來自非洲的圖像揭示出人眼進(jìn)化的奧秘
泡泡網(wǎng)資訊頻道3月8日 早在一千萬年前，生活在非洲熱帶稀樹大草原上的人類祖先就開始有意識(shí)地觀察他們所生存的環(huán)境：太陽的升起、草原的起伏、廣闊無垠的天空以及野生動(dòng)物身上的圖案……最新的研究表明，這種由許多不同的復(fù)雜畫面組成的場景影響到了人類眼睛的進(jìn)化，最主要的是感光錐形細(xì)胞的排列方式。這個(gè)發(fā)現(xiàn)可能會(huì)幫助研究者發(fā)明出更接近于人類視覺的儀器——高效、精準(zhǔn)并能適應(yīng)周圍環(huán)境。
電子顯微鏡下的靈長類視網(wǎng)膜感光細(xì)胞
人類的視網(wǎng)膜包含三種感光錐形細(xì)胞，它們按照馬賽克的方式排列，分別對(duì)紅色、綠色和藍(lán)色光敏感。當(dāng)然，這種馬賽克排列并非雜亂無章——之前的研究顯示，視網(wǎng)膜能主動(dòng)適應(yīng)周圍環(huán)境，持續(xù)演化以便獲取最重要的信息。例如，即便是同一個(gè)湖泊中的魚類，由于它們所處水域的深度不同，導(dǎo)致光線被水過濾和折射的角度也不同，為了最有效地檢測出自身水域的光線波長，生活在不同深度水域的魚類其視網(wǎng)膜的排列也有所區(qū)別。研究人員稱之為“高效編碼假說”。
那么，人類的眼睛是否同樣是“高效編碼”的呢？看來似乎并非如此。天空和大海在我們生活的自然場景中占有很大比例，然而人類視網(wǎng)膜中只有6％的感光錐形細(xì)胞對(duì)藍(lán)色敏感，而且它們大多分布于我們視網(wǎng)膜的邊緣。至于剩下的錐形細(xì)胞中，紅色感光細(xì)胞與綠色感光細(xì)胞的比例隨個(gè)體差異變化很大。
為了查明究竟是什么原因?qū)е逻@種現(xiàn)象，研究人員建立了一個(gè)包含5000多張高分辨率圖片的數(shù)據(jù)庫，這些圖片均拍攝于博茨瓦納的不同地區(qū)，博茨瓦納被認(rèn)為可能是人類起源的地方并且目前當(dāng)?shù)厝杂泻芏嗥渌撵`長類動(dòng)物。在這個(gè)圖片數(shù)據(jù)庫里，同一個(gè)場景會(huì)在白天不同的時(shí)段用不同的曝光時(shí)間、光圈和焦距反復(fù)拍攝。運(yùn)用一種根據(jù)過去對(duì)人眼錐形細(xì)胞感光原理的研究發(fā)展出的算法，調(diào)查者計(jì)算出了相機(jī)所能獲取的各種波長光線的光子數(shù)量，以及怎樣的感光細(xì)胞排列才能捕捉到最大數(shù)量的光子。
在博茨瓦納拍攝的5000多張這種照片幫助科學(xué)家揭示了人眼進(jìn)化的奧秘
這項(xiàng)研究的結(jié)果表明，錐形細(xì)胞在人眼視網(wǎng)膜的實(shí)際排列情況與運(yùn)算模擬出的結(jié)果基本一致：紅色和綠色的感光細(xì)胞捕獲光子的能力強(qiáng)于藍(lán)色感光細(xì)胞，這就解釋了為什么視網(wǎng)膜中藍(lán)色感光細(xì)胞數(shù)量如此之少并且還主要分布在視網(wǎng)膜的邊緣而不是光線焦點(diǎn)的中心。而紅色感光細(xì)胞和綠色感光細(xì)胞捕獲光子的能力相當(dāng)，因此從生物演化的角度看并沒有必要讓這兩種感光細(xì)胞的比例保持嚴(yán)格的相關(guān)關(guān)系。
除了解釋人類視網(wǎng)膜的演化之外，“高效編碼假說”也能幫助研究者開發(fā)出具有人類視覺的機(jī)器人。目前各種人工視覺（機(jī)器視覺）的主要功能依然是盡可能詳細(xì)而準(zhǔn)確地記錄圖像數(shù)據(jù)而不是像人類視網(wǎng)膜那樣解讀色彩和輪廓信息，這就導(dǎo)致人工視覺在陌生環(huán)境中識(shí)別物體的能力相當(dāng)有限。開發(fā)人員表示，“人工視覺要能應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域還有很長的路要走?！?/P>
有專家指出，對(duì)于眾多致力于視覺感知——對(duì)比、輪廓識(shí)別而非僅僅色彩辨別——的研究者來說，博茨瓦納數(shù)據(jù)庫作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)將非常有用。至于在非洲拍攝的圖像和在世界其他地區(qū)拍攝的圖像會(huì)不會(huì)導(dǎo)致截然不同的研究結(jié)果目前還不確定，畢竟人類的視覺甚至在外太空也同樣好使，未來的研究或許將更加專注于人類的眼睛對(duì)不同環(huán)境是否也會(huì)做出不同的適應(yīng)這個(gè)問題。■
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