上，你几乎找不到不发光，或者不反射光的绝对黑体，所以视觉能够采集的信息是最全面的。

不仅如此，视觉提供的信息可能是最精确的。

在地球大气层中，光沿着几乎完美的直线传播，因此人类可以根据光的信息，准确地判断物体的远近、大小和移动速度。

实际上，到本单元的末尾你可能会发现：人类选取视觉作为主要的信息源，和人类能够发展出高度发达的智慧，这两件事之间，很可能是有某种联系的。

所以，我将用3讲的时间，解密人类的视觉系统，也就是你是怎样看到东西的。

在一开始，我想先问你一个问题：你觉得，到底是人眼睛自己会发光，照亮了物体，我们才看得见；还是物体会发光，光进到眼睛里，我们才看得见？

你可能觉得这个问题非常荒谬，眼睛当然不会发光了。但其实，在古希腊时期，几位非常有名的人物，就曾经激烈地争论过这个话题。

伟大的哲学家柏拉图和几何学奠基人欧几里得，坚持的就是“人眼睛会发光”这个观点。而我必须得说，我们对视觉的理解，就是从这个争论开始的。

现在，我想请你想象自己是一个生活在古希腊时期的普通人，几乎什么科学知识都没有。

跟我一起，从这个最原始的问题出发，像科学家一样，一步一步地探索视觉的秘密。

在这个过程里，我们需要回答三个问题：

问题一：光线如何进入眼睛？

首先第一个问题，就是古希腊哲学家们讨论的问题：光是从哪儿来的呢？

这个问题对于我们现代人来说根本不是问题。但是，仔细想想就会理解，柏拉图和欧几里得这样的聪明人觉得眼睛会发光，也不奇怪。

古希腊时代没有电灯，人们走夜路的时候，可能需要举着火把照亮道路。直觉来看，是火把发出的明亮的光照亮路，人才看得见。

所以在意象上，就很容易想象人的眼睛也有类似火把的功能。

更重要的是，人们当时的光学知识还很粗糙，也不太容易想象出大千世界发出的光，怎么就能汇聚到小小的一颗眼球里。

那反过来，如果把眼睛看成是一个小光源，它发出的光能照亮四面八方，这个就比较容易想象了嘛。

当然，眼睛自己发光这个理论，也有一些逻辑上无法自圆其说的地方。

所以，好像一贯错误的亚里士多德，这次终于正确了一回，因为他反对眼睛发光这个观点。

他说，如果眼睛真是自己会发光的光源，那就算在黑暗中，人只要睁开眼睛，就应该能照亮东西，看见东西。

还有，如果眼睛真会发光，那一群人盯着一个东西看，这个东西就会变得比平常更亮一些，这件事好像和我们的生活经验不符合嘛。

反过来，如果认为眼睛只是一个被动的光线接收器，别的物体要么自己发光，要么反射光，这些光进入眼睛，我们才看得到光，上面的这些逻辑困难就很容易解释了。

但是，如果光真的是从外部世界进入眼睛的，那么，我们就马上需要回答第二个问题：这大千世界里的光来自四面八方，怎么就能进到那么小小的一颗眼球里呢？

这个技术问题，至少在古希腊时代一直悬而未决。一直到文艺复兴时代，人们开始拥有了更多的光学知识，才得到解决。

其实答案很简单，一块中间厚，边上薄的放大镜，就能解决这个问题。

中学物理课上你肯定也学过，光线穿过放大镜的时候会发生偏折。这样一来，来自四面八方的光线就能被汇聚，集中到小小的眼球内部。

文艺复兴时代，无所不能的达芬奇就曾经猜测过，人的眼睛里肯定有一个很小的放大镜，起到这样的作用。

后来，有人真的通过解剖，在动物的眼球里发现了这样的放大镜结构——这就是我们今天所说的眼球里的晶状体。

牛的晶状体

后来，甚至有人解剖出一个完整的牛晶状体，在它后面放一个小屏幕，果然就能在上面出现一个很清晰，但是很微小的图像。

这个好玩的实验还在当年的上流社会风靡一时。这样一来，外部的光线如何进入眼睛，这个技术问题就得到解决了。

问题二：眼睛怎么感觉到光？

现在，我们知道了光是如何从外部进入眼睛的，那么第三个重要的问题来了：人类的眼睛又是怎么看到光的呢？

你也许会说，光怎么进入眼睛，眼睛怎么看到光，这不是一件事吗？其实真不是一回事。

打个比方：在电影院里，影片投影在大荧幕上播放，大荧幕上当然有光，但是大荧幕自己肯定不知道这件事，它没有感觉嘛。

所以，人的眼睛到底是如何感觉到光的呢？这个问题的解决就更晚了，到19世纪晚期才真正看到曙光。

两位德国科学家鲍尔（Franz Boll）和库恩尼（Willy Kuhne）先后研究了这个问题。

他们发现，在动物眼球的后方，有一层薄薄的膜，看上去有点像那个想象中的小屏幕——当然，今天我们知道，他们研究的东西就是眼睛里面的视网膜。

有意思的是，这个小屏幕是有颜色的。

比如，刚解剖出来的青蛙视网膜，是鲜艳的红色；但是如果放在强光底下暴晒，它很快就会褪色，变成无色透明的。

更有意思的是，如果把这层薄薄的膜放在黑暗中一段时间，它又能慢慢地重新变成红色。

在鲍尔和库恩尼看来，这个现象就说明在这层薄膜里面，肯定有一种红色的物质，它能在光照射之后褪色，没光的时候恢复颜色。而且，这个褪色-有色-褪色-有色的反应，可以反复发生。

那这种红色物质，是不是就是生物体感光的物质呢？是不是每当有光照到眼睛里之后，这种物质就能发生一个变色的化学反应，然后产生了某种信号进入大脑，这样我们就知道有光了呢？

库恩尼的后续研究确实强有力地支持了这个可能性。

首先，他通过化学提纯，找到了这种能变色的物质，那是一种叫做视紫红质的蛋白质分子。

在眼睛视网膜的每个感光细胞里，这种叫视紫红质的蛋白质特别丰富。更有说服力的是，当光线照射进来的时候，视紫红质就会褪色，与此同时，它会在视网膜细胞里产生一个微弱的生物电信号。

所以你看，这样一来，环境里的光信号，就被转变成了生物体内的一种电信号。

到了20世纪，美国科学家沃德（George Wald），更是帮助我们彻底理解了变色和感光的化学本质。

他发现，视紫红质这种蛋白质之所以会有颜色，是因为它平时会和一个叫视黄醛的小分子结合起来。

当光线照射之后，这两种化学物质就能被分开，于是颜色没了。但是单独活动的视紫红质，就会启动一系列的化学反应，最终让视网膜的感光细胞产生电信号，这就是人类视觉的最初源头。

在生命演化的历史上，动物的眼睛构造实际上反复、独立出现过很多次。

比如，人的眼睛、昆虫的眼睛、章鱼的眼睛，从结构上几乎找不到什么共同点。但是直接感受光的这一套原理，特别是视紫红质分子本身，却只出现过一次，并且存在于今天地球上，所有能看见东西的动物当中。

也就是说，视紫红质这个蛋白质的出现，就代表着视觉的开端。

顺便插一句，视紫红质要发挥作用，需要和视黄醛这种小分子化学物质相结合。视黄醛这东西，又是从维生素A变来的。

可想而知，如果人体缺了维生素A，那视紫红质就没法感光了，这其实就是夜盲症的原因。

维生素A在动物和鱼的肝脏里特别丰富，这就是为什么吃鱼肝油就能治疗夜盲症。

言归正传。这节课，我们回答了三个重要问题：光从哪儿来？；光是怎么进入眼睛的？以及眼睛是怎么感觉光的？

总结一下，你可以想象，一束非常细的光从外界进到人眼内，经过晶状体的折射汇聚，照射到眼睛内部的视网膜上某一个感光细胞上。

这个时候，在接触到光线之后，感光细胞内部的视紫红质，就和它原本结合的视黄醛分子分开了，最终让这个感光细胞产生一个微弱的电信号，这个电信号传输到大脑中，我们就会觉得有了光。

现在，你是不是觉得自己对视觉已经足够了解了呢？其实，看到光和真正看到东西之间，仍然有非常遥远的距离。

打个比方你可能就明白了：我自己是一个高度近视患者，如果没带眼镜，我看到周围的一切都是模模糊糊的。

我能感觉到哪儿有光，哪边又比较昏暗。但是我根本无法判断这些光影的形状到底是什么，也不知道它们到底是什么东西，离我有多远，是在朝哪个方向运动。

所以，在光线进到人眼之后，我们人的眼睛和大脑是怎么把光的信息组装在一起，让我们真正感觉到外部世界的样子的呢？

下一讲，我来为你解密。

最后，我想留一个思考题。我们说了，亚里士多德用了两个思想实验，证明眼睛不会发光，你还能想到什么思想实验，来证明眼睛不会发光吗？欢迎你在留言区分享给我。

我们下一讲见。

伟大的哲学家柏拉图和几何学奠基人欧几里得，都坚持认为“人眼睛会发光”。