首页 理论教育 《牛津剑桥的37道思考题》:人为什么会有两只眼睛?

《牛津剑桥的37道思考题》:人为什么会有两只眼睛?

时间:2022-09-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:对脊椎动物来说,用两只眼睛看世界似乎是最佳方式。人类和其他双目前视类动物的这种特点被称为“双目视觉”。两只眼睛看到的视图略有差异,专业术语称之为“视差”。问题是达·芬奇当时并不知道人类的大脑能够将眼睛看到的“视差”统一成带有景深的“立体”视觉。首先,人类的两只眼睛能够水平移动,而且动作时刻保持协调一致。专业人士称之为“扫视”的这种动作是人体动作中最快的一种,最高速度可达每秒

生物科学,牛津)

关于这个问题,浪漫主义者会回答:那双棕色的眼睛是专为爱情而生的。不过我觉得还是从更加科学的角度来回答这个问题比较好。[1]

当然,有两只眼睛的并不仅限于人类,哺乳动物、两栖动物爬行动物、鸟类以及鱼类,所有的脊椎动物都有一双眼睛,其背后的渊源可追溯至物种的进化过程。在某种程度上说,人类之所以会有两只眼睛是因为我们的祖先在进化之初就长了两只眼睛,这一特点后来之所一直保持下来是因为事实证明其他变异方式均不如两只眼睛有效。对脊椎动物来说,用两只眼睛看世界似乎是最佳方式。实际上,除了心脏、肝脏等少数几个重要器官只有一个之外,人体的大部分器官都是成双成对的,身体的左侧几乎是右侧的完美镜像。所以你可以这样回答:人之所以会有两只眼睛,其原因和我们有两只耳朵、两个膝盖的原因是一样的。

当然,人的眼睛和其他很多双眼动物的眼睛还是有所不同,同时也更加特别。从水里的鱼到田野里的老鼠,几乎所有脊椎动物的双眼都长在脑袋两侧,可以朝两边看,而且两只眼睛各自为政,这些动物因此得以拥有几近全方位的视角。相比之下,人类的两只眼睛只能朝前看,且转动方向时刻保持一致,所以人类实际上只有一只眼睛的视角。除了人类以外,还有少数捕食性动物拥有类似的正面视角,其中包括猫头鹰、老鹰、狼、蛇以及鲨鱼。从理论上来说,如果有什么能够让人类心甘情愿地放弃多方位双眼视角所带来的诸多好处,那一定是因为这种单向、正面视角具有无可替代的优势。事实证明的确如此。

对于草食性动物以及肉食性动物的其他猎物来说,全视角拥有一个巨大的优势,那就是能使它们随时看到来自任何一个方向的威胁。就算是在埋头吃草的时候,它们也可以只用一只眼睛盯着要吃的草,同时不停转动另外一只眼睛时刻留意有没有捕食者偷偷靠近并从身后猛扑出来。

相比之下,大部分食肉动物根本就不需要这种全景式的扫描视角,它们更需要紧盯前方的捕猎目标。此外,灵长类动物也不需要全方位视角,因为它们高高地盘踞在树头,就算周围有捕食性动物,后者的攻击方向也十分有限。所以相对而言它们更需要对距离具有准确的判断,这样才能自如地在树枝间荡来荡去,准确地抓住下一个树枝或者摘到枝头的果实。说到底,如果它们在蹿跳之间稍有差错,这一物种的基因就将从进化树上彻底消失。

捕食动物和灵长类动物虽然种类各不相同,但均殊途同归地进化成前视性双目,因为这一进化结果能够满足它们的同一种需求,即对距离的准确判定。人类和其他双目前视类动物的这种特点被称为“双目视觉”。虽然这样一来两只眼睛看到的东西几乎一模一样,但因为存在眼距,左右眼看到的东西并不完全一样,而正是这细微的差别才是最为关键的。

人类的两只眼睛只能看到单一的图像,大部分时候都对眼距造成的细微差别视而不见。但如果你举起两根手指一前一后放在眼前,将焦点集中在离自己近的那根手指上,先闭上一只眼睛,然后再闭上另外一只眼睛,你会看到距离较远的那根手指位置出现了大幅度的变化。如果把两根手指斜向一边,将视线聚焦在远处的一棵树上,此时两根手指就会变成四根手指。

两只眼睛看到的视图略有差异,专业术语称之为“视差”。令人惊叹的是人类的大脑能够将这两个略有差异的视图合并成具有景深的单一视图,这就是“莱昂纳多悖论”,因为莱昂纳多·达·芬奇这位文艺复兴时期伟大的天才曾经非常困惑:两只眼睛明明看到不同的东西,最后怎么会合成一幅单一的视图呢?同时,他也认识到这种带景深的单一视图使人类能够看到三维立体的世界,看到固态的物体,而不是平面的图画,他因此对人类是否真的能够画出写实的图画深感绝望。

问题是达·芬奇当时并不知道人类的大脑能够将眼睛看到的“视差”统一成带有景深的“立体”视觉。英国物理学家查尔斯·惠斯顿(Charles Wheatstone)曾于1838年做过一个简单的实验,帮助人们看清了这一事实。他发明了一种名叫反光立体镜的装置,让人们用左眼和右眼分别看到不同的图片,然后再用每只眼睛同时观察这两个不同的图片,结果发现两幅图突然之间合成了一幅三维立体图。

20世纪60年代,神经学家大卫·休贝尔(David Hubel)和托斯顿·威斯尔(Torsten Wiesel)曾经用科学实验证明,两眼视网膜上的影像会传送到大脑的同一个位置,然后精准叠加,产生统一的单视图。由于这一过程可于瞬间完成,所以我们每次睁开眼睛都能看到单一的视图。澳大利亚科学家杰克·派迪格鲁(Jack Pettigrew)、贺拉斯·巴洛(Horace Barlow)、科林·布雷克摩尔(Colin Blakemore)、彼得·毕晓普(Peter Bishop)等后来又发现,即使是细微的视差也会储存在我们的大脑里,而正是这种细微的差别使每一幅单一画面带有三维特征。

近距离观察事物所获得的三维效果是最好的,因为此时两眼看到不同画面之间的差异最大,距离拉远以后效果就会变差。有科学家在实验室做过相关实验,结果表明三维效果的最远距离可达2.7公里,但在现实生活中最远测试距离则不超过200米。

需要注意的是,双目视觉并非判断距离的唯一方式,除此之外还有角度、变焦、视觉线索等都能够帮助我们建立起对固态物体的印象。视觉线索指某个物体被其他物品挡住,我们只能看到其露在外面的部分。因此,独眼人是没有办法对距离做出准确判断的。实际上,双目健全的人由于看惯了身边的三维世界,就算偶尔闭上一只眼睛,也还是能够看到三维画面。但是如果有人一出生就只能独眼视物,那么他一般很难观察到三维的画面。

此外,两只眼睛能够一起协调动作是件十分了不起的事情。为了获得统一的视图,落在两眼视网膜上的图像必须一模一样,不得带有左右眼分别视物所造成的任何细微差别,而且还必须随着眼睛的移动而一起变化。因为视网膜很小,即使非常细微的差别也会彻底破坏最后的统一效果。首先,人类的两只眼睛能够水平移动,而且动作时刻保持协调一致。虽然我们自己察觉不到,但这种两眼协调水平移动每时每刻都在自动发生。我们的眼睛总是不停地看这看那,而且总是能够两只眼睛一起移动,可以随时观察眼前的一切。专业人士称之为“扫视”的这种动作是人体动作中最快的一种,最高速度可达每秒眼睛移动度数总计900°。

除了水平运动,人类的眼睛还能聚焦在某个物体上,即使在转动脑袋的时候视线焦点也能保持不变。不仅如此,两只眼睛还能往相反的方向转动,以便看清近处或者远处的东西。如果视线的焦点落在近处,则两只眼睛会彼此靠拢,专业术语称之为“辐合”;当注视远方的时候,两只眼睛会向外旋转,这就是所谓的“辐散”。如果辐合过度就会变成斜视,即俗称的“斗鸡眼”。当然,这种情况十分罕见。

很显然,两只眼睛的肌肉必须完全协调一致才能如此准确和精准地同时平移和转动,但仅有这些是远远不够的。实际上,人类对双眼的控制并非来自眼部肌肉,控制指令是由大脑额叶皮质一个名叫“眼域”的特殊部位直接发出的。眼域追踪视网膜上的画面,然后将信号反馈给眼部肌肉,从而保证双眼运动的绝对协调一致。

人类在弄清双目视觉或立体视觉的工作原理以后便使用各种方法对其进行模仿。惠斯顿在19世纪设计的实验核心就是为左右眼提供略有不同的影像。受这个著名实验的启发,如今3D电影已随处可见,在相机上安装左右两个镜头即可捕捉到两个影像拍出3D照片。不过看3D电影的时候需要戴上特制眼镜,这样两只眼睛才能分别看到两幅不同的画面,因此观影效果远非完美。而3D相机的视差则必须通过简单的方程式进行计算,以便确定正确的基线(两个镜头之间的距离),否则拍出来的照片看上去会非常古怪。

总的说来,双目视觉是人类在进化过程中拥有的一大优势,使人类得以有别于大部分其他动物。前瞻性的双眼、对距离的准确判断、观察能力、精准控制手部动作的能力——不论是穿针引线还是向飞奔的动物投掷标枪,所有这些全都仰仗人类的这一进化优势。虽然其他灵长类动物也有同样的双目视觉,但只有人类真正做到了将其潜力发挥到极致。

【注释】

[1]实际上,浪漫主义者的回答并非表面看上去那样离题万里。前视性双目对培养人与人之间的关系来说至关重要,而培养关系正是人类之所以成为人类的基础所在,同时也是人类这一物种能够在进化过程中取得成功的关键。我们的目光所指单一、明确,所以对谁感兴趣是一目了然的事情,这非常有助于建立和巩固人际关系。而在性爱过程中,只有人类会与性伴侣保持面对面的姿势,这也是为了建立牢固的关系。前视双目不仅能够帮助我们与他人建立关系,还能和狗猫之类的其他前视性动物建立起紧密的联系。此外,几乎所有动物刚出生的时候双眼比成年期都更具前视性,所以我们才会如此迷恋可爱的动物宝宝。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈