[科普中国]-“超级视力”来了，经过改造的小鼠可裸眼看见红外线

在这个地球上，能感知到红外线的动物并不多。其中有我们熟知的蛇，蛇类蝮亚科都具有红外感受器，大多数蟒科的动物也有。这些蛇在鼻孔与眼之间的颊部每边都有一个非常明显的颊窝，正是它让蛇感受到了红外线，然后将感受到的红外线信号传到大脑的视觉中心，使之可视化。一些鱼也能看到，比如鲤鱼、罗非鱼和鲑鱼，这里稍微提一下，鲑鱼是只有洄游到淡水里繁殖的时候，眼球内会发生一系列的化学变化，才能看到红外线。牛蛙也能看到红外线，不过只限于眼球的下层视网膜中。而哺乳动物是看不到红外线的，比如我们人类就看不到红外线。人类能看到的电磁波辐射范围一般在390纳米~700纳米之间，被称为可见光，而红外线的波长在760纳米~1毫米之间，紧邻可见光的长波段。人眼为何看不见红外线？和感光细胞有关人眼虽然是一个复杂的光学系统，在动物界已经足够优秀了，但还是存在着一定程度的光学缺陷。具体而言，在可见光波段，人眼的视觉质量同时受视网膜的细胞结构和衍射极限的限制。光的波长越短，它在眼内介质中折射率越高；波长越长，则折射率越小。对于正视眼，一般波长为555纳米的光线很好的聚焦在视网膜上，而短波段的焦点于视网膜前，长波段焦点于视网膜之后。这使得人眼对555纳米波长的绿光最敏感，对波长更短的紫光和波长更长的红光，则敏感性降低。当这些光照在人的视网膜上，其光子能量会引起感光细胞内的分子结构变化，从而形成电脉冲（视神经信号），并被传送至大脑、产生视觉。那么，在非可见光波段，又是怎样的呢？是因为光线无法照射到视网膜上吗？其实，波长在760纳米~1厘米之间的红外线，是可以照射到视网膜上的。人眼看不见它，主要与视网膜上的感光细胞的性质有关。感光细胞的分子构成决定了它只能接收某个能量范围内（可见光）的光子信号。红外线由于光子能量过低，无法让感光细胞产生有效的电信号，也就不会产生视神经信号，也就是说看不到红外线。那有没有什么办法能让哺乳动物看见红外线呢？答案是肯定的。纳米颗粒，给眼睛装上“小型红外探测器”不知道大家还记不记得高中学过的一个公式：E=hc/λ，λ为波长，E为（光子）能量，h为普朗克常量，c为光速，也就是说波长越长，能量越小。红外线的波长大于可见光的波长，因此其能量小于可见光。如果让红外线的能量变大一些，是不是就能看到了呢？事实的确如此。中国科学技术大学的科学家与美国马萨诸塞州州立大学的研究组合作，利用这一原理进行了一项试验，首次实现了小鼠（哺乳动物）裸眼红外光感知和红外图像视觉能力。当然，实验方法远比一个公式要难：他们给小鼠的眼睛注射了一种由稀土金属构成的纳米材料，这种材料可以长期维持在激发态。什么是激发态呢？一般来说，激发态是指一个系统中任意一个比基态（最低能量态）具有更高能量的量子态，也就是说，它具有比系统所具最低能量更高的能量。处于基态的电子在吸收能量（例如光子）后会短暂跃迁至激发态，随即迅速落回低能态，并释放出能量（光子）。因此，处于激发态的系统都是不稳定的，只能维持很短的时间，就是一瞬间。更具体地说，短至十亿分之一秒。但是对稀土金属而言，这个激发态可以持续百万分之一秒甚或千分之一秒。虽然看上去也很短，但已经足够让它的电子在被激发（吸收红外光子）到某个高能态之后，再次吸收能量跃迁至更高的能态，并且一直持续下去，直到“攒够”足够的能量，一次性回落到基态，释放出一个高能量的光子。当科学家把铒和镱和ConA（一种从刀豆中提取的蛋白）一同制备成纳米颗粒注射入小鼠眼内，这种蛋白质可以帮助纳米颗粒附着在视网膜的感光细胞上。注射后，它们会在视网膜上细胞上形成一层均匀而持久的膜。纳米材料在吸收波长在980纳米附近的红外光线后，会将之转换为绿光，小鼠就可以看到了。这类似于在小鼠的眼睛里植入了数以千计的小型红外探测器。当科学家将这种材料注射进老鼠的眼睛后，用红外线照射它们的眼睛，发现它们的瞳孔缩小了，——这是一种下意识的缩瞳反应，表明它们可以看到红外线。接下来，科学家将试验老鼠放入两个相连的盒子，一个是黑暗的，一点光也没有，另一个则处在红外线之中。没有做过试验改造的小鼠，在正常情况下是不能分辨两个盒子的不同的，因为都是黑漆漆的。但对于做了改造的小鼠来说，处于红外线照射下的盒子就是明亮的，而且亮的可怕。因为小鼠惧怕这些光线，所以它们大部分时间都会呆在没有红外线的“黑池子”里。接下来科学家又做了另一个实验，他们将改造过的小鼠放到一个池子中，在这个池子里有一个隐藏的平台，除非小鼠能找到这个隐藏平台，否则就会沉入水中。小鼠想要活命，就得朝有信号的平台处移动。而这个信号源正是红外线。不出意料，实验结果中只有被改造的小鼠识别出了信号，跑到了隐藏平台上。这两个试验都证明了科学家改造小鼠成功了，他们让小鼠看到了红外线。所以，看到红外线到底有什么用呢？夜视眼或将成为可能你一定会想，如果人类也能够看到红外线，岂不是超厉害，成为超人了？没错。怎么说呢？因为这样你就相当于装了一个热成像仪在眼睛里，你所看到的物体颜色是随着温度而改变的，物体温度越高，发出的光越明亮、越鲜艳。由于任何只要在绝对零度之上的物体都会散发热量，会辐射红外线，不会随着时间而改变，因此你不会再有黑漆漆的夜晚，一切都是可以看到的。但也不见得太好，因为你眼中的世界将会变成另一种世界，比如温度太高的物体甚至会亮瞎你的眼，你有可能甚至不能直视火锅了，而那些没有温度的无机物，诸如湖泊，红墙，都会变得暗淡无光。当然前面说的这些只是该研究领域的一个应用的可能性，就现在而言，这项技术更有可能用于医学上，比如可以用来帮助激发光敏药物，对可见光无法轻易到达的地方产生治疗效果。作者 | 苏澄宇 科普作家审稿 | 高佩雯 中科院物理所博士文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国