自然界最快！0.000000000001秒之内，科学家首次看清“看见”的一瞬间

此时此刻，当你看着这篇文章的时候，你的眼睛里正在不断发生着一个堪称自然界最快的分子变化：光线到达视网膜的一瞬间，感光细胞上的光受体吸收到光子的能量后迅速发生变化，将光信号转换为电信号。这些信号传向大脑，让你产生一种感觉：看见了。

在顶尖学术期刊《自然》新近发表的一篇研究论文中，科学家首次破译了人眼感知光线的第一步：光受体——视紫红质（rhodopsin）吸收光子的变化过程。这个分子变化仅仅需要1皮秒就会发生，也就是万亿分之一秒（10^-12秒）！

包括人类在内，每一种有视觉的脊椎动物都依靠视紫红质才能看见。概括来说，视紫红质是这么起作用的：它横跨在感光细胞的细胞膜上，由一个视蛋白（opsin）与一个色素分子（视黄醛）共同组成，两者像一对最亲密的搭档，紧紧拥抱在一起；光线到达视网膜时，视黄醛吸收单个光子的能量，迅速扭转形状；而视黄醛的扭曲迫使抱着它的视蛋白也跟着改变形状，并引发一连串化学连锁反应。于是，视紫红质从黑暗环境中的“视觉关闭”状态激活为暴露于光线的“视觉打开”状态，启动细胞内的信号转导过程。

▲跨膜受体视紫红质由视蛋白与视黄醛（retinal）共同组成；吸收光子能量后，视黄醛在皮秒内发生扭曲（图片来源：参考资料[2]）

视黄醛在吸收光子前后，从原来的形式（称为11-顺式异构体）扭转为另一种形式（称为全反式异构体）。用Valérie Panneels博士的话说，视黄醛的构象变化“好比一只猫从树上摔下来，能快速翻转身体，使自己安安稳稳地四脚落地”。

而Valérie Panneels博士与她在瑞士保罗谢尔研究所（Paul Scherrer Institute）的同事们，要做的事情就是拍摄这只“视黄醛猫”在下落过程中发生了什么。

但要看清这个过程比用相机对准下落的猫更困难。事实上科学家们已经尝试了几十年，未曾直接观察到过这种变化的发生过程。

此次，科学家们在技术方法上做出突破，首先开发了一种方法从牛的视网膜中分离出视紫红质，并在特殊的粘性介质中制备出高质量的蛋白晶体。然后，借助于超高速的X射线自由电子激光装置，用超短脉冲在室温下对蛋白质晶体进行记录和分析，最终首次准确定格了视觉感知过程中第一个万亿分之一秒发生的事情。

▲Valérie Panneels博士在纯化视紫红质蛋白（图片来源：参考资料[2]；Credit：Scanderbeg Sauer Photography）

研究人员观察到，视紫红质吸收光能后1皮秒，视黄醛就已开始扭曲。它最先扭动“身体”中间，此时它的两端仍然通过化学键与视蛋白相连，但中间减少了与周围氨基酸残基相互“拉扯”的力量，于是有了旋转的空间。结构扰动随后辐射出去，按照Panneels博士的描述，这个过程就像我们呼吸时胸腔会短暂地扩张又回缩胸部，类似的，视紫红质也在吸收光能后迅速做了一次“呼吸”，让视黄醛在有限的空间里扭转为更细长的形式。

“这项研究揭示了脊椎动物视觉启动的第一阶段。”论文最后总结说。现在，我们真正看见了我们是如何开始看见的。