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反向连接的视网膜是「最佳结构」:新研究进一步拆毁道金斯

作者: (Jonathan Sarfati)
翻译:流萤
校对:黄逸恒博士

摘要

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为纪念达尔文诞辰200年,当代最杰出的达尔文卫士、狂热的无神论者理查德德.道金斯(Richard Dawkins)写了一本书,名为《地球上最大的展览:进化的证据》(The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution)。讽刺的是,他对自己之前所有的进化论著作做出如下表白:

「回过头来看这些书,我意识到里面没有一处明确地列出了进化的证据,似乎有一个好大的空缺需要填补。」

道金斯最喜欢的也是他使用了几十年的一个所谓设计失误的例子,就是所谓视网膜的反向连接。在此我首先节选我们之前发表过的反驳文章《地球上最大的骗局?》(The Greatest Hoax on Earth?),证明即使根据现有的知识,道金斯的说法也无以立足,然后引用一项新发现得出以下结论:「所谓的不良设计实际上是形成清晰图像和辨识颜色的优越方案。」


《地球上最大的骗局?》节选:

视网膜的前后颠倒

道金斯重复他坚持了20年的宣称:

「然而我还没有提及光学缺陷最明显的例子,就是视网膜的前后颠倒。
「假如亥姆霍兹(Helmholtz)再世,有一位工程师送给他一台数码照相机,其感光屏是由许多微型光电管组成的,能捕捉直接投射到屏面上的图像。这很合理,显然每一个感光管都要有一根电线把它连接到某种信息处理器上,将图像进行整理。这也合乎逻辑,亥姆霍兹不会把相机退回去。
「然而,如果我现在告诉你,眼睛里的「感光管」都朝后,与要看的景致背道而驰,而且连接感光管与人脑的「电线」都铺在视网膜的外面,使得光线不得不穿过厚厚的一层电线才能照射到感光管上,这就没有道理了……」(第353-354页)

视网膜的这种设计其实有道理,眼科专家都知道,而且多少年前已经给出了解释,所以道金斯没有理由再重复这种早已被否定的论证。道金斯的比喻失当,原因是相机里的感光管不需要化学再生,但是眼睛里的感光受体细胞在化学上很活跃,需要丰富的血液供应来再生感光色素。我在《出于设计》(By Design)一书第12章里已有论述:

感光受体的再生

乔治.马绍尔 (George Marshall) 医生真正懂得眼睛的设计,他说:

「眼睛反向连接的说法是出于对眼睛的功能和解剖的无知。」1

他解释说,视觉神经不能在眼球后边走,因为脉络膜占据了那里的空间。脉络膜为代谢活跃的视网膜色素上皮提供丰富的血液供应,这是感光受体再生所必需,脉络膜也吸收了光线所带来的过多热量。因此神经必须在前面走,不能在后面。不过从下边的讨论可以看出,眼睛的设计连这一点轻微的损失也弥补了。

事实上,眼睛的分辨率只受限于光波在穿过瞳孔时的绕射 (diffraction)(绕射与波长呈正比,与瞳孔大小呈反比);因此在解剖上对视网膜进行所谓的改进不会影响眼睛的功能。

值得注意的是,道金斯(几乎透明的)视觉神经放在感光受体后边的「优越」设计,需要以下两个条件之一:

  • 脉络膜在视网膜前边,然而脉络膜因含有大量红细胞而不透光,所以这样的设计就跟眼内出血一样,毫无用处。
  • 视觉受体不与视网膜色素上皮接触,然而那样的话,没有了丰富的血液供应色素再生,人在每一次闪光照相之后或者看了一眼闪亮的物体之后,也许需要几个月的时间来恢复正常视力。

鱿鱼的眼睛是「正确」连接的吗?

有些进化论者(包括道金斯在《盲目的制表匠》(The Blind Watchmaker) 一书中)宣称,头足纲的动物(包括鱿鱼和章鱼)的眼睛不知道为什么「正确」:「神经线位于视觉受体之后。他们以此反驳上面关于反向连接的必要性的论点。然而凡是真正花心思研究过头足动物眼睛的人都不会昧着良心做这样的宣称。事实上,头足动物的视力不如人,没有色觉,而且章鱼眼睛的结构跟人眼完全不一样,要简单得多,更像「单晶复眼」。无怪乎我们说「目光如鹰」,而不说「目若鱿鱼」,因为前者的确目光锐利,尽管所谓的「反向连接」。

光纤维板

PNAS 104(20):8287–8292, 2007-05-157365-mueller-cells
穆勒神经胶质细胞 (Müller cells) 就像光纤 (optical fibres)

以上解释了为什么脊椎动物的视网膜必须如此连接,然而莱比锡大学的科学家最近显示,脊椎动物的眼睛有一个巧妙的结构,克服了将透明的神经置于感光受体前面(就是道金斯抱怨的「厚厚的一层电线」)可能带来的轻微劣势。2

穆勒神经胶质细胞 (Müller glial cells) 就像光纤 (optical fibres) 一般,收集光线并引导光线穿过神经网而到达受体细胞。每一个视锥细胞 (cone cell) 都有一个穆勒细胞将光线传导给它,数个视杆细胞 (rods) 可以共享一个穆勒细胞。(译者注:视锥和视杆是两种感光受体细胞,视锥的优势在于色觉和清晰度,所以其线路连接是一对一,视杆的优势在于暗光敏锐度,所以有光线聚合)。

光学工程师使用光纤板 (fibre optic plate) 传输图像,不需要透镜,而且失真度小。穆勒细胞的功能与光纤板一模一样,这些细胞甚至有折光率的正确变化,使「图像以最小的失真度和最低信号损失传过脊椎动物的视网膜。」 2

其实,穆勒细胞比光导纤维更好,因为它是漏斗状的,能为感光受体 (receptors) 收集更多的光线。穆勒细胞宽阔的入口完全覆盖了视网膜表面,所以能最大限度地采集光线。

研究团队的成员之一,安德拉斯·瑞肯巴赫 (Andreas Richenbach),评论道:

「大自然是如此地聪慧,这意味着眼睛里有足够的空间可以容纳所有的神经元、突触 (neurons and synapses) 等等,但是穆勒细胞仍然可以最大限度地采集和传递光线。」3

盲点

道金斯还抱怨:

『……还有更糟糕的。感光管朝后的一个后果就是携带数据的线路必须设法穿过视网膜返回脑内。在脊椎动物中的做法,就是把神经线全部集中到视网膜上的一个洞,潜透视网膜。充满神经的洞被称为盲点,因为确实不能感光,但「点」字太恭维了,因为它不小,更像盲片,然而它也并没有给我们带来多少不便,因为脑内有「自动Photoshop图像处理」软件。但话又说回来,这不仅仅是低劣设计,而且是彻头彻尾的白痴设计。
『是吗?如果真是的话,眼睛看东西的能力一定很差劲,其实不然。眼睛实际上很好用。好是因为自然选择,在最初视网膜被大错特错地颠倒安装以后,自然选择就像一把扫帚,扫出无数的细节,把它又变成了一台高质量精密仪器。』(第354-355页)

再一次,道金斯表现出对再生感光管的需要毫不理解,不明白「反向连接」的必要性。他又让人不禁疑惑,突变和自然选择何以创造出复杂的软件,因为软件就意味着智能编排(就如真正的Photoshop一样)。我在《出于设计》第一章解释了类似的程序设计问题:

信号处理

视网膜的另一个奇妙的设计是在将信号送往脑内以前就发生的信号处理。这发生在视网膜内的神经节细胞和感光受体细胞之间的层次里。例如,一个被称为边缘提取的过程强化了对物体边缘的知觉。生理学及生物医学工程副教授约翰.斯蒂文斯 (John Stevens) 指出:「要用超级计算机科雷(Cray)来模拟你的眼睛里每秒钟发生许多次的一个过程,至少需要一百年的运算时间。」4 视网膜的模式运算(analog computing)所需要的能量远远少于超级计算机的数码运算,而且简洁明快。再一次,眼睛从另一方面超越了任何人类科技。

事实上,对视网膜的研究表明,12种不同的神经节细胞向脑内发送12部不同的「电影」(对同一场景的不同描绘),让脑来做最后的解释。一部电影主要是描绘物体边缘的线条图,另外的电影主要涉及各个方向上的运动,还有的电影传送有关明暗色调的信息。至于脑是如何将这些电影整合成最终图像的,依然是正在深入研究中的课题。一旦研究者搞明白了这一点,将有助于设计人工感光器,说明盲人重见光明。5

眼科专家彼得.格尼 (Peter Gurney) 对「颠倒的视网膜真的是『低劣设计』吗?」这一问题给出了详细的解答。6 他在文中也提及盲点。他指出盲点仅占视野的0.25%,所以道金斯试图称之为盲片而非盲点的做法是夸大其词。还有,盲点远离视轴(偏15°),所以该区正常的敏感度仅仅是视轴上最敏感的中央凹部位的15%左右。因为人有两只眼睛,这就意味着有效地消除了盲点。所以所谓的缺陷只是理论上的,而非实际上的。即使只有一只眼睛,盲点也不至于导致残疾,一只眼的人还是被允许开私家车的。独眼最大的问题是缺少立体视觉。

道金斯自己编造的关于眼睛进化的故事

道金斯在早先的一本书《攀爬无望巅峰》(Climbing Mt Improbable) 中,引用了尼尔森 (Dan Nilsson)和佩尔格 (Susanne Pelger) 发表在在一篇广为流传的论文里的计算机模拟实验。7 这两位科学家是受到了道金斯的启发的。道金斯在「解释」眼睛的起源时是从一个光敏点开始的,于是他们的模拟实验从一个光敏层开始,前面有透明膜,后面有吸光层。然而这一假想的祖先一开始就将神经放在光敏点的后面,而不是像脊椎动物一样放在前面。这个不怎么样的进化故事无法将视网膜后面的神经过渡到前面,并模拟出随之而来的一系列复杂的协调变化。8

脊椎动物眼内的各个部件相互整合,共同形成视觉,对此道金斯根本提不出可行的解释。因为自己没有仔细研究就宣称眼睛的设计不良,这不等于解释了眼睛是如何进化出来的。


新发现:穆勒细胞增强了清晰度

在写作《地球上最大的骗局?》时,人们普遍认为穆勒细胞的主要功能是导波管 (waveguides),使光线在传导的时候不至于变形,以减轻感光受体靠近血供所带来的劣势。但是海法市以色列理工学院的研究人员拉宾 (Amichai Labin) 和利巴克 (Erez Ribak) 发现,穆勒细胞的作用远不止于此。他们写道:

「研究发现,视网膜是在设计上改善图像清晰度的最佳结构。 ……神经胶质细胞的基本数组是为保留人类视网膜对图像的敏锐度而设计的最佳结构。 它对人类和其他物种的视觉质量起着至关重要的作用。」 9

原因之一是图像可能会因「噪声」(即在眼睛内多次反射而不是直接通过瞳孔而来的光线)而失真。 但是,穆勒细胞将直射光高效传递到视杆细胞和视锥细胞,并把噪声泄漏出去。 这样可以使图像更清晰。

所有的透镜,包括眼内的晶状体,都有一个问题。因为它们基本上是面对面连接的棱镜,所以倾向于将颜色分离, 这称为色差。 昂贵的相机具有多个透镜,试图避免此问题。 但是,「穆勒细胞的宽顶允许他们「收集」任何分开的颜色,并将它们重新聚焦到同一个视锥细胞上,以确保图像中的所有颜色都清晰可见。」10

此外,穆勒细胞被调谐到光谱的可见区间,将其他波长泄漏出去,从而将辐射和热损害降至最低。

研究人员说:

「在这项研究中,通过使用不同的光波传播方法,我们证明了视网膜内的光导是提高眼睛分辨率和减少色差的有效且生物学上方便的方法。我们还发现,迄今为止被认为会导致失真的视网膜核层实际上改善了毗邻感光受体的解耦,从而提高了视敏度。尽管这项研究是根据来自人类视网膜和眼睛的资料进行的,但大多数结果对于具有其他视网膜结构和不同光学器件的眼睛都是有效的。 结果也适用于更常见的无中央凹的眼睛。」

《新科学家》(New Scientist) 报导:

「 2007年这篇论文2 的作者之一、剑桥大学神经物理学家克里斯蒂安.弗朗兹(Kristian Franze)说:『这表明,穆勒细胞的光耦合 (light-coupling) 对于我们所知的视觉形成过程是至关重要的事件。这项工作对我们的实验资料是个很好的补充。』」10

此外,这种设计可能会启发科学家复制它,这只是仿生技术的另一个例子:

「利巴克说,对穆勒细胞作用的新认识,可能会在更成功的眼部移植和更好的相机设计中找到应用。」 10

进化论者顽固坚持愚蠢的论点

值得注意的是,凯特.麦克阿尔平(Kate McAlpine)在公开反对基督教的《新科学家》杂志上撰文,她首先承认了《新科学家》将反向连接的视网膜列为进化过程中最大的「错误」之一,而后不得不承认:「这表面看起来是错的,但是脊椎动物视网膜奇怪的「反向」结构实际上改善了视力。」

尽管如此,她还是不愿意废除一个已经失效的进化论论点:

「不过,罗得岛普罗维登斯市布朗大学的生物学家肯尼斯.米勒 (Kenneth Miller) 警告说,这并不意味着视网膜朝后这件事本身就对视觉有好处。相反,它突显了进化解决布局缺陷的能力。米勒说:『穆勒细胞的形状、方向和结构有助于克服视网膜反向连接所带来的一个主要缺陷。』」10

米勒自称是基督徒,但他的世界观在所有的实际意义上与他所乐于结盟的狂热无神论者是毫无区别的,他们联合起来反对圣经的信仰者。他在2000年发表了《寻找达尔文的上帝》(Finding Darwin’s God),2008年发表了《不过是理论:进化与争夺美国灵魂的争战》(Only a Theory: Evolution and the Battle for America’s Soul),参见反驳他的文章。他像道金斯一样,既没有眼科学(马绍尔和格尼有)又没有物理光学(我有)的资格。首先,他没有论及视网膜之所以反向连接的重要原因;其次,他没有说明为什么反向连接仍然是一个拙劣设计,特别是考虑到新发现的导波管的优点。最后,考虑到研究人员认为这种「有缺陷的」布局可能有助于改善相机设计,他的说法是荒谬的!

因此,这一发现钉死了理查德.道金斯在《地球上最大的展览》一书中使用的他最喜欢的进化的「证明」。但是从他的记录来看,为了无神论的信仰,他不会而放弃自己的谬论。11 毕竟,其他研究人员早已根据对小斑马鱼眼睛的分析而得出了结论:「有证据表明,反向视网膜实际上是一种节省空间的绝佳方案,尤其小的眼睛。」 12

后续:对于批评这篇文章的反驳,包括反驳道金斯的无神论道友马尔斯的批评

参考文献

  1. Marshall, G. (interviewee), An eye for creationCreation 18(4):20–21, 1996; creation.com/marshall. 回上一页.
  2. Franze, K. et al., Müller cells are living optical fibers in the vertebrate retina, Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0611180104, 7 May 2007; pnas.org/content/104/20/8287. 回上一页.
  3. Sheriff, L., Living optical fibres found in the eye: Moving light past all those synapses, The Register, 20007; theregister.co.uk/2007/05/01/eye_eye. 回上一页.
  4. Byte, April 1985. 回上一页.
  5. Roska, B., Molnar, A., Werblin, F.S., Parallel processing in retinal ganglion cells: How integration of space-time patterns of excitation and inhibition form the spiking output, J. Neurophys. 95:3810–3822, 2006. The lead researchers wrote a semi-popular article: Werblin, F. and Roska, B., The movies in our eyes, Scientific American 296(4):54–61, 2007. 回上一页.
  6. Gurney, P., Is our ‘inverted’ retina really ‘bad design’? J. Creation 13(1):37–44, 1999; creation.com/retina. 回上一页.
  7. Nilsson, D.E. and Pelger, S., A pessimistic estimate of the time required for an eye to evolve. Proc. R. Soc. Lond. B 256:53–58, 1994. 回上一页.
  8. Sodera, V., One Small Speck to Man: The Evolution Myth, pp. 292–302, Vij Sodera Publications, Bognor Regis, UK, 2003; 作者是外科医生。 回上一页.
  9. Labin, A.M. and Ribak, E.N., Retinal glial cells enhance human vision acuity, Physical Review Letters 104, 16 April 2010 | DOI:10.1103/PhysRevLett.104.158102. 回上一页.
  10. McAlpine, K., Evolution gave flawed eye better vision, New Scientist 206(2759), 8 May 2010. 回上一页.
  11. 我最早是在这篇文章中了解到这项关于眼睛的重大发现的:Can Darwin be rescued from a new eye discovery? Creation-Evolution Headlines, creationsafaris.com, 7 May 2010. 回上一页.
  12. Kröger, R.H.H. and Biehlmaier, O., Space-saving advantage of an inverted retina, Vision Research 49(18):2318–2321, 9 September 2009 | doi:10.1016/j.visres.2009.07.001. 回上一页.