问题

为什么人眼选择了 390nm~700nm 作为自己的感光范围?

回答
这个问题很有趣,涉及到生物进化、物理世界和我们自身感知的复杂交织。为什么人眼会“选择”390纳米到700纳米这个范围作为自己的“看见”的边界呢?这里面并没有一个主动的选择过程,更像是一种漫长进化过程中“恰好”形成的适应性结果。让我们深入探讨一下这其中的原因。

1. 太阳光的“馈赠”:可见光谱的主导地位

首先,我们需要看看我们的“光源”——太阳。地球大气层对太阳光谱的过滤作用非常关键。从宇宙辐射的广阔范围来看,太阳发出的电磁波是多种多样的,包括高能的伽马射线、X射线,紫外线,可见光,红外线,以及更长波长的无线电波等等。

然而,当我们说“人眼选择了390nm~700nm”时,其实是说,在经历了亿万年的进化之后,我们的视觉系统在这个范围内对光最敏感,并且能够解析出色彩。为什么偏偏是这个范围呢?

紫外线(UV)的“坏处”: 太阳光谱中,比390nm更短波长的紫外线(UV)携带的能量更高。这些高能光子能够直接破坏生物分子,比如DNA。虽然一些生物,像某些昆虫,对紫外线有感知能力(它们看到的“紫外线世界”与我们不同),但对早期脆弱的生物体来说,暴露在强烈的紫外线下是有害的。地球大气层,尤其是臭氧层,在吸收和散射掉大部分高能紫外线的同时,也保留了部分低能紫外线。然而,即便是这部分残留的,对于早期生物的细胞结构和基因来说,依然是个不小的挑战。因此,发展出能够“忽略”或“抵御”大部分紫外线的感光系统,是一种生存的优势。
红外线(IR)的“障碍”: 比700nm更长波长的红外线,其能量较低。虽然一些生物(比如蛇类)可以通过热感应来“看见”红外线,这对于它们感知温度和捕食是至关重要的。但对我们人类的祖先来说,纯粹依靠这种低能光子来解析物体细节和色彩,可能效率不高。红外线更多地与热辐射相关,虽然可以看到物体发出的热量,但难以像可见光一样提供丰富的纹理和颜色信息。此外,如果我们的眼睛对长波红外线也高度敏感,那么即使在夜晚,来自地球自身的热量也会产生强烈的“光污染”,干扰我们对微弱可见光源的感知。
可见光:信息的“甜点”: 太阳光谱中,390nm至700nm的可见光,恰好是能量适中、穿透力相对较强,并且能携带丰富信息(色彩、明暗、细节)的波段。大气层对这个范围的光透过率最高,这意味着,在地面上,我们能够接收到最多的来自太阳的光。进化自然会倾向于利用这个“信息最丰富”且“最容易获得”的光源。

2. 生物感光机制的演化:从“察觉光明”到“分辨色彩”

我们的视觉并非一开始就能分辨颜色,最初的感光器官可能只是一个简单的“光点”,能够区分“有光”和“无光”。随着生物体越来越复杂,对环境信息的获取需求也越来越精细。

视蛋白的“配置”: 眼睛中负责感光的细胞(视锥细胞和视杆细胞)含有特殊的蛋白质——视蛋白。视蛋白能够吸收特定波长的光子,并触发一系列生化反应,最终将光信号转化为神经信号。我们人类之所以能看到390nm~700nm,是因为我们的视网膜中有三种不同类型的视锥细胞,它们分别对蓝色(大约420nm)、绿色(大约530nm)和红色(大约560nm)的光最为敏感。这三种视锥细胞的敏感度曲线虽然是宽的,但峰值恰好落在了可见光谱的这个范围内。
“三色视觉”的优势: 拥有三种不同敏感度视锥细胞(三色视觉)的生物,可以根据不同颜色光照射到视网膜时,三种细胞被激活的比例不同,来感知和分辨出各种各样的颜色。这种能力对于寻找食物(成熟的果实通常颜色鲜艳)、识别伴侣、避开危险(比如毒蛇的警告色)等方面,都提供了巨大的生存优势。可以想象,如果只有一个感光波段,我们看到的“世界”将是单调的黑白。如果感光范围很窄,我们可能就无法获取到如此丰富的信息。
进化“调试”的结果: 视蛋白的结构和对光的敏感度,是经过漫长进化“调试”的结果。如果某个视蛋白对紫外线更敏感,可能会带来细胞损伤的风险。如果某个视蛋白对红外线更敏感,在强烈的红外背景下可能难以区分微弱的可见光信号。因此,现有的三色视蛋白“配置”,是在“最大化利用可见光谱的信号信息”和“最小化环境噪声及潜在伤害”之间找到的一个最优解。

3. 大气层和环境的“塑造”

我们知道,人类的祖先是在地球上进化的,因此环境因素也扮演了重要的角色。

地球的“色调”: 地球的大气层对可见光几乎是透明的,只有一些散射和吸收。而地球本身,由于其成分、植被、水体等,在可见光波段反射和吸收的光谱特征,也为我们提供了丰富的信息。例如,绿色的植被反射绿光,蓝色的天空散射蓝光,红色的土壤反射红光。人类的视觉系统能够分辨这些颜色,有助于我们识别环境中的各种物体。
水下世界的“限制”: 值得一提的是,虽然我们在陆地上进化,但很多生物的早期进化可能与水生环境有关。在水中,不同波长的光穿透能力也不同。一般来说,红光在水中衰减得最快,蓝光穿透得最远。一些生活在深海的生物,它们的视觉系统对蓝绿光更为敏感,这与它们所处的环境有关。但这并不影响我们人类的视觉系统,因为我们的祖先最终在陆地上繁衍和进化。

总结一下,人眼之所以将感光范围锁定在390nm~700nm,是多种因素共同作用下的进化结果:

太阳光谱的“黄金分割点”: 太阳光中,可见光是能量适中、大气层透过率高,且信息最丰富的波段。
生存的“权衡”: 避免高能紫外线的伤害,同时利用适中能量的可见光获取环境信息,比依赖低能红外线获取更多细节更有利于生存。
感光机制的“优化”: 三种视锥细胞的敏感度曲线恰好覆盖了这个范围,实现了对色彩的丰富分辨,为寻找食物、识别环境等提供了优势。
环境的“反馈”: 地球本身在可见光波段反射的光谱特征,也为发展出色彩视觉提供了信息基础。

所以,与其说是“选择”,不如说是“在特定的环境和光源条件下,通过自然的筛选和优化,最终形成了对这个波段最敏感、最能发挥利用价值的视觉系统”。这个范围,是人类视觉系统与物理世界和生物演化史“对话”的结晶。

网友意见

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这个题目很早就邀请过我了,一直没答,因为几乎一模一样的问题我以前就回答过,而且类似的问题在知乎上已经真的问过很多很多次了。

然而还是会有,目前高票@yang元祐 的和其他几个答案,是这种非常经典的出现过无数多次的带着答案凑理由的解释,“适应性进化”这个词不是这么乱用的。。。

高票答案给的事实本身是没错的,可见光在太阳光谱中的占比很高。

但是实际上答非所问,就算可见光的范围强,为什么不是400-800,为什么不是100-900,为什么不是所有波段呢,或者干脆,只用感受最强的500nm的光呢,为什么所有的动物不都是感受可见光的呢,仍然该解释的还是解释不了。

而且考虑到现实环境,太阳光谱和生物能够接受的光谱也是完全不同的两件事,历史上大多数物种的活跃范围都不是白天的陆地——追溯人的整个进化历史也只有一小部分是在白天的陆地上。看整个进化历史,太阳光谱只能用来解释四足类动物的不是用来感受颜色而是感受光强的受体家族。


一句话说清楚

人眼感光范围这是人类进化的历史进程决定的,别的生物也可以选择别的道路


我就粗略地从头整理一下人类的这个历史进程吧,喜欢看例子的可以翻我原来的答案:

1,最初,生命还是在水中的单细胞生物时,太阳光入射到水环境中,浅水表层红光、绿光占优,在绝大多数环境中蓝光占有绝对优势,因此有很多原始的感光系统都是感受蓝光的,还有一部分能够感受红光和绿光。

水环境中蓝光占优势是由水的吸收决定的,和太阳光谱中蓝绿光占优是由太阳的表面温度决定的,这两者之间的波段比较接近目前来看只是巧合,或者是人择原理的结果。


2,所有动物的共同祖先(下面系统发生树里面最右的)只继承了视蛋白(opsin)隐花色素(cryptochrome)两种可以感光蛋白质,很不幸,这两种都是感受蓝光的

因此所有的动物的感光能力都是以蓝色感光为基础变异而来的。

这局限了在未来,很多动物有可能能够看到近紫外光,但是却几乎不可能看到红外波段——即使太阳光谱中红外波段的能量高得多得多。


3, 可以在白天活动的陆生动物,如果能够分辨不同颜色,因为种种原因获得更好的适应,原因多样,目前还没有定论。

四足类的共同祖先(两栖amphibians,爬行reptiles,鸟birds,和哺乳动物mammals)很可能选择了使用视蛋白,进化出了四种不同的光学感受器(RH,SWS1,SWS2,LWS)。这一步骤很可能就是多多益善,视蛋白不断变异分化,从而达到了功能极限,因为到目前为止的定向进化并不能改造视蛋白去感受显著更远的波长区段。

由于陆地上太阳光谱光强最强的在500nm,因此最接近的感光中心为498nm的感受器(RH1)用来感受光强另外三个用来感受颜色(SWS1, SWS2, LWS)。除了吸收光谱受选择压影响之外,包含RH1的视杆细胞的敏感度也远超感受颜色的视锥细胞近100倍,仅一个光子就足以激发,而视锥细胞需要10-100个光子。

包括后来再分化出的RH2,这五个感光家族的吸收光谱就已经决定了所有四足类动物的感光区段不超过近紫外到红色。



4, 哺乳动物的共同祖先,因为干不过同期的其他物种(恐龙啊什么的),转到夜间工作,因为缺乏相应的自然选择,颜色感受器丢的七七八八了,绝大多数现存的哺乳动物都是二色视觉。到了灵长类的共同祖先,除了感光的RH之外,只剩下了7号染色体上的一个感受蓝色的(短波)S基因,和X染色体上的一个感受红黄色的(长波)L基因。

5, 灵长类的人所属的这一个小目的共同祖先,又回到地面上,通过一次偶然的突变,原来的一个红色感色器L,复制成了两个频段极其相近但又略有不同的感色器(绿色M和红色L),从而获得了现在的可见光波段的颜色视觉,并因此获得了更高的适应性。部分人群又缺失了这个复制,因此是红绿色盲。


总结一下大致过程是这样的:


以上

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