人为什么只能看到从红色到紫色的光？人眼利用了水的bug

　　人为什么只能看到从红色到紫色的光？
　　笼统来说，我们能看到光，是因为物体发出了电磁辐射，这种辐射向我们的大脑发出信号后，我们就看到了不同颜色的光线。
　　但为什么我们只能看到红色到紫色，也就是400到700纳米的光呢？而其它那么大波长范围的我们都视而不见？
　　看到光是电磁辐射的化学效应
　　电磁辐射有物理效应和化学效应，我们首先需要搞清楚，我们看到光究竟是哪种效应在起作用。
　　电磁辐射的物理效应包括加热物体和产生压力，这两个效应都非常微弱。比如光的压力可以制作光帆飞船，虽然力量非常弱小，但持续不断的加速却可以让它达到十分之一光速，从而在40年内到达离我们最近的恒星系，而即使用现在最快的飞船，也要十多万年。
　　显然电磁辐射不是通过物理效应来让我们看到物体的，而应该是通过引起分子的化学变化，将这些变化的信号传递到神经系统，来让我们感知光线，这就是视觉的基本工作原理。
　　视觉的光化学作用发生在哪里？
　　这种作用发生在人眼的视网膜中。视网膜里含有感光细胞，包括视杆细胞、视锥细胞 和视网膜神经节细胞，这就是发生魔法的地方。
　　人类视网膜里共有约600万视锥细胞和1.25亿视杆细胞。
　　视锥细胞在比较亮的环境下工作，可以分辨颜色。
　　视杆细胞在比较暗的环境下工作，分辨率较低，而且不能分辨颜色。
　　简单来说，锥状的视锥细胞分辨光线颜色，像杆子一样的视杆细胞感知光线强弱。
　　人类和高等灵长类等动物有三种不同的视锥细胞，其它哺乳动物则缺少红色的视锥细胞，所以对颜色的分辨能力就比较差。比如猫只能分辨蓝绿色调，狗只能分辨黄蓝色调。
　　一些人缺乏红色、蓝色或绿色的视锥细胞，于是就形成了不同的色盲，他们看到的世界大抵就和猫狗看到的差不多。
　　你可能已油然而生一种优越感了，原来越高等的动物视锥细胞越多，越能看到更丰富的世界。
　　但鸟儿马上就来打你脸了：我们有四种视锥细胞，可以看到紫外线；
　　鸽子和蝴蝶：切！我们有5种；
　　皮皮虾：我12种，还能看到偏振光，我骄傲了吗？
　　扯得有点远了。 视觉是如何产生的？
　　视杆细胞和视锥细胞将感受到的光转化为神经信号，被视网膜上的其它神经细胞处理后，转变为视网膜神经节细胞的动作电位，通过视神经管传入大脑，导致视觉冲动，传送到大脑皮质的视觉中枢产生视觉。
　　这里的关键就是动作电位的产生，光是如何导致动作电位产生的呢？
　　每个视锥细胞暴露在光线之下的部分，都充满了含有光敏分子的视蛋白，以及连接在一起的11-顺式视黄醛，两者一起组成视色素。
　　当有合适能量的光落在分子上时，11-顺式视黄醛吸收光子后异构为全反式视黄醛，激活视紫红质，启动对大脑的神经脉冲，从而产生一系列下游反应形成视觉。
　　到这里你可能已看到＂我们为什么只能看到红色到紫色的光＂这个问题的关键了，只有合适能量的光，能够在视网膜上实现11-顺式视黄醛的顺反异构，那么这些光的波长是多少呢？
　　顺反异构本质上是一种电子跃迁，这种跃迁比旋转跃迁和振动跃迁具有更高的能量，而典型有机分子的跃迁能只有几个ev量级。所以只要知道视觉化学效应中存在电子跃迁，我们就可以马上说，可见光谱的波长应该在几百纳米左右。
　　那为什么恰好是400到700纳米呢？
　　这是11-顺式视黄醛的特定吸收光谱，而视黄醛是受视蛋白影响的，所以这个问题就变成，我们的视网膜是如何得到只吸收这个波长范围的视蛋白的？或者说，我们是如何得到这个波长范围内的感光分子的?
　　这是因为，要想探测给定波长的光，这些波长的光就需要足够多，阳光中大部分紫外线都被大气吸收了，落入我们眼睛的大部分能量都在可见光到红外区域，因而我们有理由相信，眼睛将会进化来看到从可见光到近红外的波长段。
　　但这并不是全部，动物眼睛的基本进化发生在阳光下的水中，而且我们眼球内部的玻璃体99%都是水，这意味着光线必须要穿过水才能为我们所见，而水在可见光波长范围内只有一个狭窄的透明窗口，所以眼睛自然进化为具有适合可见光范围的感光系统，进化正是找到并利用了水的这一bug。
　　所以＂为什么我们只能看到从红色到紫色的可见光＂的最终答案就是，它是由11-顺式视黄醛顺反异构的电子跃迁决定的，和各种光是否能穿过大气，穿过水有关。只有这一波段的光适合这三种视锥细胞中11-顺式视黄醛的吸收，所以我们的眼睛进化成了可以看到从红色到紫色的可见光。综合来说，这是由进化、阳光、大气和水决定的。只有这一波长段的光，能穿透大气、水，引发我们眼中视蛋白的反应。
　　而其它动物的视锥细胞和我们有所不同，对不同波长的光敏感不同，所以和我们的＂可见光＂也有所不同，特别是四色、五色视觉，尤其是皮皮虾的12色，我真的很好奇，它们眼中的可见光究竟是什么样子的呢？
　　这篇文章主要内容来自埃因霍温科技大学纳米光子学博士后研究员Raziman T.V的观点，参考了维基百科中相关词条的解释，Raziman也说自己只研究纳米光子学，并非生物学和化学专业，请学科专家指正。本人也非这个专业，只是觉得好奇，根据自己的理解写了这篇文章，可能还有表达不准确甚至错误的地方，仅作参考。