生命與光的一場神奇邂逅

段艷芳

生命像是宇宙間的奇跡，其存在與光密不可分。

植物和藻類通過光合作用利用來自太陽的能量使地球變得生機勃勃。蘑菇、水母等一些生物會發出熒光。蝴蝶翅膀、鳥類羽毛等以規則有序的結構反射光線，從而呈現出絢麗的色彩。

更非同尋常的是，動物發展出各種各樣的視覺系統觀察和感知周圍的世界。比如海星具有由少數光敏細胞組成的眼點，古老的鸚鵡螺具有小孔狀眼，脊椎動物的眼睛則通過晶狀體成像至視網膜，并涉及復雜精密的信號轉導過程。

這背后既涉及光的各種物理特性，包括熒光共振能量轉移、光致異構化、色覺機制、光的折射、光的衍射等，又體現出生物令人驚嘆的適應機制。

從量子力學的角度來看，光由被稱為光子的小單元組成，能量是一份一份的，其能量與波長呈正比，這是愛因斯坦以超凡的物理直覺對光電效應的解釋。

生命也是自然的一部分，人眼視覺轉導機制對于光的量子特性有直接體現和利用。人的眼睛具有卓越的感光和成像能力，可以適應從微弱星光到太陽光等光強差異極大的環境，感光主要由視網膜上視桿細胞和視錐細胞兩種感光細胞來負責。

它們是一類特殊的神經元，前者對微弱光線非常敏感，后者辨色能力強。視桿細胞呈現出非常狹長的結構，一端是能傳遞信號的突觸，另一端是類似于梳子的條狀膜盤結構，富含能感光的視紫紅質。每個視桿細胞上有多達上億個能夠感光的視紫紅質復合物，后者由一種叫作視黃醛的吸光色團嵌在一個蛋白質大分子上形成。

光子本是一個比較抽象的概念，卻實實在在地引發了生物大分子和細胞狀態的改變，令人感受到光子的力量，也對視覺信號轉導有了更深入的理解。就如同在生物學研究中，將“基因”這一原本抽象的概念與DNA分子這一物理實體聯系起來后，才真正認識了基因。

太陽的可見光在棱鏡下可以被分解為不同波段的連續光譜，然而光譜固定的三種基色光也能匹配出多種顏色，此為三色模型。在人的視網膜上剛好存在三種不同的色彩感受器——視錐細胞。它們的敏感峰值位于可見光三個不同的波長處，在吸收光后經過復雜的信號轉導過程并最終在大腦中還原出多樣的色彩。

對于光合作用、結構色，以及在生物學研究中相當重要的多光子成像、光遺傳學技術等內容，本書也都有詳細的介紹。

該書為美國物理學家菲利普·納爾遜所著。這是作者繼《生物物理學：能量、信息、生命》和《生命系統的物理建模》后出版的新著作，也是中國科學院院士歐陽鐘燦團隊與納爾遜的又一次合作。

作為一本專著，本書注重用物理學思想來看待生物學問題，并通過物理學建模匯集了很多新發現，學科跨度廣，信息量大，對于開闊視野大有裨益。該書并不容易讀，但好在全書行文流暢，腳注處有很多前后章節相呼應的注釋，方便讀者對照閱讀。一旦靜心閱讀，能體會到一種獲得新發現的樂趣。

不僅如此，該書也體現出作者對年輕人進行科學探索的指導。開篇是“致學生”，并且以一句名言“沒有好奇心的人，不過是戴著眼鏡的瞎子”開始，體現出作者的用心。

書中每一章節前的導語也引人思考。我尤其喜歡其中引述諾貝爾獎得主弗朗索瓦·雅各布的一段話：“我們對一般性問題的思考所獲有限，反而是對具體問題的研究卻能取得越來越普適的結論。這就是提問方式不同所產生的驚人后果。”