认识自己的缺点

人人都有优点和缺陷，但不一定都能认识到自己的优缺点。

不能意识到自己的缺点更是常态。认识自己缺陷深刻到可以推动人类知识，需要才能。英国科学家道尔顿具有这样的才能。

John Dalton（1766-1844）研究集中于化学和物理，特别以其对原子论的贡献著称。因他的名字是分子量的单位，今天学化学和生物的学生天天念叨他。

道尔顿对人类认识色盲也有贡献。

感觉是非常个体化的体验，不同人之间较难比较。比如，痛觉只有个人自我报告，无法客观测量，所以有些孩子逃课说是肚子疼，大人并不能测定。

视觉也曾与痛觉一般模糊。你和我感觉到的颜色，怎么知道是否一样？但是，如果永远停留在“子非鱼”的哲理和俏皮话之间，就没有科学。科学--如果有人开创、有人坚持、有人不懈努力--可以拨开迷雾、带来理解。

在道尔顿以前有人意识到了色盲，但未系统阐述。1794年，到曼彻斯特不久的道尔顿，当选曼彻斯特文学和哲学会成员。他在学会讲的第一篇文章，就是色盲。文章正式发表于1798年出版的《曼彻斯特文学和哲学会会志》，题目是“有关颜色感觉的特殊事实：观察”。

道尔顿告诉大家自己和兄弟的色觉有问题，所以他不仅知道自己看颜色感觉与人不同是自己的问题、不是其他人的问题，而且知道可能是遗传的。

其后有很长时间，色盲有时被称为“道尔顿症”（Daltonism）。不过后来英国人坚持不能把一种病和道尔顿的名字连起来，强调他是色盲而忽视了他很多重要科学贡献，所以现在色盲不以道尔顿命名。

对于自己为什么色盲，道尔顿提出一种解释：水晶体颜色变蓝了，吸收的波长不同于常人。

为了真正搞清楚这一问题，道尔顿遗嘱安排死后解剖自己的眼睛。

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1844年7月27日，Dalton去世，28日医生Joseph Ransom解剖Dalton的眼睛，未见水晶体颜色异常，后将Dalton的眼球保存下来。

1995年，伦敦大学分子遗传系的Hunt等从道尔顿的眼球取少量组织，制备DNA，分析了他的色觉基因（光蛋白基因），确定其特定光蛋白基因DNA突变，也就解释了道尔顿色盲。

 道尔顿的视网膜

Dalton J (1798) Extraordinary facts relating to the vision of colours: with observations. Memoirs of the Literary and Philosophical Society of Manchester 5:28-45.

Hunt DM; Dulai KS, Bowmaker JK, Mollon JD (1995). The chemistry of John Dalton’s color blindness. Science 267:984–988.

《 生物学概念与途径》第十一章色觉相关内容：‍‍‍‍‍‍‍‍

11.6    色觉的三原色假说

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英国科学家胡克（Robert Hooke，1635-1703，弹性定律的提出者）于1665年提出：光照到视网膜的角度不同导致不同的颜色。胡克对色觉的推想是错的，而其长期竞争对手牛顿有关色觉的想法在原则上是对的。

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牛顿（1642-1727）与胡克因为万有引力和光学有过多个优先权的争论。牛顿可能因此等胡克去世以后，才在1704年发表《光学》一书。从物理学角度，大家熟知牛顿于1672年曾用三棱镜研究颜色的光学特征。从生物学角度，牛顿知道色觉是神经系统对外界的反应，他提出：“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”，光振荡以不同比例作用于视神经，传入大脑而导致人对色的感觉不同。在感觉神经生物学，牛顿也有先驱的想法。

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三原色最初由George Palmer（aka George Giros de Gentilly，1746-1826）于1777年提出：“每束光由三种、也仅有三种组成，黄、红、蓝……视网膜表面有三种不同的颗粒，类似于三种光；每种颗粒为相应的光束所动”。其中，有关光只有三种成分的物理学理解是错误的，而对视网膜的假设与现在的理解有相通性。很多人认为Young第一位提出色觉三原色的第一位，是忽略了Palmer的贡献，虽然Palmer在理解光物理上有失误。

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英国科学家Thomas Young（1773-1829）于1801年宣读、1802年发表的“光和色的理论”。在引用了牛顿在《光学》中对颜色和色觉的讨论后，Young提出，在视网膜的光敏感点不可能含无穷的颗粒，每一颗粒与对应的光同步振荡，所以需要提出有限的颗粒数，比如三原色，红、黄、蓝。每一种的振荡或多或少偏离完全同步。视神经的每根纤维可能有三部分，分别对一种原色敏感。至于为什么是这三种颜色，他当时只是猜测性地将三种原色分布在可见光较广的范围内。

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英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell，1831-1879）和德国生理学家赫姆霍兹（Hermann von Helmholtz，1821-1894）发展了Young的色觉理论。麦克斯韦还在1861年显示了彩色照相的可能。

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赫姆霍兹对光的生理学有深入和细致的讨论，还研究了视神经的电生理。对于色觉，他发展了Young的理论，提出有三种视神经，分别对红、绿、紫最敏感，各种颜色的光对这三种视神经有不同程度的激活，导致不同的色觉。他指出理论上无法确定哪三个颜色是三原色，可能需要通过分析色盲的情况来确定。

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瑞典芬兰生理学家Ragnar Granit（1900-1991）在动物的实验发现不同的视锥细胞可能分别对应不同颜色（Granit，1941，1943，1945）。

人的视锥细胞到底有几种、分别对什么波长最敏感，直到1964年才由美国霍普金斯大学的科学家所确定（Marks et al.，1964）。人类三种视锥细胞最为敏感的波长分别为：564 nm、533 nm和437 nm。它们分别接近黄、绿和紫，而没有对红色最为敏感的细胞，现在称它们为长（L）、中（M）、短（S）波的视锥细胞。不同的动物色觉细胞种类不同，所含光蛋白（opsins）敏感的波长也不同。果蝇有对紫外线敏感的感光细胞。

11.7    色觉的分子基础

Wald研究过不同色觉的细胞，发现它们都用视黄醛，但所用的光蛋白不同。那么，如何找到人类对不同颜色反应的光蛋白？1980年代初期，Jeremy Nathans（1958-）在Stanford大学做研究生，导师为David Hogness。Hogness从1960年代末起研究果蝇发育的分子生物学，并不断推广果蝇分子生物学技术，但Nathans加入Hogness实验室的研究，是分析人类的色觉蛋白基因，而且坚持在果蝇实验室研究人的基因。

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1982年已有牛视紫蛋白的部分氨基酸序列发表了。1983年美国的Hargrave和苏联的Ovchinnikov分析获得了牛视紫蛋白的全长氨基酸序列。

已知主管明暗的视紫蛋白后，怎么样才能拿到色觉的光蛋白呢?

1983年，Nathan与Hogness清晰地介绍了他们的策略。他们推测感色觉的光蛋白（我们这里姑且称为视锥光蛋白，因为应该是存在于视锥细胞中）与视紫蛋白有部分序列相似性，所以可以通过视紫蛋白找到视锥光蛋白。Nathans的研究用了四步。第一步，通过已知的牛视紫蛋白部分序列，找到其编码的cDNA而预测其全长蛋白质的氨基酸序列；第二步，用牛的视紫蛋白基因寻找人的视紫蛋白基因；第三步，用视紫蛋白基因寻找视锥光蛋白的基因；第四步，确定每个视锥光蛋白对应的颜色。

Nathans的第一步是用分子生物学技术，而Hargrave和Ovchinnikov是用生物化学方法。生物化学分离纯化貌似比较老，但到今天都很有用，有时还起不可替代的作用。掌握生物化学方法比较难，有了分子生物学以后，在有些方面可以替代一些（但非全部）生物化学的方法。比如，在得知部分氨基酸序列的情况下，制备DNA探针，筛选含全长基因的DNA文库而找到相应的全长基因。Nathans和Hogness依据Hargrave等（1982）报道的牛视紫蛋白部分序列，制备DNA探针，通过筛选获得编码视紫蛋白的cDNA，得以推测视紫蛋白全长氨基酸序列。

第二步，Nathans用牛视紫蛋白基因的序列设计探针，在人的cDNA文库中寻找人的视紫蛋白。假设牛视紫蛋白的一段序列是TAGTACTACTTGT，那么人的视紫蛋白相应这一段可能有些差别，但非百分之百相同。通过降低杂交对顺序相似程度的要求，用牛的视紫蛋白基因做探针来找人的视紫蛋白基因。Nathans称他用了自己的“种系发生细胞”制造人基因文库的DNA。Nathan和Hogness于1984年报道找到人的视紫蛋白基因，其氨基酸序列与牛的视紫蛋白相似性为93.4%。

第三步，用人的视紫蛋白基因DNA做探针，寻找视锥光蛋白的基因。这是基于推测视锥光蛋白也应该与视紫蛋白有一部分序列相似性。这样也是用人的视紫蛋白基因做探针，通过低保真度杂交，找到其他三个基因。Nathans等（1986）发现它们编码的基因相互有高度的相似性，而与视紫蛋白的相似性仅41%。

如何确定这三个基因相对应什么颜色？Nathan等在1986年的第二篇《科学》论文报道，根据色盲患者DNA片段异常和相应于Nathans获得的基因的分析，从而确定了基因与色觉的对应关系。这是人类遗传学与分子生物学相结合的成功范例。这一系列漂亮的工作为色觉分子研究的里程碑。

11.8    还原

色觉的第一级，发生在视网膜的三种视锥细胞，它们分别对不同的颜色有最大的反应，相应三个最佳波长，这并非一般所谓红绿蓝的三原色，而黄绿紫是真正的三原色。

视锥细胞中参与感光反应的是视锥光蛋白与视黄醛，其中吸收光的是视黄醛、但视锥光蛋白影响其对不同颜色的反应。人的视网膜有三种视锥光蛋白，其基因于1986年获得，基础工作是首先通过生物化学方法，先获得了视紫蛋白的部分序列。一般各种颜色的光，以不同比例刺激三种视锥细胞，信号在视网膜加工后，传入大脑，再经过更复杂的加工，而获得高级的认知。

对色觉的第一级分子理解是否完结，并未确定。以前认为感光细胞只有第一级的视杆细胞和视锥细胞，1998年发现视网膜第三级的视神经节细胞中，有少数细胞含另一种光蛋白：melanopsin（黑光蛋白）（Provencio et al.，1998，2000）。这些细胞可能参加光感（Hattar et al.，2002；Berson et al.，2002）。而2012年底Stanford大学心理系学者提出人视网膜在边缘区域可能有对三色以外第四色敏感的细胞（Horiguchi et al.，2012），也许是含melanopsin的细胞。其后的研究发现，光蛋白可能在一些细胞和系统里其的作用与感光无关（Senthilan et al.，2012），可能演化过程中，其作用也不一定是从感光开始的。生物有很多奥秘，即使在分子层面也不一定就一时能完全清楚。

分子层面并非色觉研究的终点，大脑对色觉的理解还有更深、更多的机理，包括人类目前还不知道的奥秘。