生物之美 视觉设计背后的生物学逻辑

欢迎您和我一起进入生物之美的探寻之路。

大家好，我是中国科学技术大学的李旭老师，欢迎来到 “生物之美” 课堂。

当任何智慧生命的智能发展到一定程度，一定会问出三个问题：我是谁？我从哪里来？我要到哪里去？作为最基础的哲学三问，不同民族、国家、区域曾给出迥异的解答。但在漫长历史中，这些答案大多源于神学视角，直到 1809 年拉马克发表《动物学哲学》，1859 年查尔斯・达尔文出版《物种起源》，我们才真正踏入科学解释的范畴。从此，关于 “人类从何而来” 的问题，不再仅靠信仰支撑，而是能用科学的态度去假设、证伪，逐渐接近真相。

经过科学家的探索，我们已大致知晓地球生命演化的脉络。今天，就让我们逆着时间线，回溯到生命诞生之初，梳理 “我们从哪里来”，以及地球生命环境如何形成。

在生命演化早期，地球上只有细菌和古菌两大群落。化石证据显示，38.5 亿年前已出现细胞生物（微生物）的痕迹，但它们的祖先应更早。遗憾的是，我们尚未找到最早的细胞生命化石；幸运的是，如今可通过基因测序反推共同祖先。科学家分析所有细菌和古菌的基因组，发现 355 个基因被认为是最早祖先遗留的 —— 这些祖先可能生活在大洋深处的 “黑烟囱” 环境中。黑烟囱是地脉断裂形成的缺口，海水冲入后蒸发，带出大量物质喷射，水温高达 300 多度，却蕴含丰富化学能源。令人惊讶的是，如今 2500 米深的黑烟囱区域仍生机勃勃，屏幕上的生物便是证明，因此早期祖先能在这种环境中生存并不稀奇。

细菌通常呈圆状，而古菌因细胞膜成分不同，外形奇特，如 “窝氏盐方扁平古菌” 呈方形，科学家初发现时甚至误以为是矿物结晶，它却具备细胞活性，能繁殖生长。

之前的课程提到，石头风化形成的沙砾只是成土母质，无法直接成为土壤。真正的土壤需要有机物，而最早的陆地蓝细菌与藻类形成地衣，探索陆地生态系统，它们的尸体沉积后与成土母质结合，才逐渐形成肥沃的土壤。

约 3.7 亿年前的泥盆纪晚期，海洋发生大缺氧事件，许多鱼类（尤其是肉鳍鱼）尝试登陆，其中成功的一支演化成四足动物，成为陆地脊椎动物的共同祖先。

人类的故事始于 1000 多万年前东非大裂谷的形成。东非高原隆起，湿润森林变为稀树草原，人类祖先因环境隔离，不得不从树上来到草原，面对更危险的世界。

地球上所有感光生物的视觉，都源于简单的眼点结构（感光蛋白与色素）。演化中形成两条路线：一是人类的杯状眼，二是昆虫的复眼。人类眼睛结构复杂（角膜、晶状体、玻璃体、视网膜等），却在演化史上存在缺陷 —— 因祖先眼睛原长在后脑勺，随移动能力增强移到头部前端，演化只能 “修修补补”，导致神经细胞位于感光细胞上方，视网膜存在 “盲点”。人类每只眼约有 1.2 亿个视杆细胞、600 万 - 800 万个视锥细胞，却只有约 100 万个视神经细胞，因此视觉信号在视网膜层面就需重组，传入大脑的只是特征信号，而非点对点传输。

在哺乳动物中，人类视觉能力较强。因恐龙称霸地球 1 亿多年，多数哺乳动物祖先的彩色视觉退化，仅具备两色视觉（如红绿色盲），而灵长类为采食熟透果实重新演化出三色视觉（蓝、绿、红）。少数人（约百万分之一的女性）具备四色视觉，拥有橙色视锥细胞。

人类在演化中形成对脸部的快速识别能力，识别物体与脸孔分属两套信号系统。科学家曾研究发现，大脑中某细胞仅对安妮斯顿的照片兴奋，若照片中同时出现布拉德・皮特则无反应。但深入研究表明，大脑并非用单个细胞记忆一张脸，而是将脸部拆分为特征值，存入高维向量（50 维以上），每个特征向量对应高维空间中的一个点，即我们记忆的 “脸”。

当我们用艺术与美的视角观察熟悉的事物，可能迸发创作灵感。如艺术家在老旧厂房和巷弄中看到蜘蛛网，用珠链再现，呈现别样美感。

如何用科学与艺术结合的方式传递生物之美，正是这门课的追求。希望更多人加入 “生物之美” 的探寻之路。