饒毅談「色」：眼見不一定為實？

中文一個「色」字，有多種意思。英文的「color」，有多學科的解讀。

從物理學角度，大家熟知牛頓（1642～1727）於1672年用三稜鏡實驗研究顏色的光學特徵。從生物學角度，色覺是神經系統對外界的反應，牛頓曾於1704年提出人如何感知顏色的想法：光振蕩以不同比例作用於視神經，傳入大腦而導致人對顏色的感覺不同。可以說，牛頓在感覺神經生物學方面有先驅的想法。

牛頓發現光的折射

眼睛是人類觀察世界的重要器官，而科學家對眼睛的研究也是人類理解自身的渠道之一。科學家們研究眼睛，以期理解視覺、感覺，甚至人類的大腦。

因為對顏色的感知始於眼睛，最終成於大腦皮層，所以需要在多個層面研究色覺，本文限於眼睛中第一級感光細胞對色覺分辨的分子基礎，僅這一個層面就有很多科學家前赴後繼的工作。

一、眼見不為實

不同方法和設備只能檢測物質世界的部分特性。視覺系統並非照相機，而是對外界信號加工後獲得對特定種屬動物有意義的信息。現存感覺系統也是演化過程中選擇的結果，較為實用地獲得物種常遇見的外界信息。眼和腦的局限導致我們的視覺系統不能完整而準確地反映外界的物理實際。

因此，眼見並不一定為實。

視錯覺（visual illusion）可以顯示視覺系統不是客觀的簡單影射。絕大多數人都有視錯覺，在沒有這種視錯覺的少數人中，部分可能是因為基因的變化。對此感興趣的研究人員會收集其血樣，通過檢測DNA的變化，研究是否有基因變化。

視錯覺圖（1）可以顯示佛家所謂「外界沒動，是觀察者的心在動」。圖片中的兩個圓圈，物理上沒動，而多數人覺得它們在相對運動（一個順時針，一個逆時針）。

視錯覺圖（2），在一般人看來，立方體上面正中間的小方塊呈「褐色」，而在立方體左側面正中的小方塊呈「黃色」，認為這兩塊的顏色差別很大。而實際上，讀者不妨做個簡單的實驗：將圖像拷貝下來後，把這兩個小方塊分別分離出來，你會發現它們的顏色完全一樣，都是褐色。

視錯覺圖（3），一般人會看到藍色和綠色兩個顏色的螺旋，其實這「兩個」顏色在物理上是完全一樣的顏色。

視錯覺圖（4），其物理現實是：環繞加號的紫色圓點，按順時針方向逐個消失再出現。但是，當你盯著中間的加號一段時間後，可以看到一個淺綠色圓點順時針方向運動（不是消失和再現，而是圓點繞圈運動）。如果你不相信這是你的錯覺，可以在出現綠色圓點後移動你的頭，綠色圓點會消失，等你再次盯著加號後又會出現，似乎你可以不動手而靠遙控掌握外界。當然，這是你的感覺，而非外界現實；如果不能區分自己的感覺和外界的現實，那是精神病。

這些視錯覺都是我們視覺系統處理信號的機制所造成的，其中有些機理不明。

二、視覺與光感

視覺與光感不同。植物有光感，有些細菌也有光感，但它們不能形成動物一般的視覺。

植物感光能力有時很奇妙。植物可以通過檢測日光中不同波長的光以及每日不同波長光照的時間，知道冬去春來，或是秋去冬來，從而做出相應的季節性變化。植物感光的分子已經發現多種，一般是蛋白質和小分子參與植物光反應。植物的感光蛋白只有一種和動物相似，即隱花色素蛋白（cryptochromes），是近20年的一個有趣發現。

動物界有多種不同的眼睛和視覺系統，在進化中，視覺系統的進化獨立地發生過40次以上。不同動物的視覺特性不一樣，比如蜜蜂能感知偏振光。

人的視覺系統從位於外周的眼睛開始，眼睛的視網膜（retina）從外界獲得信號後稍作加工、傳遞到丘腦的外側膝狀體（lateral geniculate nucleus，LGN），再到大腦的視皮層（visual cortex），成為視覺通路。

人也有不形成視覺的感光系統。瞳孔對光反射的光強度增加時，我們的瞳孔縮小。這一反應既使用了我們的視覺系統，也可能使用了不能形成視覺的感光系統，如存在於視神經節細胞（RGC）的隱花色素蛋白（cryptochromes）和黑光蛋白（melanopsin）。

三、眼內的神經細胞

達芬奇曾對眼睛和視覺系統感興趣。

笛卡爾（1596～1650）不僅是哲學家、數學家，現在也可以說是神經生物學家。他將神奇的大腦機制回歸到物理基礎，提出神經纖維是通過水力傳輸信息。神經生物學學者可以開玩笑說，笛卡爾所謂「我思故我在」的意思是強調神經系統的重要性。

笛卡爾（1596～1650）

笛卡爾在1637年的《方法論》一書中曾展示眼睛的解剖圖，他去世12年後出版的《論人》一書中繪製了視網膜上的神經細胞（後來稱為視桿細胞）。

笛卡爾也曾描繪光通過眼睛晶狀體投射到視網膜，視網膜收集的信息通過視神經從眼睛投射到大腦的步驟。

眼睛由多種細胞組成。人的眼球從前到後有角膜、晶狀體（英文更為反映其作用稱其為透鏡lens）、水晶體（vitreous body）、視網膜。視網膜神經細胞通過視神經（optic nerve）向腦投射。視網膜內有三級神經細胞傳遞光信號，第一級為感光細胞（photoreceptors），第二級為雙極細胞（bipolar cells），第三級為視神經節細胞（retina ganglion cells，RGC）。視網膜還有不直接傳遞信息，而是參與修飾加工的水平細胞（horizontal cells）和無突起細胞(amacrine cells)。

西班牙解剖學家Santiago Ramón y Cajal (1852 ～1934)畫的視神經圖

傳統認為，人類的第一級感光細胞有兩種：視桿細胞（rods）和視錐細胞（cones）。1675年，Anton van Leeuwenhoek (1632～1723)可能觀察到了感光細胞，而其一百多年後，Gottfried Reinhold Treviranus (1776～1837)描述了感光細胞。19世紀，德國的Rudolph Albert von Kolliker（1817～1905）與Max Schultze（1825～1874）清楚地知道了視網膜細胞的分層和感光細胞。

Schultze（1825～1874）畫的視桿細胞和視錐細胞。

現代的電子顯微鏡拍攝了漂亮的視桿細胞和視錐細胞照片

視桿細胞有一段長長的桿狀部分，這是視桿細胞的「外段」（outer segment），起感光作用。視桿細胞的數量遠多於視錐細胞：人有1.2億視桿細胞，而僅6百萬視錐細胞。兩種細胞在視網膜的分布不同，功能不同。視桿細胞主要是感知明暗，視錐細胞感受不同的顏色，是辨別顏色的第一級細胞。

Hecht等（1942年）和van der Velden (1946年)發現感光細胞對光的敏感性非常高，單個細胞可以對單個光子有反應。他們的工作在1979年為斯坦福大學的Baylor、Lamb和Yau（游景威）用更精確的技術所驗證。在認知上，人可感知5到8個光子。

有個誇張的小故事。德國海德堡大學生理學教授Willy Kühne（1837～1900）在1878年發現，讓一隻兔子在暗室內注視陽光射入的窗口，一段時間後處死兔子，固定其視網膜，可以看到窗子的印記。

留在兔子視網膜上的窗子印記。

這個發現當時很轟動，以為可以用來破案。如果被謀殺的人的視網膜都留下如此強烈的印記，找到兇手，就不怕兇殺現場沒有證人，只要被謀殺的人最後一眼看到了兇手就可以。當然我們知道，一般來說信號沒有那麼強，這一發現並無實際應用價值。

四、視網膜的感光蛋白

1851年，德國的Heinrich Müller發現視網膜中視桿細胞呈紅色，認為是血液中紅細胞的血紅蛋白所造成（Müller，1851；Ripps，2008）。

1877年，德國生理學家Franz Boll (1849～1879)發現，黑暗中視桿細胞為紅色，見光20秒後經過黃色，60秒後成為無色，他的解釋是視桿細胞中存在色素，他稱為「紅色物質」，見光後起反應而漂白，在暗處2小時後復原為紅色。他排除了死亡與漂白的關係，也排除了血液與漂白的關係。 Boll提出視桿細胞外段含特殊的物質，通過光化學過程，將信號傳到大腦（Boll，1871；Wolf，2001；Ripps，2008）。可惜， Boll發表論文後因肺結核而不能繼續工作，於30歲英年早逝。

Boll的論文發表後不久，德國海德堡的Kühne開始繼續其研究。Kühne以前曾發現胰蛋白酶，而1877至1882年間集中時間和精力研究視網膜，發表22篇相關的論文（Wolf， 2001）。Kühne將Boll的視桿色素稱為「視紫」（visual purple），Kühne發現光漂白後視桿細胞在黑暗中還原為紫色還需要另外一種細胞——視網膜色素上皮細胞（retinal pigment epithelium，RPE）。只有在RPE存在的情況下，被光漂白的視桿細胞才能在暗中重新成為紫色；漂白和復原都無需血液循環，從死的動物身上取出的視網膜就能夠進行，因此肯定與血紅蛋白無關（Wolf，2001）。

Kühne發明了提取視紫的方法：在明礬溶液中將視網膜和RPE分開，視網膜硬化以方便分離視網膜，然後加入膽鹽溶液，視桿細胞溶解，將視紫釋放到溶液中。因視紫對熱的敏感、不能透過半透膜、可溶於硫酸銨，Kühne推測它是蛋白質。Kühne發現視紫分子本身就對光有反應，能被光漂白。他明確提出：光能解構視紫，光化學反應產物刺激視神經（Wolf，2001）。Kühne的工作將人類對視覺的理解推進到分子水平，落實到特定分子。

Kühne發現的視紫，是世界上第一次發現細胞膜上的蛋白，後稱為「視紫蛋白」（rhodopsin），中文教科書仍譯為「視紫紅質」。

既然視紫蛋白是蛋白質，那麼就是多個氨基酸按特定順序連接而成。20世紀，經過多個實驗室的研究，逐步獲得視紫光蛋白的氨基酸部分序列。1983年，美國南伊利諾大學的Hargrave等和蘇聯的Ovchinnikov等分別通過分離肽段，分析後獲得視紫蛋白的全長序列。

當時，科學家已知如果連續出現19到21個左右的疏水氨基酸，就可以組成跨細胞膜的α螺旋，從視紫蛋白的氨基酸序列可以預計有7個跨膜區域，即所謂「七重跨膜蛋白」。在生物化學上，先發現一些受體（如腎上腺素能受體）與G蛋白偶聯，所謂「GPCR」（G蛋白偶聯受體），對感光細胞的研究也發現視紫光蛋白是GPCR。視紫蛋白是被光子激活的GPCR，而腎上腺素能受體等是被化學分子激活的GPCR，這些七重跨膜的GPCR在本質上相似。

了解視紫蛋白一級結構（氨基酸序列）後，進一步需要知道其三維的空間結構。視紫蛋白與其他跨細胞膜的蛋白質一樣，以前很難通過X線衍射分析其晶體結構。1997年，日本的Kimura等在《自然》發表論文，用冷凍電鏡在3埃的解析度解析了細菌視紫蛋白的結構。1999年，法國的Belrhali等在1.9埃解析度解析了細菌視紫蛋白的三維結構。這些結果都清晰地顯示了七重跨膜區域。2000年，美國的Palczewski、Stenkamp與日本的Miyano等在《科學》合作發表論文，他們解析了眼中視紫蛋白的三維結構，並顯示視黃醛結合位點。

五、維生素A與光化學

動物感光細胞的光化學反應不僅需要蛋白質，還需要其他分子。

19世紀Kühne在研究視網膜漂白的過程中發現，漂白從紫色、橘黃色、黃色到無色，但黃色不可能是視紫物質造成的，應該有另外一個分子，其吸收波長短於視紫物質（Wolf，2001）。Kühne不知道另外的分子是什麼，後來的研究揭示黃色是視紫蛋白結合了全反型視黃醛所致。

視黃醛的發現與夜盲症以及維生素A有關。幾千年前人們就注意到有些人在暗光下視力不如一般的人，而且發現有些夜盲與營養相關（Wolf，2001）。希波克拉底（公元前460～公元前325）建議夜盲症患者吃肝。1913年，威斯康辛大學的Elmer McGollum與Marguerite Davis、耶魯大學的Thomas Osborne與Lafayette Mendel在研究老鼠生長需要的營養元素過程中發現維生素A。1925年，丹麥哥本哈根大學衛生研究所的Fridericia與Holm證明維生素A參與視光漂白後在暗中的復原，並提出這可能用以解釋維生素A與人的夜盲症關係。Yudkin於1931年證明視網膜含維生素A。

猶太裔美國科學家George Wald（1906～1997）於1927年在紐約大學畢業後進入哥倫比亞大學，研究生第一年期間聽過摩爾根和Selig Hecht（1892～1947）的課，後選Hecht為導師。猶太裔的Hecht當時是世界主要視覺生理學家，1919年曾提出光感受的基本過程：光敏感物質S，經光解後為P和A，在暗中復原為S。Wald研究生期間的課題是果蠅視覺，他發現果蠅與人的視覺有相似的方面，1932年獲博士學位（Dowling，2002）。

Wald畢業後到德國做博士後，分別師從Otto Warburg（1883～1970，因研究細胞氧化還原過程的分子而獲1931年諾貝爾獎生理學或醫學獎）、Paul Karrer（1889～1971，因研究胡蘿蔔素及其與維生素A的關係獲1937年諾貝爾獎化學獎）和Otto Meyerhof（1884～1951，因研究糖酵解而獲1922年諾貝爾獎生理學或醫學獎）。Wald在三個實驗室學習了不同的思想和分析方法（Dowling，2002）。

Wald研究生期間學習的是他以後要研究的問題——視覺，而博士後期間學習的是他進行研究所需要的方法——生物化學。他的研究是視覺的生物化學，分析參與視覺的分子，以及分子在視覺過程中的變化。

Wald在Warburg實驗室學會用光譜分析，發現與視紫蛋白相連的分子可能是維生素A。Warburg建議Wald師從做胡蘿蔔素的Karrer，Wald在Karrer實驗室檢測牛羊豬的視網膜，確認都含維生素A（Wald，1933）。他再到德國猶太科學家Meyerhof實驗室，發現在暗中和光照後，維生素A相關的分子有所不同，並能雙向改變，從而提出視循環（visual cycle）。

1934年Wald回到美國，從此在哈佛大學繼續研究維生素A與視覺的關係（Wald，1935，1968），他和其他科學家（包括他的第二任妻子Ruth Hubbard、合作者Paul Brown）幾十年的工作推進了對視網膜光化學的理解，他們發現的視循環，用現在的語言表述為：視黃醛在視網膜有兩種光學異構體，全反型（all-trans retinal）與11順型（11-cis retinal）。11順視黃醛與視紫蛋白形成共價鍵結合，結合位點是視桿光蛋白的一個賴氨酸。在黑暗時這一構型穩定，而光照時，11順視黃醛變構為全反型視黃醛，脫離視紫蛋白。Wald獲1967年的諾貝爾獎生理學或醫學獎。

全反型（all-trans retinal）視黃醛（上）與11順型（11-cis retinal）視黃醛（下）。

視循環也稱視紫蛋白循環或視黃醛循環，目前研究仍然未完（Smith，2010），視黃醛順反光學異構的速度很快，在10-13秒內發生。光化學變化也不僅一步，而有多步。

脫離了視黃醛的視紫蛋白本身構型改變，觸發其下游的小G蛋白複合體，複合體有三個亞基（α，β，γ），解離後Gα亞基結合并激活磷酸二酯酶，後者降解cGMP（Arshavsky等，2002）。在脊椎動物視網膜，感光細胞的關鍵第二信使分子是cGMP。1985年蘇聯科學院生物物理研究所的Fensenko等在《自然》發表的論文，用膜片鉗技術證明蛙的感光細胞及其外段能被cGMP開放陽離子通道，使鈉離子和鈣離子流入細胞內，興奮感光細胞。

感光細胞在電生理上有幾點特別之處：一般神經細胞被刺激時，多半是被激活，產生動作電位。而脊椎類的感光細胞，首先不能產生動作電位；其次，在被光刺激的時候，不是被激活，而是被抑制。在黑暗中，感光細胞釋放神經遞質谷氨酸（glutamate）。在大腦中谷氨酸一般只興奮下級神經細胞，而視網膜感光細胞釋放的谷氨酸對下級的雙極細胞有兩種不同的作用：或興奮、或抑制，取決於雙極細胞表面的谷氨酸受體的不同。所以，被谷氨酸興奮的雙極細胞，在光照後因為感光細胞釋放谷氨酸減少而相對被抑制；被谷氨酸抑制的雙極細胞，在光照後因為谷氨酸減少而相對被興奮。

六、色覺的三原色理論

英國科學家胡克（Robert Hooke，1635～1703，彈性定律的提出者）於1665年提出：光照到視網膜的角度不同導致不同的顏色。

牛頓與胡克因為萬有引力和光學有過多個發明權的爭論。牛頓可能因此等到胡克去世以後的1704年才發表《光學》一書。牛頓對人腦感受色覺的理解是「May not the harmony and discord of colours arise from the proportions of the vibrations propagated through the fibres of the optick nerves into the brain」，提出光振蕩的比例通過視神經傳到大腦。我們今天知道胡克對色覺的推想是錯的，牛頓有關色覺的想法在原則上是對的。在生物學上，有很多簡單而方便的想法，大家都想的到，但不容易證明，而有些想法，如牛頓對於色覺的想法就並不容易，需要過幾百年才得以證實和發展。孟德爾在有實驗證據的情況下推出的理論，因為思想超前所以需要幾十年才被人們廣泛接受，這說明生物學有時也有很難、很超前的想法。

三原色最初由George Palmer於1777年提出：「每束光由三種、也僅有三種顏色組成，黃、紅、藍……視網膜表面有三種不同的顆粒，類似於三種光；每種顆粒為相應的光束所動」。其中，有關光只有三種顏色成分的物理學理解是錯誤的，而對視網膜的假設與現在的理解有相通性。

Palmer的文章常被忽略，Young-Helmholtz理論成為三原色的主線。

英國科學家Thomas Young於1801年宣讀、1802年發表的「光和色的理論」，在引用牛頓在《光學》中對顏色和色覺的討論後，Young提出，不可能在視網膜的光敏感點含有無窮的顆粒，每一顆粒與對應的光同步振蕩，所以需要提出有限的顆粒數，比如三原色（three principal colours），紅黃藍。每一種的振蕩或多或少偏離完全同步。視神經的每根纖維可能有三部分，分別對一種原色敏感。至於為什麼是這三種顏色，他當時只是猜測性地認為三種原色分布在可見光較廣的範圍內。Young被很多人認為是第一次提出色覺三原色。如果認為Palmer對光的物理理解錯誤，所以影響其三原色理論的準確性，那麼也可以認為Young在對光的連續性正確理解的基礎上，所提出的視網膜為基礎的三原色是第一次正確地理解了三原色。

英國物理學家麥克斯韋（James Clerk Maxwell，1831～1879）和德國生理學家赫姆霍茲（Hermann von Helmholtz，1821～1894）發展了Young的色覺理論。麥克斯韋還在1861年顯示了彩色照相的可能。赫姆霍茲對光的生理學有深入和細緻地討論，他已經知道視神經的電生理基礎。對於色覺，他發展了Young的理論，提出有三種視神經，分別對紅、綠、紫最敏感，各種顏色的光對這三種視神經有不同程度的激活，導致不同的色覺。他指出，理論上無法確定哪三個顏色是三原色，只能通過色盲來確定。

人類三種視錐細胞最為敏感的波長分別接近黃、綠和紫。

人的視錐細胞到底有幾種，分別對什麼波長的光最敏感，到1964年才由美國霍普金斯大學的Marks、Dobelle和MacNichol所確定（Marks et al.，1964）。實際上，人類三種視錐細胞最為敏感的波長分別為：564 nm、533 nm和437 nm。它們分別接近黃、綠和紫，根本沒有對紅色最為敏感的細胞，所以現在也稱為長（L）、中（M）、短（S）波長的視錐細胞。用紅黃紫或紅黃藍是習慣用法，科學上不準確。不同的動物，不僅色覺細胞種類不同，所含光蛋白（opsins）敏感的波長也不同。果蠅有對紫外線敏感的感光細胞。

七、互補原則和核酸雜交

在討論如何找到色覺的分子基礎以前，我們需要理解分子生物學一個基本概念，以及由此衍生的核酸雜交技術。

1953年，美國遺傳學家James Watson與英國物理學家Francis Crick合作，提出DNA的雙螺旋模型。這一模型最重要的特點是，兩條相互環繞的核酸鏈所含核苷酸（A、C、G、T）通過氫鍵與相對鏈上的核苷酸形成特異性的配對：A對應T，G對應C，也稱鹼基配對。如一條鏈是AAGTCTGGA，其對應的鏈就是TTCAGACCT。這一互補原則（complementarity）有重要生物學意義，遺傳信息通過模板拷貝而傳遞下去。

科學家們利用互補原則的鹼基配對特異性，發明了新的技術——分子雜交（molecular hybridization）。用同位素標記一條鏈的DNA，作為探針，通過探針與互補鏈的結合而找到另外一條鏈。如果用雙鏈DNA做的文庫，在一定條件下兩條鏈鬆開，那麼，一條短片段做的單鏈探針可以找到文庫中相應的DNA。

要求兩條鏈100%鹼基對配對的互補可以用高保真的條件達到。而有些基因在不同種類進化後，不會百分之百一樣。比如人與牛的同一基因有一些差別。低於百分之百互補的兩條DNA鏈，在一定條件下，也能雜交。需要降低雜交時對互補的要求，所謂低保真度雜交（low stringency hybridization）。降低雜交的保真度可以通過降低雜交進行時的溫度,或增加溶液中的鹽來達到。也就是用牛的基因得到的DNA探針，通過低保真雜交可以在人基因文庫找到人的基因。

八、色覺的分子基礎

Wald研究過不同色覺的細胞，發現它們都用視黃醛，但所用的光蛋白不同。那麼，如何找到人類對不同顏色反應的光蛋白？這是20世紀80年代初期美國斯坦福大學研究生Jeremy Nathans（1958～）的工作。

在自己父親參與開拓的分子生物學黃金時代，Jeremy Nathans加入生物醫學研究。80年代，他在斯坦福大學念研究生的導師為David Hogness。Hogness從60年代末起不斷推進果蠅的分子生物學技術，同時研究了果蠅發育的基因。但Jeremy Nathans加入Hogness實驗室不是做果蠅，而是對人的色覺進行基因分析。

1982年已有牛視紫蛋白的部分氨基酸序列發表了。1983年，美國的Hargrave和蘇聯的Ovchinnikov分析獲得了牛視紫蛋白的全長氨基酸序列。已知主管明暗的視紫蛋白後，怎樣拿到色覺的光蛋白？

1983年，Nathan與Hogness在《細胞》的論文清晰地介紹了他們的策略。他們推測感色覺的光蛋白（我們這裡姑且稱為視錐光蛋白，因為應該是存在於視錐細胞中）與視紫蛋白有部分序列相似性，所以可以通過視紫蛋白找到視錐光蛋白。Nathans的研究用了四步。第一步，通過他們研究開始前得知的部分牛視紫蛋白序列，找到其編碼的cDNA而預測其全長蛋白質的氨基酸序列；第二步，用牛的視紫蛋白基因尋找人的視紫蛋白基因；第三步，用視紫蛋白基因尋找視錐光蛋白的基因；第四步，確定每個視錐光蛋白對應什麼顏色。

Nathans的第一步是用分子生物學方法做的，而Hargrave和Ovchinnikov是用生物化學。生物化學方法比較經典，而且到今天都很有用，有時還起不可替代的作用。但掌握好生物化學方法比較難，有了分子生物學以後，在有些方面可以替代一些（但非全部）生物化學的方法。比如，在得知部分氨基酸序列的情況下，製造DNA探針篩選含全長基因的DNA文庫而找到相應的全長基因。這是80年代很熱門的方法，當時一般實驗室專註一個或少數幾個蛋白質及其基因，而日本的Shosaku Numa用此方法研究了很多重要蛋白質的基因。Nathans和Hogness依據Hargrave等（1982）報道的牛視紫蛋白部分序列，製造DNA探針，通過篩選獲得編碼視紫蛋白的cDNA，得以預計視紫蛋白全長氨基酸序列，Nathan和Hogness的這篇文章於1983年發表在《細胞》。

第二步，Nathans用牛視紫蛋白基因的序列設計探針，在人的DNA文庫中尋找人的視紫蛋白。如果牛視紫蛋白的一段序列是TAGTACTACTTGT，那麼人的視紫蛋白相應這一段可能有些差別，不是百分之百相同。通過降低雜交要求，可以用牛的視紫蛋白基因做探針來找人的視紫蛋白基因。Nathans稱他用了自己的「種系發生細胞」製造人基因文庫的DNA。Nathan和Hogness於1984年的論文報道他們找到人的視紫蛋白基因，其氨基酸序列與牛的視紫蛋白相似性為93.4%。

第三步，用人的視紫蛋白基因DNA做探針，尋找視錐光蛋白的基因。這是基於視錐光蛋白也應該與視紫蛋白有一部分序列相似性的推測。這樣也是用人的視紫蛋白基因做探針，通過低保真度雜交，找到其他三個基因。Nathans等（1986）發現它們編碼的基因相互有高度的相似性，而與視紫蛋白的相似性僅41%。

如何確定這三個基因分別對應什麼顏色？Nathan等1986年在《科學》發表第二篇論文，報道他們通過分析色盲患者的DNA，看患者哪段DNA出現問題，相應於Nathans獲得的基因，從而確定基因與色覺的對應關係。這是人類遺傳學與分子生物學的交集。

這一系列漂亮的實驗，雖有一些合作，但幾年之內的主要工作由一個研究生Nathans完成。他的工作成為色覺分子研究的里程碑。

九、結語

色覺的第一級在視網膜的三種視錐細胞，它們分別對不同的顏色有最大的反應，相應三個最佳波長，它們並非一般所謂紅綠藍的三原色，而是黃綠紫，這是真正的三原色。

視錐細胞中參與感光反應的是視錐光蛋白與視黃醛，其中吸收光的是視黃醛，但視錐光蛋白影響其對不同顏色的反應。人的視網膜有三種視錐光蛋白，其基因於1986年用分子生物學方法獲得，基礎是首先通過生物化學獲得了視紫蛋白的部分序列。一般各種顏色的光不同比例地刺激三種視錐細胞，信號在視網膜有一些加工後傳入大腦，經過更複雜的加工，進而獲得高級的認知。

對於色覺的第一級分子理解是否完結？也不一定。以前認為感光細胞只有第一級的視桿細胞和視錐細胞，1998年Provencio等發現視網膜第三級的視神經節細胞有少數細胞含另一種光蛋白：melanopsin（黑光蛋白）（Provencio等，1998，2000）。這些細胞可能參加光感（Hattar等，2002；Berson等，2002）。而2012年底，斯坦福大學心理系的Horiguchi等（2012）提出人視網膜在邊緣區域可能有對三色以外第四色敏感的細胞，也許是含melanopsin的細胞。

而更近的研究發現，光蛋白可能在一些細胞和其系統里的作用與感光無關（Senthilan等，2012），在演化過程中，其作用也不一定是從感光開始的。生物有很多奧秘，即使在分子層面，也不一定就能一時完全搞清楚。

分子層面並非色覺研究的終點，大腦對色覺的理解還有更深、更多的機理，包括人類目前還不知道的奧秘。

作者註：

1.Kühne證明RPE參與視紫物質暗復原的實驗：a.把青蛙的眼球置於光照之下30分鐘，視網膜褪色，在黑暗中保存後紫色重現；b.褪色後的視網膜與RPE分離，在黑暗中紫色不能復原；c.把褪色後的視網膜放在分離的RPE上，在黑暗中紫色可以復原；d.如果在c中的視網膜和RPE之間放置一片不通透的膜，不能復原；e.如果c中的RPE死亡時間過長（數小時），那麼視網膜不能復原；f.如果漂白溶解在膽鹽中的視紫物質，單獨在黑暗中不能復原，而褪色的視紫物質如果與RPE混合則能在黑暗復原。

Kühne的遺囑要求自己被火化時演奏貝多芬的第九交響曲（Ripps，2008）。

2.本文將rhodopsin稱為「視紫蛋白」。

3.有關七重跨膜蛋白相關的部分內容也見「一個可能的諾貝爾化學獎」。見：

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2237&do=blog&id=433929

4.牛頓《光學》出版於Hooke去世以後，與兩人一直有爭論可能有關。牛頓的名言「我如果看的遠是因為站在巨人肩上（If I have seen further it is by standing on the should of giants）」出現於他與Hooke爭論的通訊中，有兩位英國傳記作家解讀可能是牛頓諷刺挖苦駝背的Hooke。不過，這句話並非牛頓發明，在十二世紀就有人提過。

5.George Wald與夫人Ruth Hubbard在20世紀六七十年代加入社會活動，如反核，但也曾錯誤地積極反對重組DNA，在1970年代導致哈佛所在地限制重組DNA的研究，有些教授逃跑。見：

http://blog.sciencenet.cn/blog-2237-463690.html

6.Jeremy Nathans所謂實驗用了自己的「種系發生細胞」是文雅的指精子。他的父親為霍普金斯大學的Daniel Nathans（1928～1999），後者與研究生Kathleen Danna於1971年發現了DNA限制性內切酶，1973年美國舊金山加州大學（UCSF）生化系的Herbert Boyer和Stanford微生物系的Stanley Cohen在限制性內切酶的基礎上，提出其後普遍通用的重組DNA方法，開創了基因工程的時代，奠定了生物技術產業的一個主要支柱，也改觀了人類的生命科學研究。Daniel Nathans於1978年與瑞士的Werner Arber和美國的Hamilton Smith共享諾貝爾獎生理或醫學獎。

（作者：饒毅；北京大學生命科學學院前院長）

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