王立铭得到《生命科学50讲》:为什么外星人一定有眼睛?

不知道你有没有听过一个比较骄傲的猜测,它是说:主要依靠视觉信息输入的动物,才有可能发展出高度的智慧。

虽然现在没有什么坚实的实验基础可以证明,但是今天地球上最聪明的那些动物,包括人类、猩猩、海豚、大象,确实也都是以视觉信息为主的。

我个人猜测,这可能是因为视觉信息,或者说的更广义一些,光这样的电磁波,在准确反映环境变化、承载丰富的信息这两点上,要比其他的载体都强大。

所以你看,今天人类世界里使用的交流工具,比如手机、卫星电话,还有互联网,也确实都是利用电磁波作为载体的。

如果我这个猜测成立,这就意味着,如果我们有一天能够找到有高度智慧的外星人,在很大概率上,它们应该也会长着类似眼睛的高级视觉器官,依靠收集环境中的电磁波信号感知世界。

那如果反过来问呢?如果不是视觉这样基于光、或者广义的电磁波的感觉,而是基于味觉和嗅觉这样的感觉系统,有可能支撑智慧生命的诞生么?

我个人的观点是:几乎不可能。

为什么呢?这就需要我们理解味觉、嗅觉和视觉到底有什么不同了。

这一讲,我们就从信号源的性质、信号采集、信号处理这三个层次,来理解一下其中的区别。

信号源:光与化学信号的区别

第一个,我们先来看看信号源的区别。

视觉系统感受的信号是光信号,或者更广义的说是电磁波信号。这一类信号有三大特点:

  • 直线传播;

  • 光速传播;

  • 不依赖具体的介质。

这三大特点就保证了,根据视觉信息的输入,动物能够非常准确和及时地判断物体的位置、大小、运动方向等等信息。

甚至在外星球,在宇宙深处,没有大气的地方,视觉信号还是可以发射和采集。

对比起来,嗅觉和味觉系统,它们感知的是具体的化学物质。

这些化学物质从物体发出,需要经过在空气中的扩散进入鼻腔,或者需要直接和舌头接触,通过唾液扩散,才能够被人体的嗅觉和味觉感受器采集和感觉到。

而化学信号的扩散,背后的道理其实是化学物质分子,在空间里的随机布朗运动,分子运动到哪里,化学信号就到达哪里。

相比视觉信号,这是一个比较缓慢、比较混乱、充满随机性,而且对传播介质有很强依赖性的过程。

打个比方:同样距离的两个信号源,一个发射光,一个发射化学信号。

光可以几乎直线传播,以光速到达动物的眼睛,而且传播的路径和速度,基本不会受到地球大气层刮风下雨的干扰。

反过来,化学物质的扩散,是没有方向的,速度又很慢,而且一路上随便刮个风就跑偏了。

因此和视觉信息不一样,动物如果仅仅依靠这些化学信息,是很难对信号源的位置、形状、大小、运动方向,作出及时和准确的判断的。

这么看来,化学物质相比光,提供的信息确实没有那么精准强大。而信息的准确性和丰富程度,也就决定了一种生物如何理解外在世界。

信号采集:精度与广度的妥协

第二,我们再来说说信号采集的差别。

在前面几讲,我们已经详细讨论了视觉信号处理的逻辑,简单可以分成两个步骤:

首先,就是信号采集的步骤。

在这个步骤里,视网膜上的感光细胞,通过一种叫做视紫红质的蛋白质,来检测光。包括有没有光,光多强,光照的角度,光点的位置等等。

打个比方:视网膜每一个感光细胞的功能,类似于数码相机感光芯片上的每一个像素点。

那化学感受系统,具体是怎样感受化学物质的呢?

简单来说,就是在我们的鼻腔和舌头上,有很多化学感受器细胞,他们类似于视网膜的感光细胞。

当一个化学物质分子,结合在这些细胞表面的时候,这些化学感受器就会被激活,产生生物电信号,我们就产生了嗅觉和味觉的感知。

粗略一听,这个逻辑和视网膜感光差不多嘛,无非是一个用光激活,一个用化学物质分子激活。但是仔细分析一下,你会发现其中的差别非常大。

对于视网膜的感光细胞来说,它们需要检测的东西,其实本质非常单一,就是波长在一定范围内的光。

当光穿过眼球,击中视网膜上的一个感光细胞,就会引发生物电信号。

对于不同的感光细胞来说,他们在视网膜上的位置不一样,但是它们干的活是完全一样的。

所以视网膜感光细胞,只需要一个接收光的东西——视紫红质——就够了。最多也就是因为色彩感知的需要,发展出了区区几种视紫红质的变种。

但是化学感受系统就完全不一样了。

和光不同,自然界可能有的化学物质的种类,理论上是无穷无尽的,而且人类还在高速制造各种各样全新的人工物质。

也就是说,化学感受系统想要发挥功能,它就必须能够采集到非常多种化学物质的信息才行。

比如,随随便便一瓶香水,或者一杯咖啡,它们产生的香味里,就有好几百种化学物质,那人的鼻子就必须要有能同时采集到这几百种物质的能力。

这也是为什么,对于哺乳动物来说,生产好几百种甚至上千种嗅觉感受器是很正常的。哺乳动物的基因组DNA,有差不多二十到三十分之一的空间,都是给嗅觉感受器准备的。

但是,即便如此也还是不够用的,自然界里所有可能的化学物质加起来,区区几百上千个嗅觉感受器怎么可能够用?

所以一个妥协的结果就是:每一个嗅觉感受器分子都是比较广谱的,能同时采集许许多多种结构类似的化学物质。这样一来,信号采集的广度是上去了,但是精度自然就下来了。

这一点在味觉系统里,体现得就更加明显了。

味觉系统的信号采集精度,甚至比嗅觉系统还要更低。

打个比方:把不同的糖,比如蔗糖、果糖、葡萄糖,分别用不同的分量泡在水里调好了给你喝,一般人是不太能感觉到区别的,因为这些糖全部同享了完全相同的一套甜味感受器。

这套感受器能采集不同的糖分子信息,但是却没有能力更进一步区分它们。

差不多同样道理,苦的东西、酸的东西、咸的东西也是一样。我们的舌头会告诉我们这个东西甜,那个东西酸,但是很难继续分辨出不同东西之间细微的差别。

我们一般说味觉主要就是几个模块:甜、苦、酸、咸、鲜,近年来还发现了第六种,就是油腻的味道。

所以你看,相比视觉,相比嗅觉,味觉的信号采集精度就更低了。

而这样一来,比较不靠谱的信号源,加上比较粗放大条的信号采集系统,化学感受系统能够提供的信息就更有限了。

信号处理:定量与定性的区别

最后这第三点,我们再来简单说说信号处理的差别。

在视觉系统里,视网膜感光之后,光被转化为生物电信号进入大脑。

在那里,神经细胞之间相互连接,构成了许多复杂的逻辑运算,才能在大脑中重新获得关于形状、颜色、运动的信息,重新生成一个虚拟的视觉世界。

在这个层次上,大脑神经细胞的功能,类似于今天计算机里常用的图像识别程序。请注意,为了实现这个图像识别的效果,位置信息是至关重要的。

也就是说视网膜上到底哪里的细胞,第几行第几列被激活,第几行第几列没有反应,这些位置信息对于下一步的信号处理是关键。

那化学感受系统是怎么做的呢?

由于化学信号的扩散很随机,它们的运动轨迹会出现各种干扰,因此当他们真正到达鼻腔和舌头的时候,具体的位置信息是没有任何意义的。

所以,不管是在人的鼻腔里,还是在舌头上,不同的嗅觉和味觉感受器的分布是毫无规律的,每种感受器就像一把绿豆撒在面粉里,到处都有可能出现。

顺便插句话,经常有文章说,人的舌头哪里对甜最敏感,哪里对苦最敏感。别信,那些都是骗人的。

言归正传,既然化学感受器的分布是杂乱无章的,那么在信号处理这个层次,化学感受系统不管怎么组织,都不可能还原出信号源的距离、方向、形状,这些更精细的信息了。

也就是说,如果说视觉系统的信号处理可以高度定量化,也就是一个光条朝向多少度、一个物体有多大、边缘在哪里,都可以准确还原出来。

那么,化学感受系统信号处理的目标,就只能是定性的,一切都是为了更好地检测到底是什么气味或者味道,别的就管不了了。

你听到这儿也许已经被搞得有点迷糊了,化学感受系统这不好那不好,信号采集能力也不行,信号处理能力也不行,那它还有啥用呢?没用的话,又为什么会保留下来呢?

当然必须得说,定性这件事,化学感受系统还是做得不错的。

就拿嗅觉为例,人体有差不多400个嗅觉感受器,但据说可以分辨出超过1万亿种不同的气味。

这个从400到1万亿的过程,信号处理的算法就体现出它的威力了。

这个算法其实和视觉信号处理的算法有些相似,一句话总结就是:不同嗅觉感受器的排列组合。

我来给出一个高度简化的例子:

如果动物只有一个嗅觉感受器,根据它被激发与否,这种动物就只能区分两类气味;

如果有两个嗅觉感受器,两者分别开或者关,就有2×2,4种状态。也就是说,能闻出4种气味;

如果有一百个感受器呢,那理论上最多可以有2的100次方种状态,对应就有2的100次方种气味了。

这个数目就非常庞大了,差不多是1后面跟上30个0。当然这是个很粗糙的估算,实际上嗅觉系统没有这么厉害。

但即便如此,你也能看出,虽然定量能力不行,在定性能力方面,化学感受系统还是有它的特点的。

总结一下。不管是信号源的质量,信号采集的精度,还是信号处理的定量能力,化学感受系统都要比视觉系统差得多。这也就决定了,生物能通过视觉系统获取的信息要更丰富、更精确。

在今天的人类社会里,每天我们都会生产出超越农业社会上千年的数据总和。这样的数据量,它的采集、分析、存储,如果不依赖电磁信号作为载体,不依靠视觉系统被人所感知,是无论如何也无法处理的。

也就是因为这个逻辑,我的个人判断是:如果宇宙中真有其它的智慧生物,它很有可能也需要基于光,或者基于电磁波的视觉感知。

标签: 电磁波, 外星人, , 布朗运动

添加新评论

captcha
请输入验证码