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需要几个光子,能让我们看见?

已有 6000 次阅读 2010-12-27 06:58 |个人分类:活色生香de生物科学|系统分类:科研笔记|关键词:视觉| 视觉

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眼睛中感光细胞有两种:视杆细胞(rod photoreceptor)和视锥细胞(cone photoreceptor)。视杆细胞对光是非常敏感的。

第一个问题:猜猜看,需要几个光子能使一个视杆细胞感受到光的存在?
 
答案一个。
 
这是非常敏感的水平,考虑到白天那数以亿计的光子每秒进入我们的眼睛,我们可能无法相信在黑夜,我们的眼睛能够探测到一个光子。
 
第二个问题:如果一个视杆细胞需要感受到2个光子才能产生响应,那么光的亮度需要提高几倍?是2倍?还是22倍?还是102倍?

答案102000倍。
为什么?
讨论这个问题之前,我们需要几个参数:
【1】视杆细胞的快门时间是0.1s(0.1秒),即(100ms,100毫秒)。
【2】根据眼睛内视网膜的大小,以及视杆细胞的密度。视杆细胞感受最微弱的光的阈值为1个光子每5100秒.这个可以理解为一个视杆细胞平均需要5100s才有机会感受下一个光子。这个程度相当于没有月亮的夜晚看见树梢和天空的那道轮廓线。
因此,如果把0.1s作为一个单位时间,那么感受到两个光子需要的感光次数为5100/0.1=51000次单位时间。
那么如果在一个单位时间(0.1s)内同时感受2个光子的话,需要的光子密度即为2×5100/0.1=102,000.
这个计算我转换成直观图像,思考了好久.如图所示:




这个有趣的问题是从R.W.Rodieck的视觉专业教科书《the first steps in seeing》上看到的。这个0.1秒的视杆细胞感光周期(shuttle time)应该是有实验数据支持的。而这个5100s(85分钟)是视杆细胞的感光阈值,在书中他取了夜晚树林的轮廓线这个例子。
无论这个条件的数据是多少,我们可以看到,如果一个视杆细胞可以对每个打在上面的光子起反应,而不是需要同时有2个光子;那么光敏感度的差异是百万级的。
再打个比方,如果一只电子模拟鹰是可感知1个光子,而另一只电子模拟鼠需要感知同时的2个光子。那么在伸手不见五指的黑夜,这只电子鹰可以看见鼠,而这时候的电子鼠是个瞎子,还啥也看不到呢。
这只是个感光板的人工模拟,幸运的是,自然条件下,鸟兽人类都的视杆细胞感光阈值都是一个光子:)
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另外,我想在生物进化的早期,还处于单细胞阶段的时候,比如绿藻。我想如果感受到一个光子就马上朝光发来的方向游泳过去的绿藻,一定比需要两个光子才能被触动的伙伴要有更高的成活几率,不被自然选择而淘汰。也许这也是为什么,不论小老鼠,还是人类,还是雄鹰,只需要一个光子就能使视感光细胞响应。



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