《从光子到神经元——光、成像和视觉》，[美]菲利普·纳尔逊著，舒咬根、黎明译，科学出版社2021年6月出版，定价：248元

■段艳芳

生命像是宇宙间的奇迹，其存在与光密不可分。我对这一主题一直有所关注，除了关心身边的花鸟鱼虫、季节变迁，作为杂志编辑还组织编写“光合作用膜蛋白”“光遗传学”“光生物学”等专题文章，介绍该领域的科学进展。

最近读了《从光子到神经元——光、成像和视觉》一书，学习了生命与光的更多内容。生命的多彩与光的复杂特性交织在一起，演绎了生命与光之间一场神奇的邂逅。

植物和藻类通过光合作用利用来自太阳的能量使地球变得生机勃勃。蘑菇、水母等一些生物会发出荧光。蝴蝶翅膀、鸟类羽毛等以规则有序的结构反射光线，从而呈现出绚丽的色彩。

更非同寻常的是，动物发展出各种各样的视觉系统观察和感知周围的世界。比如海星具有由少数光敏细胞组成的眼点，古老的鹦鹉螺具有小孔状眼，脊椎动物的眼睛则通过晶状体成像至视网膜，并涉及复杂精密的信号转导过程。

这背后既涉及光的各种物理特性，包括荧光共振能量转移、光致异构化、色觉机制、光的折射、光的衍射等，又体现出生物令人惊叹的适应机制。

从量子力学的角度来看，光由被称为光子的小单元组成，能量是一份一份的，其能量与波长呈正比，这是爱因斯坦以超凡的物理直觉对光电效应的解释。

生命也是自然的一部分，人眼视觉转导机制对于光的量子特性有直接体现和利用。人的眼睛具有卓越的感光和成像能力，可以适应从微弱星光到太阳光等光强差异极大的环境，感光主要由视网膜上视杆细胞和视锥细胞两种感光细胞来负责。

它们是一类特殊的神经元，前者对微弱光线非常敏感，后者辨色能力强。视杆细胞呈现出非常狭长的结构，一端是能传递信号的突触，另一端是类似于梳子的条状膜盘结构，富含能感光的视紫红质。每个视杆细胞上有多达上亿个能够感光的视紫红质复合物，后者由一种叫作视黄醛的吸光色团嵌在一个蛋白质大分子上形成。

这本书论述到，视紫红质对单个光子敏感，在一个光子的作用下，视黄醛的构象发生变化，即发生光致异构化，使得视紫红质复合物发生状态变化，进入激活状态，从而引发后续一系列响应过程。视杆细胞有很大概率对单个视紫红质状态改变产生明确的信号。

光子本是一个比较抽象的概念，却实实在在地引发了生物大分子和细胞状态的改变，令人感受到光子的力量，也对视觉信号转导有了更深入的理解。就如同在生物学研究中，将“基因”这一原本抽象的概念与DNA分子这一物理实体联系起来后，才真正认识了基因。

再以色觉为例，大多数哺乳动物只能看到黑白的视野，人和猿类可以看到彩色的世界，一些鸟类有更丰富的视觉，这与光的性质和色觉感受机制息息相关。

太阳的可见光在棱镜下可以被分解为不同波段的连续光谱，然而光谱固定的三种基色光也能匹配出多种颜色，此为三色模型。在人的视网膜上刚好存在三种不同的色彩感受器——视锥细胞。它们的敏感峰值位于可见光三个不同的波长处，在吸收光后经过复杂的信号转导过程并最终在大脑中还原出多样的色彩。

博学多才的托马斯·杨早在1802年即提出我们的视网膜中有三种用于明视觉的色彩感受器，这一假说直到160年后才得以确认。不知是出于进化的偶然还是进化的奇迹，人和猿类窥探到物理原理，用相当简洁有效的方式来感受丰富的颜色。

对于光合作用、结构色，以及在生物学研究中相当重要的多光子成像、光遗传学技术等内容，本书也都有详细的介绍。

该书为美国物理学家菲利普·纳尔逊所著。这是作者继《生物物理学：能量、信息、生命》和《生命系统的物理建模》后出版的新著作，也是中国科学院院士欧阳钟灿团队与纳尔逊的又一次合作。

纳尔逊擅长从物理学的角度解释生物学系统。该书围绕生物与光，充分融合了从量子力学到分子生物学的前沿进展，基于量子思想对当前生命科学研究中一些重要的生物学现象以及多种荧光成像实验技术，特别是视觉机制进行透彻的介绍，内容丰富严谨，既有广度又有深度。

作为一本专著，本书注重用物理学思想来看待生物学问题，并通过物理学建模汇集了很多新发现，学科跨度广，信息量大，对于开阔视野大有裨益。该书并不容易读，但好在全书行文流畅，脚注处有很多前后章节相呼应的注释，方便读者对照阅读。一旦静心阅读，能体会到一种获得新发现的乐趣。

不仅如此，该书也体现出作者对年轻人进行科学探索的指导。开篇是“致学生”，并且以一句名言“没有好奇心的人，不过是戴着眼镜的瞎子”开始，体现出作者的用心。

书中每一章节前的导语也引人思考。我尤其喜欢其中引述诺贝尔奖得主弗朗索瓦·雅各布的一段话：“我们对一般性问题的思考所获有限，反而是对具体问题的研究却能取得越来越普适的结论。这就是提问方式不同所产生的惊人后果。”