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    為什么可見光是“可見”光?

    文章來源:pengchengzk 更新時間:2017-05-30

    可見光(visible light)指的是電磁波的一部分。電磁波根據其波長不同可以劃分為不同波段,一般而言波長在 380 ~ 700 nm為這一波段之間的波段被稱為可見光,因的電磁波可以被人類的眼睛以光的形式接收。不同人類個體接收可見光的波長范圍可能略有差異,但基本上在上述波長范圍附近。 那么,為什么可見光是 “可見” 光?(Why the visible light is visible?)換句話說,為什么這一波段的電磁波就可以被人眼 “看見”? 視覺的分子機制 對于上述問題的最直接答案是視覺的分子機制。人眼的結構類似于一架高精度的照相機,光線穿過透明的角膜(cornea)和虹膜(iris)包圍的瞳孔(pupil),經過晶狀體(lens)的折射在視網膜(retina)上形成空間分布的像。而視網膜上則分布著主要檢測光強度的視桿細胞(rod cell)和主要檢測顏色的視錐細胞(cone cell),它們是視覺形成的細胞基礎。 視桿細胞與視錐細胞對光的響應程度雖然略有差異,但它們發生光響應的機制都是類似的。以視桿細胞上的視紫紅質(rhodopsin)為例,它由一個細胞膜上的七次跨膜蛋白(視蛋白,opsin)和視黃醛(retinal)輔基組成。視蛋白是 G 蛋白偶聯受體(GPCR)的一種,視黃醛輔基以共價鍵結合在其第七個跨膜 α 螺旋片段的賴氨酸殘基上。 視黃醛分子是由維生素 A 氧化而來的,一個維生素 A 分子氧化得到一個視黃醛。視黃醛具有兩種構型:全反式(All-trans)和 11 位順式(11-cis),正常與視蛋白結合的是 11 位順式構型。恰巧在可見光(對視紫紅質而言是波長 500 nm 左右的電磁波)照射下,11 位順式構型可以轉變為全反式構型,從而導致視黃醛輔基從視蛋白上脫離。輔基的脫離造成視紫紅質構象變化,經過信號轉導導致細胞膜內外離子電位發生變化,產生神經電信號。這一信號經過視神經傳入大腦,就使得我們產生了視覺。 因此,從視覺的分子機制出發,我們可以這么回答:正由于視黃醛分子的構型轉變反應恰好響應了可見光波段的電磁波,這才導致這一波段的電磁波能被我們 “看見”。 但是,這隨之帶來另一個問題:為什么視覺產生要依賴視黃醛分子呢?如果換成別的分子,不就可能在別的電磁波段發生視覺響應了嗎? 視覺的進化歷程 要回答這個問題,需要了解生物視覺的進化過程。植物一般而言是沒有視覺的,但具有光敏性,最重要的植物光敏性質是光合作用,并可觀測到某些植物(如向日葵)的趨光性。 與之不同的是,絕大多數動物都具有或高或低的視覺。最原始的動物視覺器官可能是草履蟲的眼點(eyespot),位于草履蟲鞭毛根部的一側,只對可見光的強弱有著感知能力。由于草履蟲是單細胞生物,這個眼點實際上只是一簇分布集中的光敏蛋白區域,還不能稱之為一個結構完備的視覺器官。 多細胞生物產生后,眼的多樣性隨之發展起來。大自然中可見形態各異、功能不同的眼,例如無脊椎動物中蚯蚓的單細胞眼、水母的盆眼、蝸牛的泡眼、昆蟲的復眼以及脊椎動物和少數無脊椎動物(如章魚)所共有的透鏡眼等。對這些千奇百怪的眼的進化,生物學家曾經的觀點是經過了多次獨立進化起源。但近來分子進化的研究發現,所有動物的眼睛發育都受到 Pax 6 基因家族的控制,并且 Pax 6 是一個高度同源保守的基因家族。這就更傾向于說明,眼的進化是單源的。 如果眼的進化是單源的,眼中最關鍵的分子結構——光敏分子也應當是單源的。事實上,除了一些進化樹上較為原始的生物使用黃素等分子作為光敏分子外,絕大多數動物都使用了七次跨膜蛋白和視黃醛類分子作為感光元件。而視黃醛分子是維生素 A 的部分氧化產物,又可由植物中廣泛存在的天然色素——β-胡蘿卜素氧化得到,來源和代謝路徑明確,被生物進化選中作為光敏分子也在情理之中。 不過,上面的分析只說明了進化選擇視黃醛分子的充分性,但還沒有回答其必要性,是不是只有視黃醛分子才能完成光敏職能呢? 大自然的選擇 我們換個思路來想問題:如果我們來做上帝,我們會選擇什么樣的分子、響應什么波段的電磁波? 從電磁波譜的角度來看,首先應當排除的是波長最短的伽馬射線(Gamma ray)和高能 X 射線(X ray),因為它們能量太高,很快就會導致分子電離、分解甚至激發原子核。 深紫外(deep Ultraviolet)和軟 X 射線激發的電子能級一般是內層電子或高能電子,這種激發得到的分子高能態很不穩定,在常溫下的水溶液或空氣中都難以保證信息的有效傳遞。 紅外(Infrared)與微波(Microwave)頻段的電磁波主要與分子的振動、轉動和平動相耦合,而這些運動主要以隨機熱運動形式存在,很難實現信息的準確表達。 更長波長的中波、長波(Radio)的運動尺度超過了單個分子能夠接收的尺度,更不適合以細胞為基礎的生物選擇。不過,人類倒是利用這一波段(包括微波)開發出各種電磁通訊工具,如收音機、無線電話和電視等,但這些工具的基礎是集成電路,而非光敏分子。 這樣考察的結果,如果細胞一定要采取分子層面上的光敏機制對電磁波進行響應,那么最合適的波段可能就是現在的可見光波段。這一波段在分子運動中相當于電子光譜的外層電子激發能量,與分子中化學鍵的能量高低大致相當而略低,既不至于損傷一般較為穩定的化學鍵(尤其是作為生命體基礎的 C-C、C-H、C=O、C-N 等化學鍵),又可以使得一些 “動態” 化學鍵(例如視黃醛中具有順反異構的 11 位雙鍵)發生光響應,并實現信息的有效傳遞。 另一方面,我們來考察一下生物所處環境中的電磁輻射情況。地球上最主要的電磁輻射來自于太陽,地球內部的放射性衰變和宇宙空間的射線相對于太陽的電磁輻射來說可以忽略。太陽輻射可以近似視為黑體輻射,輻射的光譜和強度分布受到太陽表面溫度的控制。觀測到的太陽光譜說明,太陽表面溫度約為 5250℃,到達地球大氣層外側時光譜峰值位于可見光范圍內。 大氣層中的氣體分子(包括氮氣、氧氣、水蒸氣、二氧化碳等)在紅外區段有明顯的吸收,但對于可見光區的吸收不明顯,這使得到達地面時,太陽輻射光譜的強度峰值仍分布在可見光區。生命起源于大海,海水能夠透過的光譜范圍對感光波段的進化也有著重要的影響。巧合的是,液態水恰恰在大約 800 nm 處有著吸收極小值,而對深紫外和紅外都有強烈吸收,可見光波段在水中幾乎是完全透明的。 綜合兩方面的因素,無論是從生物分子自身的結構還是地球自然條件角度進行分析,對于以細胞為基礎的生命系統,要引入對電磁輻射的響應分子,一定要求這樣的分子響應的是可見光波段。即使這種分子不是視黃醛分子,也應當是其它具有類似性質的分子或分子體系。 話到此間,似乎已經無法再問。因為再問下去,就要問到這樣一個終極問題上了:為什么地球這樣的環境一定要產生以細胞為基礎的生物呢? 因為可見,所以可見:人擇原理 我們仔細思考一下上一節的邏輯:為了保證現存的生命體系獲得視覺,根據一些邊界條件,我們只能選擇可見光波段作為電磁輻射的響應。也就是說, “可見光是 ‘可見’ 的” 這一點是保證生命體系演化出視覺所必要的條件。 但為什么一定要演化出現在生命中存在的視覺呢?正如人類實踐證明的那樣,我們可以利用無線電(電磁輻射的微波到長波段)傳播信息,可以用雷達(利用的是微波)“觀察” 世界,現代技術還允許我們對自然界進行紅外成像,雖然其時效性和精度與視覺還有差距,但這些難道不是另一種意義上的 “視覺” 嗎?為什么生物不能采取這樣的方式、發展出不同的 “視覺” 來呢? 一種可能的解釋是,雖然組成收音機的各種成分在天然狀態下就具有,但難以想象一個自發演化的自然過程能夠演化出接收無線電的收音機來。這種解釋考慮到了收音機結構的復雜性,一望而知其有 “造物”(creature)的特征。但它反過來就會造成另一個矛盾:人類如此結構精巧的生物體系,想象它從自然界自發演化而來同樣也是十分困難的。如果我們一味采取此種邏輯,那么拋棄進化、選擇神創論倒像是一個合理的選擇了。 另一種方案則是采取人擇原理(Anthropic Principle)。人擇原理的基本表述大致可以這么概括:生命之所以是現在這個樣子的,是因為如果它不是這個樣子,就不會有觀察者來問這個問題。反過來,孕育生命的環境條件如果不是這個樣子,也就不會有生命在其中產生,因此生命和環境都必須是現在這個樣子,才能保證生命產生、并有智慧來問出這樣的問題。 人擇原理聽上去十分無賴:它強行用結果來解釋原因。但請注意,人擇原理的邏輯是完備的,它的道理在于,生命存在這一事實本身是不能證偽的,如果存在本身就是存在的原因,那么這個命題本身仍是自洽的。如果用人擇原理來解釋可見光為什么是 “可見” 光,可以這么表達:如果不是可見光波段變成了 “可見” 光,那么生命就不會是現在這個樣子,或者根本不會有現代意義上的生命,也就不會有人來問這個問題了。 人擇原理的關鍵在于說明為什么存在本身就是原因。一種關于視覺進化導致了寒武紀生命大爆發(Cambrian explosion)的 “光開關”(light switch)假說或許可以給我們提供一些思路。大約 38 億年前,生命在地球上誕生,但直到距今 5.5 億年前的寒武紀,生命形式依然以簡單的單細胞生物為主?,F有的生物門類絕大多數都起源于 5.5 億年前一段很短的時間(大約兩千萬年,這里 “很短” 是地質年代意義上的),這一現象被稱為寒武紀生命大爆發,是進化史上未被徹底解釋的難題之一。 “光開關” 假說注意到,寒武紀生命大爆發與動物的眼的高級進化有著一致性。在此之前,幾乎沒有成形的眼的化石被發現;在此之后,主要的眼的類型都已經形成。因此光開關假說提出,正是由于進化出了眼這一重要的光感應器,使得寒武紀時代的相關動物具有了突飛猛進的適應能力,相比于它們的祖先在生存競爭中具有了更大的優勢,從而走上了飛速繁衍與進化的道路。簡言之,眼的形成對于今天的生命采取何種形式起到了決定性作用。 不難理解,如果 “光開關” 假說正確,那么人擇原理就有可能是對的:生命必須采取能夠看見可見光的結構——眼,才能演化到今天的生命形式,才能有我們來問這樣的問題。這就是人擇原理對可見光為什么 “可見” 給出的回答。 宇宙決定生命,還是生命決定宇宙? 不過,人擇原理一直飽受爭議。爭議的一個焦點就在于它似乎倒置了生命與環境的關系。人擇原理中,能夠觀測宇宙的生命具有了某種特殊地位:如果環境變化一點點,就不能產生這樣的觀測者,以致于宇宙環境似乎是為這樣的觀測者天造地設好的。這與宇宙學的哥白尼原理(The Copernican principle)直接矛盾。哥白尼原理指出,沒有任何一個觀測者在宇宙中具有特殊的地位,這與哥白尼挑戰地心說的邏輯是一脈相承的,而后者是近代自然科學誕生的基礎之一。 如果從哥白尼原理的角度出發,我們應當得出以下的推論:由于觀察者們的地位沒有區別,那么在宇宙的某些角落里,或許真的有能夠 “看見” 中長波的 “收音機” 生命、能夠 “看見” X 射線的 “X 光機” 生命。而為了形成這樣的功能,這些生命的組成結構形式應當與我們有著根本性的差異,其所處環境也不能與太陽系中的地球一致。 以假想中的 “X 光機” 生命為例,他們的基本單元應當不能是有機分子,否則高強度的 X 射線很快就會把這些分子打散;他們所處的星際空間應當有著高強度的 X 射線輻射,例如在黑洞的吸積盤附近;他們的空間尺度也由于 X 射線的波長更短而可以變得更小,可能只有地球生命的千分之一以上,等等。而最關鍵的是,滿足這些條件的生命體,他們和外界交流的方式、理解和改造世界的方式都可能與我們完全不同,甚至他們都完全沒有 “思考”、“觀察” 這些概念,進而使得我們與他們之間徹底無法進行有效交流。 換句話說,即使我們有朝一日真的與 X 光機生命在太空中相遇,我們有什么方法判定他們就是外星生命呢?科幻作品中出現的最大想象力的外星生命形式,也至少要具有與人類的可交流性,或者再退一步,與人類的可接觸性。只有我們可以以某種方式觀測到它們,才能談得上判定他們是不是生命。而上述的 X 光機生命,可能根本上都無法與我們形成有效接觸,我們即便通過儀器手段獲得了某些信息,也只能視之為噪音。而在他們眼中的我們,也是一樣。 如果是這樣,那么我們豈不就是人擇原理中那個最獨特的觀測者嗎? 在外星人研究中,最著名的悖論莫過于費米悖論:他們在哪兒?(Where are they?)宇宙的空間尺度如此之大、星體分布如此之多,不可能一個宜居星球都沒有,為什么我們持續了這么長時間都沒有找到外星人呢?如果我們前面的討論有效,那么這里其實已經給出了費米悖論的一種解答:他們早已來過,他們一直存在,他們還將到來,但我們過去沒有先知先覺,現在仍然不知不覺,將來也不會后知后覺。我們只是孤獨地躺在這顆小小的藍色星球上,睜開雙眼,仰望著寂靜的星空

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