隨著《阿凡達》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,在那個美麗的星球上,所有植物都是能發(fā)光的,而那些藍色的納威人崇拜的神樹,也是會發(fā)光的。我們會不由得發(fā)出感嘆,要是地球上的植物也都發(fā)光,那該多好!其實,地球上的生物也有很多是發(fā)光的,只是我們沒有意識到或沒有看到它們而已。
說起發(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,估計還將激勵一代又一代少年奮發(fā)圖強??梢哉f,螢火蟲是我們對生物發(fā)光的最直接印證。不過,倘若你只認為螢火蟲才能發(fā)光,那就孤陋寡聞了。世界之大,無奇不有,下到最低等的單細胞生物,上到高等的脊椎動物,自然界具有發(fā)光能力的生物實在是種類繁多,據(jù)統(tǒng)計,單單是動物界,在全部的25個門中就有13個門的動物能夠發(fā)光。可見,生物發(fā)光是一種普遍現(xiàn)象。
生物,原來可以亮的
經(jīng)過這么一說,我們似乎對生物發(fā)光有了一點了解,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,可就大錯特錯了,不同生物發(fā)光的機理、強度和光譜范圍都存在著很大差異。根據(jù)發(fā)光的機理不同,學者一般會將生物發(fā)光分為4大類:受激熒光、發(fā)光生物發(fā)光、化學發(fā)光和生物的超微弱發(fā)光。而我們一般意義說的發(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,《詩經(jīng)·國風·豳風》中曾有描述“熠耀宵行”,說的就是閃閃發(fā)光的螢火蟲。幾十個世紀以來,無論是平常人還是專家學者,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)光機制卻長期困擾學界。曾有一位美國學者在上世紀50年代收集了數(shù)萬只螢火蟲,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。
現(xiàn)在來看,生物發(fā)光大部分都與三磷酸腺苷(ATP)有關,一般的機制是細胞內的某一化學物質,在一種特殊酶的作用下,發(fā)生氧化還原反應,并伴隨能量變化,化學能轉化為光能。酶作為一種高效率的催化劑,可以促使生物體內發(fā)生化學反應,為發(fā)光物質提供能量,并且能保證消耗最少的能量而發(fā)出強度盡可能高的光。最先破譯的還是我們最常見的螢火蟲:1885年,科學家在實驗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)光是一種化學反應——在發(fā)光過程中經(jīng)歷了一系列復雜的化學變化,簡單來說,就是這兩種發(fā)光物質先與ATP結合成一個復合體,在與氧氣反應的過程中,發(fā)生電子轉移同時伴隨能量的變化,釋放出二氧化碳和光。目前已知,絕大多數(shù)的生物發(fā)光機制就是這種模式。
不只是亮一點
生物為什么會主動發(fā)光呢,其意義何在?在上億年的進化過程中,生物保留了主動發(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,主動發(fā)光就是消耗能量,而在進化過程中,生物豎持的最基本的生存策略就是在維持生命的正?;顒拥那疤嵯?,最大限度地去節(jié)省能量,由此可見,主動發(fā)光必定是大有用途,甚至可能是發(fā)光生物生存的一個重要的環(huán)節(jié)??茖W家長期研究并歸納出如下幾個理論可以說明生物發(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。當夜幕降臨,雌性螢火蟲會找一個顯眼的位置,翹起尾巴,發(fā)出微弱的光,指引它的“如意郎君”前來交配,雄蟲發(fā)現(xiàn)后也會通過亮光來響應回答,并互相交流。在很多細菌身上,生物發(fā)光也會幫助它們交流,并提升宿主的共生效應,最終對群體行為產生影響。
其次是深海魚類,它們通過光的吸引來捕食。比如一種稱為印鮟鱇的魚類,頭部懸掛一個發(fā)光器,在深海環(huán)境中,一些小魚會被吸引到艘鐮的附近,成為鮟鱇的口中之“鬼”。有意思的是,實際發(fā)光的并不是鮟鱇自己,而是一種共生的發(fā)光生物,于是,細菌借助鮟鱇有了一個穩(wěn)定的安身之所,而同時幫助鮟鱇來吸引小動物。另一種稱為雪茄達摩鯊的魚,腹部可以發(fā)光,從遠處看起來,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)會被吸引過來,反而成為雪茄達摩鯊的食物。
再次,某些魷魚及小型甲殼類動物還靠光來驅敵。當他們遇到危險的時候,會像烏賊噴墨水一樣,噴出發(fā)光化學混合物漿液,讓敵人看起來不敢靠前,或是因為驚恐扭頭逃走。而我們上文說的螢火蟲,在幼蟲階段,能發(fā)出警示性的光,以此來驅走捕食者。
另外還有深海魚類依靠發(fā)光來照明,有一種巨口魚可以產生紅光,因為海水能夠把紅光濾掉,所以一些紅色生物無法被發(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行偽裝,使自己完全融入周圍幽藍的海水中,在獵物最意想不到的時候一擊致命。
星星之火可以燎原
生物主動發(fā)光是有其重要意義的,而這些意義也可以被我們應用于生活和生產中。
比如海洋生物的發(fā)光是一種“冷光”,發(fā)光效率極高而產熱量極少,在發(fā)光的同時,幾乎沒有輻射熱能的消耗,也就是說,生物光幾乎能將化學能百分之百地轉變?yōu)榭梢姽?,人類從工程學角度研究、模擬這種發(fā)光,可以制備新一代冷光源?;蛟S有朝一日,各種各樣不輻射熱的發(fā)光墻或冷光發(fā)光體會相繼誕生,冷光會被大規(guī)模應用。而由于生物光源沒有電流,因此不會生磁場,人們可以在這種光流的照明下,消除磁性水雷的磁性等。在生化分析領域,生物光更是可以幫助人們檢測很多痕量物質。
我們甚至可以想象,將來某一天,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;農作物和家庭植物在需水或是有病害時,自己會發(fā)光匯報……
總之,基于對生物發(fā)光現(xiàn)象的研究,一些技術已經(jīng)應用于現(xiàn)代生命科學和醫(yī)學研究??梢灶A見,在不久的將來,更多的生命科學之謎將被逐一揭示,并幫助我們更好地生活。