为什么眼睛在夜间无法辨别色彩?

来源:科普中国发布时间:2019-02-27

美丽的花儿,夜晚为什么失去了颜色?

  我们生活在一个五彩缤纷的世界里。可是你是否思考过,我们是如何感知这些绚烂色彩的?又是否注意过在月黑风高的夜晚,白天看上去绚丽无比的花朵,仿佛消失了颜色?    

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  就让我们一起了解一下身体自带的高端“单反相机”——眼睛,是如何感知色彩的吧。 

    

  眼睛是由哪些部分组成的 

  首先咱们得先从眼睛的结构说起。 

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  为了便于理解,我将晶状体比作相机的镜头,将视网膜比作相机的底片。外界光线通过角膜,并通过晶状体(镜头)的焦距调节功能使光线不偏不正的落在视网膜(底片)上。 

  这样,我们就可以看清外界的物体了。在这顺便提一下,如果光线不能准确地落在视网膜上,而是落在视网膜前或视网膜后的话,就会造成我们日常所说的近视或远视。 

    

  视网膜的功能是什么呢 

  下面,咱们重点要谈一谈我们眼睛的“底片”,也就是视网膜的功能。 

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  如上图所示,光线在落在视网膜后,首先会激活位于后方的视锥细胞和视杆细胞,被激活的细胞会将所见的图像信息向前通过双极细胞传至视神经细胞。最后由视神经细胞将信号传递给大脑,大脑通过处理之后我们就可以感觉到外界的画面了。 

    

  视锥细胞和视杆细胞的区别 

  但是为什么我们白天可以看到五彩缤纷的世界,而到了夜间我们就只能看到一个无色彩的世界呢? 

  接下来我就要进一步介绍一下位于视网膜后部的视细胞——视锥和视杆细胞了。 

  

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两种视细胞的结构示意图 

  看了上图,是不是从形态上就可以清楚地区分两种细胞呢? 

  哺乳动物的视网膜包含两种视细胞,负责白天彩色视觉的被称为视锥细胞,负责夜间非彩色视觉的被称为视杆细胞。对于我们日出而作、日落而息的人类来说,虽然夜间视觉相对不是很重要,但是视杆细胞的数量却占据了所有视细胞总数的95%(约一亿个),而视锥细胞仅仅占5%(约五百万个)。在夜间处于主导地位的视杆细胞只有一种,但是支持彩色视觉的视锥细胞可以被细分为三种:蓝色(S),绿色(M)和红色(L)视锥细胞。他们分别对波长为430530以及561nm的光线最为敏感。  

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  上图显示了蓝色(S),绿色(M)和红色(L)视锥细胞在不同波长时的激活程度。比如波长在430-450nm的蓝光可以最大限度的激活蓝色视锥细胞。 

  从数量上来说,属于少数派的蓝色视锥细胞占据了视锥细胞总数的10%,而红色和绿色则共同占据了90%。    

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  上图显示了三种视锥细胞的分布情况。可以明显看出红色和绿色明显要大于蓝色细胞的数目。 

  视锥细胞在视网膜中的分布也是有重点和非重点的。我们视网膜处的被称为“黄斑”的地方是视觉最敏感部位。在此处的视锥细胞分布数量(200,000/mm2)要多于视网膜周边处将近100倍。这也就解释了为什么发生在黄斑部的病变对视力的影响是很明显的。  

    

  我们晚上为什么看不清花的颜色呢 

  在大致了解了视细胞的结构和形态后,我就可以谈谈彩色视觉(日间视觉)和无色彩视觉(夜间视觉)的形成机制了。 

  夜间视觉的形成机制比较简单,因为主导夜间视觉的视杆细胞虽然对光的敏感程度要远远强于视锥细胞,但是由于没有像视锥细胞那样感知颜色的能力,所以在幽暗的夜色中我们虽然能看到东西,但却往往感觉不到物体的色彩。 

  而彩色视觉的形成机制非常复杂,因为它不仅包括所看物体的色彩性质,还包括了其周围物体的时间、空间,以及色彩特性。另外,视网膜之外的神经处理过程也参与了色彩感知。 

  目前比较公认的解释彩色视觉的有两个相互互补的学说:1. 三原色理论,2. 对立作用理论。 

  三原色理论是指三种视细胞分别对红,绿和蓝最为敏感。 

  对立作用理论认为红色和绿色,蓝色和黄色是相互排斥的。即一种颜色阻止另外一种颜色的感知。也就是说我们不可能感知到绿红色或黄蓝色。这个理论解释了为什么我们在没有黄色感知的视细胞的情况下却仍然能够感知黄色。因为红色和绿色叠加后形成了黄色,其抑制了蓝色的感知。另一方面,当蓝色光刺激蓝色感知的视细胞后,又抑制了我们对黄色的感知,从而我们看见了蓝色。 

  现在认为这两个理论描述了色觉形成的不同阶段。即三原色理论在视细胞层面,而对立作用理论在视细胞相互作用的神经层面解释了色觉的形成。 

  因此,视锥细胞让我们看见五彩缤纷的色彩,体会生活的美好。视杆细胞虽然没有色彩识别能力,却能帮助小伙伴们在幽暗的月光下看见东西,体会无色彩世界的另一种美。眼睛是心灵的窗户,各位小伙伴们要爱惜自己的眼睛哦。 

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