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人类身边的发光生物,几千年前人类就开始研究它们了!

发布时间:2020-08-14

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电影《阿凡达》中的潘多拉星球,在那个星球上,所有植物都是能发光的,而那些蓝色的纳威人崇拜的神树,也是会发光的。我们会不由得发出感叹,要是地球上的植物也都发光,那该多好!其实,地球上的生物也有很多是发光的,只是我们没有意识到或没有看到它们而已。

说起发光生物,我们的第一概念就是萤火虫——虽然大多数人至今也没有见过真正的萤火虫,但“囊萤映雪”的故事恐怕很多人从小就耳有所闻,估计还将激励一代又一代少年奋发图强。

可以说,萤火虫是我们对生物发光的最直接印证。不过,倘若你只认为萤火虫才能发光,那就孤陋寡闻了。世界之大,无奇不有,下到最低等的单细胞生物,上到高等的脊椎动物,自然界具有发光能力的生物实在是种类繁多,据统计,单单是动物界,在全部的25个门中就有13个门的动物能够发光。可见,生物发光是一种普遍现象。

生物,原来可以亮的

虽然在自然界中有一种常见的生物发光现象,但这么一说,似乎我们对生物发光有一点了解。不同生物在发光机理、发光强度和光谱范围等方面存在很大差异。但如果你认为所有的发光生物都像萤火虫那样,那么就大错特错了。根据发光机理的不同,生物发光一般分为四类:受激荧光、生物发光、化学发光和超微弱生物发光。一般来说,第二类发光生物是发光生物。

生物发光顾名思义,就是生物体发出的光辐射,这种光辐射不需要以光吸收为前提。

生物发光让很多人为之着迷,早在3000多年前,古人就观察到了生物发光的现象,《诗经·国风·豳风》中曾有描述“熠耀宵行”,说的就是闪闪发光的萤火虫。

几十年来,无论是普通人还是专家学者,都深深地被生物发出的光所吸引。他们不仅崇敬大自然的神奇,更感叹五彩缤纷的世界。然而,发光机理一直困扰着学术界。上世纪50年代,一位美国学者收集了数万只萤火虫,将萤火虫的发光体切断,烘干后放入烧瓶中研究萤火虫的发光物质。

目前,生物发光主要与三磷酸腺苷(ATP)有关。一般的机制是细胞内的化学物质。在一种特殊酶的作用下,氧化还原发生,随着能量的变化,化学能转化为光能。酶作为一种高效的催化剂,能够促进生物体内的化学反应,为发光物质提供能量,保证最低的能量消耗和最高的光强度。

最先破译的还是我们最常见的萤火虫:1885年,科学家在实验室里分离出了萤火虫的荧光素、荧光素酶,并指出萤火虫的发光是一种化学反应——在发光过程中经历了一系列复杂的化学变化,简单来说,就是这两种发光物质先与ATP结合成一个复合体,在与氧气反应的过程中,发生电子转移同时伴随能量的变化,释放出二氧化碳和光。目前已知,绝大多数的生物发光机制就是这种模式。

不只是亮一点

生物为什么会主动发光呢,其意义何在?在上亿年的进化过程中,生物保留了主动发光的生物行为,必然是有其重要意义的。要知道,光是一种能量,主动发光就是消耗能量,而在进化过程中,生物素持的最基本的生存策略就是在维持生命的正常活动的前提下,最大限度地去节省能量,由此可见,主动发光必定是大有用途,甚至可能是发光生物生存的一个重要的环节。科学家长期研究并归纳出如下几个理论可以说明生物发光的意义:

首先就是我们最先想到的萤火虫。众所周知,萤火虫发光是为了求偶或交流,即这是一种生物通讯。当夜幕降临,雌性萤火虫会找一个显眼的位置,翘起尾巴,发出微弱的光,指引它的“如意郎君”前来交配,雄虫发现后也会通过亮光来响应回答,并互相交流。在很多细菌身上,生物发光也会帮助它们交流,并提升宿主的共生效应,最终对群体行为产生影响。

其次是深海鱼类,它们通过光的吸引来捕食。比如一种称为印鮟鱇的鱼类,头部悬挂一个发光器,在深海环境中,一些小鱼会被吸引到艘镰的附近,成为鮟鱇的口中之“鬼”。

有意思的是,实际发光的并不是鮟鱇自己,而是一种共生的发光生物,于是,细菌借助鮟鱇有了一个稳定的安身之所,而同时帮助鮟鱇来吸引小动物。另一种称为雪茄达摩鲨的鱼,腹部可以发光,从远处看起来,这些光斑像是小鱼,于是某些大型掠食性鱼类(如鲔鱼和鲭鱼)会被吸引过来,反而成为雪茄达摩鲨的食物。

再次,某些鱿鱼及小型甲壳类动物还靠光来驱敌。当他们遇到危险的时候,会像乌贼喷墨水一样,喷出发光化学混合物浆液,让敌人看起来不敢靠前,或是因为惊恐扭头逃走。而我们上文说的萤火虫,在幼虫阶段,能发出警示性的光,以此来驱走捕食者。

另外还有深海鱼类依靠发光来照明,有一种巨口鱼可以产生红光,因为海水能够把红光滤掉,所以一些红色生物无法被发现,而巨口鱼的红灯笼则可以帮助它们发现红色的猎物。

除此之外,还有深海生物利用生物光进行伪装,使自己完全融入周围幽蓝的海水中,在猎物最意想不到的时候一击致命。

星星之火可以燎原

生物主动发光是有其重要意义的,而这些意义也可以被我们应用于生活和生产中。

比如海洋生物的发光是一种“冷光”,发光效率极高而产热量极少,在发光的同时,几乎没有辐射热能的消耗,也就是说,生物光几乎能将化学能百分之百地转变为可见光,人类从工程学角度研究、模拟这种发光,可以制备新一代冷光源。或许有朝一日,各种各样不辐射热的发光墙或冷光发光体会相继诞生,冷光会被大规模应用。而由于生物光源没有电流,因此不会生磁场,人们可以在这种光流的照明下,消除磁性水雷的磁性等。在生化分析领域,生物光更是可以帮助人们检测很多痕量物质。

我们甚至可以想象,有朝一日,行道树将能够点亮,这将节省电灯费用,也可以代替节日挂在树上的灯笼灯带,确保安全。当作物和家庭植物需要水或有疾病时,它们会发光并自行报告人类

总之,在生物发光研究的基础上,一些技术已经应用到现代生命科学和医学研究中。可以预见,在不久的将来,更多生命科学的奥秘将一一揭开,帮助我们更好地生活。



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