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动物夜视最近研究揭示什么?

已有 849 次阅读 2019-6-10 19:32 |个人分类:魚眼|系统分类:观点评述| 环球科学, 夜視动物, 色感

动物夜视最近研究揭示什么?

都世民

问题的提出

《环球科学》,今年第6期发表一文“夜視动物:视觉算法专家”。作者:安伯·丹斯(Amber Damce)。文中指出:天黑时,眼睛中的光感受器没法捕捉到足够的光子,因而很难看清事物的样子。并且用4幅图,来证明需要400个感光细胞才能够识别一个圆的过程,如果是6个光子与400个光子,其感光级别将相差1000倍,以此来说明感光细胞是怎样看清物体的?持这种观点来说明眼睛机理,有什么问题?光到底是波,还是粒子?1

对眼睛的解读,另一种观点,使用光线,这眼睛看成为照相机,光线在眼球内是直线传输的。这种解释的方法,是基于几何光学理论,将眼球看成为玻璃体,双凸透镜聚焦,在视网膜上成像。2]这一种解释存在诸多问题,业内外的专业人士都有否定这种看法

一位网友讨论动物的夜视能力,用光敏感度的概念,对以下动物进行讨论:

·“枯叶平尾壁虎” (leaf tailed gec2017-12-15ko)、猫头鹰、螳螂虾( mantis shrimp)和人的眼睛进行比较。

·猫头鹰的眼睛对光源的敏感度是人类的100倍。

·枯叶平尾壁虎对光源的敏感度是人类的350倍。

·并且提出:偏振视觉(optimal polarization vision)和三目视觉(trinocular)的概念。以此说明人也比不上动物眼睛的夜视能力,以及夜视颜色感知能力。对这几种动物夜视能力特点,与其眼睛的结构有什么关系?没有详细讨论,单纯强调光的敏感度这一因素。3

另外一种观点,用瞳孔的形状不同,讨论视力的差异

·山羊眼睛的瞳孔呈方形,让它们拥有330度的视野。

·壁虎眼睛,在夜晚拥有出色的视力。它们长有很长的之字形瞳孔,可以辨别色彩

·眼睛能变色的鱼,被称为三鳍鱼的特殊物种,其绝招是能够用眼睛重新引导光线,甚至能够改变光线的色调

·狼、老虎等眼睛晚上会发光亮

·在白天日光很强时,猫的瞳孔几乎完全闭合成一条细线,尽量减少光线的射入,而在黑暗的环境中,它的瞳孔则开得很大,尽可能地增加光线的通透量。2-4
不难看出,动物的视力与人的视力是有所不同的,特别是夜视能力差异颇大,无论是天上飞的,地上爬的,水里游的都有较大的差异,为什么会有这些差异呢?

眼睛里的光是粒子还是波?

100多年前,麦克斯韦研究鱼的眼睛,是用电磁理论,将光看成为电磁波,而电磁波的频谱是连续的5。牛顿则把光看成为粒子,牛顿用三棱镜将可见光分成为7种颜色的光,有人却误解为牛顿把光看成为有频谱的电磁波,如今业内专家认为光既是粒子又是电磁波,其根据是,两套光学装置显示这两个结论,但不能用同一套装置来显示这两种特性。那么人的眼睛里,怎样判断有哪一种光学装置呢?它是属于粒子还是属于电磁波?用两种观点来分析人和动物的眼睛,其结论会一样吗?

19世纪初,托马斯·菲涅耳马吕斯分别观察到了光的干涉衍射偏振现象19世纪60年代到80年代,赫兹研究了电磁波,并证明光也是一种电磁波,后来麦克斯韦提出了电磁理论,完善了光的波动说,但赫兹在研究电磁波的实验中,偶然发现了一个现象:当接收电路的间隙受到光照射时,间隙更容易产生电火花,这是最早发现的光电效应,引起了很多物理学家的关注。法国物理学家勒纳德、英国物理学家J·J·汤姆孙等人进行了实验研究,证实了这个现象,即照在金属表面的光会使金属中的电子逸出。研究时发现了如下一些现象:存在饱和电流截止频率和遏制电压。但光的波动说只能部分解释光电效应,甚至有些从波动说推导出来的结论与实验结果相矛盾。于是需要新的理论来解释光电效应的实验规律,人们开始注意光的粒子性。6]在人的眼睛里,会发生光电效应吗?目前还没有找到这样的证据

微小光学专家,他们是用电磁波来分析人的眼球,认为人的眼球是水晶体7]。文[1]和有些文章也认为眼球是水晶体,水晶体与玻璃体是不一样的,其区别是光线进入以后在其内的传输轨迹,是直线还是曲线?这一差别带来的问题就很多了,水晶体是变折射率透镜,光线在其内是曲线,也就是说观察人的眼睛,像是“黑洞”一样。

在生命科学的范围内,几乎很少看见视觉系统有电磁波存在,电磁理论没有运用,只有H-H方程分析离子通道的电属性。有的生物学家认为人体内没有电磁波。这一结论能够成立吗?笔着认为不能成立!动物眼睛里有光才产生视觉,在眼睛里有光电效应吗?他怎么会是粒子呢?难道在细胞层面光就变成了粒子吗?

为什么不同学科对动物眼睛的研究采用不同的光源呢?有的看成粒子,有的看成电磁波?他们的理论根据是不同的,分析方法也有所不同。文[1]所说的试验方法,提到辐射多种颜色的光,这些颜色的光有相应的波长。这种概念是基于电磁理论,而不是粒子特性,因为光子没有颜色。致于试验中光子的数目和颜色怎么确定呢?文中并没有讨论。

郭光灿先生在《科学世界》发文:光究竟是什么?8]文[8]中详细讨论了光的粒子与波的二重性。并且阐述历史上的争议。在小宇宙范围内,光的粒子与波的二重性怎么理解?郭光灿先生在讨论3米以远能否看见蜡光?是将光看成了粒子,用量子的概念讨论,但不知其根据是什么?是麦克斯韦理论不能用,还是因为其他原因,尚不清楚。笔者采用另一种思路讨论这个问题,如果把眼球和视网膜看成一个整体,也就是超大型变折射率球形透镜扫描天线,这就是将光看成为电磁波,详细讨论参见文9]。

动物的夜视与色感能力

世界上有多少种动物有夜视能力?而且有色感功能。

1)有色感的夜视动物有:

飞蛾、汗蜂、木蜂、狼、老虎、猫、壁虎、猫头鹰、螳螂虾、蟑螂、灯笼鱼、乌贼、

青蛙、夜猴、天蛾、蜣螂、蜜蜂、小鼠、果蝠Rousettusleschenaulti等。

 

 

    

 

2)动物为什么有夜视能力?夜视能力怎么检测?

文[1]认为与下列因素有关

·水晶体的大小

·眼睛适应性的改变

·光敏感度

·大脑的处理微弱光线特殊的机制

·否定与听觉及嗅觉有关

·秘密在大脑之中!

·1011认为“暗光鱼”眼部新型视细胞 ,光感受器的形状既有圆锥形,又有杆状

3)动物为什么有色感能力?

·人类具有色感能力,是因为白天,视锥细胞工作,给大脑提供信息,才具有色感能力。文中并没有详细说明色感机理,大脑是怎样给出色感信息?

·文1011认为深海鱼眼部新型视细胞 ,光感受器的形状既有圆锥形,又有杆状。因此它具有昏暗环境下的色感功能。

·杆状细胞和锥状细胞都含有被称为视蛋白的光敏色素,视蛋白吸收特定波长的光,并将其转化为电化学信号,大脑将其解释为颜色。

·光感受器细胞中所表达的视蛋白的数量和类型决定了动物感知到的颜色。

·有些鱼含有不止一个视蛋白基因。

·色洞鳍鲷有38种杆视蛋白基因

·基于杆状细胞的色觉可以被认为是深水色觉。有色感的夜视动物是不是都有视锥细胞?

色感问题到底解决没有?

文[12认为色感问题现在没有解决文[1笼统地说是大脑的功能,不能令人信服。

1314]就对鱼的色感提出疑问,希望能够用实验证实。鱼类或者是其他动物,都不能说话,不能表达自己有色感能力。应该有一种可行的试验方法,能够证明这些动物有色感能力,研究人员不能凭自己的想象归结大脑产生颜色感知能力。另外颜色的感知有没有意识的成分?也就是说与反馈通道有没有关系?

文[1]所做的实验,用黑白条标记,为什么不用彩色标记?让昆虫识别自己的巢穴,这样才有说服力。至于青蛙在桶内,为什么跳向绿色光?这个问题是实验方法,应该更仔细一些,用7种颜色的光带,看青蛙朝哪个方向?在这里研究人员为什么没有用光子来进行实验?而是采用光波。

如何判断动物有色感能力?

· 一是用实验的方法,来确定动物有没有色感?

· 从眼睛结构上,寻找色感的机理。例如光感受器形状、尺寸、分布、与视网膜的几何关系;

· 分析光感受器连接的细胞网络有没有加减功能?

· 分析神经纤维的电信号,正反两个方向,都要进行测量。

· 分析瞳孔的形状、变化及其规律,与色感有没有关系?

文[1]指出天蛾和其他动物是在空间和时间上进行信号叠加,形成的视觉。这种说法过于简单,杨雄里先生在中国百科网有一个词条“视觉”15,有比较详细的叙述。文[1]与文[15]阐述的对象不同,前者讲的是动物,后者讲的是人。它们的光感受器不同,

眼球大小、视细胞的数量、视细胞的分布状况也不相同,如果要比较详细的论述这些因素,工作应该更细致一些。文[1]指出部分昆虫的光感受器是层状结构,到底有多少层呢?每层的厚度及其形状,相互的连接方式,都没有说清楚。人的光感受器,视锥细胞是垂直于视网膜的,另外还有水平细胞,垂直细胞与水平细胞连接到双极细胞,双极细胞有加减功能,昆虫有没有这些细胞?文[1617]有详细的讨论,细节上两本书有一些差异。文[1

对双极细胞提出一种新的观念,双极细胞有两个通道,一个通道过滤掉干扰,另一个通道是阻止错误信号,从而得到没有干扰的信号。文[1]与文[1617]对双极细胞的解读是不一样的,双极细胞有没有两种形式?扁平型和陷入性两种双极细胞,有不同的功能,其内的信号是脉冲序列,还是连续变化?关于双极细胞的两个通道的功能,说法是有差别的。

关于去极化和超极化反应,文[1]没有提到。文[16]提出的网间细胞是否存在?有没有反馈功能?文[1]和文[17]没有讨论,相互说法不统一。

文[1]讨论动物夜视能力增强问题,给出了几幅彩色图像,这些图像是从哪里得来的?是视网膜上取出来的吗?文中没有说明,这种解释空间和时间上的叠加,没有在细胞层面阐述叠加的机理。总和是怎么得出来的?视角扫描时,这个总和又该怎么变化?

文[1]讨论增强动物夜视能力的问题,给出了4幅彩色图像,这些空间叠加的图像是怎么得出来的?绘制的单极细胞的图像,不是实际图像,这里的是解读很难让读者理解,说理性不强。更不能说明色感是怎么形成的。

文[17]认为视觉图像处理只能给出基本框架,没有给出具体的回路模型,也就是说没有彻底解决图像识别问题或者图像认知问题,这是因为没有掌握空间结构信号的处理机制。

因此文[1]讨论的空间和时间的叠加,只能说提供一种定性的说明。仍然需要进一步证实。

 

参考文献

1]安伯·丹斯(Amber Damce),“夜視动物:视觉算法专家”,[J],《环球科学》,2019年第6期。

2]为什么有的动物的眼睛有夜视功能而人的就没有2017-12-15

https://zhidao.baidu.com/question/2265805712682057948.html

3]深晨S,动物的夜视能力说明?2018-12-02  

http://www.360doc.com/content/18/1202/20/16163490_798826652.shtml

4]好奇小易,动物界有“超能力”的特殊眼睛,能变色,能夜视,你想拥有哪一种

2018-11-01

http://wemedia.ifeng.com/84991506/wemedia.shtml

5Maxwell J COn general laws of optical instruments J,Quaeterly Journal of pure and Applied Mathematus ,1854,2:233-247

6光的粒子性,来源:百度百科词条。

6光子来源:百度百科词条。https://zhidao.baidu.com/question/82608223.html

7刘德森等著,微小光学与微透镜阵列,北京:科学出版社,201341版。刘德森,变折射率透镜的研究和发展现状,物理,198811(3)143-148]

8郭光灿,光究竟是什么?《科学世界》,2017年第9期。

9都世民,多学科论眼”,中国知网CNKI大诚编客网页,2019-03-08.

http://z.bianke.cnki.net/collection/2035310
10李秈霓深海暗光鱼眼部发现新型视细胞”,来源:《联合早报》,201711.

11深海鱼眼部发现新型视细胞 昏暗条件下视觉良好”。来源:《科技日投》,2017-11-13

12视觉:察觉形态与运动,《科学世界》,2016年第4期,译者:苏亚帷 。

13Science封面:鱼对颜色的感知比人还丰富? 來源﹕《好奇心日报》,2019-05-11 07:58

http://www.sohu.com/a/313288466_120055616.

14]求一个实验,探究鱼类能否分辨颜色,过程要详细点的。來源﹕生物通

2013-10-17.

https://zhidao.baidu.com/question/303501138833537804.html

15楊雄里,“視觉”,来源:中国百科词条。

16寿天德 视觉信息处理的脑机制,Brain Mechanisms of Visual fnformation Pr15ocessing),当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书,中国科学技术大学出版社。1997 12月第1 版  2010 1 10月第2版。

17童勤业,张宏,丁炯,“理论神经信息学初探”[M],浙江大学出版社,20182月。

18]视锥细胞的三原色,来源:中国百科词条。

19]荆其诚,焦书兰,喻柏林,等 色度学[M]。北京:科学出版社,1979.

 

 

 

 

 




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