令人著迷的神奇光

當(dāng)你夜晚漫步在鄉(xiāng)村的森林里，可能遇到一群在空中“舞動(dòng)”著的燈光，這看起來可能有點(diǎn)像是魔術(shù)的場(chǎng)景，但事實(shí)上這是自然世界賦予某種昆蟲的一項(xiàng)最特別的能力：發(fā)光。這些是由小小的螢火蟲施展出來的。

幾千年以來，人類一直被發(fā)光的生物所深深吸引。例如唐代詩人杜牧《秋夕》里“銀燭秋光冷畫屏，輕羅小扇撲流螢”里的螢火蟲。公元前4世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德就曾寫道，“有些物體，雖然不像陽光或火光一樣，但也能產(chǎn)生光亮?！蓖瑯?，在公元1世紀(jì)，羅馬學(xué)者老普林尼曾記錄他在地中海的那不勒斯灣那里觀察到一個(gè)會(huì)發(fā)光的水母，在他看來，水母的發(fā)光強(qiáng)度，如果放在手杖頂端，幾乎可以用來當(dāng)做火炬。

黑暗中的生物發(fā)光最龐大的陣營(yíng)，莫過于海洋生物了，比如水母、魚類，甚至珊瑚蟲也能發(fā)光。然而，有意思的是，淡水棲息地中除螢火蟲外幾乎沒有發(fā)光生物。另外，在自然界并不只有動(dòng)物才有這種特殊技能，有些細(xì)菌也能發(fā)光。

生物如何發(fā)光？

那么生物是如何發(fā)光的呢？它們的光有區(qū)別嗎？

正如亞里士多德注意到的那樣，生物散發(fā)的光是一種“冷光”，這種光不同于太陽光，也不同于我們常見的電燈泡所散發(fā)出來的光芒。電燈泡發(fā)光的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生余熱，而生物發(fā)光反應(yīng)的效率幾乎是100%，產(chǎn)生的余熱極少。

動(dòng)物一般通過兩種方式產(chǎn)生“冷光”：一種是通過自身的構(gòu)造，比如螢火蟲；第二種是通過發(fā)光細(xì)菌——會(huì)發(fā)光的細(xì)菌會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)舉辦一場(chǎng)華麗的燈光秀。這些發(fā)光細(xì)菌也可以自主生活，也可以寄生，當(dāng)它們以寄生方式活著的時(shí)候，會(huì)依附于一個(gè)動(dòng)物宿主，然后使動(dòng)物宿主在不知不覺間發(fā)光。

例如，在太平洋沿海水域，有一種微小的短尾魷魚，只有幾厘米長(zhǎng)，發(fā)光細(xì)菌在它們的體內(nèi)生活，使它們閃閃發(fā)亮。每天早上，短尾魷魚將身體內(nèi)95%的發(fā)光細(xì)菌驅(qū)逐出去，確保在自己休息時(shí)細(xì)菌不再發(fā)光。等到了晚上，再將發(fā)光細(xì)菌召回，直到體內(nèi)的細(xì)菌累積到足夠多的數(shù)量后，短尾魷魚便開始發(fā)光了。

在水中，短尾魷魚利用身體里發(fā)光細(xì)菌所散發(fā)的藍(lán)綠色光，偽裝成月亮從天上照射下來的光線，可以欺騙潛伏在短尾魷魚底下的捕食者。此外，短尾魷魚還能控制由細(xì)菌所發(fā)出的光線的亮度。這是一個(gè)有趣的生物發(fā)光現(xiàn)象，光在這里主要并不是為了照亮黑夜，而是起到偽裝的作用。

而作為回報(bào)，短尾魷魚的身體會(huì)提供含糖溶液來喂養(yǎng)細(xì)菌——它們之間是互利的共生關(guān)系，這種關(guān)系在短尾魷魚一出生就已經(jīng)存在了。短尾魷魚出生后，就會(huì)立即從周圍的環(huán)境中獲取發(fā)光細(xì)菌，而發(fā)光細(xì)菌則通過“殖民”，變?yōu)槎涛掺滛~的發(fā)光器官。

真正的發(fā)光生物，并不是借取發(fā)光細(xì)菌的光，而是通過自身的構(gòu)造和身體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)自己創(chuàng)造光芒。這些動(dòng)物通常有專門結(jié)構(gòu)，稱為發(fā)光器官，發(fā)光器官里的有機(jī)分子——熒光素——會(huì)與氧發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生可見光。螢火蟲的下腹部就有一個(gè)能發(fā)光的器官，能產(chǎn)生獨(dú)特的閃爍光芒。發(fā)光器官里的化學(xué)反應(yīng)可以由各種因素刺激而發(fā)生，包括化學(xué)的、神經(jīng)的，或者是力學(xué)的觸發(fā)。

還有熒光和磷光

以上兩種方式統(tǒng)稱為“生物發(fā)光法”，但“生物發(fā)光法”并不是動(dòng)物王國(guó)發(fā)光的唯一方法，許多動(dòng)物也可以通過熒光反應(yīng)來發(fā)光，熒光反應(yīng)是指動(dòng)物被某種光線照射后，會(huì)出射與入射光不同波長(zhǎng)的光。而一旦停止入射光，發(fā)光現(xiàn)象也隨之立即消失。

例如，在紫外線下，蝎子會(huì)出現(xiàn)青綠色光。不同種類的水母和甲殼動(dòng)物也具有熒光性質(zhì)，很多珊瑚礁生物都利用熒光來生存。櫛水母是一種微小的生物體，它們不是水母。櫛水母有“槳狀附屬物”——纖毛，能推動(dòng)它們前進(jìn)，當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)時(shí)，入射光被運(yùn)動(dòng)中的纖毛所散射，這時(shí)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)有閃閃的五彩光也隨之移動(dòng)。而在脊椎動(dòng)物中，日本鰻魚是具有這種本領(lǐng)的唯一物種。

此外，動(dòng)物們也可以使用磷光，磷光的化學(xué)性質(zhì)與熒光相類似，但除去光源之后，磷光仍會(huì)繼續(xù)發(fā)亮。

許多海洋生物的發(fā)光囊括了以上三種發(fā)光方法，但磷光往往過于微弱，很難用肉眼看到，又或者是被另外兩種方式產(chǎn)生的光芒掩蓋掉了。對(duì)比來說，生物發(fā)光法所發(fā)的光是最為明亮耀眼的。

生物為何要發(fā)光？

從海洋表面到最深的海溝，生物光就像是一束光柱。隨著海底變得越來越暗，生物發(fā)光的量開始增加。人們認(rèn)為，90%左右的深海動(dòng)物都使用某種形式的發(fā)光來保護(hù)自己、捕食和尋找伴侶。

首先是防御作用：在黑暗中，當(dāng)面臨兇惡的捕食者或攻擊者時(shí)，動(dòng)物們可以突然閃光，這種防御性生物發(fā)光可以嚇退天敵。比如短尾魷魚或者某些種類的水母就是使用這種方法，突然閃光，然后迅速逃走。

其次是用來“犯罪”：生物發(fā)光可以吸引獵物，為動(dòng)物披上偽裝的外衣，或通過照明來找到獵物。琵琶魚的頭上有一盞“小燈籠”，就像是一個(gè)發(fā)光的釣魚桿，在深海處一閃一閃的亮光，吸引了魚兒們的目光，使魚兒游向發(fā)光處，當(dāng)小魚游到面前時(shí)，琵琶魚就突然張開自己的“血盆大口”，把這群小家伙吞到了肚子里。

這個(gè)發(fā)光的工具還助于吸引雌性琵琶魚，當(dāng)雄琵琶魚把雌琵琶魚吸引過來后，就會(huì)緊緊咬住雌魚的身體，并長(zhǎng)期寄生于雌魚身上，因?yàn)榇启~的體形較大，而雌魚比雄魚大上幾倍，甚至數(shù)百倍。在寄生過程中，雄魚會(huì)逐漸解體，直至融入雌魚身體中，完全消失。最后，雄魚留下的精巢則成為雌魚所需精子的來源。

不僅是海洋生物，地面動(dòng)物的光同樣具有誘惑能力：發(fā)光的螢火蟲在求偶中起著關(guān)鍵的作用，它們的腹部下方有發(fā)光器官。雄性螢火蟲進(jìn)行“燈光秀”來吸引雌性，雌性如果喜歡某只雄性螢火蟲的表演，它就會(huì)做出回應(yīng)。而不同的螢火蟲物種可以通過光的閃爍模式來識(shí)別。

但相對(duì)地，發(fā)光的海洋動(dòng)物可能也會(huì)因?yàn)樽约旱奶厥饧寄芏萑胛C(jī)?？茖W(xué)家曾經(jīng)觀察到，抹香鯨等其他不發(fā)光的海洋生物一直潛水到很深、很暗的海域捕食發(fā)光動(dòng)物，而追蹤的線索就是發(fā)光動(dòng)物身上的光線。

在海洋中，你如果仔細(xì)觀察，就能注意到動(dòng)物發(fā)光的顏色通常包括藍(lán)色和綠色，與霓虹等散發(fā)出來的藍(lán)色和綠色光線極為相似，因此也稱作霓虹色調(diào)。為什么海洋動(dòng)物的生物燈是這兩種顏色呢？這是因?yàn)樵诤Ｑ笊钐?，波長(zhǎng)較短的藍(lán)色和綠色光可以穿行很遠(yuǎn)的距離，就類似于我們打著手電筒走在黑乎乎的森林里，當(dāng)然希望手電筒的光照得越遠(yuǎn)越好。

自然光如何造福人類？

美輪美奐的生物發(fā)光除了具有欣賞價(jià)值之外，在我們的日常生活中，生物發(fā)光也有很多實(shí)際的應(yīng)用，我們可以把它應(yīng)用于醫(yī)療、軍事和商業(yè)等的領(lǐng)域之中。其中，動(dòng)物的熒光反應(yīng)已成為一種越來越有用的工具。

比如來自發(fā)光水母的熒光蛋白，在醫(yī)學(xué)研究中具有巨大的潛力。熒光蛋白的出現(xiàn)可以說是徹底改變了細(xì)胞生物學(xué)，它在紫外燈下會(huì)發(fā)出明亮的綠色和藍(lán)色，可作為生物過程的一個(gè)多功能的標(biāo)記物。該蛋白質(zhì)可以被克?。ㄒ虼怂恍枰獜幕钏钢蝎@得），而綠色熒光蛋白基因序列還可以添加到生物體的基因組中。

如此一來，科學(xué)家們想要研究某一類細(xì)胞的話，就能利用自然熒光蛋白使細(xì)胞“發(fā)光”，這樣科學(xué)家們能夠更好地觀察組織的生長(zhǎng)，比如腦部的神經(jīng)細(xì)胞到癌細(xì)胞的擴(kuò)散。也可以跟蹤嚙齒類動(dòng)物病毒和疾病的傳播，也可以讓我們了解和治療人類的疾病。

此外，還有一個(gè)比較大膽的想法，就是把生物發(fā)光的基因加入到植物的基因中，讓植物發(fā)光，那么就可以讓樹木代替路燈，不用消耗能源就可以散發(fā)光芒，這樣我們就能節(jié)省寶貴的化石燃料。

如今研究人員已經(jīng)將發(fā)光細(xì)菌的基因組，插入到一種叫做花煙草的植物的基因中，創(chuàng)造了“組合型植物”，能自主發(fā)出黃綠色的光。英國(guó)愛丁堡大學(xué)的科學(xué)家們也創(chuàng)造出了一種會(huì)發(fā)光的土豆，在黑暗中，土豆會(huì)脫水，然后就會(huì)發(fā)光。這種新型土豆可以為農(nóng)民帶來福利，因?yàn)榘l(fā)光的土豆能作為“標(biāo)記物”來監(jiān)測(cè)莊稼的水分狀況，避免了人為造成的旱災(zāi)。

生物發(fā)光還有軍事用途。比如當(dāng)被擾動(dòng)時(shí)，某些種類的浮游生物往往會(huì)發(fā)光。如果大量發(fā)光的浮游生物聚集到一起，使用它們可以暴露隱身潛艇的下落，或擾亂其他隱蔽的海軍作戰(zhàn)。

當(dāng)然，生物發(fā)光還有很多商業(yè)用途。例如，美國(guó)一家生物技術(shù)公司希望開發(fā)一系列不可思議的發(fā)光產(chǎn)品，比如糖果、口香糖和飲料等發(fā)光甜食，以及能在黑暗中發(fā)光的牙膏、肥皂和泡泡沐浴液等等。