我們身邊的發(fā)光生物

隨著《阿凡達(dá)》的火爆上映，其中的潘多拉星球也成為了人們津津樂道的話題，在那個(gè)美麗的星球上，所有植物都是能發(fā)光的，而那些藍(lán)色的納威人崇拜的神樹，也是會(huì)發(fā)光的。我們會(huì)不由得發(fā)出感嘆，要是地球上的植物也都發(fā)光，那該多好!其實(shí)，地球上的生物也有很多是發(fā)光的，只是我們沒有意識(shí)到或沒有看到它們而已。

說(shuō)起發(fā)光生物，我們的第一概念就是螢火蟲——雖然大多數(shù)人至今也沒有見過真正的螢火蟲，但“囊螢映雪”的故事恐怕很多人從小就耳有所聞，估計(jì)還將激勵(lì)一代又一代少年奮發(fā)圖強(qiáng)。可以說(shuō)，螢火蟲是我們對(duì)生物發(fā)光的最直接印證。不過，倘若你只認(rèn)為螢火蟲才能發(fā)光，那就孤陋寡聞了。世界之大，無(wú)奇不有，下到最低等的單細(xì)胞生物，上到高等的脊椎動(dòng)物，自然界具有發(fā)光能力的生物實(shí)在是種類繁多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，單單是動(dòng)物界，在全部的25個(gè)門中就有13個(gè)門的動(dòng)物能夠發(fā)光。可見，生物發(fā)光是一種普遍現(xiàn)象。

生物，原來(lái)可以亮的

經(jīng)過這么一說(shuō)，我們似乎對(duì)生物發(fā)光有了一點(diǎn)了解，雖然自然界中的生物體普遍存在發(fā)光現(xiàn)象，但你若以為所有的發(fā)光都是螢火蟲那樣，可就大錯(cuò)特錯(cuò)了，不同生物發(fā)光的機(jī)理、強(qiáng)度和光譜范圍都存在著很大差異。根據(jù)發(fā)光的機(jī)理不同，學(xué)者一般會(huì)將生物發(fā)光分為4大類：受激熒光、發(fā)光生物發(fā)光、化學(xué)發(fā)光和生物的超微弱發(fā)光。而我們一般意義說(shuō)的發(fā)光生物是第2種——發(fā)光生物發(fā)光。

生物發(fā)光顧名思義，就是生物體發(fā)出的光輻射，這種光輻射不需要以光吸收為前提。

生物發(fā)光讓很多人為之著迷，早在3000多年前，古人就觀察到了生物發(fā)光的現(xiàn)象，《詩(shī)經(jīng)·國(guó)風(fēng)·豳風(fēng)》中曾有描述“熠耀宵行”，說(shuō)的就是閃閃發(fā)光的螢火蟲。幾十個(gè)世紀(jì)以來(lái)，無(wú)論是平常人還是專家學(xué)者，都被鮮活的生物體中發(fā)出的光所深深吸引，既敬畏自然的神奇，又感嘆世界的多彩，然而其中的發(fā)光機(jī)制卻長(zhǎng)期困擾學(xué)界。曾有一位美國(guó)學(xué)者在上世紀(jì)50年代收集了數(shù)萬(wàn)只螢火蟲，并將其發(fā)光器剪下，干燥裝在燒瓶里，研究它們的發(fā)光物質(zhì)。

現(xiàn)在來(lái)看，生物發(fā)光大部分都與三磷酸腺苷(ATP)有關(guān)，一般的機(jī)制是細(xì)胞內(nèi)的某一化學(xué)物質(zhì)，在一種特殊酶的作用下，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并伴隨能量變化，化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能。酶作為一種高效率的催化劑，可以促使生物體內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，為發(fā)光物質(zhì)提供能量，并且能保證消耗最少的能量而發(fā)出強(qiáng)度盡可能高的光。最先破譯的還是我們最常見的螢火蟲：1885年，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里分離出了螢火蟲的螢光素、螢光素酶，并指出螢火蟲的發(fā)光是一種化學(xué)反應(yīng)——在發(fā)光過程中經(jīng)歷了一系列復(fù)雜的化學(xué)變化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是這兩種發(fā)光物質(zhì)先與ATP結(jié)合成一個(gè)復(fù)合體，在與氧氣反應(yīng)的過程中，發(fā)生電子轉(zhuǎn)移同時(shí)伴隨能量的變化，釋放出二氧化碳和光。目前已知，絕大多數(shù)的生物發(fā)光機(jī)制就是這種模式。

不只是亮一點(diǎn)

生物為什么會(huì)主動(dòng)發(fā)光呢，其意義何在?在上億年的進(jìn)化過程中，生物保留了主動(dòng)發(fā)光的生物行為，必然是有其重要意義的。要知道，光是一種能量，主動(dòng)發(fā)光就是消耗能量，而在進(jìn)化過程中，生物豎持的最基本的生存策略就是在維持生命的正常活動(dòng)的前提下，最大限度地去節(jié)省能量，由此可見，主動(dòng)發(fā)光必定是大有用途，甚至可能是發(fā)光生物生存的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。科學(xué)家長(zhǎng)期研究并歸納出如下幾個(gè)理論可以說(shuō)明生物發(fā)光的意義：

首先就是我們最先想到的螢火蟲。眾所周知，螢火蟲發(fā)光是為了求偶或交流，即這是一種生物通訊。當(dāng)夜幕降臨，雌性螢火蟲會(huì)找一個(gè)顯眼的位置，翹起尾巴，發(fā)出微弱的光，指引它的“如意郎君”前來(lái)交配，雄蟲發(fā)現(xiàn)后也會(huì)通過亮光來(lái)響應(yīng)回答，并互相交流。在很多細(xì)菌身上，生物發(fā)光也會(huì)幫助它們交流，并提升宿主的共生效應(yīng)，最終對(duì)群體行為產(chǎn)生影響。

其次是深海魚類，它們通過光的吸引來(lái)捕食。比如一種稱為印鮟鱇的魚類，頭部懸掛一個(gè)發(fā)光器，在深海環(huán)境中，一些小魚會(huì)被吸引到艘鐮的附近，成為鮟鱇的口中之“鬼”。有意思的是，實(shí)際發(fā)光的并不是鮟鱇自己，而是一種共生的發(fā)光生物，于是，細(xì)菌借助鮟鱇有了一個(gè)穩(wěn)定的安身之所，而同時(shí)幫助鮟鱇來(lái)吸引小動(dòng)物。另一種稱為雪茄達(dá)摩鯊的魚，腹部可以發(fā)光，從遠(yuǎn)處看起來(lái)，這些光斑像是小魚，于是某些大型掠食性魚類(如鮪魚和鯖魚)會(huì)被吸引過來(lái)，反而成為雪茄達(dá)摩鯊的食物。

再次，某些魷魚及小型甲殼類動(dòng)物還靠光來(lái)驅(qū)敵。當(dāng)他們遇到危險(xiǎn)的時(shí)候，會(huì)像烏賊噴墨水一樣，噴出發(fā)光化學(xué)混合物漿液，讓敵人看起來(lái)不敢靠前，或是因?yàn)轶@恐扭頭逃走。而我們上文說(shuō)的螢火蟲，在幼蟲階段，能發(fā)出警示性的光，以此來(lái)驅(qū)走捕食者。

另外還有深海魚類依靠發(fā)光來(lái)照明，有一種巨口魚可以產(chǎn)生紅光，因?yàn)楹Ｋ軌虬鸭t光濾掉，所以一些紅色生物無(wú)法被發(fā)現(xiàn)，而巨口魚的紅燈籠則可以幫助它們發(fā)現(xiàn)紅色的獵物。

除此之外，還有深海生物利用生物光進(jìn)行偽裝，使自己完全融入周圍幽藍(lán)的海水中，在獵物最意想不到的時(shí)候一擊致命。

星星之火可以燎原

生物主動(dòng)發(fā)光是有其重要意義的，而這些意義也可以被我們應(yīng)用于生活和生產(chǎn)中。

比如海洋生物的發(fā)光是一種“冷光”，發(fā)光效率極高而產(chǎn)熱量極少，在發(fā)光的同時(shí)，幾乎沒有輻射熱能的消耗，也就是說(shuō)，生物光幾乎能將化學(xué)能百分之百地轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽猓祟悘墓こ虒W(xué)角度研究、模擬這種發(fā)光，可以制備新一代冷光源。或許有朝一日，各種各樣不輻射熱的發(fā)光墻或冷光發(fā)光體會(huì)相繼誕生，冷光會(huì)被大規(guī)模應(yīng)用。而由于生物光源沒有電流，因此不會(huì)生磁場(chǎng)，人們可以在這種光流的照明下，消除磁性水雷的磁性等。在生化分析領(lǐng)域，生物光更是可以幫助人們檢測(cè)很多痕量物質(zhì)。

我們甚至可以想象，將來(lái)某一天，行道樹可以發(fā)光，這樣就節(jié)省了電燈，也可以代替圣誕樹掛燈以保證安全；農(nóng)作物和家庭植物在需水或是有病害時(shí)，自己會(huì)發(fā)光匯報(bào)……

總之，基于對(duì)生物發(fā)光現(xiàn)象的研究，一些技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究。可以預(yù)見，在不久的將來(lái)，更多的生命科學(xué)之謎將被逐一揭示，并幫助我們更好地生活。