可見光（visible light）指的是電磁波的一部分。電磁波根據(jù)其波長不同可以劃分為不同波段，一般而言波長在 380 ~ 700 nm 之間的波段被稱為可見光，因?yàn)檫@一波段的電磁波可以被人類的眼睛以光的形式接收。不同人類個體接收可見光的波長范圍可能略有差異，但基本上在上述波長范圍附近。

那么，為什么可見光是 “可見” 光？（Why the visible light is visible?）換句話說，為什么這一波段的電磁波就可以被人眼 “看見”？

視覺的分子機(jī)制

對于上述問題的最直接答案是視覺的分子機(jī)制。人眼的結(jié)構(gòu)類似于一架高精度的照相機(jī)，光線穿過透明的角膜（cornea）和虹膜（iris）包圍的瞳孔（pupil），經(jīng)過晶狀體（lens）的折射在視網(wǎng)膜（retina）上形成空間分布的像。而視網(wǎng)膜上則分布著主要檢測光強(qiáng)度的視桿細(xì)胞（rod cell）和主要檢測顏色的視錐細(xì)胞（cone cell），它們是視覺形成的細(xì)胞基礎(chǔ)。

人眼的結(jié)構(gòu)

視桿細(xì)胞與視錐細(xì)胞對光的響應(yīng)程度雖然略有差異，但它們發(fā)生光響應(yīng)的機(jī)制都是類似的。以視桿細(xì)胞上的視紫紅質(zhì)（rhodopsin）為例，它由一個細(xì)胞膜上的七次跨膜蛋白（視蛋白，opsin）和視黃醛（retinal）輔基組成。視蛋白是 G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）的一種，視黃醛輔基以共價鍵結(jié)合在其第七個跨膜 α螺旋片段的賴氨酸殘基上。

視黃醛分子是由維生素 A 氧化而來的，一個維生素 A 分子氧化得到一個視黃醛。視黃醛具有兩種構(gòu)型：全反式（All-trans）和 11 位順式（11-cis），正常與視蛋白結(jié)合的是 11 位順式構(gòu)型。恰巧在可見光（對視紫紅質(zhì)而言是波長 500 nm 左右的電磁波）照射下，11 位順式構(gòu)型可以轉(zhuǎn)變?yōu)槿词綐?gòu)型，從而導(dǎo)致視黃醛輔基從視蛋白上脫離。輔基的脫離造成視紫紅質(zhì)構(gòu)象變化，經(jīng)過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)致細(xì)胞膜內(nèi)外離子電位發(fā)生變化，產(chǎn)生神經(jīng)電信號。這一信號經(jīng)過視神經(jīng)傳入大腦，就使得我們產(chǎn)生了視覺。

視紫紅質(zhì)的結(jié)構(gòu)（a）和視黃醛分子的光敏異構(gòu)反應(yīng)（b）

因此，從視覺的分子機(jī)制出發(fā)，我們可以這么回答：正由于視黃醛分子的構(gòu)型轉(zhuǎn)變反應(yīng)恰好響應(yīng)了可見光波段的電磁波，這才導(dǎo)致這一波段的電磁波能被我們 “看見”。

但是，這隨之帶來另一個問題：為什么視覺產(chǎn)生要依賴視黃醛分子呢？如果換成別的分子，不就可能在別的電磁波段發(fā)生視覺響應(yīng)了嗎？

視覺的進(jìn)化歷程

要回答這個問題，需要了解生物視覺的進(jìn)化過程。植物一般而言是沒有視覺的，但具有光敏性，最重要的植物光敏性質(zhì)是光合作用，并可觀測到某些植物（如向日葵）的趨光性。

與之不同的是，絕大多數(shù)動物都具有或高或低的視覺。最原始的動物視覺器官可能是草履蟲的眼點(diǎn)（eyespot），位于草履蟲鞭毛根部的一側(cè)，只對可見光的強(qiáng)弱有著感知能力。由于草履蟲是單細(xì)胞生物，這個眼點(diǎn)實(shí)際上只是一簇分布集中的光敏蛋白區(qū)域，還不能稱之為一個結(jié)構(gòu)完備的視覺器官。

多細(xì)胞生物產(chǎn)生后，眼的多樣性隨之發(fā)展起來。大自然中可見形態(tài)各異、功能不同的眼，例如無脊椎動物中蚯蚓的單細(xì)胞眼、水母的盆眼、蝸牛的泡眼、昆蟲的復(fù)眼以及脊椎動物和少數(shù)無脊椎動物（如章魚）所共有的透鏡眼等。對這些千奇百怪的眼的進(jìn)化，生物學(xué)家曾經(jīng)的觀點(diǎn)是經(jīng)過了多次獨(dú)立進(jìn)化起源。但近來分子進(jìn)化的研究發(fā)現(xiàn)，所有動物的眼睛發(fā)育都受到 Pax 6 基因家族的控制，并且 Pax 6 是一個高度同源保守的基因家族。這就更傾向于說明，眼的進(jìn)化是單源的。

如果眼的進(jìn)化是單源的，眼中最關(guān)鍵的分子結(jié)構(gòu)——光敏分子也應(yīng)當(dāng)是單源的。事實(shí)上，除了一些進(jìn)化樹上較為原始的生物使用黃素等分子作為光敏分子外，絕大多數(shù)動物都使用了七次跨膜蛋白和視黃醛類分子作為感光元件。而視黃醛分子是維生素 A 的部分氧化產(chǎn)物，又可由植物中廣泛存在的天然色素——β-胡蘿卜素氧化得到，來源和代謝路徑明確，被生物進(jìn)化選中作為光敏分子也在情理之中。

不過，上面的分析只說明了進(jìn)化選擇視黃醛分子的充分性，但還沒有回答其必要性，是不是只有視黃醛分子才能完成光敏職能呢？

大自然的選擇

我們換個思路來想問題：如果我們來做上帝，我們會選擇什么樣的分子、響應(yīng)什么波段的電磁波？

全波長范圍的電磁波譜

從電磁波譜的角度來看，首先應(yīng)當(dāng)排除的是波長最短的伽馬射線（Gamma ray）和高能 X 射線（X ray），因?yàn)樗鼈兡芰刻撸芸炀蜁?dǎo)致分子電離、分解甚至激發(fā)原子核。

深紫外（deep Ultraviolet）和軟 X 射線激發(fā)的電子能級一般是內(nèi)層電子或高能電子，這種激發(fā)得到的分子高能態(tài)很不穩(wěn)定，在常溫下的水溶液或空氣中都難以保證信息的有效傳遞。

紅外（Infrared）與微波（Microwave）頻段的電磁波主要與分子的振動、轉(zhuǎn)動和平動相耦合，而這些運(yùn)動主要以隨機(jī)熱運(yùn)動形式存在，很難實(shí)現(xiàn)信息的準(zhǔn)確表達(dá)。

更長波長的中波、長波（Radio）的運(yùn)動尺度超過了單個分子能夠接收的尺度，更不適合以細(xì)胞為基礎(chǔ)的生物選擇。不過，人類倒是利用這一波段（包括微波）開發(fā)出各種電磁通訊工具，如收音機(jī)、無線電話和電視等，但這些工具的基礎(chǔ)是集成電路，而非光敏分子。

這樣考察的結(jié)果，如果細(xì)胞一定要采取分子層面上的光敏機(jī)制對電磁波進(jìn)行響應(yīng)，那么最合適的波段可能就是現(xiàn)在的可見光波段。這一波段在分子運(yùn)動中相當(dāng)于電子光譜的外層電子激發(fā)能量，與分子中化學(xué)鍵的能量高低大致相當(dāng)而略低，既不至于損傷一般較為穩(wěn)定的化學(xué)鍵（尤其是作為生命體基礎(chǔ)的 C-C、C-H、C=O、C-N 等化學(xué)鍵），又可以使得一些 “動態(tài)” 化學(xué)鍵（例如視黃醛中具有順反異構(gòu)的 11 位雙鍵）發(fā)生光響應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)信息的有效傳遞。

另一方面，我們來考察一下生物所處環(huán)境中的電磁輻射情況。地球上最主要的電磁輻射來自于太陽，地球內(nèi)部的放射性衰變和宇宙空間的射線相對于太陽的電磁輻射來說可以忽略。太陽輻射可以近似視為黑體輻射，輻射的光譜和強(qiáng)度分布受到太陽表面溫度的控制。觀測到的太陽光譜說明，太陽表面溫度約為 5250℃，到達(dá)地球大氣層外側(cè)時光譜峰值位于可見光范圍內(nèi)。

太陽輻射光譜。黃色為大氣層頂層的光譜，紅色為海平面處的光譜，實(shí)線為絕對黑體在 5250℃ 時的光譜

大氣層中的氣體分子（包括氮?dú)?、氧氣、水蒸氣、二氧化碳等）在紅外區(qū)段有明顯的吸收，但對于可見光區(qū)的吸收不明顯，這使得到達(dá)地面時，太陽輻射光譜的強(qiáng)度峰值仍分布在可見光區(qū)。生命起源于大海，海水能夠透過的光譜范圍對感光波段的進(jìn)化也有著重要的影響。巧合的是，液態(tài)水恰恰在大約 800 nm 處有著吸收極小值，而對深紫外和紅外都有強(qiáng)烈吸收，可見光波段在水中幾乎是完全透明的。

水的全波段吸收光譜，彩色示出可見光波段 綜合兩方面的因素，無論是從生物分子自身的結(jié)構(gòu)還是地球自然條件角度進(jìn)行分析，對于以細(xì)胞為基礎(chǔ)的生命系統(tǒng)，要引入對電磁輻射的響應(yīng)分子，一定要求這樣的分子響應(yīng)的是可見光波段。即使這種分子不是視黃醛分子，也應(yīng)當(dāng)是其它具有類似性質(zhì)的分子或分子體系。 話到此間，似乎已經(jīng)無法再問。因?yàn)樵賳栂氯ィ鸵獑柕竭@樣一個終極問題上了：為什么地球這樣的環(huán)境一定要產(chǎn)生以細(xì)胞為基礎(chǔ)的生物呢？ 因?yàn)榭梢?，所以可見：人擇原?/p>