人眼构造之问

The structure and mechanism of human eye

----揭开人眼的神秘面纱(6)

都世民(Du Shimin)

当今生物医学领域探索小宇宙不外乎两种趋势性研究方法：一种是自下而上；另一种是自上而下。无论哪种方法，都存在多层面链接问题。人眼的眼球直经为2厘米，宏观可见。眼球向里即视网膜，其上是视细胞，属微观层面。由宏观进入微观到底发生了什么？我们知识框架中的基本概念发生了什么变化？无论人眼结构和运行机理，在宏观层面与微观层面到底发生了什么变化？这之间怎么关联并整合在一起？是值得讨论的议题。

为什么在人眼里寻找进入微观世界的门户？

量子力学中还有一条玄学性假定，那就是量子态和跃迁的概念。任何粒子任何时候都是处于某一种量子态，他可以从一个状态跃迁到另一个状态，但是不可以从一个状态连续地过渡到另一个状态。这和我们科学中直接观测到的现象不符。我们从现实世界中观察到的任何现象的变化，在时间和空间上都是连续的。这位作者说的是大宇宙，在小宇宙也存在这一问题。[1]

普朗克说过：“实验是我们掌握的唯一知识，其他全是诗意和想象。”爱因斯坦也说：“对现实的知识始于经验，终于经验。”也就是说，科学上的所有定律和定理，都必须从科学实验中归纳总结出来，又回到科学中去指导实践。

在微波频段一般采用经典电磁理论，在光学频段一般采用量子理论，由于电子学和光子学在太赫兹频段都存在很多受到物理制约的技术瓶颈问题，如太赫兹源的功率和效率难以提高、太赫兹波难以调控、太赫兹检测灵敏度低、不能室温工作等难题，出现了所谓的“太赫兹间隙”(THz Gap)。人们期待能把经典电磁理论与量子理论结合起来，形成新的太赫兹物理理论，把电子学、光电子学与光子学结合起来，形成太赫兹产生、调控、传输与检测的新技术。但是，到目前为止，从基础物理上有重大突破的太赫兹新理论尚未真正出现。

太赫兹是一门多学科融合的交叉学科，太赫兹研究人员也几乎来自各专业领域，如从事真空电子学、微纳电子学、自由电子激光、光电子学、光学、微纳光子学、量子科学等，学科跨度非常大，很难有人能把太赫兹相关的各个学科领域的物理概念透彻清晰地了解掌握。因此，在太赫兹领域每个人都要以既是专家（自己熟悉的领域）又是初学者（自己陌生的领域）的态度来对待。[2]

从生物物理学和量子生物学的观点来看，认为细胞的物质、能量和信息这三个基本生物代谢过程都是与光——磁量子场的形式相联系的，比如，生物体从外界通过呼吸、营养、阳光等获得的物质、能量和信息，均是以电磁场（包括光子）的形式获得的。粗略地计算表明：在人的机体中经常辐射出由于“超原子”剩余信息而产生的11种不同波长的光量子：其中三种是在光谱的紫外区部分，四种是在可见光区域；另四种是在红外部分。科学家们推测：根据生物系统的合理性原则，这些辐射完全可能被用来进行细胞或器官之间的信息传递：或者用来进行生物体与外界环境的联系。近20 年来，国内许多专家学者从植物、动物到人体的生物学实验，证明了生物信号辐射场（简称生物场）是生命体，即生物物质存在的另外一种形式；是生物体与内外环境交流生物信息能量的基本载体。[3]

生物电磁场的历史回顾

1）公元前3600年，医学上就有了磁的应用。

2）18世纪后半叶，就开始用实验证明动物体内有生物电存在。

3）上个世纪20 年代，前苏联生物学家古乐维奇(Gurwitsch)教授通过著名的洋葱实验。发现了生物微弱发光的电磁效应。各国学者利用不同生物体广泛证实这一结论，其波长为200至800nm，甚至到红外波光子强度为几个至几百个光子每秒平方厘米。

4）19世纪上半叶，又发现神经和肌内细胞的静息电流。

5）1888年，Waller首次得到心电图。

6）1898年，Berger首次得到脑电图。

7）上世纪60 年代，我国著名果树专家贾麟厚提出了“结构与场的一致性”原则，认为：“生物场中的能量与信息是代谢作用的产物”。

8）1968年，Frohlich提出由于细胞膜有偶极性和生物大分子的连接键，导致生物系统有纵向场存在。其频率为10的11次方至10的13次方每秒。也就是认为生物体内存在相干电磁场。

9）有人测量酵母细胞分裂时产生的电磁波，其频率为（50---80）MHz。

10）2003年，Hyland G J测量鸟类和哺乳类细胞分裂时产生的电磁波频率为1至30kHz。

11）1982 年，美国物理学家波尔(He巾ertP。Le)在第23 届量子力学讨论会上发表实验成,果：1979年，他通过实验检测，证明了人、动物、植物和细菌的细胞可以发射出微弱的无线电磁信号

12）1992年，Kirschvink等发现大脑内有小磁体.。

13）1992年，Albrecht-- buchler G发现细胞间利用光波进行通信。

14）1992年，Wildon D C发现同一棵西红柿上的不同叶片间有电信号传输。

15）英国科学家弗洛里希(H.Frohlich)通过对酵母细菌的研究，发现生命组织存在10的10次方 --- 10的12次方 Hz的相干电磁波。

16）德国生物物理学家Popp为代表的研究小组，提出了生物系统中受激的相干电磁(光量子 )辐射理论。

17）《环球科学》，2016年4月号，刊文：细胞之间如何协作？这是西班牙生物学家在分析数量巨大的神经细胞协同动作时，是什么机制运行？他们认为是依靠无线传输，细胞中有天线。

18）在＂太赫兹光谱与成像＂著作中明确指出：＂太赫兹光的能量远远未达到电离的程度，从这个角度来讲是安全的。另外，大多数系统的功率量级小于1μW，百万倍小于人体产生的太赫兹辐射(IW)＂。

以上部分资料源自于＂21世纪100个交叉学科难题＂专著中的一文：＂生物体的电磁场及其作用＂，作者张锦珠和宋文淼。引用这些资料的目的是想说明：研究小宇宙离不开经典电磁学，这些发现又源自于“电”的发现。如今生物医学研究中缺少这方面概念和理论，此外又涉及到光量子概念。生物学家做了大量研究，但是小宇宙问题复杂，就是人的视感系统按生物学家给出的结构及其间联系，仍然有诸多问题难以解读。需要新的概念和新的理论来推进这方面研究。

人眼构造之问

一问：人眼神经网络如何确定和验证？

二问：人眼视感受器网络为什么是三层？

三问：人眼视细胞为什么是两种？其形状和尺寸与什么因素有关？

四问：眼球为什么要转动？眼外肌靠什么推动？

五问：眼球与視网膜的组合与人眼扫描有无关联？

1.人眼构造应包含宏覌和微观层面两方面的描述。早年没有显微镜技术，只能用肉眼观测，如今可以覌测到纳米量级。对其描述就有了根本性改变。改变之始是视网膜及其向里的细胞网络，细胞的构造及细胞间的连接。生物学的研究将细胞作为研究的基本单元，其间连接是以神经元概念引出的离子通道和映射的神经网络作为分析的基础。借助计算机分析和计算。这么以来注意力就集中在控制细胞的基因上面，分析和观察是以化学为主导。很难看到物理概念的引入。

2.上述研究方法存在的问题很明显：研究是在微纳观层面，研究的结论是在宏覌层面，其间链接没有了。另外，神经元映射的神经网络图是由实空间变成了虚似空间。这样分析的结果怎样验证？为什么研究者发现了那么多基因开关、细胞机理，却不能用到临床治病。特别是癌症，虽然药物上有进展，但癌症发病率未见下降。

3.人眼神经网络是肉眼通过显微镜，可以绘制的实空间图形，如果用神经元映射得到的神经网络能完全匹配吗？如果不能匹配，该怎样解释？如果闭上眼睛，用透明脑技术绘制出神经网络与实空间绘制的网络能一致吗？这就是说，生物学提出的几种新技术均涉及神经网络，这几种网络是不是一样？如果不一样，该怎样看待这几种技术的有效性？
4.人眼视感受器网络为什么是三层？这三层细胞之间的连接不属于神经网络。它们都在光照射之下，其运行机理是与光波有关，还是与光量子有关？这与其结构什么关系？

5.人眼视细胞为什么是两种？其形状和尺寸与什么因素有关？

生物医学认为视细胞分两类：视杆和视錐，以形状命名，对形状和尺寸基本上无讨论。难道它们与人眼功能无关吗？显然不是。应该有解释才是。

6.人眼眼球为什么要转动？眼外肌靠什么推动？生物医学对人眼构造与机理的叙述只简略地提上一句，人眼眼球的转动是由眼外肌完成？到底怎样完成呢？是由微覌层面解释还是宏覌层面解释？

7.眼球与視网膜的组合与人眼扫描有无关联？生物医学对人眼构造与机理叙述不涉及人眼怎么扫描、定位、识别。只概略地说由脑成像。

8.太赫兹研究生物学可用分子作基本研究单元，这比细胞更深一层，与光波的共振是基于分子键的振动，引入偶极矩概念，来观测分子间相互作用，这些观测与细胞层面的解释怎么整合？

9.到目前为止，很少见到研究者提出人眼有电磁辐射，几乎都是将人眼看成光接收器。人眼的构造中对细胞、纤毛、眼肌、纤维材料属性没有判定，这影响到对人眼功能的研究。

10.对人眼构造的研究离不开血液及其网络，单纯看作供给细胞营养是不夠的，应该有进一步说法。因为人工培育胚胎，有人工类眼却无功能，原因与血液等因素有关。这是人眼研究的重点之一。这也是与机器人的人工视感的根本差别之一。人眼相机的命名和机理解读与人眼没有直接关系,会形成误导，应该加以区别。

综上所述，尽管现在太赫兹波研究频段，只涉及30微米波长，但人眼是可见光波段，但它们之间有关联，可借鉴。如果将人眼看成太赫兹波的探测器，来描述其结构，这与生物学家给出的结构描述不会一样。如果人眼由里向外有电磁辐射，那么人眼结构相当于一部太赫兹辐射光谱仪。这一问题的提出，在很多程度上会提供人眼研究的新思路，希望能给研究者有所启发。

参考文献

[1]王令隽，致中国物理学界建议书，《前沿科学》，2017年，第二期，Vol.11,no.42.p51-75。

[2]太赫兹物理／（澳）路易斯（Lewis，R．A．）著；罗雪梅，曾耿华，张健译，一北京：国防工业—出版社，2015.8。书名原文：Terahertz Physics

[3]袁心洲，生物场的探索与发现，《前沿科学》，2017年第二期，Vol.11,no.42.p79。

[4]＂太赫兹光谱与成像＂，作者是：（芬）卡伊—埃里克，佩波宁

(K-E，Peiponen)，（英）J．阿克塞尔，蔡特勒(J．A，Zeitler)，（日）桑田五之神诚著；

崔万照等译，国防工业出版社出版，2016.6。原书名.W.iC:Terahertz Spectroscopy and Imaging。

[5]中国百科与眼有关词条：

1.什么是视觉器官的感光系统？

2.玻璃体是一种眼球内容物：

3.什么是视网膜的解剖学：

4.什么是视网膜的功能

6.细胞学

7.人的眼睛有哪几部分组成?

8.视觉器官的感

9生物分子的激发态与能量转移

10生物分子的激发态与能量转移

11细胞学

12神经节细胞

13双极细胞

14水平细胞

15机器视觉彩色成像

16视觉

17枧觉

18细胞怎样活动，什么原理？

19视觉原理是什么？

20角膜分析

21视网膜物理结构

22视觉器官的换能视觉

23什么是“视细胞层”？

24视錐细胞研究发现

25视杆细胞简介

26视锥细胞的主要特点

27视锥细胞的三原色

28视杆细胞的感光换能机制

29视网膜是由什么组成的？