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历经亿年的双眼 带你穿越人群 纵情书海 领略四季的风云变幻

时间:2021-09-30 11:27:36

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历经亿年的双眼 带你穿越人群 纵情书海 领略四季的风云变幻

这是近视眼中的风景

这是远视眼中的风景

这是散光眼中的风景

这是动物眼中的风景

英国自然学家查尔斯.达尔文在《物种起源》中提到:“眼睛像一种独一无二的发明,可以根据不同距离调节其焦点,承受不同强度的光,校正球面的像差和色彩的色差。如果假定眼睛能由自然选择而形成,我坦白承认,这种说法好像是极其荒谬的。理性告诉我,如果能够显示从简单而不完全的眼睛到复杂而完全的眼睛之间有无数等级存在......”

事实上,眼睛的进化是由自然选择机制驱动的随机过程。我们习以为常的双目明眸、司空见惯的五彩缤纷,其背后的成因却是从史前时代开始漂洋过海,直到现代才被人所熟知了解。英国作者史蒂夫.帕克创作的《眼生万物-看见看不见的“视”界》为我们揭开了视觉的奥秘,让我们了解眼睛的从无到有、色彩的结构与特质、以及色彩运用后的视觉感官。

作为伦敦动物学会高级科研员的作者史蒂夫.帕克曾任英国自然历史博物馆NHM的展览科学家,《眼生万物》正是NHM视觉和色彩的集大成者,书中不仅讲述了从寒武纪时期生命的爆发、眼睛的诞生,还附赠了涉及植物学、昆虫学、古生物学及动物学等领域的稀有图像,在讲述视觉色彩的同时也为读者呈现了一场视觉盛宴。

研究岩石的地质学家和古生物演变的古生物学家认为,距今约40亿~45.4亿年的冥古宙时期,是地球形成的初期,那时还没有出现生命的迹象。随后来到距今25~40亿年的太古宙,水中出现了最早的生命形式,类似于如今细菌和蓝藻的单细胞生物,但这个时候的生物没有眼睛,只是能对光做出响应,也就是把光作为提供自己生命的能量,也是我们现在俗称的光合作用。

接着,时间来到距今5.41~25亿年的元古宙,生命的形式开始多样化,尤其是多细胞动物不断被考古发现。然后就是距今5.41亿年至今的显生宙,被发现的化石分布更广,也出现了现有动物的祖先,眼睛与视觉的作用也在此阶段出现并演化。

《眼生万物》书中讲到,在南澳大利亚的埃迪卡拉海域和淡水中发现了古生物感光部位,像海月水母这样的刺胞动物,就拥有被称为感觉棍的小型感官结构。这类生物没有所谓的神经中枢,只能用神经束将感觉棍和网状神经系统连接起来,来感受光。

眼睛的进化也适应环境的变化:一开始,基础眼点结构是较为平坦的层,也就是上文提到的光感受器,这种细胞含有着色物质,可以吸收光,与光能发生反应,产生神经信号。

接着,眼点形成凹陷、杯状或坑状,也就是所谓的内线,这样一来就增加了与入射光方向有关的信息,通过基本的来躲避或接近对象,甚至是识别对象。

随之,坑状或杯状的开口变得越来越小或越来越窄,便于获取与方向有关的更多细节。这时候,也提高了成像的清晰度与细节,来确定更小的狭窄区域。

最后,杯状结构增加了晶状体聚焦的能力,通过不同角度和强度来弯曲和衍射,加强空间分辨能力。

随着眼睛的不断演化,角膜、晶状体、视网膜等感光细胞层已充分形成。其中,这些光感受器中有被称为视蛋白的蛋白质,当视蛋白与生色团结合时,就会形成视色素。视蛋白的结构变化会影响视色素对不同光波长的敏感程度。因为每种视色素会选择性地吸收一定范围波长的光,并反射其他波长的光线,不同的波长不同的光线。作者史蒂夫.帕克提到,我们人类的眼睛主要有两种主要的感光细胞:视杆细胞和视锥细胞。它们综合起来得到的信息可以分辨上百万种色彩,我们的眼中就会呈现出五彩斑斓的颜色。

虽然人类高于其他动物,但从眼部结构来说,眼睛只分为单眼和复眼。

单眼,指的是光通过单个开口摄入,穿过晶状体。《眼生万物》书中提到,单眼拥有相机式的结构,眼睛内部有由晶状体隔开的两个内室,并通过单个开口接收光。大多数哺乳动物,包括我们人类,都属于单眼结构。

作者史蒂夫.帕克提到,在“相机式”单眼结构中,入射光首先在眼球前方遇到透明的圆顶盖,也就是我们常听到的角膜,并且角膜具有自身透明的薄覆盖层—结膜,来起保护眼睛的作用。结膜对空气中的物质比较敏感,因此,眼皮会每隔几秒眨一下,并涂抹泪液来清洁结膜表层的灰尘或其他颗粒。

当入射光离开角膜后,光线在通过不同密度的物质时发生折射,改变光线方向,这样一来有利于聚焦光线,让我们能够清楚地看清事物。《眼生万物》书中就说到,人眼中75%的聚焦能力都由角膜提供。

然后入射光的一部分光线会通过瞳孔,也就是位于有色肌肉圆环(虹膜)的中心,这一过程中,一些光被吸收,一些光则被虹膜中的色素反射出去了。黑暗中,我们可以仔细观察,会发现自己的瞳孔放大,这就是虹膜的作用,让更多的光线射入,便于自己在黑暗中看清事物。

紧接着,光线会遇到晶状体,这个由清澈物质组成的透明凸面体,会根据近远处的物体来调整自己的形态,以达到光线聚集在视网膜上,形成清晰的图像。

除了看清物体以外,眼睛还帮助我们分辨颜色。上文有提到人类拥有两种感光细胞,哺乳动物同样如此,也拥有视杆细胞和视锥细胞。其中,视杆细胞占绝大多数,数量超过1亿,每个视杆细胞只有0.1毫米,直径为0.002毫米。视杆细胞的上端为圆柱形,最为接近入射光,并且在“杆”这一部分有膜盘结构,在膜表面存在和光发生反应的视紫红质分子,可以看到黑白色调。

仅仅是黑白色调还不够,这时候,视锥细胞就出场了。虽然视锥细胞的数量只有五六百万,但细胞中有可以分辨色彩的视锥蛋白,能够探测色彩和细节。

复眼,则强调“多”,通过多个晶状体式的视觉单位接收光线,每个晶状体的后部都有各自的感光细胞。动物物种不同,视觉单位数量从几个到数千个不等,像昆虫、甲壳类等节肢动物就拥有了复合或多结构的眼。

《眼生万物》书中描述到,复眼由许多单独的感光单元组成,这些感光单元被称为小眼,每个小眼就是一个单独的眼睛,也就是我们提到的单眼,拥有复眼的动物所看到的图像是来自众多小眼输入的组合。比如,在蜜蜂和黄蜂的眼中,小眼数量可以达到几千个,高度为0.5~2.5毫米不等,入射光进入单眼进行整合之后,光线会沿感杆分体传播并刺激微绒毛中的光敏分子,进而产生神经信号,随之信号从网膜细胞沿神经纤维传递,通向大脑和主神经系统。

早在5亿年前,节肢动物就已演化出复眼,直至今日,复眼已演化出多种变体结构,根据成像方式,一类是并列型复眼结构,每组光线分别进入一个小眼,刺激这个小眼内的网膜细胞,小眼也只收集一定角度的入射光;另一类是重叠型复眼结构,这类眼睛的角膜-晶锥结构被透明的间隙分开,光线穿过这个空白区到达下面的数个网膜-感杆单元。这类复眼在昏暗环境下更为敏感。

《眼生万物》一书不仅为我们带来了眼睛的发展演化及其结构外,还为我们讲述了色彩的缘起和发展。

作者史蒂夫.帕克提到,自然色是由物体的表面特征、透射性质和反射特性,以及照射在物体和眼睛上的光属性综合响应而产生的复杂结果。

学生时代我们所学的物理知识告诉我们,颜色由波长不同的电磁波组成。我们能够看到的可见光波长为390~700纳米,虽然我们在物理课上没有去研究波长的尺寸和特性,但我们需要了解波长,这样才能知道自然是如何产生无穷无尽的色彩、色系、色相等。《眼生万物》一书讲到,色彩主要的产生方式包括结构和色素。

结构色通过衍射或光子晶体的机制产生,这种微小的结构化表面就会产生色彩,并且这种表面细微到足以干涉可见光。自然界中,不同波长通过结构色可以相长干涉,得到更强的效果;也可以相消干涉,彼此减弱或抵消。

色素色是通过选择性地吸收、散射或反射不同波长的光来产生色彩的物质。《眼生万物》书里提到,与结构色不同的是,色素色不随光照角度和观测角度的变化而变化。“色素”一词我们经常在涂料行业用上,其实不仅在涂料行业,生物色素遍及自然界,我们听过的胆色素、类胡萝卜素、黑色素就属于色素色。

我们喜爱的火烈鸟,就是摄入了大量的富含角黄素的类胡萝卜素,色素进入到羽毛、腿部和面部,进而就变成了粉红色或淡红色。另外,现在大多数女性都在努力防晒,为的就是减少皮肤黑色素的产生,防止自己变黑。当我们的皮肤暴晒在阳光下时,身体机能会产生黑色素来保护皮肤,但副作用就是皮肤会变黑。像患有白化病的人,就是身体缺少产生黑色素或其他色素的基因,导致皮肤苍白和其他健康问题。

色彩的出现除了让我们人类欣赏五彩斑斓的世界外,也给动物的生命增加了一些保护色。查尔斯.达尔文在《人类的由来及性选择》中提到:“各类动物色彩为某种特殊目的被修改的行为,要么出于直接或间接的保护目的,要么出于两性之间的吸引。”很多动植物会通过鲜明的色彩反差来警告捕食者或敌人,比如我们在野外看到的鲜艳的蘑菇,第一反应是有毒,不能吃,进而也就不会去采摘了。除了警告,还有保护自己的意愿。《眼生万物》书中提到,有些无毒动物的外表颜色跟有毒动物类似,以此来帮助自己躲避危险,伪装并保护自己。

倘若我们没有眼睛,我们便很难感知色彩的魅力。《眼生万物》一书带给我们的不仅是从无到有的视觉体验,还有独特的博物馆珍藏图像欣赏,通过双眼,感受万物的炫彩;通过双眼,品味世界的变换;通过双眼,记录自然的美好。

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