生物發(fā)光之謎

　　是的，在生物世界里說(shuō)到發(fā)光，人們首先會(huì)想到螢火蟲，但除了這種昆蟲外還有許多生物也能發(fā)光，如一些生活在深海里的魚類，光是一種謀生的手段。夜晚常在近海作業(yè)的漁民甚至是長(zhǎng)住海邊的人經(jīng)常能看到海面上有光帶，這是一些藻類發(fā)出的，當(dāng)它們受到驚擾時(shí)或者是在大量繁殖時(shí)，似乎海洋都開(kāi)始燃燒了起來(lái)。晚上在海灘上戲耍的孩子們能從海灘上找到沙蠶，這也是一種能發(fā)光的動(dòng)物，除此之外，能發(fā)光的還有水母呀、珊瑚呀、某些貝類和蠕蟲呀等。人們發(fā)現(xiàn)，不同的生物會(huì)發(fā)出不同顏色的光來(lái)。所有的植物在陽(yáng)光照射后都會(huì)發(fā)出一種很暗淡的紅光，微生物一般都會(huì)發(fā)出淡淡的藍(lán)光或者綠光，某些昆蟲會(huì)發(fā)黃光。仔細(xì)地劃分一下，發(fā)光可分兩類，一類是被動(dòng)發(fā)光，如植物，那些微弱的紅光不過(guò)是沒(méi)能參與光合作用多余的光，這種光對(duì)植物是否有著生物學(xué)上的意義目前還是個(gè)謎，但一般的看法是這種光無(wú)意義，就像涂有熒光物質(zhì)的材料經(jīng)強(qiáng)光照射后再置于黑暗中發(fā)光那樣。另一類是主動(dòng)發(fā)光，盡管有一些發(fā)光的意義目前還未全部認(rèn)識(shí)清楚，但有一點(diǎn)是可以肯定的，絕大多數(shù)主動(dòng)發(fā)光的生物這種發(fā)光是有用途的。光是一種能量，主動(dòng)發(fā)光是對(duì)能量的一種消耗，生物的生存策略有一個(gè)最基本的共同點(diǎn)，那就是在維持生命的正常活動(dòng)中最大限度地去節(jié)省能量，因此主動(dòng)發(fā)光必定是主動(dòng)發(fā)光生物生存的一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。有必要說(shuō)一下，有些動(dòng)物本身并不會(huì)發(fā)光，但在共生的環(huán)境中它們會(huì)利用發(fā)光細(xì)菌的光為自己服務(wù)，下面舉例時(shí)我們會(huì)提到這一點(diǎn)。

　　發(fā)光，是一種生物行為，具體地說(shuō)就是一種生物通訊。下面我們來(lái)看看主動(dòng)發(fā)光對(duì)發(fā)光生物都有些什么用途。

　　人們首先會(huì)由螢火蟲想到發(fā)光是動(dòng)物的求偶行為，雌性螢火蟲發(fā)出微弱的光蟄伏在草叢中，雄蟲發(fā)現(xiàn)后會(huì)用一種興奮的明亮的閃光來(lái)示好，等待著雌蟲發(fā)光的變化以確定自己有多大成功的把握。

　　警告也是光的一種用途。眾所周知，很多種動(dòng)物會(huì)有自己食物來(lái)源的一個(gè)區(qū)域，這種秩序建立在同種生物自然默契的基礎(chǔ)上，為了不使矛盾激化，動(dòng)物們通常會(huì)各自有一套警告的方法行為，如較深海處底棲的某些發(fā)光魚類。

　　在深海有一種鮟鱇頭頂會(huì)有一個(gè)發(fā)光器，這是用來(lái)迷惑一些從它身旁經(jīng)過(guò)的小動(dòng)物的，如果某個(gè)動(dòng)物有太強(qiáng)的好奇心的話，那么這種抑制不了誘惑的惡習(xí)極有可能讓它成為鮟鱇的口中之鬼。這種發(fā)光屬于取食行為中的一種。有趣的是，這種鮟鱇自己并不能發(fā)光，但在它的頭頂?shù)哪莻�(gè)突出物卻能給一種發(fā)光的細(xì)菌提供生存環(huán)境，細(xì)菌得到了一個(gè)穩(wěn)定的生活來(lái)源，而鮟鱇則利用它們發(fā)出的光來(lái)吸引小動(dòng)物。

　　1885年，杜堡伊斯(Dubois)在實(shí)驗(yàn)室里提出的螢火蟲的熒光素和熒光素酶，指出螢火蟲的發(fā)光是一種化學(xué)反應(yīng)，后來(lái)，科學(xué)家們又得到了熒光素酶的基因。經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的研究，螢火蟲的發(fā)光原理被完全弄清楚了。我們知道，化學(xué)發(fā)光的物質(zhì)有兩種能態(tài)，即基態(tài)和激發(fā)態(tài)，前者能級(jí)低后者能級(jí)很高，一般地說(shuō)在激發(fā)態(tài)時(shí)分子有很高并且不穩(wěn)定的能量，它們很容易釋放能量重新回到基態(tài)，當(dāng)能量以光子形式釋放時(shí)，我們就看到了生物發(fā)光。如果我們企圖使一個(gè)物體發(fā)光我們只需要給它足夠的能量使它從基態(tài)變成激發(fā)態(tài)就行了，但生物要發(fā)光則需要體內(nèi)的酶來(lái)參與，即酶是一種催化劑，并且是高效率的，它可以促使發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的以給發(fā)光物質(zhì)提供能量且能保證消耗的能量盡量少而發(fā)光強(qiáng)度盡可能高。在螢火蟲體內(nèi)，ATP（三磷腺酸苷）水解產(chǎn)生能量提供給熒光素而發(fā)生氧化反應(yīng)，每分解一個(gè)ATP氧化一個(gè)熒光素就會(huì)有一個(gè)光子產(chǎn)生，從而發(fā)出光來(lái)。目前已知，絕大多數(shù)的生物發(fā)光機(jī)制是這種模式。但在發(fā)光的腔腸動(dòng)物那里，熒光素則換成了光蛋白，如常見(jiàn)發(fā)光水母的綠熒光蛋白，這些個(gè)熒光蛋白與鈣或鐵離子結(jié)合發(fā)生反應(yīng)從而發(fā)出光來(lái)。

　　一種能發(fā)紅色熒光的轉(zhuǎn)基因斑馬魚，這算是人工發(fā)光生物了

　　上面我們說(shuō)到生物主動(dòng)發(fā)光歸根結(jié)底是一種生物的通訊行為，一些有眼睛的動(dòng)物能直接捕獲到自己能理解的來(lái)自同類物種發(fā)出的光，但一些壓根都沒(méi)有眼睛的生物是如何實(shí)現(xiàn)光通訊的呢？科學(xué)家們目前在這方面進(jìn)行過(guò)一些有意義的實(shí)驗(yàn)，讓我們來(lái)看看那些具普遍意義的實(shí)驗(yàn)吧。

　　首先，生物發(fā)光是最經(jīng)濟(jì)的，因此更多的生物發(fā)光是一種非常弱的光，弱到人眼無(wú)法而只能通過(guò)儀器檢測(cè)到。如水蚤，一般情況下我們甚至都不知道它們?cè)瓉?lái)也是一種會(huì)主動(dòng)發(fā)光的動(dòng)物�？茖W(xué)家們?yōu)榱藴y(cè)定到它們微弱的光用不吸收紫外線的石英玻璃杯盛上水，再放進(jìn)一些水蚤，測(cè)試中假定水蚤各自的發(fā)光是獨(dú)立的，即意味著它們的光量是可能迭加的，水蚤數(shù)目越多，光量就越大，可實(shí)驗(yàn)的結(jié)果大出人們的意料，當(dāng)水蚤的數(shù)目達(dá)到一定的比例時(shí)，這種迭加就不存在了，反而是光量變小，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這原來(lái)是一種被稱之為“相干”的光學(xué)現(xiàn)象。在對(duì)微小生物進(jìn)行發(fā)光的研究中科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，發(fā)光生物機(jī)體的異常也會(huì)影響到發(fā)光的質(zhì)量。像光照誘導(dǎo)的延遲發(fā)光也存在于發(fā)光生物中，并且研究后都發(fā)現(xiàn)了“相干”。于是人們提出了一種稱為“相干電磁場(chǎng)和生物光子”的假說(shuō)，這種假說(shuō)認(rèn)為在發(fā)光的生物體內(nèi)存在著相干的電磁場(chǎng)釋放生物光子，它是活組織中細(xì)胞通訊的基礎(chǔ)，即細(xì)胞和細(xì)胞之間可以借助于電磁場(chǎng)和光來(lái)傳遞信息，這便是細(xì)胞的視覺(jué)系統(tǒng)。1993年，俄國(guó)科學(xué)家通過(guò)另一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明了細(xì)胞可能有“視覺(jué)”，實(shí)驗(yàn)是這樣的，在5個(gè)格子里放進(jìn)乳腺組織進(jìn)行起培養(yǎng)，中間一組（AB）兩格用不透明隔板隔開(kāi)，另外一組（CD）則用透明隔板隔開(kāi)。向AB中添加不同的激素以測(cè)得分泌的蛋白質(zhì)、氧化物和化學(xué)發(fā)光。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為AB無(wú)變化，CD則發(fā)生了變化，這表明它們覺(jué)察到了AB中發(fā)出的光。接著科學(xué)家們又用嗜中性白細(xì)胞做了類似的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果一樣。

　　這些研究工作是非常有意義的，一方面為我們解開(kāi)生物系統(tǒng)之間傳遞信息的秘密提供了令人鼓舞的線索，另一方面為動(dòng)物視覺(jué)的起源提供了一個(gè)科學(xué)解釋的想像空間。

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