揭开人眼色感之谜

multidisciplinary  reveal the mystery of the human eye color perception

----------多学科揭示眼之谜（3）

都世民

（Du Shimin)

摘要：本文从生物学、色度学、微小光学、电磁学和天线及馈线等学科的視角，讨论眼的色感功能。从生物学角度看，人眼的色感机理尚不清楚。色度学是研究颜色怎样产生的？而物理学、光学和电磁学也与此有关联。本文将讨论多学科对眼的色感产生及其相关问题。提出一些新的看法。

引  言

前文讨论了人眼的宏观到微观层面的链接，这是視感系统的最外面部分，直接与光波发生关联。应该说人眼的功能和工作机理的分析都离不开可见光辐照。而可见光是电磁波，因此与电磁学不可分割。但是在具体分析和论述中却有很大的不同。医学眼科将眼球看成玻璃体，微小光学则看成水晶体。微小光学和天线学科将眼球看成变折射率透镜。[1]

中医学对人眼有专门论述的不多，在经络穴位之类的著作中有专门论述。但不涉及眼内部结构。

在百度网可以搜索到大量的眼内部结构和工作机理的相关论述。在眼的内部结构论述上，生物学家把眼科医生的说法作了很大的补充。同时对眼病和治疗也作了很多补充。这些补充最大特点是微纳化，将视网膜细化为细胞、视色素、神经元、分子、离子等。其功能和工作机理的表述，提出“传感器”和“天线”概念。

应当指出的是：非主流学术团队提出不同的观点。对视感系统的眼的工作机理的解释，应该偏离神经网络和回路，增加了新的信息传输通道，即无线传输通道。眼的细胞是传感器或天线。

如何阐述人眼对颜色的感知？这个问题至今并未能阐述清楚，本文将讨论这一相关问题。

色度学：颜色是怎样产生的？

颜色是怎样产生的？[2]这个问题在古代就开始研究。公元前古希腊哲学家、科学家和教育家亚里土多德认为，平常我们所见到的各种颜色是因为某种原因而发生变化的光，是不纯净的，是人们主观的感觉，一切颜色都是由亮与暗、白与黑按比例混合而成的。为了了解颜色的来源，有不少科学家，如笛卡儿、波义耳、胡克、麦克斯韦等也都研究过。

1）1663 年，科学家波义耳就提出，物体的颜色并不是属于物体本身的性质，而是由于光线在被照射的物体表面上发生变异所引起的。

古罗马最伟大的政治家兼哲学家西尼卡(I．  A.  Senica)在他归类整理的7卷《自然界问题》中也提到，当阳光照过一块角形的玻璃时，会呈现彩虹的全部颜色。不过，西尼卡认为那是玻璃将太阳光“着色”的结果。真正揭开颜色秘密的是英国科学家牛顿。

2）1663 年，当牛顿还是一个剑桥大学 21岁的大学生时，就开始研究色与光的问题。他在家里做了有名的玻璃三棱镜光实验，将从窗户上一个小孔射进的一束太阳光，经一块三角形玻璃棱镜后，投射到墙上，此刻在墙上见到的不再是通常那种白色的光斑，而是展宽成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫7种颜色的彩色光带。牛顿把这个颜色光带叫作“光谱”。牛顿不仅将太阳光分解为七色光，还将七色光合成为白色光。

3)1672 年，牛顿在伦敦发表论文“光和色的新理论”，介绍了他的实验和结果。

科学家从牛顿太阳光可以分解、也可以合成的实验中得到启发，发现了三原色，即红色、绿色和蓝色，它们是三种相互独立的颜色，称三基色。自然界中任何颜色（包括白色），都可以由这三种基色光按某种比例相加减合成得到。比如：              

红光十绿光十蓝光=白光

红光+绿光＝黄光

红光十蓝光=紫光

绿光十蓝光=青光

白一蓝一绿=红

白一蓝一红=绿

白一绿一红=蓝

大自然正是利用了这个原理，造就了五彩缤纷的世界。彩色电视机显像管、彩色照片、彩色印刷等都是利用了这个三原色原理。

色度学是20世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学，它是研究人眼对颜色感觉规律的一门科学。以上论点是取自于色度学。[2]

人的视觉色感

人的视觉是由光辐照产生的，那么颜色也应该源于光辐照，一些科学家也从光辐照的角度考量颜色的产生。

红、橙、黄、绿、、蓝、靛、紫7种颜色的光都是本质相同的电磁波，其唯一的差异只是它们的波长不同。红光波长最长，约750 nm；紫光波长最短，约400 nm。不同波长的光辐射对眼睛视网膜上的视锥细胞发生作用，产生不同颜色感受。在眼睛视网膜的中央部位，特别是中央凹，全是视锥细胞。有三类视锥细胞，它们分别含有感红色素、感绿色素和感蓝色素，各自分别对红、绿、蓝色光最为敏感，这三种感色素互相搭配，我们便看到五彩缤纷的世界。

颜色感觉的产生来源于光线对眼睛的物理刺激，这是一个纯粹的生理过程。因此，不同的人对颜色有不同的感觉和不同的理解。而且对颜色的感受也会受到许多因素影响，比如受环境因素影响，红花放在绿叶上面，会倍感鲜艳美丽。但是，如果放在红色物品上面就不那么鲜艳了，这就是说颜色的鲜艳程度与它周围环境条件有密切关系。照射颜色的光源改变了，显示的颜色也随之变化。

生物学：色感之谜未解[3]

生物学认为：通过眼睛和人脑协同工作，人才能够看见物体的形态活动，还能感受到五彩缤纷的世界，可是到目前为止，科学家认为没有搞清这一工作原理，我们对颜色是怎样感知？眼睛是怎样区分颜色的类型？

感知色彩的传感器，紧密的集中在视网膜中心，也许看见物体的形态和运动，你必须叮在视网膜中心，视网膜中心聚集了很多感光细胞，使你能看清分辨率最高的图像，视觉中心能看到多种颜色的图像。人眼睛视网膜上的视锥细胞有600-700万个，他分成3类，其中65%，是L视锥细胞，也称作感红视锥细胞；30%左右，是M视锥细胞，感绿视锥细胞；5%左右，是S视锥细胞，感蓝视锥细胞。不同的个体，这些比例是不同的。

还有棒状的视杆细胞有1.2亿个，没有颜色的感觉，在中间部分，几乎没有视杆细胞。

不是由3种细胞单独生成，红色、蓝色、绿色，我们的眼睛看见光的波长是400nm到800nm.分成3类细胞，感红视锥细胞，感绿视锥细胞，感蓝视锥细胞，不是说它们能单独产生三种颜色，是他们的“和”与“差”形成的颜色，视网膜的厚度0.2--0.3mm，不是一层薄膜。

眼内细胞是“传感器”

在百度网可以搜索到视感的形成机理。视网膜（retina）是由神经组织构成的一层透明薄膜。视网膜由色素上皮层和视网膜感觉层组成，色素上皮层与脉络膜紧密相连，由色素上皮细胞组成。视信息在视网膜上形成视觉神经冲动，沿视路将视信息传递到视中枢形成视觉，这样在我们的头脑中建立起图像。从光学观点出发，视网膜是眼光学系统的成像屏幕，它是一凹形的球面。

组织结构层次为：

           色素上皮细胞→光感受器细胞→双极细胞→神经节细胞

组织学上视网膜分为10层，由外向内分别为：色素上皮层，视锥、视杆细胞层，外界膜，外颗粒层，外丛状层，内颗粒层，内丛状层，神经节细胞层，神经纤维层，内界膜。

视网膜上的感觉层是由三个神经元组成。第一神经元是视细胞层，专司感光，它包括锥细胞和杆细胞。这些细胞被生物学家看成“传感器”[3]。人的视网膜上共约有1.1～1.3 亿个杆细胞，有600～700万个锥细胞。视杆细胞主要在离中心凹较远的视网膜上，而视锥细胞则在中心凹处最多。它是视网膜上视觉最敏锐的部位。第二层叫双极细胞，约有10到数百个视细胞通过双节细胞与一个神经节细胞相联系，负责联络作用。第三层叫神经节细胞，专管传导。

成人的视网膜构成一个球面的72%，这个球面的直径约为22毫米。视网膜的中心是视神经，这个点也被称为盲点，因为这里没有感光细胞。

应当指出，这里所述的传感器皆为有线传输信息。没有无线电波传输概念。但是在文[6]中将视色素看成“天线”。却无法解读天线机理。

多学科对视感系统论述的主要差异

多学科对人的视感系统的解读是有差异的，似乎各学科有所分工，但在交叉处不能融合。人的视感系统到底涉及多少学科，笔者尚难说凊。原以为是医学解剖学阐明人眼结构，光学阐明其工作原理。后来发现生物学将医学解剖学微纳化。延伸到细胞层面。在深入到微纳层面时，又涉及到化学和物理学。在建模分析中，又涉及数学，在计算中又涉及计算机软硬件和计算方法。在验证分析模式时又涉及计量测试技术、显微技术、核磁和CT断层扫描技术等。

近来又发现光学分支的微小光学，研究变折射率透镜与人眼有关。色度学与人眼色感有关。

应当指出：研究人眼视感是属于生命科学范畴，它包含了医学和生物学。这是基础。但是生命的功能有成千上万种，如何理解其工作机理？确实很困难。

一.为何解读其工作机理这么难？

1）难在生命科学是系统性运行机制，其信息产生、传输等有明、暗差异、有线与无线差异、随机变化差异、新陈代谢差异、遗传与进化差异等诸多复杂因素。

2）难在现代科技分工太细，将系统分割，使相互联系中断，甚至被隐藏，增加研究的不可知性。

3）难在大宇宙与小宇宙之间相互关联、相互影响，两者变化周期相差太大。这大大增加了研究小宇宙的难度。

4）难在小宇宙观测手段有限，观测的趋势愈来愈小，使研究层面不断增加，各个层面的关联尚不能有效呈现，致使很难由下而上复原系统，阐明生命的本来面目。

二.解读其工作机理的主要问题和差异

人的视感系统，已由宏覌到微观展示了人眼内部结构。但其工作机理如何阐明，至今仍然问题多多。例如：

1)人的视感产生是不是源于光辐照？如果是源于光辐照，为什么生物学家的分析理论只有电流，没有磁流？为什么动力学方程中只有有线传输的电流激励，而无交变电磁场的激励？

2)玻璃体是不是变折射率透镜，即水晶体。文[4]指出：人的眼睛就像一架传统的照相机，镜头包括角膜，晶状体和玻璃体，光圈就是瞳孔(包括虹膜和睫状体)，底片就是眼后部的视网膜。和相机后部的底片一样，视网膜(有时也叫眼底)也是物体成像的地方。人的视网膜成像的原理和相机相似。

如果微小光学证明的玻璃体是变折射率透镜，也就证明麦克斯韦电磁理论是分析人的視感的基础理论！眼科专家对人眼的功能解读是有问题的。人眼不是照相机，因为照相机不具备搜索、跟踪、识别功能。人眼位于头部正面，朝前方。每只眼在水平方向上能看到145度的范围。双眼视野120度。有立体视觉。仰视有55度。俯视75度。[2]

人眼这些功能用相机和成像装置是解释不了的！

3)视细胞为什么只有两类？即视锥细胞和视杆细胞。为什么形成色感的细胞是视锥细胞而不是视杆细胞？为什么视锥细胞位于中央区域，它与变折射率透镜有什么关联？微小光学学科只研究成像，不研究视网膜后面的结构，使研究问题中断。而生物学研究给出視网膜向内的结构，却无电磁理论指导，生物学自创理论尚不能解释视感系统的工作机理。

4)从天线学科視角可以说明上述问题：

a)将視锥细胞看成单锥天线，因其长度为微米量级，可看成无限长，因此其接收光波的带宽为超宽带。如果中心部分是视杆细胞，作为杆状天线的带宽不具有视锥细胞的属性。

b）更应指出的是，两类视细胞都是与视网膜正交，而且被嵌在視网膜内，彼此平行，视锥细胞与视杆细胞分内段和外段。其间由纤细的纤毛相连。是它们保证了视细胞彼此平行状态。在内段，视细胞与包含细胞核众多的线粒体及其它细胞器之间不相连。这正是天线的特点。笔者认为这种结构不是巧合，是表征天线机理的特征！外段，则与视网膜第二级神经细胞形成突触联系，外段包含一群堆积的小盘，这小盘由细胞膜内熠而成。看上去象是同轴结构。

c）视杆细胞多数小盘与细胞膜是分离的，但视锥细胞的小盘与细胞膜是连接的。这里外段是指在视网膜外面，内段是埋在里面。正常情况下，外段小盘（指色素）不断更新，而脱落，内段小盘由内向顶部移动，一旦视网膜色素变性，发生异常时，这种更新受阻。

d）视色素

视杆细胞的视色素称作视紫红质。它有一定的光谱吸收特性。在昏暗状态呈粉红色。每个视杆细胞外段有109个视紫红质分子。视紫红质是一种色蛋白，由两部分组成，视蛋白有348个氨基酸，分子量为38000；另一部分是生色基团，即视黄醛，属于维生素A的醛类，它存在若干碳的双键，有几种空间构型。在暗处呈现扭曲形I l型异构体，在光照时变成直线形全-反型异构体，不能和视蛋白结合，经过不稳定过程后，视黄醛与视蛋白分离，此过程视色素分子失去颜色，被“漂白”。在暗处，视黄醛与酶作用，又复生，形成视觉循环。

在强光作用下，视紫红质大部分被漂白，恢复要1小时。随着复生视网膜会恢复光感。若缺少维生素A，会使复生受阻，形成夜盲。

视锥细胞的视色素结构与视紫红质相似。区别在于视蛋白类型。分解和复生过程也相似。视锥细胞有三种：包含光谱吸收峰的红、绿、蓝区的视色素，这由视蛋白特性决定。（这里的有关论述来源于百度网页）这里提出的视色素涉及视蛋白，它在交变电磁场作用下，产生的变化与吸光的关联，特别是对视色素施加交变电磁场，对其进行相关试验研究和理论研究。现有电磁理论对此缺少应用研究。生物学的研究对此也缺少相关研究。

e)视锥细胞有三种规格：感红视锥细胞，感绿视锥细胞，感蓝视锥细胞与色度学三基色原理一致。

f)用天线理论解释颜色的形成，是基于光是电磁波，激励的电磁场都可用矢量表示，每两类视锥细胞输入到视网膜的双极细胞，因双极细胞具有“加”或“减”功能，这可用场的矢量加减来解释，场的矢量包含幅度和相位，其结构可看成“带线和差接头”。经双极细胞整合后，信号传递给无长突细胞和神经节细胞。6百万视锥细胞按三类区分，每一类应有200万个，其排列组合会形成150000种颜色[3]。文[3]认为形成颜色的机理是计算出来的，笔者找不到计算装置。这么多的颜色类型是怎么计算的？文[5]对視感的解读缺少色感的相关分析。

5）在视感系统中，从视网膜向外，笔者从眼的内部结构找不到神经网络，若用神经网络来解释视感机理，神经网络之间连接及其分析模式与交变电磁场概念及分析方法有矛盾。

6）机器人的视感与人的视感不能相提并论。无论是内部结构还是形成机理都不相同。

7）基于上述讨论，色盲病因应在视网膜上，是视锥细胞到双极细胞的结构有问题，以及視色素有问题。无论是全色盲还是单一色盲，应从視细胞到双极细胞的结构和视色素找原因。

8）视锥细胞中的视蛋白根据其吸收光谱范围的不同，可进一步分为长波长视蛋白（L型视蛋白）、中波长视蛋白（M型视蛋白）、短波长视蛋白（S型视蛋白）和超短波长视蛋白（UV型视蛋白）四个亚组。研究表明，L型视锥细胞、M型视锥细胞和S型视锥细胞的敏感峰值分别为565nm,535nm和440nm。L型和M型视锥细胞对整个可见光波段（380nm一760nm ）敏感，而S型视锥细胞的敏感区域约在380- 550nm波长范围。可见L型视锥细胞和M型视锥细胞的敏感峰值比较相近，这与他们视蛋白基因同源性较高相对应。

这里所述的相关结论缺少对视锥细胞与视色素综合研究，因为对波长的敏感离不开盛有视色素的锥形细胞结构以及安装位置，这里与入射光波的极化有关。光学对电场取向称“偏振”，与天线学科所说的极化是同一概念。

结论与建议

本文主要讨论人眼视感系统的色感形成及相关问题。引入色度学概念，以生物学呈现的视网膜结构为基础，从天线及馈线视角，提出色感产生机理的相关看法。从笔者多篇博文讨论人眼视感的新的见解，不难看出脑研究中视感问题相当复杂，要想步入快车道，是否考虑组建一支队伍，将多学科中青年科研人员组合在一个系统，国家科研基金给予必要关注。突破和创新会在多学科交叉融合中产生！如果能培植或仿生出视锥细胞，进行收发光波的实验研究，逐步研究视网膜和变折射率透镜，同时要重视人脑的能量研究，要摆脱机器人的研究思路，不能用电池供电，要仿生供电。对可降解材料的研究和应用也必不可少。一旦获得突破，可为盲人重见光明和缤纷的彩色世界，提供了前提条件，也可能为軍事上提供新的应用。

参考文献

[1]刘德森等著，微小光学与微透镜阵列，—北京：科学出版社，2013，2013年4月第  一  版。

[2]雷仕湛，沈力主编，智慧光学，一上海：上海交通大学出版社， 2015年6月第1版

[3]色觉，3种细胞感受缤纷世界，科学世界，2016，第三期.

[4]佚名，眼科专家庞继景: 基因治疗成难治眼底病的克星，来源：人民网， 日期：2016-02-05。

[5]李奇等著，视听觉信息整合脑机制研究，北京：国防工业出版社，2014.5。

[6]“光基因学新工具有望治疗感光受体退化性眼病患者”，科技日报，2015年5月12日。