我们为什么能看见颜色?

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang | 本文首发《Newton科学世界·数字版》


蔚蓝的天空、碧绿的湖泊、多彩的花朵……如果我们的眼睛不能辨认颜色,大自然的美仿佛也减半了。那么,为什么我们的眼睛能看见色彩呢?

要看见色彩,我们首先要能看见光。这精密的仪器,都集中在眼球内壁的视网膜上。视网膜相当于照相机的CCD或感光胶片,能接受光,并将其转换为电信号。

眼睛的结构

右眼视网膜

那么,视网膜是如何接受光的呢?

视网膜上的视细胞分为两种,分别是视杆细胞和视锥细胞。从外表看,它们长得都很怪异,身体细长,分为上下两节。不同的是,视杆细胞的下半截是杆状的,而视锥细胞下半截越来越小,呈锥形。

蓝色的是视杆细胞,红色的是视锥细胞

这两种视细胞的下半截都有一层一层的扁平袋囊状结构,里面含有能对光子做出反应的物质,也就是视色素。视色素是一种特殊的物质,碰到光子后,它的形态会发生一点点小变化,从而关闭细胞膜上的钠离子通道。这个通道的变化能形成电位,产生电信号,最终能传到大脑。过一会儿,视色素又恢复原来的样子,钠离子通道又重新打开。

视杆细胞的感光灵敏度要高于视锥细胞。也就是说,在月光下,主要是依靠视杆细胞看东西,在日光下则主要依靠视锥细胞。视锥细胞还负责辨别颜色,正是我们色觉的来源。

那么,我们为什么能看见五颜六色的世界呢?

这是由于,视网膜上有三种不同的视锥细胞,分别是感红视锥细胞、感绿视锥细胞和感蓝视锥细胞,它们分别能感知可见光谱上的一段。这三种视锥细胞最灵敏的波长分别在565纳米、535纳米和450纳米左右,因此又称为L型锥体细胞(红)、M型锥体细胞(绿)和S型锥体细胞(蓝)。其中的L代表较长的波长(Long),M是中等的波长(Middle),S是较短的波长(Short)。

三种视锥细胞能感知的波段

三种不同的视锥细胞中含有三种不同的视色素,称为光视蛋白。尽管它们中包含的视黄醛分子都一样,但周围蛋白质部分的氨基酸排列方式不同,因此吸收的波长也不尽相同。

各种波长和强度的光组合在一起进入我们的眼睛,就能看到不同的颜色。

在单色光的作用下,我们的眼睛可以分辨200~250种颜色。三种颜色加起来,考虑到颜色的种类(色调)、鲜明程度(色饱和度)和明亮程度(亮度)等不同条件,我们的眼睛最多可以辨别数百万种不同的颜色。人眼在490纳米附近(蓝~绿)和在590纳米附近(黄~橙)具有最好的辨别颜色的能力,甚至可以察觉到1纳米的波长差异。

这张图包含1百万个像素点,每个像素点的颜色不同。人类的眼睛可以区分出其中绝大多数的色彩。

 

那么,为什么会有色盲呢?

色盲通常是由于视锥细胞所具有的视色素异常而造成的。决定视色素中氨基酸排列方式的基因出现异常时,人就难以分辨特定的颜色,造成色觉异常。感红视锥细胞和感绿视锥细胞的光视蛋白为异常的人,难以辨别红色~绿色;感蓝视锥细胞的光视蛋白为异常的人,难以辨别绿色~蓝色。

左图是正常色觉的人看到的景色,右上是红色盲的色觉,右下是绿色盲的色觉。

 

科学家发现,L型和M型光视蛋白中共有约350个氨基酸,只需要改变其中2个,就会使它们的最灵敏波长移动30纳米。而亚洲和欧洲的许多灵长类动物中,L型和M型视蛋白的基因非常相似,位置也很接近(都在X染色体上),所以科学家认为,哺乳动物最初只有S型和L型光视蛋白,在漫长的进化中,L型蛋白发生变异,产生了第三种蛋白,也就是M型视蛋白。L型和M型视蛋白基因很容易发生变异,从而造成中长波段的色觉异常。世界上约有8%的男性和0.5%的女性是色盲。

即使具有正常型基因的人,氨基酸的排列方式也因人而异,有微小差别。因此,不同的个人,视锥细胞吸收的波长范围(能够辨别的颜色)会有微小的差异。所以,每个人眼里的世界都是不一样的。

还有一种特殊的色盲——全色盲,是由于视锥细胞缺少或功能丧失而造成的。他们仅能依靠视杆细胞来感受光线的强弱,所看到的世界只有灰阶的色阶分布。全色盲的比例非常小,但在太平洋上的平格拉普岛(Pingelap)上却有极高的比例,大约为10%,还有30%的人携带全色盲基因。这是由于18世纪时,一场强烈的风暴席卷小岛,许多人不幸身亡,只剩下了20个幸存者,其中有一个男性就是全色盲。经过长时间的近期繁殖,拥有全色盲基因的人数越来越多,比例也越来越大。到目前,岛上约有250人是全色盲。

你也许会觉得,这些全色盲眼中的世界没有色彩,是一件多么遗憾的事情。然而,事实却并非如此。平格拉普岛的全色盲虽然失去了色觉,但是他们对浓淡和明暗有着更加细致的体会,其他感官也更敏锐。尤其在夜晚,他们能从散发着淡淡荧光的海湾中,辨认出鱼群的方向,夜夜满载而归。他们也能轻松辨认星空,不迷失方向。他们还能在织物上编织出正常色觉者无法辨认的美丽图案。当你把这些看起来杂乱无章的织毯拿到昏暗的光线下,才能识别出那些精美的画面,传颂着流传千年的故事。

所以,拥有正常的色觉是一种幸运的馈赠。但是,不管你能不能看见色彩,世界都会一样精彩。

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