从颜色到字符，我们如何标记世界

2020-11-07 20:36 作者:脑人言 0人读过 | 我要投稿

撰文丨刘子扣（墨尔本大学细胞信号学博士）

责编丨赵钰茜

排版丨毛毛

做实验时常需要标记大量的样品试管，一些实验室会采取两层标记方式：一层记录细节的编码符号，对应样品的一系列信息；另一层是将一批或者一类样品统一贴上某种颜色的标签，方便统一存放和管理。这样的标记系统虽然操作些许繁复，但相对于单一标记有着显著的优越性。但为什么用颜色管理大批量信息，而用字符指示细节信息？这个显而易见的现象，实质上是视觉信息经过大脑不同通路加工的结果。让我们一起来看看大脑如何利用颜色与字符来标识信息吧。

首先论及颜色。太阳光可以被三棱镜散射成七色彩虹，也就是常说的可见光光谱。其对应的电磁波波谱宽度大概在360nm（紫）到830nm（红）之间。然而电磁波谱的波长范围从伽马射线的fm到无线电的km，跨越了18个数量级，可见光在其中的占比微乎其微。在大气层中的，氧和氮吸收了紫外辐射，水蒸气和二氧化碳吸收了红外区间辐射，可见光附近区段就成了地球陆生生物主要接收和适应的电磁波信号[1-3]。在这个狭窄的可见光辐射区段内，利用自然物质对不同频率光的吸收和反射能力的区别，通过视觉分辨不同材料的不同直观性状成就了自然界各生物以至于人类对颜色的感知。

色觉是进化而来的一个被动技能。哺乳动物的祖先作为小型夜行动物时，夜间视觉是赖以生存的工具，对光线强弱变化敏感的视杆细胞在这个阶段非常重要。随着进化，哺乳动物日间活动逐渐增多，普遍明亮的环境使得对“光强敏感”的重要性逐渐下降，区分不同频率的光（代表不同颜色）显得更为重要，而对“光频率敏感”的视锥细胞能给生物提供更多的信息，从而具有更强的生存优势。原始的对蓝光和绿光敏感的两种视锥细胞将光信号简单区分成“长波长”和“短波长”。为迅速识别成熟的果实，对应于植物果实成熟过程中叶绿素逐渐褪去，花青素和β-胡萝卜素比例逐渐增加地过程，灵长类动物适应性进化了出第三种对“红色”敏感地视锥细胞[4]。而更神奇的是，人类大脑可以将三种视锥细胞接收到的光频率信号强度按照比例调配起来形成更多色觉。这就使得眼睛看到黄色光（570~585nm）的效果和看到一定比例的红光（625~740nm）加上绿光（500~565nm）混合的效果相同。就好像把一张“方片J”和一张“黑桃K”当作“一对Q”出牌一样。

“注意”可以由“差别”迅速定位，从而读取和判断特征信息。因此，相对于单纯依靠轮廓和特征形状区分不同事物，事物的颜色因为区别于环境而更易于察觉和分辨。色觉可以增加我们标记和识别世界的信息维度，致使在判断一些外形相差不大的事物时，灵长类动物可以根据颜色建立更细致的标记，获得竞争优势。同样都是树叶，绿色的树叶代表水源充足，适宜栖息，而枯黄色则反映出干旱贫瘠的特征。再如看到不同的蘑菇时，菌盖上鲜艳的颜色警告想要采食的动物有毒危险、不能食用，不那么吸引人的灰白色蘑菇则可能食用起来更安全一些。环境地形、食物毒物以及天敌同伴等信息被各种颜色标记，构成了我们看到的色彩斑斓的世界。

然而，为什么可见光谱仅仅被分作七份，而没有更加丰富的颜色系统来标记世界呢？看到更多的颜色难道不会更好地分辨更多类别的事物么？实际上，这是由于大脑读取信息的效率有限，人的短时记忆只能容纳五到七个项目[5]，同时注入更多信息反而会降低由“差别”带来的“注意”集中。以下这个小实验就可以很好解释这个问题：下图展示了几个方块，被依次分为一到六个不同的色块，经过九十度旋转后，要求观测者辨别上一行和下一行是否为同一个物体。如果以色块顺序结构定义物体特征，旋转之后此特征不会发生改变。从图A中不难发现，颜色种类越多，在辨别颜色上花费的时间就会越长。图B就是一个鲜明的例子，它依靠有限数量的颜色种类，以不同结构标记，使得在较短的时间内就能做出判断。我们标记这个世界中的具体事物，并不需要太多颜色。四周环顾，会发现保持注意点不动的情况下，视野中同时关注的颜色很难超过五种（除去黑白），显然七种色觉足以供我们获得环境信息了。

为了适应文明产生后的信息爆炸，人类创造字符，并在灵长类进化出色觉系统之后再一次再一次演化出视觉信息用于识别和标记世界的维度。字符的形状来源于视觉对于形状的抽象。以最广泛使用的英文字母为例，虽然现在英文的横向拼写很难看出其原始的象形意味，但字母的起源很多情况下其实都是象形的，比如“C”来自于驼峰，“A”象征着牛头，而“M”是水的波纹。同样，汉字六书象形为首，到如今诸如“日”、“山”、“马”这些方块字都可以看出当初造字时描绘事物的思维方式。单个象形符号所表达的可见事物对应的名词，按照一定结构摆放的组合可以表达更加丰富的含义，这也是文明发展中信息量不断增加的表现。比如“月”所代表的“肉”，放在台子上就成了神吃的“祭”，放在烤架上就成了人吃的“肴”。在英文里“c_r”表示的“肉体”，通过“sa”神化，就成了“sacrify”（牺牲），而如果加上“niv”（咬），就成了“carnival”（食肉的）。由于英文是线性符号而汉字是方块字，汉字所特有的“方位性”使得字符结构有了表达更多含义的可能，比如“甲”，“由”和“申”，中间的“田”都是表示一种带有内部特征的容器，不同方位的突出则表示了不同的含义。

不同于色觉建立在视锥细胞这样的生理硬件上，理解和运用抽象字符的能力依赖于条件反射这样的“软件安装”，也就是学习主动技能的过程。由单一笔划构成的复杂字符形成的视觉刺激，进入大脑往往会脱离笔划的象形意味。这个刺激首先产生的不会是一个具体的视觉形象，而会是一系列抽象联想。比如见到“蓝”这个字，脑子里不一定能够立刻显现出一种具体的蓝色，反而会更快地联想到“lan”这个发音，以及“蓝天”，“篮”，“兰”，“海洋”，“水”等一系列发散概念。更多的连续信息可以把这种联想约束得更为具体，比如“两头在水中畅游的蓝鲸”，句子明确了“蓝”存在的语境（即使我们仍然很可能没有在脑海里浮现出蓝鲸的具体形象）。这种信息“抽象—再约束”的过程，通过学习和反复使用变得熟练而迅速，最后形成固化的经验，甚至可以通过经验去纠正直接读取的信息，比如看到打乱顺序的“在两头水中蓝鲸的畅游”也能立刻明白要说的是什么。读取符号信息的效率取决于条件反射的熟练度，越是常见的符号和其组合，越是迅速地完成“抽象——语境约束”这个过程。

字符的复杂和色彩的缤纷都是信息“量”的体现，而二者的结合实现了信息“维度”的立体化，使信息阅读者在第一时间可以获得更多信息以引起多种刺激。比如看到“危险”二字，并不会让人肾上腺素升高，心跳加快，脚底出汗。只有调用了大脑中对“危险”的经验并且进行联想回顾“恐惧”、“伤害”、“血液”、“死亡”等周围概念的时候，才会引起心中略微的不安。这样的经验调用也许比一个加粗的红色字体“危险”所提供的信息效率慢得多。这也是因为在色彩的原始定义中红色本来就与“血液”，“毒物”和“伤害”等感受相关联，如果改用绿色的“危险”则或许不会引起那么明显反应。与之对应的，“安全”相比于“安全”也可能会更加让人放心一些，毕竟绿色本来就是无害的环境色。

当颜色与字符的抽象意味一致时，颜色可以加强直观感受的传达，而当二者冲突时，也会互相产生干扰。经典的Stroop颜色字符测试就阐述了这个现象[6]。测试中，被试者需要读出字符书写的颜色，而不是字符本身含义代表的颜色。实验结果显示，如果书写颜色与字符含义相冲突，比如绿色的“红”或者蓝色的“黄”，人们会倾向于读出字符含义代表的颜色，而需要更长的时间来辨别书写颜色。当然，字迹颜色和字符含义二者一致的时候则可以很快地给出正确反馈。

再来看看下面这个探讨颜色与字符哪个更容易辨别的小实验。红、黄、蓝、绿四种英文字符被四种颜色标记，被试者需要完成下面两个任务：找到所有被绿色标记的单词；找到所有表示黄色的字符。一般而言，找到相同颜色的字符比找到相同拼写的字符更加容易。这是因为字符与字符之间区别的显著性被字符本身的复杂性降低了，而颜色的简约和高对比度使得区别更容易体现。如果字符被简化到“O”和“X”（表示开和关），而颜色的范畴是红色到橙色渐变这样的低对比度色谱，也许会发现字符成为更容易辨别的特征。因此可以推论两种标记方式的优势在于复杂性和显著性的高低，而与标记方式本身关系不大。

由此看来，颜色与字符是我们用来标记世界的两种策略，现代文明中，字符趋向于复杂而颜色却可以简单。字符利用可分辨的更加细致的区别来表达更丰富的含义，而颜色在较大的范畴内表达较少的信息，却可以因为高对比度而迅速凸显区别。虽然我们的生理硬件并没有特别地支持我们整合颜色和字符的复合信息，但是建立一定的使用规则可以让我们更高效地将二者运用在对世界的标记上。我们可以遵从颜色本身的直观感受，而赋予字符相应的含义，比如用红灯表示停止，用绿灯表示通行等；字符标记与颜色标记的规律保持稳定性，避免Stroop测试中出现的混乱对应导致扰乱大脑的判断；保持标记颜色的简约性，不要使用过于丰富的颜色而降低了信息与环境的区别，而选择使用字符组合来表达复杂而多样的信息。

虽然在实验室标记样品时我们也许并未做过多的思考，人类选择行为策略的时候大脑也或许早已自动算出了最优化的途径：字符标记细节，颜色标记分类，这样所需调用的神经细胞最少，消耗的能量也最小。但时不时审视自己选用某些策略的原因，也是一件非常有趣的事情。

作者简介

“随屈子问天道何似，仿庄周梦我竟是谁。”

笑之，原名刘子扣。武汉大学生物学学士，澳大利亚墨尔本大学细胞凋亡信号系生物医学博士。现就职于澳大利亚莫纳什大学国家脑创伤研究实验室（NTRI）。持续关注认知学和脑科学，并时常撰写科普类作品，关于新冠病毒的科普性小说《病毒、我和进化》被海外青年媒体转载。

参考文献

Land, M. F., & Fernald, R. D. (1992). The evolution of eyes. Annual Review of Neuroscience, 15(1), 1-29.
Bochnícek, Z. (2007). Why can we see visible light?. Physics Education, 42(1), 37.
为什么可见光是“可见”光？http://www.zhidian.la/question/245.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Evolution_of_color_vision_in_primates
Gazzaniga MS, Ivry RB, Mangun GR. Cognitive Neurosicence: The Biology of the Mind (3rd editon). 周晓林, 高定国等译.《认知神经科学》第三版. 北京：中国轻工业出版社, 2011. 275
Scarpina F, Tagini S. (2017). The stroop color and word test. Frontiers in Psychology, 8(557).