可见光（visible light）指的是电磁波的一部分。电磁波根据其波长不同可以划分为不同波段，一般而言波长在 380 ~ 700 nm 之间的波段被称为可见光，因为这一波段的电磁波可以被人类的眼睛以光的形式接收。不同人类个体接收可见光的波长范围可能略有差异，但基本上在上述波长范围附近。

那么，为什么可见光是 “可见” 光？（Why the visible light is visible?）换句话说，为什么这一波段的电磁波就可以被人眼 “看见”？

视觉的分子机制

对于上述问题的最直接答案是视觉的分子机制。人眼的结构类似于一架高精度的照相机，光线穿过透明的角膜（cornea）和虹膜（iris）包围的瞳孔（pupil），经过晶状体（lens）的折射在视网膜（retina）上形成空间分布的像。而视网膜上则分布着主要检测光强度的视杆细胞（rod cell）和主要检测颜色的视锥细胞（cone cell），它们是视觉形成的细胞基础。

人眼的结构

视杆细胞与视锥细胞对光的响应程度虽然略有差异，但它们发生光响应的机制都是类似的。以视杆细胞上的视紫红质（rhodopsin）为例，它由一个细胞膜上的七次跨膜蛋白（视蛋白，opsin）和视黄醛（retinal）辅基组成。视蛋白是 G 蛋白偶联受体（GPCR）的一种，视黄醛辅基以共价键结合在其第七个跨膜 α螺旋片段的赖氨酸残基上。

视黄醛分子是由维生素 A 氧化而来的，一个维生素 A 分子氧化得到一个视黄醛。视黄醛具有两种构型：全反式（All-trans）和 11 位顺式（11-cis），正常与视蛋白结合的是 11 位顺式构型。恰巧在可见光（对视紫红质而言是波长 500 nm 左右的电磁波）照射下，11 位顺式构型可以转变为全反式构型，从而导致视黄醛辅基从视蛋白上脱离。辅基的脱离造成视紫红质构象变化，经过信号转导导致细胞膜内外离子电位发生变化，产生神经电信号。这一信号经过视神经传入大脑，就使得我们产生了视觉。

视紫红质的结构（a）和视黄醛分子的光敏异构反应（b）

因此，从视觉的分子机制出发，我们可以这么回答：正由于视黄醛分子的构型转变反应恰好响应了可见光波段的电磁波，这才导致这一波段的电磁波能被我们 “看见”。

但是，这随之带来另一个问题：为什么视觉产生要依赖视黄醛分子呢？如果换成别的分子，不就可能在别的电磁波段发生视觉响应了吗？

视觉的进化历程

要回答这个问题，需要了解生物视觉的进化过程。植物一般而言是没有视觉的，但具有光敏性，最重要的植物光敏性质是光合作用，并可观测到某些植物（如向日葵）的趋光性。

与之不同的是，绝大多数动物都具有或高或低的视觉。最原始的动物视觉器官可能是草履虫的眼点（eyespot），位于草履虫鞭毛根部的一侧，只对可见光的强弱有着感知能力。由于草履虫是单细胞生物，这个眼点实际上只是一簇分布集中的光敏蛋白区域，还不能称之为一个结构完备的视觉器官。

多细胞生物产生后，眼的多样性随之发展起来。大自然中可见形态各异、功能不同的眼，例如无脊椎动物中蚯蚓的单细胞眼、水母的盆眼、蜗牛的泡眼、昆虫的复眼以及脊椎动物和少数无脊椎动物（如章鱼）所共有的透镜眼等。对这些千奇百怪的眼的进化，生物学家曾经的观点是经过了多次独立进化起源。但近来分子进化的研究发现，所有动物的眼睛发育都受到 Pax 6 基因家族的控制，并且 Pax 6 是一个高度同源保守的基因家族。这就更倾向于说明，眼的进化是单源的。

如果眼的进化是单源的，眼中最关键的分子结构——光敏分子也应当是单源的。事实上，除了一些进化树上较为原始的生物使用黄素等分子作为光敏分子外，绝大多数动物都使用了七次跨膜蛋白和视黄醛类分子作为感光元件。而视黄醛分子是维生素 A 的部分氧化产物，又可由植物中广泛存在的天然色素——β-胡萝卜素氧化得到，来源和代谢路径明确，被生物进化选中作为光敏分子也在情理之中。

不过，上面的分析只说明了进化选择视黄醛分子的充分性，但还没有回答其必要性，是不是只有视黄醛分子才能完成光敏职能呢？

大自然的选择

我们换个思路来想问题：如果我们来做上帝，我们会选择什么样的分子、响应什么波段的电磁波？

全波长范围的电磁波谱

从电磁波谱的角度来看，首先应当排除的是波长最短的伽马射线（Gamma ray）和高能 X 射线（X ray），因为它们能量太高，很快就会导致分子电离、分解甚至激发原子核。

深紫外（deep Ultraviolet）和软 X 射线激发的电子能级一般是内层电子或高能电子，这种激发得到的分子高能态很不稳定，在常温下的水溶液或空气中都难以保证信息的有效传递。

红外（Infrared）与微波（Microwave）频段的电磁波主要与分子的振动、转动和平动相耦合，而这些运动主要以随机热运动形式存在，很难实现信息的准确表达。

更长波长的中波、长波（Radio）的运动尺度超过了单个分子能够接收的尺度，更不适合以细胞为基础的生物选择。不过，人类倒是利用这一波段（包括微波）开发出各种电磁通讯工具，如收音机、无线电话和电视等，但这些工具的基础是集成电路，而非光敏分子。

这样考察的结果，如果细胞一定要采取分子层面上的光敏机制对电磁波进行响应，那么最合适的波段可能就是现在的可见光波段。这一波段在分子运动中相当于电子光谱的外层电子激发能量，与分子中化学键的能量高低大致相当而略低，既不至于损伤一般较为稳定的化学键（尤其是作为生命体基础的 C-C、C-H、C=O、C-N 等化学键），又可以使得一些 “动态” 化学键（例如视黄醛中具有顺反异构的 11 位双键）发生光响应，并实现信息的有效传递。

另一方面，我们来考察一下生物所处环境中的电磁辐射情况。地球上最主要的电磁辐射来自于太阳，地球内部的放射性衰变和宇宙空间的射线相对于太阳的电磁辐射来说可以忽略。太阳辐射可以近似视为黑体辐射，辐射的光谱和强度分布受到太阳表面温度的控制。观测到的太阳光谱说明，太阳表面温度约为 5250℃，到达地球大气层外侧时光谱峰值位于可见光范围内。

太阳辐射光谱。黄色为大气层顶层的光谱，红色为海平面处的光谱，实线为绝对黑体在 5250℃ 时的光谱

大气层中的气体分子（包括氮气、氧气、水蒸气、二氧化碳等）在红外区段有明显的吸收，但对于可见光区的吸收不明显，这使得到达地面时，太阳辐射光谱的强度峰值仍分布在可见光区。生命起源于大海，海水能够透过的光谱范围对感光波段的进化也有着重要的影响。巧合的是，液态水恰恰在大约 800 nm 处有着吸收极小值，而对深紫外和红外都有强烈吸收，可见光波段在水中几乎是完全透明的。

水的全波段吸收光谱，彩色示出可见光波段 综合两方面的因素，无论是从生物分子自身的结构还是地球自然条件角度进行分析，对于以细胞为基础的生命系统，要引入对电磁辐射的响应分子，一定要求这样的分子响应的是可见光波段。即使这种分子不是视黄醛分子，也应当是其它具有类似性质的分子或分子体系。 话到此间，似乎已经无法再问。因为再问下去，就要问到这样一个终极问题上了：为什么地球这样的环境一定要产生以细胞为基础的生物呢？ 因为可见，所以可见：人择原理