人為什么只能看到從紅色到紫色的光？

籠統(tǒng)來說，我們能看到光，是因為物體發(fā)出了電磁輻射，這種輻射向我們的大腦發(fā)出信號后，我們就看到了不同顏色的光線。

但為什么我們只能看到紅色到紫色，也就是400到700納米的光呢？而其它那么大波長范圍的我們都視而不見？

看到光是電磁輻射的化學(xué)效應(yīng)

電磁輻射有物理效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，我們首先需要搞清楚，我們看到光究竟是哪種效應(yīng)在起作用。

電磁輻射的物理效應(yīng)包括加熱物體和產(chǎn)生壓力，這兩個效應(yīng)都非常微弱。比如光的壓力可以制作光帆飛船，雖然力量非常弱小，但持續(xù)不斷的加速卻可以讓它達到十分之一光速，從而在40年內(nèi)到達離我們最近的恒星系，而即使用現(xiàn)在最快的飛船，也要十多萬年。

顯然電磁輻射不是通過物理效應(yīng)來讓我們看到物體的，而應(yīng)該是通過引起分子的化學(xué)變化，將這些變化的信號傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)，來讓我們感知光線，這就是視覺的基本工作原理。

視覺的光化學(xué)作用發(fā)生在哪里？

這種作用發(fā)生在人眼的視網(wǎng)膜中。視網(wǎng)膜里含有感光細胞，包括視桿細胞、視錐細胞和視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞，這就是發(fā)生魔法的地方。

人類視網(wǎng)膜里共有約600萬視錐細胞和1.25億視桿細胞。

視錐細胞在比較亮的環(huán)境下工作，可以分辨顏色。

視桿細胞在比較暗的環(huán)境下工作，分辨率較低，而且不能分辨顏色。

簡單來說，錐狀的視錐細胞分辨光線顏色，像桿子一樣的視桿細胞感知光線強弱。

人類和高等靈長類等動物有三種不同的視錐細胞，其它哺乳動物則缺少紅色的視錐細胞，所以對顏色的分辨能力就比較差。比如貓只能分辨藍綠色調(diào)，狗只能分辨黃藍色調(diào)。

一些人缺乏紅色、藍色或綠色的視錐細胞，于是就形成了不同的色盲，他們看到的世界大抵就和貓狗看到的差不多。

你可能已油然而生一種優(yōu)越感了，原來越高等的動物視錐細胞越多，越能看到更豐富的世界。

但鳥兒馬上就來打你臉了：我們有四種視錐細胞，可以看到紫外線；

鴿子和蝴蝶：切！我們有5種；

皮皮蝦：我12種，還能看到偏振光，我驕傲了嗎？

扯得有點遠了。

視覺是如何產(chǎn)生的？

視桿細胞和視錐細胞將感受到的光轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號，被視網(wǎng)膜上的其它神經(jīng)細胞處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)橐暰W(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的動作電位，通過視神經(jīng)管傳入大腦，導(dǎo)致視覺沖動，傳送到大腦皮質(zhì)的視覺中樞產(chǎn)生視覺。

這里的關(guān)鍵就是動作電位的產(chǎn)生，光是如何導(dǎo)致動作電位產(chǎn)生的呢？

每個視錐細胞暴露在光線之下的部分，都充滿了含有光敏分子的視蛋白，以及連接在一起的11-順式視黃醛，兩者一起組成視色素。

當(dāng)有合適能量的光落在分子上時，11-順式視黃醛吸收光子后異構(gòu)為全反式視黃醛，激活視紫紅質(zhì)，啟動對大腦的神經(jīng)脈沖，從而產(chǎn)生一系列下游反應(yīng)形成視覺。

到這里你可能已看到“我們?yōu)槭裁粗荒芸吹郊t色到紫色的光”這個問題的關(guān)鍵了，只有合適能量的光，能夠在視網(wǎng)膜上實現(xiàn)11-順式視黃醛的順反異構(gòu)，那么這些光的波長是多少呢？

順反異構(gòu)本質(zhì)上是一種電子躍遷，這種躍遷比旋轉(zhuǎn)躍遷和振動躍遷具有更高的能量，而典型有機分子的躍遷能只有幾個ev量級。所以只要知道視覺化學(xué)效應(yīng)中存在電子躍遷，我們就可以馬上說，可見光譜的波長應(yīng)該在幾百納米左右。

那為什么恰好是400到700納米呢？

這是11-順式視黃醛的特定吸收光譜，而視黃醛是受視蛋白影響的，所以這個問題就變成，我們的視網(wǎng)膜是如何得到只吸收這個波長范圍的視蛋白的？或者說，我們是如何得到這個波長范圍內(nèi)的感光分子的?

這是因為，要想探測給定波長的光，這些波長的光就需要足夠多，陽光中大部分紫外線都被大氣吸收了，落入我們眼睛的大部分能量都在可見光到紅外區(qū)域，因而我們有理由相信，眼睛將會進化來看到從可見光到近紅外的波長段。

但這并不是全部，動物眼睛的基本進化發(fā)生在陽光下的水中，而且我們眼球內(nèi)部的玻璃體99%都是水，這意味著光線必須要穿過水才能為我們所見，而水在可見光波長范圍內(nèi)只有一個狹窄的透明窗口，所以眼睛自然進化為具有適合可見光范圍的感光系統(tǒng)，進化正是找到并利用了水的這一bug。

所以“為什么我們只能看到從紅色到紫色的可見光”的最終答案就是，它是由11-順式視黃醛順反異構(gòu)的電子躍遷決定的，和各種光是否能穿過大氣，穿過水有關(guān)。只有這一波段的光適合這三種視錐細胞中11-順式視黃醛的吸收，所以我們的眼睛進化成了可以看到從紅色到紫色的可見光。綜合來說，這是由進化、陽光、大氣和水決定的。只有這一波長段的光，能穿透大氣、水，引發(fā)我們眼中視蛋白的反應(yīng)。

而其它動物的視錐細胞和我們有所不同，對不同波長的光敏感不同，所以和我們的“可見光”也有所不同，特別是四色、五色視覺，尤其是皮皮蝦的12色，我真的很好奇，它們眼中的可見光究竟是什么樣子的呢？

這篇文章主要內(nèi)容來自埃因霍溫科技大學(xué)納米光子學(xué)博士后研究員Raziman T.V的觀點，參考了維基百科中相關(guān)詞條的解釋，Raziman也說自己只研究納米光子學(xué)，并非生物學(xué)和化學(xué)專業(yè)，請學(xué)科專家指正。本人也非這個專業(yè)，只是覺得好奇，根據(jù)自己的理解寫了這篇文章，可能還有表達不準確甚至錯誤的地方，僅作參考。