猫的眼睛晚上为什么可以看见?
这个问题的答案要从三部分来解释,分别为光、眼睛本身和视觉神经 先说眼睛能看见的原理,所有的生物体都会发射和吸收光谱中的电磁波(波长范围从波长不到1纳米的γ射线到波长几十公里的无线电波),这些不同波长的电磁波经过眼睛的成像系统(包括眼球和眼角膜等)后会在视网膜上形成图像,而这一切并不需要外部的光源,这就是所说的“眼动视者”或“全光谱视者”;当然,人眼中的锥状细胞主要对短波长大于600纳米的光敏感,杆状细胞对长短大于400纳米的光线都敏感。
所以说,只要光线足够强,任何生物都可以看见东西。 但问题是谁能像猫一样在漆黑的夜晚看到东西呢?这就要说到不同的眼睛对光的感知能力差别很大了——有些海洋生物如鱿鱼等有极其敏感的视者,它们的眼睛可以感受到1纳特每秒的照明量(人类为2.5-8.3,大鼠是7.5-30微坎德拉每平方厘米,而狗是20-70微坎德拉每平方厘米)! 所以它们可以在几乎没有月光的夜晚像人类一样看到东西。 但是,有如此灵敏的视者的海洋动物并不多。大部分海洋动物以及陆地上的所有哺乳动物都是“低视力者”——它们的眼睛对于不同波长电磁波的感应能力远远低于人类的眼睛,而对于光强则更感不足。 这些低视力的动物要想在漆黑的夜晚看东西,唯一的方法就是集中注意力,把视野尽量向中间聚集以希望得到更多的细节,也就是说,这些动物在黑暗的环境中看东西是“用尽力气看一个很小很小的东西”。
那么,为什么猫眼睛的构造能够同时满足 “全光谱视者”“高视者”和“低视者”三种生物的不同光学需求呢? 这个谜团最终是在上个世纪被解开的,科学家们发现,猫眼是由一层透明的角膜和两个水晶体构成的,而这个结构可以让光束发生多次反射从而到达猫的视网膜(图3)。
图3 猫眼的构造[8] 第一次反射:外界物体发出的光(经过空气、水等介质)首先会进入猫的眼睛,这时光线由角膜进入晶体,经过一次折射(屈折度为一个常数),部分光线抵达眼睛最内部的虹膜(即图中的黑色区域); 而虹膜的正中有一个圆形的孔,叫做瞳孔,当光照很强的时候,瞳孔会收缩变圆,而当环境变暗时,它又会舒展成一条线。
第二次反射:通过瞳孔的光线接着会进入另一个晶状体,这个晶状体和普通的眼镜片的形状差不多,是有弹性的,它可以调整弯曲度以适应不同大小和年龄的人,而且也可以控制光线在眼睛内的路径(类似于望远镜)。由于这一层晶体是双凸透镜,所以它会再次反射光束,但这次它是将光线向后射出眼睛,到达后面的一排神经元 上图没有画出猫的睫状肌,实际上这些肌肉可以移动这两片晶状体,进而改变它们的位置和相对大小,使猫的眼睛可以调焦距以看清远近不同的事物
第三次反射:经过两次反射的光线最后会投到一只呈放射状排列的30万个锥状细胞(Cone cell)上(每个视网膜大概有6个这样的锥状细胞集群),这些细胞的主要任务不是颜色识别,而是区分明暗。