来源页 · 完整讲稿 · 第 31 讲
脑洞大开的奇妙感觉
你好，欢迎来到生命科学50讲，我是王立铭。
我们人类作为智慧生物，拥有非常发达的视觉系统。除此之外，嗅觉、味觉这样的化学感觉系统，听觉、触觉这样的机械感受系统，痛觉、痒觉、温度感觉、湿度感觉，对自身状况的各种感觉，也都非常丰富。
这些感觉系统加在一起，为人类的生活提供了全方位的指导。
当然因为篇幅所限，我也就只能给你简单介绍了视觉和化学感觉。你可能会觉得，既然我们有这么丰富精细的感觉系统，那么在我们的头脑里，一定能感觉到，能够构造出真实世界的全貌。
但很遗憾，这大概只是个美好的幻觉。
其实，世界上有很多客观存在的信号，是我们人类的感觉系统感受不到，甚至是完全无法想象的。
你可能还记得我们之前提到过的一个例子，单就色彩感知而言，皮皮虾的能力可能比人类强上百亿倍。同一幅画面，皮皮虾眼睛看到的，肯定比我们人类看到的更加五光十色。
别的感觉其实也一样：
- 小老鼠的嗅觉感受器比人多一倍还多；
- 猫头鹰对微弱光线的感受远比人厉害；
- 蝙蝠能听到人耳听不到的超声波。
……
几乎在任何一个单一的感觉里，都能找到比人强的地球生物。它们头脑里的世界，肯定比我们的更加丰富。
那除了能力更强之外，有没有超越人类这些感觉之外的新感觉呢？
这一讲，是感觉单元的最后一课，我想给你开开脑洞，看看世界上还可能存在什么奇妙的感觉。
在开始之前，你可能会觉得奇怪。既然我们人类没有这样的感觉，你又是怎么知道这样的感觉系统就一定存在呢？
这个问题问的好，我试着在理论上解释一下。
感觉系统的实质
首先， 让我们一起思考一下，感觉系统的实质是什么？
其实，感觉系统就是生命观察、理解环境，随后适应、改变和创造环境的第一步。生物的感觉系统所采集的，必须是自然界已经存在的信号源，比如：光和化学物质。
那么，我们可以这样理解感觉系统：当一个自然环境中存在一种信号，这个环境中就有可能演化出一种生物，能够检测和利用这种信号，并根据它来观察和理解周围的环境。
也就是说，先有信号，才有可能出现相应的感觉系统；有了信号，就很可能会出现对应的感觉系统。
从这个角度出发，当我们站在整个地球生物圈，甚至是整个宇宙的尺度，来看待生命现象的话，我们就可以想象：只要是宇宙中存在的信号源，就有可能发展出对应的生物感觉系统。
那宇宙中都有什么信号呢？
电磁波就不用说了，人类的视觉就是很好的例子。和电磁波类似的，宇宙中还充斥着引力的信号。
那么，有没有可能会出现这样的智慧生命，是依靠引力波来观察外部世界呢？
宇宙中还有脉冲星发出的脉冲信号，会不会有智慧生命是依靠脉冲信号来理解这个世界的呢？
可以想象，如果有生物能利用这些信号，这个生物肯定非常巨大。反过来，在微观尺度下，物质之间除了引力和电磁作用，还存在两种作用力，强相互作用和弱相互作用。
那以此类推，会不会有微观尺度的生物，能够依靠它们来认识世界呢？
当然，这个脑洞开得可能有点太大了，至少在地球生命当中，我们还没发现这样的生物。
不过，这个脑洞在理论上是说得通的。感觉系统就是为了观察理解环境，所以，已有的所有信号源都可能被某些生物感知。
这一讲，我们先不想得那么遥远。在我们身边，也可以找到一些我们人类不具备、也完全无法想象的奇妙感觉。
接下来，我就来详细讲两种奇妙的感觉——热成像和磁场。
热成像：温度感受器的极致效果
先说一种，热成像。也就是说，通过感知温度来观察和理解环境的一种感觉。
热成像的原理其实不难理解。所有有温度的东西，实际上都会发射红外线，温度越高信号越强。
这个信号已经被人类利用过了，比如：战场上使用的夜视仪就是一个红外线检测器。
夜视仪采集的图像
在黑暗中，它能够采集像人体这样的温热物体发出的微弱红外线，再把这个信号转化成人类眼睛可以看到的光学信号。
这样一来，戴着夜视眼镜的士兵，实际上是对黑暗的战场进行了一个热成像，所有温度比环境温度高的东西都能被看到，而且温度越高就越亮。
这在战场上，当然是对人类视觉的一个有效补充。
当然了，如果不戴夜视眼镜，我们人类是感受不到红外线的。但是地球上有一些生物，却天生就具备热成像的能力，比如：蛇。
蛇的视觉是非常差的，甚至可以认为是只有简单的光感，只能感觉到光明和黑暗的区别。
但是它们捕捉猎物的时候，又要具备非常高超的能力，准确地咬到或者缠绕到猎物，准确地追踪猎物。这个靠的就是蛇非常特别的热成像能力。
蛇的眼睛和鼻孔之间分布着很多热感受器，能够在很远的距离之外，检测到动物身上发出的红外线。
左：蛇的热感受器 右：蛇检测到的红外线
换句话说，蛇的脑袋构造出的虚拟世界，就和一个战士在黑暗的战场上，戴着夜视眼镜看到的那个世界一样，什么东西越热，就越明亮。
蛇的热感受器已经被人们找到了。
有意思的是，大家发现蛇的热感受器和人体感受温度的热感受器，实际上是同一种蛋白质。只不过蛇对热感受更加敏感、更加精确而已。
所以你看，人体用来感受环境冷暖的感受器，被蛇用到了极致，居然发挥出了夜视眼镜的神奇效果。
感知磁场：动物判断方位的能力
我们再说另外一个可能更能开脑洞的例子——对磁场的感觉。
和红外线类似，磁场在地球环境中也是无处不在的。地球磁场虽然并不特别强，但是它的存在和方向非常稳定。
那么根据我们一开始的讨论，这样的东西很有可能被生物利用作为信号，来感知外部世界，特别是方向。
实际上，像夜视眼镜一样，人类也早就发展出了利用地球磁场的技术，最简单的就是指南针了。
而且跟蛇有热成像的能力一样，也有一些生物，天生具备了用地球磁场指示方位的能力。
你可能会问，这件事我们是怎么知道的呢？我想说说两个方面的证据。
首先，有人分析了谷歌地球的数据，从上面抓取了几千只食草动物的卫星图，分析这些动物吃草时候的身体朝向。
人们发现，动物身体的朝向不是随机分布的，而是有顺着南北方向站立的倾向，就是地球磁场的方向。
利用谷歌地球的图像，科学家发现，三种动物在休息和吃草时，身体朝向和地球南北极方向几乎重合
这个研究提示我们，也许很多动物都能够检测到地球磁场的存在，甚至是它的方向。更重要的证据，是那些能在地球表面大范围迁徙的动物，比如：鸽子。
人们很早就知道，鸽子长距离飞行的时候，特别是在看不到太阳和星星的阴天，它们就会利用磁场来导航。
因为，如果在鸽子脑袋上装上磁铁，扰乱它对地球磁场的感受，鸽子就会失去准确导航的能力。
那么，动物是怎么感觉到磁场的呢？这个至今还是一个谜。至少到今天还有两个平行的假说难分上下。
一个假说是：动物的神经系统里很可能有一些极其微小、纳米尺度的小磁铁块。
这些磁铁会在地球磁场的作用下发生移动，一旦动起来，就会在神经细胞内产生电信号。
另一个假说是：动物的神经系统中有一些非常特殊的蛋白质。
这些蛋白质本身并没有磁性，但是一旦有光照在上面，它们表面的电荷分布就会出现一些奇妙的变化，使得它们能在磁场中发生偏转，然后产生生物电信号。
更有意思的是，两个假说似乎也都能找到一些证据。
比如：在鸽子的脑袋里，确实发现了微小的磁铁。人们也发现，如果破坏掉动物体内某些特殊的蛋白质，磁场导航能力就消失了。
如果大家对这个问题有兴趣，可以参考咱们国内北京大学谢灿老师的研究。
谢灿老师的实验室，在几年前第一次发现了鸽子体内的磁蛋白。而且很有意思的是，这个蛋白如果被放在试管里，就能在磁场的驱动下自己旋转起来。
磁蛋白在外界磁场的作用下改变朝向
总结一下，这一讲我们开了一下脑洞，思考了我们人类感受不到的感觉系统，重点了解了某些动物对热成像和磁场的感受。
你会不会觉得很奇妙，又有点苦涩？原来世界并不全是我们看到、听到、触碰到的那样。很多世界上客观存在的信号，是我们无法想象的。
热成像的样子，我们还勉强可以通过类比夜视眼镜做个粗糙的想象。但是怎么感觉磁场，就完全在我们的想象范围之外了。
那些能够感受地球磁场的生物，它们每天过的是什么样的生活呢？茫茫宇宙中，有可能存在多少潜在的信号源，又诞生过多少奇妙的感觉系统呢？
其实也正是因为这个原因，很多哲学家和科学家，压根就不相信存在所谓的“真实世界”。在同样一个世界里，每一种生物，甚至每一个个体感受到的“真实”，可能都是片面的。
说到这儿，如果你对地球上甚至宇宙中，可能存在的其它感觉有自己的想象和思考，欢迎你在课后留言，跟大家分享。
下一讲，我们将进入智慧的第二个元素——学习。
我们下一讲见。
（A）为什么需要感觉？在感觉系统中，为什么视觉是最重要的？
感觉是人类作为一种智慧生命，和环境互动、甚至改变环境的基础。而且视觉能够采集的信息最全面，也最精确。
（B）眼睛如何感知光？
分两个步骤：
- 第一步：物体反射的光进到人眼，经过晶状体的折射汇聚，照射到视网膜上某一个感光细胞上。
- 第二步：光刺激感光细胞内的视紫红质，使感光细胞产生电信号，并且传输到大脑中，我们就会觉得有了光。
（C）大脑中如何形成图像？
视网膜上的感光细胞接受光刺激后，排列成特定的形状，然后它们同时把电信号传递给一个大脑细胞，大脑经过多次计算整合，形成图像。
（D）人眼如何分辨色彩的？
人眼视网膜上有黄绿紫三种色彩感受器，分别对发黄、发绿、发紫的光最敏感。组合起来，能观察到百万到千万种色彩。
（E）与视觉相比，嗅觉与味觉有何不同？为什么说它们不智能？
嗅觉与味觉是化学感觉，靠化学物质扩散传播。与视觉相比，有三个差异：
- 信号源：化学信号与光信号的差异
- 感受器的信号采集：精度与广度的差异
- 信号处理：定性与定量的差异
（F）相比其它地球生命，人类有哪些感受不到的感觉？
两个例子：
热成像：蛇的热感受器检查红外线
感知磁场：食草动物与鸽子利用地球磁场判断方位
人体用来感受环境冷暖的感受器，被蛇用到了极致，居然发挥出了夜视眼镜的神奇效果！