视觉：捕捉色彩

你好，欢迎来到生命科学50讲，我是王立铭。

今天是我们讲视觉的最后一讲。在前两讲里，你知道了光点是怎么被视网膜细胞看到的，而光点组成的光条，是怎么被脑细胞感觉到的，这一讲，我想讲讲颜色。

你也许会问，颜色有啥用？黑白的世界虽然单调了一点，但是好像也不妨碍我们正常生活嘛。

其实，你可能不知道，看见颜色的能力对人类可能很重要。

在绝大多数哺乳动物的眼睛里，这个世界其实是很单调的。而人和猿猴的祖先可能是在演化的过程中，意外获得了对更多颜色的感知能力。

有些人猜测，这个能力可以帮助我们更好地从一望无际的绿色树叶中，找到已经成熟的、呈现出鲜艳颜色的水果。这样一来，我们的祖先们就更容易填饱肚子，生存下去，繁殖后代。

既然颜色这么重要，那颜色的感知到底是怎么实现的呢？

这件事就要从牛顿说起。

从三原色类比三原光

你可能知道，牛顿做过一个很著名的三棱镜折射光的实验。他发现，太阳光如果通过三棱镜之后，就会变出红橙黄绿青蓝紫几种不同的单色光。

就是因为这个研究发现，启发了牛顿去思考，人的眼睛是怎么感觉到不同颜色的光的。

他提出了一个假设：各种颜色光的物理性质——比如波长——是不一样的。那么在人的眼睛中，就对应地存在好多种感受不同光的感受器，颜色的感觉就是这么来的。

牛顿这个理论框架被很多人继承了下来，因为它在原理上确实非常简单。

按照这个模型，人的眼睛里只需要长出区区几种不同的光感受器，它们之间按不同的比例配合起来，就能形成非常多种颜色的感知。

这个过程类比起来，其实就有点像画家用红黄蓝三原色，来调出各种各样的颜色一样。比如：

• 红色颜料加蓝色颜料，就是紫色了；
• 红色多加一点，紫色就更加偏暖；
• 如果红色少一点，蓝色多一点，那紫色就更加偏冷。

以此类推。

这么简单，技术上又好实现的解释，当然会受到大家的青睐。

但是真要想证明它，却不太容易。因为我们需要真的在眼睛里找出不同的光感受器才行，而且还得确认到底有几种。

一开始就有人提出：估计是三种。也就是很多人都熟悉的所谓红绿蓝三原光的概念。

但实际上，这个理论更多地是从三原色概念中类比过来的，一直也没有什么靠谱的证据，证明人的眼睛确实有且只有三种光感受器，而不是两种或者四五种。

这个事想从实验角度严格证明，确实不太容易。但是没想到，后来人们从人类的一种疾病中得到了启发，这种疾病就是色盲。

三种色彩感受器：黄绿紫

色盲的发现也是一段非常有趣的历史。

200多年前，英国化学家道尔顿（John Dalton），给他妈妈买了一双袜子作为圣诞礼物。但是，收到礼物之后，他妈妈觉得不太合适，告诉道尔顿，她这个年纪的女人不太适合穿樱桃红这么鲜艳的颜色了。

这个时候道尔顿就觉得很奇怪，他明明买的是一双灰色的袜子。

一般人遇到这种事，可能也就过去了，就当自己妈妈年老糊涂就好了。但这个时候，道尔顿作为科学家的敏感性就派上用场了。

他拿着同样的袜子去问他的兄弟姐妹，发现他的兄弟们会说袜子确实是灰色的，而他的姐妹们就觉得袜子是红色的。

这时候道尔顿知道了，他和他妈妈的分歧，应该不是因为某种古怪的幻觉，有可能人类对颜色的感知，确实存在天然的差异。

而在道尔顿自己和他的兄弟们眼睛里，很可能天生就缺乏一种颜色感受器，所以他们看不到樱桃红的颜色。

在道尔顿之后，人们又陆续发现了几种不同的色盲，分别对几类不同的颜色失去了感觉。

按照道尔顿的思路继续推测，我们是不是就可以反过来说，人类世界里能发现几类色盲，就对应了人的眼睛里，有几种不同的色彩感受器呢？

就是根据这个逻辑，人们最终明确，人眼睛里的色彩感受器应该确实是只有三种。

在上个世纪中期，神经科学家们更是直接在人的视网膜里，观察到了这三种不同的色彩感受器，它们分别对发黄、发绿、发紫的光最敏感。

人类视网膜的视觉感受器感受颜色

所以，从这个角度看，我们常说的红绿蓝三原光是有点不准确的。如果真要说三原光，那说黄绿紫会更合适一些。

大脑中的色彩是颜色组合

有了最基本的色彩感受器，人的大脑是怎么组合出千变万化的色彩呢？我们先从最简单的情形说起。

如果一个动物只有一种色彩感受器，比如海豚，那它看到的世界，就应该像是黑白相片的样子，没有颜色，但是仍然有灰度深浅的差别。

这种光感受器，能感受到多少种不同的灰度深浅呢？实验证明，差不多是一百种。

如果一个动物有两种色彩感受器，比如老鼠，这两种不同的感受器，能分别感受到一百种灰度差别。

那么老鼠眼睛能看到的颜色种类，就是100X100组合起来，差不多一万种不同的颜色。

以此类推，人类这种有三种色彩感受器的生物，能感受到的颜色组合，差不多是百万到千万这个数量级。

在这一讲的开头我们提到，人和猿猴的祖先，在演化历史上获得了更厉害的色彩感知。其实背后的原因，就是人的眼睛比老鼠这样的哺乳动物，多出了第三种色彩感受器。

更有趣的是，如果我们沿着这个逻辑继续向下推演，我们可以想象：

• 如果一个动物有四种色彩感受器，那它就应该能看到上亿种色彩；
• 如果有五种色彩感受器，那它们应该就能感受到百亿种色彩。

在这些动物的眼睛里，这个世界肯定是极其地色彩斑斓、绚烂夺目，是我们人类完全无法想象的。

许多昆虫和鸟类，对色彩的辨识能力是远远超越人类的。因为这会帮助他们在飞行途中，仅仅依靠眼睛，就能准确地识别地面上可能的食物和敌人。

甚至有特别极端的情形：我们经常吃的皮皮虾，学名叫做螳螂虾，它的眼睛里有多达十六种不同的色彩感受器。

你闲下来没事的时候，不妨幻想一下，在皮皮虾眼中，这世界该长得多么妖艳。

皮皮虾眼中的世界（假想图）

不同色彩感受器的出现原因

我们言归正传。现在你知道了人眼里有黄绿紫三种色彩感受器，那你知道这些不同的色彩感受器是怎么出现的吗？

其实，它们仍然还是视网膜的感光细胞。感光的基础还是我们上两讲讨论过的——视紫红质这个蛋白质分子。

只不过在这三种色彩感受器里，视紫红质的结构发生了一些微小的变化，所以能对不同波长的光更加敏感。

我们刚才提到，很多哺乳动物只有两个色彩感受器，人类是在演化历程中，获得了第三种新的色彩感受器。

一个简单方便的解释就是：编码原先两种光感受器的DNA片段，不知道什么时候，在自我复制的时候重复复制了一次，然后它上面又发生了一些随机的遗传变化。

这样一来，它们的后代体内就会出现三个不同的视紫红质蛋白，产生三种不同的色彩感受器。

因为拥有三种不同的光感受器，能帮助人类的祖先在森林中找到鲜艳的水果，所以这个特性就被保留了下来，让今天的人类普遍带有三种不同的色彩感受器，而且能看到百万到千万种不同的颜色。

有趣的是，在人类中也有极少一部分人，天生就具有四种光感受器，能比正常人看到丰富得多的色彩。

在他们的身体里，其实就是编码记录某一个视紫红质的DNA片段，又出现了一个多余的重复。

当然了，现在你应该也能自己做出推演，这种超常色彩感觉的能力，应该对我们祖先们的生存意义不大，所以并没有成为人类社会的主流。

总结一下，这一讲我们试图说明的是，人类对丰富色彩的感知，实际上是三种不同的色彩感受器，分别感受不同波长的光，然后彼此之间信号组合的结果。

我想给你留个思考题：我们视觉能看到的波长范围，是从红光到紫光。那么你能想象，假如我们能看到的波长范围更广，比如包括红外线、紫外线，那么你眼中的世界会有什么不一样吗？欢迎你在留言区分享你的看法。

到这里，我们对视觉的探讨就告一段落了。下一讲，我们就来讨论其他的感觉系统。

我们下一讲见。

皮皮虾的眼睛里有多达16种不同的色彩感受器。在它们眼中，这世界该是多么妖艳！