如何改造人体，可以让人类看到更广阔的波长范围，看到更长或更短的光? 第1页

下面这则中国科技大学的研究给出了一个对老鼠进行改造以使其看到更广阔波长范围的方法。

2019年2月，中科大在Cell上发表了一篇通过给老鼠的视网膜里注入一种特殊的纳米粒子成功让老鼠获得“看到”红外线能力的论文^[1]，颇有意思。

※以下使用的图片与视频均源于论文

当然，这里需要提前指出的是该研究并不是让老鼠真正获得了直接能看到红外线的能力，而是通过眼中的特殊纳米粒子将红外线转换成了可见光从而使老鼠感知到视觉。这种技术与“热成像”不同。在热像仪上，我们看到的是五颜六色噪音很大的图案。而在本研究中，老鼠眼中的世界应该是热的地方比冷的地方相对明亮的同一种颜色（绿色）。

另外，视网膜下注射并不是什么新奇的东西，在治疗一些眼科疾病时这种方法已经应用于人类。而本次使用的纳米分子也没有对老鼠的视网膜细胞造成刺激或导致细胞坏死等深刻问题，且老鼠在接受注射10周后仍能看到红外线。

实验原理如下图。这种叫pbUCNPs的纳米物质具有生物体适应性，能介由蛋白质与视网膜里的光感受细胞（视杆细胞与视锥细胞）结合。pbUCNPs的特性是能将波长为 980nm 的近红外光（NIR）转换成波长为 535nm 的短波长可见光（绿色）。于是，即使是在没有可见光的情况下，老鼠也能通过由近红外光转换而来的可见光观察到外界环境了。

为了验证通过给老鼠的视网膜注射纳米物质真的能让老鼠看到红外光，研究团队设计了多个实验。首先是下图中的A所示，用红外光对老鼠的瞳孔反应进行了测试。其中右列注射了pbUCNPs，左列不注射，上排不用光照，下排用980nm的近红外照射。结果只有注射了pbUCNPs的瞳孔对光照起反应立即出现收缩。下图中B即为归一化瞳孔面积与近红外光照强度的关系。与空白组（黑色）对比，注射pbUCNPs（灰）或PaaUCNP（蓝）后，当光强度达到一定程度瞳孔就会急剧缩小。

接下来，研究人员利用老鼠喜欢黑暗的习性做了以下的实验。如下图C，老鼠被关在一个分割为两个房间的盒子里。一个房间为暗室，另一个房间可以点亮535nm的绿光或者980nm的近红外线。分别让注射和不注射pbUCNPs的老鼠在暗室适应5分钟后，以黑暗5min→点绿灯5min→点红外灯5min的顺序进行实验，观察老鼠喜欢待在哪个房间。结果如D所示，纵轴为老鼠对呆在暗室的倾向指数，可见空白组的老鼠仅在点绿光时喜欢呆在暗室，而注射pbUCNPs的老鼠在绿光和红外光点亮时都更倾向于呆在暗室，说明红外光对老鼠来讲也变成了和绿光一样明亮的存在。

以下为该实验的实际视频（10倍速）。播放的顺序为注射组黑暗→注射组绿光→注射组近红外光→空白组黑暗→空白组绿光→空白组近红外光。

不仅如此，研究人员还做了条件反射实验。如下图E，首先让老鼠在一个盒子里按以下流程就行训练：适应5min→点绿灯20s→电击2s→间隔2min后重复同样步骤6次，让老鼠形成看到绿灯就知道会被电击的条件反射。然后24h后，按：适应5min→点绿灯或者红外灯20s→间隔2min后重复同样步骤4次（4次重复实验中两种灯随机各点两次）的流程进行实验。实验结果表明，未注射pbUCNPs的老鼠仅对绿灯表现出明显因受惊而呆住的举动，而注射pbUCNPs的老鼠对绿灯与红外灯均表现出类似举动。可以看出，虽然训练时只使用了绿灯，但注射pbUCNPs的老鼠因具有将近红外光转化成绿光的能力，所以使用近红外光也产生了与绿光同样的效果。

以下为该实验的实际视频（4倍速）。播放的顺序为注射组黑暗→注射组绿光→注射组近红外光→空白组黑暗→空白组绿光→空白组近红外光。

下面是更加复杂的训练实验。一共有Task1-Task5，每个实验的方法都类似。如下图A，研究人员设置了一个装满水的池子，并将老鼠放进去。老鼠想要逃出水池时会遇到往左游还是往右游的选择。在老鼠前方的左右两边分别放置了一个LED板可以用绿灯与红外灯显示不同的图案（Task1:粗的同颜色横竖条纹、Task2:细的同颜色横竖条纹、Task3:无底色的同颜色三角形和圆、Task4:有底色的同颜色三角形和圆，但底色与图案颜色可不同、Task5:无底色的不同颜色三角形和圆的4种随机组合）。而每次实验时，凡是在竖条纹或者三角形图案的下面都会有一块隐藏的平台让老鼠可以不被水淹。因此经过多次的训练后（训练时仅使用绿光），老鼠就能凭点亮的图案判断往哪边游可以到达安全场所。那么接下来的步骤显然就是分别让注射和不注射pbUCNPs的老鼠均在点绿灯和点红外灯的两种情形下进行实验，观察它们在各种情形下的逃生成功率。

之所以将类似的实验做了那么多组其实是为了观察注射pbUCNPs的老鼠在不同图案以及有底色影响情况下是否能够准确判断出正确答案。如果可以的话，就说明老鼠对红外光的感知不是停留在一般的知觉，而是确确实实作为一个与绿光相近的特定波长感知到的。

最终的结果是，注射pbUCNPs的老鼠在各项任务中均以高成功率取得了优异的成绩。具体数据请参照下面的图片与视频。

最后是研究团队制作的一个对整个研究的总结的动画。

研究团队指出本次研究成果具有以下的重要性。

首先，注射的纳米粒子并不会影响自然的可见光视野。这种不需要基因改变或使用外部设备就能同时观察到可见光与近红外光的能力具有通过扩展天生的视觉光谱来提高哺乳类的视觉性能的潜力。另外，这种技术与现在已有的通过光电子设备观察红外线的技术相比具有不需要外部能源供给、不影响日常活动等优势。

换句话说，这是一种可以扩展人类视觉能力的简单、安全且可逆的方法，在军事、安全、加密领域中的应用备受期待。

最后解答一下题主的 「为什么人类的肉眼只能看到波长在400纳米到700纳米之间的光？」 问题。

答案很简单，这完全是自然选择的结果：因为太阳光在该波长范围的光是最强的。这导致在长期的进化过程中，包括人类在内的大多数动物都只能看到这个区域附近的光。

参考

1. ^Yuqian Ma, Jin Bao, Yuanwei Zhang, Zhanjun Li, Xiangyu Zhou, Changlin Wan, Ling Huang, Yang Zhao, Gang Han, Tian Xue, Mammalian Near-Infrared Image Vision through Injectable and Self-Powered Retinal Nanoantennae, Cell, Volume 177, Issue 2, 2019, Pages 243-255. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419301011