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色彩需要通过视觉被感知，在视觉与色彩之间，存在典型的协同进化现象。色彩是一个系统，视觉是另一个系统，光波则是维系这两个系统的重要纽带，是推动生命从黑暗走向光明的终极力量。 颜色感知三要素的性质 很多人没有意识到我们每天以多少种途径，又以多少种形式接触到光。从早晨一睁眼就照进眼睛的光，到手机的来电，再到我们在牙医那里照的X光，这些都是不同类型的光。而我们常常见到的不同的颜色，只不过是光的一小小部分的可见光而已。人类为了认识光，用“全光谱”的概念描述所有的类型的光，根据波长从长到短分为七大类：
虽然我们前面是用波长来衡量区分不同的光，波长越短，能量越强，波长越长，能量越弱。但对于光的波动还是粒子，历史上争论已久，也没有统一思想，直到爱因斯坦的出现，提出粒子说和波动说都有道理，光既是粒子，又是波，这就是所谓的波粒二象性。爱因斯坦称之为光量子，简称为光子。光，或者说光子，也是量子，同时用波和粒子的视角描述，你才能正确理解光。 爱因斯坦写出了一篇关于辐射的论文，后来发表在《物理学纪事》（Annalen der Physik）杂志上，题目叫作“关于光的产生和转化的一个启发性观点”（A Heuristic Interpretation of the Radiation and Transformation of Light）。也就是说光以量子的形式吸收能量，没有连续性，不能累积。一个光量子激发出一个对应的电子。于是实验揭示出来的效应的瞬时性难题也迎刃而解：量子作用本来就是瞬时作用，没有积累的说法。也就是光电效应。 当光子的能量大于电子逃逸所需的能量时，就会产生光电效应，而光子的能量大小只和光的频率有关。通俗地说，频率越高，或者说波长越短，光子的能量就越高，所以紫外线的光子能量要高于红外线的光子能量。也就是说，紫外线更容易产生光电效应，红外线则很难产生光电效应。物理世界的光电效应，在生物世界同样适用。正是因为光电效应，动物的视觉才成为可能。 眼睛的光电效应 视觉的本质，事实上就是发生在眼睛里的光电效应。生物体内的大分子物质经常出现同分异构体，并且可以相互切换，前提是要给它们提供适当的能量。有时一个光子就可以导致共轭双键内的电子重排，同时完成不同结构之间的切换。视黄醛就是这样一种可以互相切换的同分异构体，只需要一个光子，就可以让它们在两种分子结构之间来回切换，其中一个叫作顺式视黄醛，对应的则叫作反式视黄醛。正是这种正反相对的奇特的结构特征，使视黄醛得以成为视觉进化的核心分子。 假设开始时没有光线射入，视黄醛为反式结构，和视蛋白结合在一起，一切都很平静。当黎明到来，太阳升起，亿万光子从太阳出发，跨越巨大的空间飞奔而来，刚刚照射到反式视黄醛分子，就立即通过电子重排将其切换为顺式视黄醛。尽管只是一个小小的结构变化，却引发了强烈的连锁反应，因为顺式视黄醛和视蛋白完全不合拍，两者只能分道扬镳。 有了这种顺反异构的变化，光信号转化为电信号，传递给大脑。 眼睛的进化 眼睛作为感光的器官，基因相当保守。我们说某个基因保守的意思，是指它很少出现突变，以至于在不同的物种中都保持着相似的序列和相似的功能。眼睛基因正是这样，可以跨越物种，诱导眼睛的形成。另外一个重要证据是，所有眼睛的感光系统都以视蛋白为核心，尽管不同的动物拥有不同的视蛋白，但它们全部来自同一个祖先。在眼睛基因和视蛋白两个重量级的证据面前，我们当然更倾向于相信单起源论。 眼睛里的结构大概也类似，主要起作用的包含感光细胞的视网膜和传递电信号给大脑的视神经，但自然选择的结果却产生了以人和章鱼为代表的两种相反的排序，如下图显示，人眼的视神经竟然挡在视网膜前面，幸好视神经是透明的，也就是说光先穿过视神经才到达感光细胞上，这种选择是因为这类型眼睛敏感度高，考虑到血液的大量供能所选择的。而章鱼看起来合理一点，光先到达感光细胞的视网膜上。
可见光波长 为什么人眼对可见光敏感？或者说可见光波长为什么是400nm~700nm呢？ 出于适用性考虑，我们不需要收集所有的辐射信号，而只需要收集性价比最高的内容，这些内容不但可以提供足够的信息，而且不会干扰我们正常的活动与休息。从节约信息量的角度考虑，没有哪种动物能够把感光能力做到极致，那几乎要求无穷多的感光细胞，对大脑信号处理能力的要求也近乎无穷大。对于任何生物来说，这都是不可能的事情。所以，动物对于光波必须有所取舍。 我们对红外线的屏蔽，是一种被动屏蔽，因为红外线本身不足以激发感光反应；而对紫外线的屏蔽则属于主动屏蔽，晶状体和玻璃体是最重要的防护层，如果没有这些防护层，我们就可以看到紫外线。有些人的眼睛发生病变之后，比如一些白内障患者晶状体受损，对紫外线失去过滤能力，反倒能够意外获得紫外视觉，看到比紫色更紫的颜色。 排除了红外线和紫外线以后，你会发现，可见光的优势非常明显。它的能量约占太阳辐射总能量的50%，穿透力既不是太强，也不是太弱，足以影响有机物的化学键，和视觉系统发生典型的光电反应，把电磁波中的能量转化为有效的电化学信号，又不会对视觉系统造成严重的伤害。所以对于人类来说，可见光才是最适合的光线。 由此可见，我们的眼睛能够察觉可见光并不奇怪。 视锥细胞 那么视锥细胞是如何区分不同颜色的呢？ 视锥细胞对色彩的感知离不开视黄醛，视黄醛必须与视蛋白结合，才能更好地发挥光电效应。不过视黄醛并不是只与一种视蛋白结合，而是与好几种视蛋白结合。视蛋白本身并不会接受光子，它们只是对视黄醛分子产生一定的扭曲作用。随着扭曲的程度不同，视黄醛就会与不同波长的光子起反应，所以每种视蛋白与视黄醛的复合体都有独特的吸收光谱。 与简并的光波相对应，视锥细胞也被分为三类。红色视锥细胞含有能够感受红光的视蛋白复合体，可以把红光信号转变为红色电信号交给视神经。同样的道理，绿色和蓝色视锥细胞也可以完成各自的光电信号转换工作。以人类为例，我们的视网膜中就含有三种视锥细胞，分别称为蓝色敏感细胞、绿色敏感细胞和红色敏感细胞。不同波长的光线，也就是不同颜色的光线，主要是红光、蓝光、绿光三种光线，将对应激活这三种敏感细胞。因此人类能够感受到三种不同的颜色，以及三种颜色的混合颜色，这就是所谓的三色视觉。 色盲为什么对黄棕色敏感 以前介绍过，哺乳动物大部分是色盲，因为在恐龙时代， 色盲的优势在于对黄色到棕黄色区间的光谱变化更加敏感。在人眼看来，黄色与棕黄色没什么不同，但哺乳动物能很容易地将它们区分开来，从而帮助它们识破天敌的伪装。也就是说，色盲的羚羊能够轻而易举地在枯黄的草丛中发现棕黄色的狮子。只要明白了这一点，你就会立即明白，为什么哺乳动物会保留色盲性状，因为那是生死攸关的大事。如果它们努力进化出了绿色色觉，却丧失了辨别黄色与棕黄色的本领，就更有可能倒在狮子的利爪之下。因为在许多环境中，特别是在非洲稀树大草原上，枯草期的时间相当长，以至于足以遏制三色视觉的进化。 红—绿色盲之所以把红色和绿色都看成是饱和度比较低的黄色，除了由于红、绿两种感色纤维间的联结，使之无论是在红光或绿光的刺激下，都能同时产生兴奋并在大脑中产生黄色感觉外，还由于刺激来自同一个能源（红光或绿光）而降低了感红纤维和感绿纤维同时产生兴奋的程度，因此，在感觉上降低了颜色的饱和度。
参考阅读：
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