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反向連接的視網膜是「最佳結構」:新研究進一步拆毀道金斯

作者 (Jonathan Sarfati)
翻譯:流螢
校對:黃逸恒博士

摘要

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為紀念達爾文誕辰200年,當代最傑出的達爾文衛士、狂熱的無神論者理查德.道金斯(Richard Dawkins)寫了一本書,名為《地球上最大的展覽:進化的證據》(The Greatest Show on Earth: The Evidence for Evolution)。諷刺的是,他對自己之前所有的進化論著作做出如下表白:

「回過頭來看這些書,我意識到裡面沒有一處明確地列出了進化的證據,似乎有一個好大的空缺需要填補。」

道金斯最喜歡的也是他使用了幾十年的一個所謂設計失誤的例子,就是所謂視網膜的反向連接。在此我首先節選我們之前發表過的反駁文章《地球上最大的騙局?》(The Greatest Hoax on Earth?),證明即使根據現有的知識,道金斯的說法也無以立足,然後引用一項新發現得出以下結論:「所謂的不良設計實際上是形成清晰圖像和辨識顏色的優越方案。」


《地球上最大的騙局?》節選:

反向連接的視網膜?

道金斯重複他堅持了20年的宣稱:

「然而我還沒有提及光學缺陷最明顯的例子,就是視網膜的前後顛倒。
「假如亥姆霍茲(Helmholtz)再世,有一位工程師送給他一台數碼照相機,其感光屏是由許多微型光電管組成的,能捕捉直接投射到屏面上的圖像。這很合理,顯然每一個感光管都要有一根電線把它連接到某種資訊處理器上,將圖像進行整理。這也合乎邏輯,亥姆霍茲不會把相機退回去。
「然而,如果我現在告訴你,眼睛裡的「感光管」都朝後,與要看的景致背道而馳,而且連接感光管與人腦的「電線」都鋪在視網膜的外面,使得光線不得不穿過厚厚的一層電線才能照射到感光管上,這就沒有道理了……」(第353-354頁)

視網膜的這種設計其實有道理,眼科專家都知道,而且多少年前已經給出了解釋,所以道金斯沒有理由再重複這種早已被否定的論證。道金斯的比喻失當,原因是相機裡的感光管不需要化學再生,但是眼睛裡的感光受體細胞在化學上很活躍,需要豐富的血液供應來再生感光色素。我在《出於設計》(By Design)一書第12章裡已有論述:

感光受體的再生

喬治.馬紹爾 (George Marshall) 醫生真正懂得眼睛的設計,他說:

「眼睛反向連接的說法是出於對眼睛的功能和解剖的無知。」1

他解釋說,視覺神經不能在眼球後邊走,因為脈絡膜佔據了那裡的空間。脈絡膜為代謝活躍的視網膜色素上皮提供豐富的血液供應,這是感光受體再生所必需,脈絡膜也吸收了光線所帶來的過多熱量。因此神經必須在前面走,不能在後面。不過從下邊的討論可以看出,眼睛的設計連這一點輕微的損失也彌補了。

事實上,眼睛的解析度只受限於光波在穿過瞳孔時的繞射 (diffraction)(繞射與波長呈正比,與瞳孔大小呈反比);因此在解剖上對視網膜進行所謂的改進不會影響眼睛的功能。

值得注意的是,道金斯(幾乎透明的)視覺神經放在感光受體後邊的「優越」設計,需要以下兩個條件之一:

  • 脈絡膜在視網膜前邊,然而脈絡膜因含有大量紅細胞而不透光,所以這樣的設計就跟眼內出血一樣,毫無用處。
  • 視覺受體不與視網膜色素上皮接觸,然而那樣的話,沒有了豐富的血液供應色素再生,人在每一次閃光照相之後或者看了一眼閃亮的物體之後,也許需要幾個月的時間來恢復正常視力。

魷魚的眼睛是「正確」連接的嗎?

有些進化論者(包括道金斯在《盲目的製錶匠》(The Blind Watchmaker) 一書中)宣稱,頭足綱的動物(包括魷魚和章魚)的眼睛不知道為什麼「正確」:「神經線位於視覺受體之後。他們以此反駁上面關於反向連接的必要性的論點。然而凡是真正花心思研究過頭足動物眼睛的人都不會昧著良心做這樣的宣稱。事實上,頭足動物的視力不如人,沒有色覺,而且章魚眼睛的結構跟人眼完全不一樣,要簡單得多,更像「單晶複眼」。無怪乎我們說「目光如鷹」,而不說「目若魷魚」,因為前者的確目光銳利,儘管所謂的「反向連接」。

光纖維板

PNAS 104(20):8287–8292, 2007年5月15日7365-mueller-cells
穆勒神經膠質細胞 (Müller cells)
就像光纖 (optical fibres)

以上解釋了為什麼脊椎動物的視網膜必須如此連接,然而萊比錫大學的科學家最近顯示,脊椎動物的眼睛有一個巧妙的結構,克服了將透明的神經置於感光受體前面(就是道金斯抱怨的「厚厚的一層電線」)可能帶來的輕微劣勢。2

穆勒神經膠質細胞 (Müller glial cells) 就像光纖 (optical fibres) 一般,收集光線並引導光線穿過神經網而到達受體細胞。每一個視錐細胞 (cone cell) 都有一個穆勒細胞將光線傳導給它,數個視杆細胞 (rods) 可以共用一個穆勒細胞。(譯者注:視錐和視杆是兩種感光受體細胞,視錐的優勢在於色覺和清晰度,所以其線路連接是一對一,視杆的優勢在於暗光敏銳度,所以有光線聚合)。

光學工程師使用光纖板 (fibre optic plate) 傳輸圖像,不需要透鏡,而且失真度小。穆勒細胞的功能與光纖板一模一樣,這些細胞甚至有折光率的正確變化,使「圖像以最小的失真度和最低信號損失傳過脊椎動物的視網膜。」2

其實,穆勒細胞比光導纖維更好,因為它是漏斗狀的,能為感光受體 (receptors) 收集更多的光線。穆勒細胞寬闊的入口完全覆蓋了視網膜表面,所以能最大限度地採集光線。

研究團隊的成員之一,安德拉斯·瑞肯巴赫 (Andreas Richenbach),評論道:

「大自然是如此地聰慧,這意味著眼睛裡有足夠的空間可以容納所有的神經元、突觸 (neurons and synapses) 等等,但是穆勒細胞仍然可以最大限度地採集和傳遞光線。」3

盲點

道金斯還抱怨:

「……還有更糟糕的。感光管朝後的一個後果就是攜帶資料的線路必須設法穿過視網膜返回腦內。在脊椎動物中的做法,就是把神經線全部集中到視網膜上的一個洞,潛透視網膜。充滿神經的洞被稱為盲點,因為確實不能感光,但「點」字太恭維了,因為它不小,更像盲片,然而它也並沒有給我們帶來多少不便,因為腦內有「自動Photoshop影像處理」軟體。但話又說回來,這不僅僅是低劣設計,而且是徹頭徹尾的白癡設計。
「是嗎?如果真是的話,眼睛看東西的能力一定很差勁,其實不然。眼睛實際上很好用。好是因為自然選擇,在最初視網膜被大錯特錯地顛倒安裝以後,自然選擇就像一把掃帚,掃出無數的細節,把它又變成了一台高品質精密儀器。」(第354-355頁)

再一次,道金斯表現出對再生感光管的需要毫不理解,不明白「反向連接」的必要性。他又讓人不禁疑惑,突變和自然選擇何以創造出複雜的軟體,因為軟體就意味著智慧編排(就如真正的Photoshop一樣)。我在《出於設計》第一章解釋了類似的程式設計問題:

信號處理

視網膜的另一個奇妙的設計是在將信號送往腦內以前就發生的信號處理。這發生在視網膜內的神經節細胞和感光受體細胞之間的層次裡。例如,一個被稱為邊緣提取的過程強化了對物體邊緣的知覺。生理學及生物醫學工程副教授約翰.斯蒂文斯 (John Stevens) 指出:「要用超級電腦科雷(Cray)來模擬你的眼睛裡每秒鐘發生許多次的一個過程,至少需要一百年的運算時間。」4視網膜的模式運算(analog computing)所需要的能量遠遠少於超級電腦的數碼運算,而且簡潔明快。再一次,眼睛從另一方面超越了任何人類科技。

事實上,對視網膜的研究表明,12種不同的神經節細胞向腦內發送12部不同的「電影」(對同一場景的不同描繪),讓腦來做最後的解釋。一部電影主要是描繪物體邊緣的線條圖,另外的電影主要涉及各個方向上的運動,還有的電影傳送有關明暗色調的資訊。至於腦是如何將這些電影整合成最終圖像的,依然是正在深入研究中的課題。一旦研究者搞明白了這一點,將有助於設計人工感光器,説明盲人重見光明。5

眼科專家彼得.格尼 (Peter Gurney) 對「顛倒的視網膜真的是『低劣設計』嗎?」這一問題給出了詳細的解答。6他在文中也提及盲點。他指出盲點僅占視野的0.25%,所以道金斯試圖稱之為盲片而非盲點的做法是誇大其詞。還有,盲點遠離視軸(偏15°),所以該區正常的敏感度僅僅是視軸上最敏感的中央凹部位的15%左右。因為人有兩隻眼睛,這就意味著有效地消除了盲點。所以所謂的缺陷只是理論上的,而非實際上的。即使只有一隻眼睛,盲點也不至於導致殘疾,一隻眼的人還是被允許開私家車的。獨眼最大的問題是缺少立體視覺。

道金斯自己編造的關於眼睛進化的故事

道金斯在早先的一本書《攀爬無望巔峰》(Climbing Mt Improbable) 中,引用了尼爾森 (Dan Nilsson)和佩爾格 (Susanne Pelger) 發表在在一篇廣為流傳的論文裡的電腦類比實驗。7這兩位科學家是受到了道金斯的啟發的。道金斯在「解釋」眼睛的起源時是從一個光敏點開始的,於是他們的模擬實驗從一個光敏層開始,前面有透明膜,後面有吸光層。然而這一假想的祖先一開始就將神經放在光敏點的後面,而不是像脊椎動物一樣放在前面。這個不怎麼樣的進化故事無法將視網膜後面的神經過渡到前面,並模擬出隨之而來的一系列複雜的協調變化。8

脊椎動物眼內的各個部件相互整合,共同形成視覺,對此道金斯根本提不出可行的解釋。因為自己沒有仔細研究就宣稱眼睛的設計不良,這不等於解釋了眼睛是如何進化出來的。


新發現:穆勒細胞增強了清晰度

在寫作《地球上最大的騙局?》時,人們普遍認為穆勒細胞的主要功能是導波管 (waveguides),使光線在傳導的時候不至於變形,以減輕感光受體靠近血供所帶來的劣勢。但是海法市以色列理工學院的研究人員拉賓 (Amichai Labin) 和利巴克 (Erez Ribak) 發現,穆勒細胞的作用遠不止於此。他們寫道:

「研究發現,視網膜是在設計上改善圖像清晰度的最佳結構。 ……神經膠質細胞的基本陣列是為保留人類視網膜對圖像的敏銳度而設計的最佳結構。 它對人類和其他物種的視覺品質起著至關重要的作用。」 9

原因之一是圖像可能會因「雜訊」(即在眼睛內多次反射而不是直接通過瞳孔而來的光線)而失真。 但是,穆勒細胞將直射光高效傳遞到視杆細胞和視錐細胞,並把雜訊洩漏出去。 這樣可以使圖像更清晰。

所有的透鏡,包括眼內的晶狀體,都有一個問題。因為它們基本上是面對面連接的棱鏡,所以傾向於將顏色分離, 這稱為色差。 昂貴的相機具有多個透鏡,試圖避免此問題。 但是,「穆勒細胞的寬頂允許他們「收集」任何分開的顏色,並將它們重新聚焦到同一個視錐細胞上,以確保圖像中的所有顏色都清晰可見。」10

此外,穆勒細胞被調諧到光譜的可見區間,將其他波長洩漏出去,從而將輻射和熱損害降至最低。

研究人員說:

「在這項研究中,通過使用不同的光波傳播方法,我們證明了視網膜內的光導是提高眼睛解析度和減少色差的有效且生物學上方便的方法。我們還發現,迄今為止被認為會導致失真的視網膜核層實際上改善了毗鄰感光受體的解耦,從而提高了視敏度。儘管這項研究是根據來自人類視網膜和眼睛的資料進行的,但大多數結果對於具有其他視網膜結構和不同光學器件的眼睛都是有效的。 結果也適用於更常見的無中央凹的眼睛。」

《新科學家》(New Scientist) 報導:

「2007年這篇論文2 的作者之一、劍橋大學神經物理學家克利斯蒂安.弗朗茲(Kristian Franze)說:『這表明,穆勒細胞的光耦合 (light-coupling) 對於我們所知的視覺形成過程是至關重要的事件。這項工作對我們的實驗資料是個很好的補充。』」10

此外,這種設計可能會啟發科學家複製它,這只是仿生技術的另一個例子:

「利巴克說,對穆勒細胞作用的新認識,可能會在更成功的眼部移植和更好的相機設計中找到應用。」10

進化論者頑固堅持愚蠢的論點

值得注意的是,凱特.麥克阿爾平(Kate McAlpine)在公開反對基督教的《新科學家》雜誌上撰文,她首先承認了《新科學家》將反向連接的視網膜列為進化過程中最大的「錯誤」之一,而後不得不承認:「這表面看起來是錯的,但是脊椎動物視網膜奇怪的「反向」結構實際上改善了視力。」

儘管如此,她還是不願意廢除一個已經失效的進化論論點:

「不過,羅德島普羅維登斯市布朗大學的生物學家肯尼斯.米勒 (Kenneth Miller) 警告說,這並不意味著視網膜朝後這件事本身就對視覺有好處。相反,它突顯了進化解決佈局缺陷的能力。米勒說:『穆勒細胞的形狀、方向和結構有助於克服視網膜反向連接所帶來的一個主要缺陷。』」10

米勒自稱是基督徒,但他的世界觀在所有的實際意義上與他所樂於結盟的狂熱無神論者是毫無區別的,他們聯合起來反對聖經的信仰者。他在2000年發表了《尋找達爾文的上帝》(Finding Darwin’s God),2008年發表了《不過是理論:進化與爭奪美國靈魂的爭戰》(Only a Theory: Evolution and the Battle for America’s Soul),參見反駁他的文章。他像道金斯一樣,既沒有眼科學(馬紹爾和格尼有)又沒有物理光學(我有)的資格。首先,他沒有論及視網膜之所以反向連接的重要原因;其次,他沒有說明為什麼反向連接仍然是一個拙劣設計,特別是考慮到新發現的導波管的優點。最後,考慮到研究人員認為這種「有缺陷的」佈局可能有助於改善相機設計,他的說法是荒謬的!

因此,這一發現釘死了理查.道金斯在《地球上最大的展覽》一書中使用的他最喜歡的進化的「證明」。但是從他的記錄來看,為了無神論的信仰,他不會而放棄自己的謬論。11 畢竟,其他研究人員早已根據對小斑馬魚眼睛的分析而得出了結論:「有證據表明,反向視網膜實際上是一種節省空間的絕佳方案,尤其小的眼睛。」 12

後續:對於批評這篇文章的反駁,包括反駁道金斯的無神論道友瑪律斯的批評

參考文獻及註解

  1. Marshall, G. (interviewee), An eye for creationCreation 18(4):20–21, 1996; creation.com/marshall. 回上一頁
  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; www.pnas.org/content/104/20/8287. 回上一頁
  3. Sheriff, L., Living optical fibres found in the eye: Moving light past all those synapses, The Register, 20007; www.theregister.co.uk/2007/05/01/eye_eye. 回上一頁
  4. Byte, April 1985. 回上一頁
  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 Amer. 296(4):54–61, 2007. 回上一頁
  6. Gurney, P., Is our ‘inverted’ retina really ‘bad design’? J. Creation 13(1):37–44, 1999; creation.com/retina. 回上一頁
  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. 回上一頁
  8. Sodera, V., One Small Speck to Man: The Evolution Myth, pp. 292–302, Vij Sodera Publications, Bognor Regis, UK, 2003; 作者是外科醫生。 回上一頁
  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. 回上一頁
  10. McAlpine, K., Evolution gave flawed eye better vision, New Scientist 206(2759), 8 May 2010. 回上一頁
  11. 我最早是在這篇文章中瞭解到這項關於眼睛的重大發現的:Can Darwin be rescued from a new eye discovery? Creation-Evolution Headlines, creationsafaris.com, 7 May 2010. 回上一頁
  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. 回上一頁

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