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?
一、 打开更“长”的光之门：红外线与无线电波的感知
核心挑战： 我们当前的视网膜对可见光以外的波长缺乏直接的感知能力。红外线携带着热量信息，而无线电波则承载着我们通讯和探测的信息。要感知它们，我们需要引入全新的感光机制或改造现有的。
改造思路：
1. 引入或增强红外感知能力：
生物工程合成新的感光蛋白： 蛇类（如响尾蛇）拥有特殊的颊窝器官，内含红外感受器，能够感知红外辐射。我们可以尝试在人类的视网膜中引入类似的生物化学通路，或者通过基因工程改造现有的视锥细胞，使其能够表达能够响应红外线的蛋白质。这可能涉及找到或设计能够捕捉红外光子并触发神经信号的分子。
仿生传感器植入： 更直接的方式可能是通过先进的神经接口技术，将微小的仿生传感器植入视神经或大脑视觉皮层。这些传感器可以将红外光转化为我们大脑可以理解的电信号，或者直接将其“翻译”成我们已有的视觉信号（例如，将红外线转化为我们大脑可以识别的颜色）。想象一下，戴上一副可以“看见”热源的隐形眼镜，整个世界都会呈现出不一样的温度图景。
热敏生物材料的应用： 研究利用对温度敏感的生物材料，这些材料在接收到红外辐射时会发生物理或化学变化，进而触发神经信号。这些材料可以集成到眼球的特定区域，或者以一种更分散的方式分布，形成一种全新的“热视觉”感受器。
2. 感知无线电波：
无线电波的生物转换： 无线电波的能量较低，直接触发生物化学反应的可能性较小。一种可能的途径是引入能够将无线电波的能量转化为可被细胞感知的形式（例如声波、机械振动或化学信号）的生物装置或材料。这些材料可以分布在皮肤表面或体内特定区域，与神经系统连接，将无线电信号转化为可识别的感觉。
声波或触觉的类比： 我们可以设想将接收到的无线电波信息编码成声波或触觉信号。例如，不同的无线电频率可能对应不同的声音或振动模式，就像我们现在通过耳机收听广播一样，但这种感知将是内源性的，直接集成到我们的感官系统中。
微型天线与生物接口： 理论上，如果能创造出极小的、能够有效吸收无线电波的生物兼容天线，并将其与神经细胞进行高效连接，或许能实现直接的“无线电视觉”。这种天线可能需要特殊的纳米材料来实现，并且其输出信号需要经过精密的编码和传递。
二、 洞察更“短”的光之界：紫外线、X射线与伽马射线的窥探
核心挑战： 短波长光子携带的能量更高，对生物组织具有潜在的损伤性。同时，它们的光学性质与可见光截然不同，需要全新的光学系统和感光机制。
改造思路：
1. 紫外线感知：
增强的紫外线防护与过滤： 首先，我们需要确保人体不会因为感知紫外线而受到损伤。这意味着可能需要开发能够过滤掉有害紫外线但允许特定波段穿透的眼球结构或生物屏障。
引入新型光敏色素： 某些昆虫（如蜜蜂）能够看到紫外线。它们通过视锥细胞内的特殊光敏色素来感知。我们可以研究这些色素的结构和功能，并尝试在其基础上进行基因工程改造，使其也能在人类的视网膜中发挥作用。想象一下，看到花朵上人类看不见的紫外线图案，这对于导航和识别至关重要。
皮肤上的紫外线传感器： 除了眼睛，我们也可以设想在皮肤上引入能够感知紫外线强度的传感器。这些传感器可以将紫外线水平转化为一种内在的“警示”信号，比如皮肤颜色的细微变化或一种轻微的瘙痒感，从而提醒我们采取防护措施。
2. X射线和伽马射线感知：
高能光子的能量转换与成像： X射线和伽马射线穿透力极强，直接转化为视觉信号非常困难且危险。一种可能的方法是开发一种“生物闪烁体”或“生物荧光体”材料，当接收到X射线或伽马射线时，能够发出可见光或其他易于感知的信号。然后，我们再利用这些可见光来激活我们现有的视觉系统。
仿生成像系统： 我们可以想象一种复杂的生物工程装置，它能够捕获X射线或伽马射线，然后通过精密的计算和转换，在脑中形成一个类似X光片的二维或三维图像。这可能需要将微型传感器、能量转换器和神经接口集成到眼球或头部的特定区域。
非视觉感知的协同： 考虑到X射线和伽马射线的高能量性，也许更有效的改造方式不是直接的“视觉”感知，而是将其转化为一种更安全的非视觉感官体验。例如，当接收到高能射线时，人体会产生一种内在的“警报”机制，比如一种特殊的触觉或听觉信号，让我们意识到附近存在危险辐射源。
材料科学与生物学的融合： 这类改造将高度依赖于材料科学的突破。例如，能够稳定地吸收X射线/伽马射线能量并以可控方式释放的生物兼容纳米材料将是关键。这些材料可能需要植入到特定组织中，并与神经系统建立高效的通讯链路。
三、 整体性与潜在风险
全面改造的设想：
多光谱视觉： 最宏大的设想是创造一个能够同时感知从极低频无线电波到极高频伽马射线的“全光谱视觉”系统。这将需要极其复杂的生物工程，可能涉及多个不同感光机制的协同工作，并能够将这些来自不同波段的信息有效整合到统一的视觉感知中。
神经接口与大脑处理： 无论采用何种方法，最终都需要将接收到的信息转化为我们大脑可以理解和处理的神经信号。这可能需要对大脑视觉皮层进行精密的改造或增强，使其能够处理新增的感官信息。我们可能需要发展出新的“颜色”概念，去描述那些超出可见光范围的波长。
信息编码与学习： 接收到新的感官信息后，大脑需要学习如何解读它们。这可能需要一个适应和学习的过程，就像婴儿学习识别世界一样。我们会需要发展出全新的认知模式来理解一个充满红外热纹理和紫外线标记的世界。
潜在风险与伦理考量：
生物兼容性与排异反应： 任何外来材料或基因改造都需要克服人体免疫系统的排异反应。
能量损耗与代谢负担： 新的感官系统需要消耗能量，可能增加人体的代谢负担。
信息过载与神经损伤： 过多的信息输入可能会导致信息过载，甚至对神经系统造成损伤。
辐射的潜在危害： 感知高能射线本身就存在风险，需要极其精密的防护机制。
伦理与社会影响： 改变人类的基本感官能力会带来深刻的伦理和社会影响，包括“增强”与“自然”的界限、公平性以及对人类身份的重新定义。
结语：
改造人体以感知更广阔的波长范围，是一项充满挑战的科学愿景。它不仅要求我们在生物工程、材料科学和神经科学领域取得革命性的突破，更需要我们审慎思考技术进步带来的伦理和社会影响。想象一下，我们不再被局限于狭窄的可见光窗口，而是能够“听”见宇宙深处的低语，“看”见隐藏的热量轨迹，“感知”到那些曾经无形的能量流。这将彻底颠覆我们对现实的理解，开启一个全新的感知时代。这并非科幻的臆想，而是对未来科学探索边界的设想，它驱动着我们不断去了解生命、宇宙以及我们自身能力的无限可能性。
网友意见
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
- ^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
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