《生命科学50讲》课程笔记6感觉

智慧是怎么一回事&＃xff1f;

智慧的基础--感觉

感觉是生物体从外部世界获得信息的过程。

感觉是人类作为一种智慧生命&＃xff0c;和环境互动甚至改变环境的基础。

选择性的注意是智慧的基础&＃xff0c;而注意的基础就是感觉系统。

感觉系统不反映真实世界。

视觉:要有光

光从哪里来&＃xff1f;

是人眼睛会发光&＃xff0c;照亮了物体&＃xff0c;我们才看得见&＃xff1b;还是物体会发光&＃xff0c;光进到眼睛里&＃xff0c;我们才看得见&＃xff1f;

人在黑暗中看不见东西&＃xff0c;所以眼睛不会发光。

眼睛只是一个被动的光线接收器&＃xff0c;别的物体要么自己发光&＃xff0c;要么发射光。

来自四面八方的光如何进入小小的眼球&＃xff1f;

光线进入放大镜的时候会发生偏折&＃xff0c;人眼睛里面的放大镜结构是晶状体。

眼睛怎么感觉光&＃xff1f;

光进入眼睛和眼睛感受到光不是一回事。

在眼球后方的视网膜是感受光的物质。

感光细胞内部的视紫红质和它原本结合的视黄醛分子(从维生素A变来)分开了&＃xff0c;最终让这个感光细胞产生一个微弱的电信号&＃xff0c;传输到大脑中&＃xff0c;我们就会觉得有了光。

光线经晶状体汇集到视网膜上&＃xff0c;视网膜上的感光细胞产生电信号传输到大脑中&＃xff0c;我们就会觉得有了光。

如何分辨形状&＃xff1f;

我们已经知道&＃xff1a;光通过晶状体折射&＃xff0c;照到哪里&＃xff0c;哪里的感光细胞就会出现电信号。

于是&＃xff0c;科学家想搞清楚在大脑里哪块区域负责感受光点的输入。

他们把猫麻醉后&＃xff0c;眼皮撑开&＃xff0c;更换放着各种光点的幻灯片给猫看。

同时&＃xff0c;把微型电极插入猫的大脑&＃xff0c;看看什么样的光点会在大脑的什么区域&＃xff0c;激发什么样的电信号。

由于大脑细胞太多&＃xff0c;他们只有一个个试&＃xff0c;把对光点有反应的神经细胞不断换着光刺激。

但是一连几个月他们都找不出什么规律&＃xff0c;就在一天&＃xff0c;他们突然发现一个细胞有了剧烈反应&＃xff0c;但是后来怎么重复刺激这个细胞都没有激起第一次那么大的反应。

后来发现原来是他们不小心没有插好幻灯片&＃xff0c;幻灯片上出现了一条细细的光线投射到了猫的眼睛上。

后来他们确认&＃xff0c;很多大脑细胞对光点并没有特别的反应&＃xff0c;而对某种角度的长方形光条反应剧烈。

原来大脑细胞可以在接受光信号之后分析它们彼此的位置&＃xff0c;判断特定形状。

进而他们提出了模型&＃xff1a;在视网膜上面的许多感光细胞把电信号同时输出给了一个大脑细胞&＃xff0c;这个大脑细胞只有当这些感光细胞同时输出电信号给它的时候才被激发。

如果视网膜上的感光细胞本身排列成了一个特定的形状&＃xff0c;比如一个长方形&＃xff0c;那这个大脑细胞也就只会对这样的形状产生反应。

如何捕捉颜色&＃xff1f;

人类的祖先在演化过程中&＃xff0c;意外获得了对更多色彩的感知能力&＃xff0c;这个能力可以帮我们更容易的找到颜色鲜艳的水果&＃xff0c;更容易存活下来。

感知颜色如何实现&＃xff1f;

牛顿做过三棱镜折射光的实验。他发现&＃xff0c;太阳光如果通过三棱镜之后&＃xff0c;就会变出红橙黄绿青蓝紫几种不同颜色的单色光。

他提出假设&＃xff1a;各种颜色光的物理性质--比如波长是不一样的。那么在人的眼睛中&＃xff0c;就对应地存在多种感受不同光的感受器。

人的各种光感受器按不同比例配合起来就可以形成多种颜色。

人们从色盲症上得到了启发。

道尔顿发现了自己和兄弟姐妹们之间存在着对颜色感知的差异。

后面人们又发现了几种不同的色盲&＃xff0c;分别对几类不同的颜色失去了感觉。

按照这个逻辑&＃xff0c;人们最终明确&＃xff0c;人眼睛里的色彩感受器应该确实只有三种。

神经科学家们直接在人的视网膜中&＃xff0c;观察到了黄、绿、紫光的色彩感受器。

如果一个动物只有一种色彩感受器&＃xff0c;经试验证明可以感受约100种灰度深浅&＃xff0c;而人类有三种&＃xff0c;就是100x100x100种颜色。

嗅觉与味觉

信号源&＃xff1a;光与化学信号的区别

电磁波信号和智慧生命的存在紧密相关。

光信号(广义来说是电磁波信号)的三大特点&＃xff1a;

1. 直线传播
2. 光速传播
3. 不依赖具体的介质

这三大特点保证了根据视觉信息的输入&＃xff0c;动物可以准确和及时地判断物体的位置、大小、运动方向等信息。

在没有空气的宇宙深处&＃xff0c;视觉信号还是可以发射和采集。

对比起来&＃xff0c;嗅觉和味觉系统感知到的是具体的化学物质。

化学物质发出后需要经过空气扩散或者需要直接和舌头接触&＃xff0c;通过唾液扩散才能被嗅觉和味觉感受器采集和感受到。

化学信号的扩散其实是化学物质分子在空间的随机运动&＃xff0c;是比较缓慢、混乱和对传播介质依赖性强的过程。

这样看&＃xff0c;动物仅仅依靠化学信息是很难对信号源的位置、形状、大小、运动方向作出及时和准确的判断的。

信号采集&＃xff1a;精度与广度的妥协

在鼻腔和舌头上有很多的化学感受器细胞&＃xff0c;类似于视网膜的感光细胞。

当一个化学物质分子结合在这些细胞表面的时候&＃xff0c;这些化学感受器就会被激活&＃xff0c;产生生物电信号&＃xff0c;我们就产生了嗅觉和味觉的感知。

化学物质的种类理论上是无穷无尽的&＃xff0c;化学系统要想采集到非常多种化学物质的信息&＃xff0c;就要尽可能多的感受器。

但是即便有几千个感受器也不够&＃xff0c;所以每一个嗅觉感受器分子都是比较广谱的&＃xff0c;可以同时采集多种结构类似的化学物质。

这样提高广度&＃xff0c;但是精度确降低了。比如蔗糖、葡萄糖、果糖用不同分量泡在水里喝&＃xff0c;一般人感觉不出差别。

信号处理&＃xff1a;定量与定性的区别

由于化学信号的扩散很随机&＃xff0c;运动轨迹会受到各种干扰&＃xff0c;比如气味会被风吹乱。

因此当他们到达鼻腔和舌头的时候&＃xff0c;具体的位置信息是没有任何意义的。

所以&＃xff0c;在鼻腔和舌头不同的嗅觉和味觉感受器的分布式毫无规律的&＃xff0c;有人说人的舌头哪里对甜最敏感&＃xff0c;哪里对苦最敏感是骗人的。

化学感受系统只关注信息的定性处理&＃xff0c;比如人体有差不多400个嗅觉感受器&＃xff0c;据说可以分辨出超过1万亿种不同的气味。

感觉系统就是生命观察、理解环境、随后适应、改变和创造环境的第一步。

生物的感觉系统所采集的必须是自然界已经存在的信号源。

当一个自然环境中存在一种信号&＃xff0c;这个环境中就有可能演化出一种生物&＃xff0c;能够检测和利用这种信号&＃xff0c;并根据它来观察和理解周围的环境。根据这种理论&＃xff0c;我们不难猜想&＃xff0c;这个宇宙除了感受电磁波的生物&＃xff0c;还存在着感受引力波信号的超大生物。

热成像&＃xff1a;温度感受器的极致效果

夜视仪就是一个红外线检测器

蛇有非常敏感的热感受器。

感知磁场&＃xff1a;动物判断方位的能力

有人分析了谷歌地球的数据&＃xff0c;从上面抓取了几千只食草动物的卫星图&＃xff0c;分析这些动物吃草时候的身体朝向。

人们发现&＃xff0c;动物身体的朝向不是随机分布的&＃xff0c;而是有顺着南北方向站立的倾向&＃xff0c;这就是地球磁场的方向。

关于动物为什么能感受到磁场&＃xff0c;有两种假说&＃xff0c;都可以找到一些证据支持&＃xff1a;

1. 动物的神经系统里很可能有一些及其微小、纳米尺度的小磁铁块&＃xff0c;这些磁铁会在地球磁场的作用下移动产生电信号
2. 动物的神经系统中有一些特殊的蛋白质&＃xff0c;本身没有磁性&＃xff0c;一旦有光照在上面&＃xff0c;它们表面的电荷分布就会出现一些奇妙的变化&＃xff0c;使得它们能在磁场中发生偏转&＃xff0c;然后产生生物电信号