跨越两个世纪的发现
两百多年前，有位意大利医生兼军官兼物理学家兼博物学家对扇贝的眼睛产生了兴趣。这位叫做Giuseppe Saverio Poli的跨界人士，在他的两卷本巨著《西西里双壳类志与解剖学》中最早描绘纪录了扇贝眼的形态[1]。他发现，例如最常见的欧洲大扇贝（Pecten maximus），竟然有多达两百多只小眼，每颗直径只有1mm左右，环绕分布在壳缘的外套膜上。虽然做不到360°无死角，能覆盖大约250°的方位角也是很可观的。
自然环境中的欧洲大扇贝（Pecten maximus）。隐藏在壳缘外套膜触手中的那些小黑点便是它的眼，每只扇贝的外套膜上排列着约两百只眼。图片来源：Science | 摄影：Ceri Jones，Haven Diving Services
一只放大的扇贝的眼睛。图片来源：Science | 摄影：Benjamin Palmer
又过了一百年，又有几位生物学家详细研究了扇贝眼的组织结构。看上去扇贝与人类等大多数动物眼成像的基本原理是类似的：光线经由晶状体等结构折射，汇聚于视网膜上成像。接着，视网膜上的感光细胞将光信号转化为电信号，整合汇总后，经由视神经传递到大脑。科学家通常把这种眼称作“照相机眼”。
一百年前被认为是稀松平常的扇贝眼（上），与人类眼球及其简单成像原理（下）。图片来源：上图来自参考文献[2]｜编辑翻译：mendel；下图来自WikimediaCommons | 作者：Sunshineconnelly，翻译：mendel
不同寻常的发现出现在五十年前。后来成为英国皇家学会会士（相当于我们的中国科学院院士）的神经科学家Michael F. Land注意到，前人观察的扇贝眼内成像有一点异常。利用当时刚刚普及的透射电子显微镜（TEM）等成像手段，通过并在精确地测量与计算分析后，Land他得出结论——扇贝的眼并非依赖晶状体聚光，而是具有反射式成像能力的特殊的眼！扇贝眼睛的成像原理与反射式望远镜类似，都是靠一个凹面反射镜汇聚光线，在镜面的前方／上方成像。
Land利用透射电镜所拍摄的单个扇贝眼的横截面（sagittal section）。第一眼看上去，像是某独眼怪正笑咪咪地看着你……（编辑：据说作者已被洗脑）。托尔金《指环王》里描写邪恶的索伦之眼：“那只眼睛笼罩在火焰当中，本身也散发如同妖猫的黄色光芒，仔细地凝视一切，而在瞳孔的地方则是一个深洞，通向无尽的虚无。”然而自从看过扇贝眼的横截面电镜照片后，再看索伦之眼总有种萌化的错觉，眼下边也像是是咧开笑的大嘴巴，再无法直视［叹气扶额］。图片来源：电镜照片来自参考文献[2]；索伦之眼来自lotr.wikia.com | Ooberfish
Land发现，进入扇贝眼睛的光线，在经过晶状体较为微弱的汇聚后，并没有在视网膜上成像，而是先穿过视网膜，到达眼底的银膜层（argentea），凹面镜形状的银膜反射并汇聚光线，在银膜的上方形成像。Land同时注意到，扇贝的眼还有一个特殊之处：它们具有两层视网膜，靠近银膜的近端视网膜及其上方的远端视网膜。根据Land的测算，银膜凹面镜所成的物像应当投射在远端视网膜上，而近端视网膜的作用Land并不清楚。
扇贝眼睛的晶状体并没有太多折光性，光线由凹面的银膜层（argentea）反射汇聚，成像于上方接近远端视网膜的区域（图中没有画出近端视网膜）。扇贝有布满壳缘一排的200多只眼，大约也可以称作反射望远镜阵列了。来源：参考文献[3]
Land论文中绘制的扇贝眼的组织切面模式图（左），与银膜层的电镜放大照片（右）。左边这种带有古朴萌感卡通画风的（其实是既严谨又形象的）组织细胞图，如今只在课本中才能见到了。注意左图中两层视网膜；右图中那些空白，本应充满鸟嘌呤晶体，而由于电镜切片制备方法的局限，晶体被溶解和漂洗掉之后形成空洞状的假象。图片来源：左图来自参考文献[4]，右图来自参考文献[3]｜编辑翻译：mendel
成像的核心机制应该就在银膜上。Land及其同事进一步的研究发现，银膜主要由一种常见的代谢产物鸟嘌呤（DNA的四种碱基之一）的片状晶体多层堆叠而成，层与层之间由细胞质隔开，晶体与细胞质的界面形成反光镜。实验测得，整个系统的反光效率相当高，这具体是怎样实现的，以及整个精密光学系统如何工作，首先有待于对晶体镜面微观及宏观结构的分析。然而当时存在一个致命的技术局限：电镜技术中在制备组织样品时，需要经历脱水和漂洗等步骤，鸟嘌呤的晶体及周围的细胞质都经不起折腾，前者直接溶解消失，后者结构也遭破坏，无法直接观测。
要想细推晶体镜片精妙之物理，还需再等几十年。一项崭新的“高保真”显微成像技术将横空出世；信息时代的到来，计算模拟与分析手段也将应用于生物光学的研究。
结构、功能与演化：一个生物反射望远镜的诞生
今年的诺贝尔化学奖，颁给研究发展了冷冻电镜技术(cryo - EM)的三位科学家。这项技术的一个基本出发点，就是为了跳出普通电镜技术局限及所带来的假象，尽可能真实地展现生物大分子在接近体内正常生理条件下，或者说溶液环境中的结构及动态。实现的方法，是利用超低温瞬间冰冻：于是生命仿佛也在瞬间凝固其中，而后科学家再像雕刻家一般，将生命的信息从中剥离出来。
2017年诺贝尔化学奖颁发给给瑞士UNIL的Jacques Dubochet, 哥伦比亚大学的Joachim Frank和剑桥大学MRC实验室的Richard Henderson，以表彰他们“研制并发展了冷冻电镜技术，实现溶液环境下生物分子结构的高分辨率成像”。这一技术如今最火最高产的应用领域，是测定蛋白质尤其是特别复杂的蛋白复合体的高分辨率三维结构。图片来源：nobelprize.org
而这，也正是观察银膜晶体镜面精密结构所需要的技术！
某种意义上的水到渠成。以色列Weizmann研究所Lia Addadi教授所领导的研究小组，利用这一成像技术，及其它测量与分析手段，系统地研究了扇贝眼睛的光学特性。研究成果发表在最近的《科学》（Science）杂志上。
在获得晶体镜片层的冷冻扫描电镜（cryo-SEM）高清图片后，Addadi和同事们的第一个重要发现是：银膜原来是由正方形的鸟嘌呤晶体规则地密铺镶嵌形成的一个镜面！而这样的镜面有20-30层之多。鸟嘌呤的天然晶体并不该是正方形薄片，所以显然，这里有一股“神秘的力量”在“对抗自然”——鸟嘌呤的天然晶体并不该是正方形薄片，所以，可以想见，在扇贝发育的过程中，一定有特定基因和相关生理过程极其精密地调控着单片晶体的构型，以及多达几十层规则的密铺结构的形成，让扇贝眼睛的结构看起来就像是一个密铺式的拼合镜面。
冷冻扫描电镜下，银膜晶体的多层正方密铺结构。在欧氏几何中，用一种正多边形无缝铺满一个表面（术语叫tessellation，密铺），可能性只有三种：正三角形，正方形，或正六边形。自然和生活中，密铺镶嵌常见：从蜂巢到瓷砖，以及各种建筑和艺术装饰等。图片来源：参考文献[5]｜编辑翻译：mendel
密铺式的结构有着光学上的优越性，许多大型的反射望远镜也采用密铺式的拼合镜面（segmented mirror）。密铺镶嵌式的晶体镜片，可以使得因晶体表面瑕疵而带来的光散最小化，同时也减少光线在镜片中传递时的损耗。
许多大型的反射望远镜也采用密铺式的拼合镜面（segmented mirror），比如正在筹建的30米望远镜（Thirty Meter Telescope，TMT），它的镜面就是由许多六边形的“瓦”拼合起来的。图片来源：tmt.org | TMT International Observatory
欧洲核子研究中心CERN的MAGIC（Major Atmospheric Gamma-Ray Imaging Cherenkov）Gamma射线望远镜，镜片单元是正方形。图片来源：cerncourier.com｜T. Pritchard
为什么需要二三十层镜面摞起来呢？想理解这背后的原理，我们需要来跟Land爷爷学习／复习一点高中的几何光学知识：薄膜干涉增反。光从一种低折射率介质层进入到高折射率的薄膜时（比如从空气到玻璃，或者在银膜中从胞质到鸟嘌呤晶体），薄膜的上下表面会同时反射光线。由于光是一种周期性的波，两个界面的反射光可能相互叠加而增加强度，这叫干涉相长；或着相互抵消而强度变弱，这叫干涉相消。出现哪种情况取决于两束光的相位差或者说光程差。
简单地说，当薄膜厚度是入射光波长λ的1/4时，干涉相长达到最佳，反射光最强，薄膜的反射效率可以达到同样单介面的四倍。如果再把很多薄膜叠加起来（每层之间夹着低折射率介质），可以进一步提高反射效率。在理想情况下，只需要7层薄膜，反射率就可以达到一面银镜的水平（96.6%），继续增加薄膜层数甚至可以达到99%。这也正是扇贝眼所采用的策略：银膜中的晶体镜片多达20-30层。
把很多层薄膜叠加起来，可以进一步提高整个系统的反射效率。图片来源：参考文献[3]
在扇贝眼睛的银膜里，低折射率的胞质与高折射率的晶体薄片就形成了一个薄膜干涉系统，在面对特定光波时就会发生相长干涉，有效地增加反射效率。在测量了晶体与介质的平均厚度后，通过建模分析，Adaddi和她的同事们发现，对于该系统，反射率最高的光，是波长在500纳米左右的蓝绿光。这一模拟与实际测量结果相符，同时也与扇贝视网膜感光细胞的最大吸收波段相吻合。这可以看作是一种演化上的“趋光性”，因为在扇贝通常生活的水深环境中，可见光范围内蓝绿光是最强的——扇贝的眼睛“正好”能最高效地利用这些光。
不同波长的光下模拟（黑色实线）与实际测得（黑色虚线）的反射率，以及在扇贝的生境（20米深的海水，蓝色实线）中测得的辐照度在不同波长的分布。可见峰值都集中在500纳米附近的蓝绿光波段。图片来源：参考文献［5］｜翻译：mendel
最后，利用微型X光计算成像（micro-CT）技术，Adaddi和同事们重建了整个凹面反射镜的形态，而后进行了光学模拟，又得到了一个重要的发现——扇贝眼睛里的“反射镜面”并不是曲率固定的半球面或椭圆面，它的曲率会随位置的不同而变化。这样一个复杂的三维构造带来一个有趣的成像效果——上半视野的景象主要投射在上层的远端视网膜上，而下半视野的景像则在下层的近端视网膜上更为清晰，所以两层视网膜都会用到。新发现解释了Land等人当年的疑惑。
之前还有研究表明[7]，远端视网膜细胞对运动特征更敏感，而近端视网膜感光性更佳，尤其是在暗环境中，这很可能是一种功能上的分工。有趣的是，这一分工与包括人在内的哺乳动物视网膜上视锥细胞与杆细胞的功能相呼应。进化史相差这么远的两类生物，起源相对独立的两种眼，却不约而同地采取类似的神经感知策略，趋同进化的那只“看不见的手”，又在发挥它神奇的力量了。
微型X光计算成像（micro-CT）技术重建的扇贝眼的形态及模拟的光路。下边那一“片”（右下图中绿色部分）即是银膜反光镜。图片来源：参考文献[5]
除了扇贝，在某些甲壳类浮游动物和深海鱼类中也发现了类似的反射式成像的眼[6]。研究这样一个性能极佳的生物光学系统，无疑会对我们未来设计新型光学元件提供许多灵感与启示。而一个小小扇贝眼睛成像机理的发现过程，也反映着技术进步的历史。
“科学的进步，依赖于新技术、新发现与新想法，而且很可能依此顺序出现。”（Progress in science depends on new techniques, new discoveries and new ideas, probably in that order.）这是分子生物学革命的先驱、生物学大师西德尼·布伦纳（Sydney Brenner）的一句话。一个小小的扇贝眼睛成像机理的发现过程，也在反映着技术进步所照亮的未知：诸如各种显微成像和天文探测技术的发明，都在为人类打开通往更精密更遥远的世界的大门，延伸着人类看待自然和宇宙的眼睛。（编辑：明天）
参考文献：
- Poli, G.S. (1795) Testacea utriusque Siciliae eorumque historia et anatome. Tabulis aeneis illustrata. Parma, volume 2.
- Poli有关软体动物的著作共三卷本（第三卷与学生Stefano Delle Chiaie合著），前两卷关注于两壳纲。
- Land, M. F. (1965). Image formation by a concave reflector in the eye of the scallop, Pecten maximus. The Journal of physiology, 179(1), 138-153.
- Land, M. F. (1966). A multilayer interference reflector in the eye of the scallop, Pecten maximus. Journal of Experimental Biology, 45(3), 433-447.
- Barber, V. C., Evans, E. M., & Land, M. F. (1967). The fine structure of the eye of the mollusc Pecten maximus. Cell and Tissue Research, 76(3), 295-312.
- Palmer, B. A. et al. (2017) The image-forming mirror in the eye of the scallop. Science, 358(6367), 1172-75
- Partridge, J. C. et al. (2014). Reflecting optics in the diverticular eye of a deep-sea barreleye fish (Rhynchohyalus natalensis). Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences, 281(1782), 20133223.
- McReynolds, J. S., & Gorman, A. L. F. (1970). Membrane conductances and spectral sensitivities of Pecten photoreceptors. The Journal of general physiology, 56(3), 392-406.