《生命科學50講》課程筆記6--感覺
智慧是怎麼一回事？
智慧的基礎--感覺
感覺是生物體從外部世界獲得資訊的過程。
感覺是人類作為一種智慧生命，和環境互動甚至改變環境的基礎。
選擇性的注意是智慧的基礎，而注意的基礎就是感覺系統。
感覺系統不反映真實世界。
視覺:要有光
光從哪裡來？
是人眼睛會發光，照亮了物體，我們才看得見；還是物體會發光，光進到眼睛裡，我們才看得見？
人在黑暗中看不見東西，所以眼睛不會發光。
眼睛只是一個被動的光線接收器，別的物體要麼自己發光，要麼發射光。
來自四面八方的光如何進入小小的眼球？
光線進入放大鏡的時候會發生偏折，人眼睛裡面的放大鏡結構是晶狀體。
眼睛怎麼感覺光？
光進入眼睛和眼睛感受到光不是一回事。
在眼球后方的視網膜是感受光的物質。
感光細胞內部的視紫紅質和它原本結合的視黃醛分子(從維生素A變來)分開了，最終讓這個感光細胞產生一個微弱的電訊號，傳輸到大腦中，我們就會覺得有了光。
光線經晶狀體彙集到視網膜上，視網膜上的感光細胞產生電訊號傳輸到大腦中，我們就會覺得有了光。
如何分辨形狀？
我們已經知道：光通過晶狀體折射，照到哪裡，哪裡的感光細胞就會出現電訊號。
於是，科學家想搞清楚在大腦裡哪塊區域負責感受光點的輸入。
他們把貓麻醉後，眼皮撐開，更換放著各種光點的幻燈片給貓看。
同時，把微型電極插入貓的大腦，看看什麼樣的光點會在大腦的什麼區域，激發什麼樣的電訊號。
由於大腦細胞太多，他們只有一個個試，把對光點有反應的神經細胞不斷換著光刺激。
但是一連幾個月他們都找不出什麼規律，就在一天，他們突然發現一個細胞有了劇烈反應，但是後來怎麼重複刺激這個細胞都沒有激起第一次那麼大的反應。
後來發現原來是他們不小心沒有插好幻燈片，幻燈片上出現了一條細細的光線投射到了貓的眼睛上。
後來他們確認，很多大腦細胞對光點並沒有特別的反應，而對某種角度的長方形光條反應劇烈。
原來大腦細胞可以在接受光訊號之後分析它們彼此的位置，判斷特定形狀。
進而他們提出了模型：在視網膜上面的許多感光細胞把電訊號同時輸出給了一個大腦細胞，這個大腦細胞只有當這些感光細胞同時輸出電訊號給它的時候才被激發。
如果視網膜上的感光細胞本身排列成了一個特定的形狀，比如一個長方形，那這個大腦細胞也就只會對這樣的形狀產生反應。
如何捕捉顏色？
人類的祖先在演化過程中，意外獲得了對更多色彩的感知能力，這個能力可以幫我們更容易的找到顏色鮮豔的水果，更容易存活下來。
感知顏色如何實現？
牛頓做過三稜鏡折射光的實驗。他發現，太陽光如果通過三稜鏡之後，就會變出紅橙黃綠青藍紫幾種不同顏色的單色光。
他提出假設：各種顏色光的物理性質--比如波長是不一樣的。那麼在人的眼睛中，就對應地存在多種感受不同光的感受器。
人的各種光感受器按不同比例配合起來就可以形成多種顏色。
人們從色盲症上得到了啟發。
道爾頓發現了自己和兄弟姐妹們之間存在著對顏色感知的差異。
後面人們又發現了幾種不同的色盲，分別對幾類不同的顏色失去了感覺。
按照這個邏輯，人們最終明確，人眼睛裡的色彩感受器應該確實只有三種。
神經科學家們直接在人的視網膜中，觀察到了黃、綠、紫光的色彩感受器。
如果一個動物只有一種色彩感受器，經試驗證明可以感受約100種灰度深淺，而人類有三種，就是100x100x100種顏色。
嗅覺與味覺
訊號源：光與化學訊號的區別
電磁波訊號和智慧生命的存在緊密相關。
光訊號(廣義來說是電磁波訊號)的三大特點：
- 直線傳播
- 光速傳播
- 不依賴具體的介質
這三大特點保證了根據視覺資訊的輸入，動物可以準確和及時地判斷物體的位置、大小、運動方向等資訊。
在沒有空氣的宇宙深處，視覺訊號還是可以發射和採集。
對比起來，嗅覺和味覺系統感知到的是具體的化學物質。
化學物質發出後需要經過空氣擴散或者需要直接和舌頭接觸，通過唾液擴散才能被嗅覺和味覺感受器採集和感受到。
化學訊號的擴散其實是化學物質分子在空間的隨機運動，是比較緩慢、混亂和對傳播介質依賴性強的過程。
這樣看，動物僅僅依靠化學資訊是很難對訊號源的位置、形狀、大小、運動方向作出及時和準確的判斷的。
訊號採集：精度與廣度的妥協
在鼻腔和舌頭上有很多的化學感受器細胞，類似於視網膜的感光細胞。
當一個化學物質分子結合在這些細胞表面的時候，這些化學感受器就會被啟用，產生生物電訊號，我們就產生了嗅覺和味覺的感知。
化學物質的種類理論上是無窮無盡的，化學系統要想採集到非常多種化學物質的資訊，就要儘可能多的感受器。
但是即便有幾千個感受器也不夠，所以每一個嗅覺感受器分子都是比較廣譜的，可以同時採集多種結構類似的化學物質。
這樣提高廣度，但是精度確降低了。比如蔗糖、葡萄糖、果糖用不同分量泡在水裡喝，一般人感覺不出差別。
訊號處理：定量與定性的區別
由於化學訊號的擴散很隨機，運動軌跡會受到各種干擾，比如氣味會被風吹亂。
因此當他們到達鼻腔和舌頭的時候，具體的位置資訊是沒有任何意義的。
所以，在鼻腔和舌頭不同的嗅覺和味覺感受器的分散式毫無規律的，有人說人的舌頭哪裡對甜最敏感，哪裡對苦最敏感是騙人的。
化學感受系統只關注資訊的定性處理，比如人體有差不多400個嗅覺感受器，據說可以分辨出超過1萬億種不同的氣味。
感覺系統就是生命觀察、理解環境、隨後適應、改變和創造環境的第一步。
生物的感覺系統所採集的必須是自然界已經存在的訊號源。
當一個自然環境中存在一種訊號，這個環境中就有可能演化出一種生物，能夠檢測和利用這種訊號，並根據它來觀察和理解周圍的環境。根據這種理論，我們不難猜想，這個宇宙除了感受電磁波的生物，還存在著感受引力波訊號的超大生物。
熱成像：溫度感受器的極致效果
夜視儀就是一個紅外線檢測器
蛇有非常敏感的熱感受器。
感知磁場：動物判斷方位的能力
有人分析了谷歌地球的資料，從上面抓取了幾千只食草動物的衛星圖，分析這些動物吃草時候的身體朝向。
人們發現，動物身體的朝向不是隨機分佈的，而是有順著南北方向站立的傾向，這就是地球磁場的方向。
關於動物為什麼能感受到磁場，有兩種假說，都可以找到一些證據支援：
- 動物的神經系統裡很可能有一些及其微小、納米尺度的小磁鐵塊，這些磁鐵會在地球磁場的作用下移動產生電訊號
- 動物的神經系統中有一些特殊的蛋白質，本身沒有磁性，一旦有光照在上面，它們表面的電荷分佈就會出現一些奇妙的變化，使得它們能在磁場中發生偏轉，然後產生生物電訊號