發光生物

發光生物即能夠發出光輻射的生物體。自然界中具有發光能力的生物種類很多。從最簡單的細菌、原生動物到植物、無脊椎動物和魚類中都有，這些生物體內會分泌一種能發光的物質或具有發光細胞。

全世界已發現的發光生物有30綱538屬。生物發光啓發人類從工程角度研究，模擬這種發光效率極高而產熱量極少的熒光現象。在軍事上，觀察海洋動物發光的突然爆發，可以判斷水下是否存在軍事設施及其他種類敵對目的物 ^[1]  。

人們發現，不同的生物會發出不同顏色的光來。所有的植物在陽光照射後都會發出一種很暗淡的紅光，微生物一般都會發出淡淡的藍光或者綠光，某些昆蟲會發黃光。仔細地劃分一下，發光可分兩類，一類是被動發光，如植物，那些微弱的紅光不過是沒能參與光合作用多餘的光，這種光對植物是否有着生物學上的意義還是個謎，但一般的看法是這種光無意義，就像塗有熒光物質的材料經強光照射後再置於黑暗中發光那樣。另一類是主動發光，儘管有一些發光的意義還未全部認識清楚，但有一點是可以肯定的，絕大多數主動發光的生物這種發光是有用途的。光是一種能量，主動發光是對能量的一種消耗，生物的生存策略有一個最基本的共同點，那就是在維持生命的正常活動中最大限度地去節省能量，因此主動發光必定是主動發光生物生存的一個重要的環節。有必要説一下，有些動物本身並不會發光，但在共生的環境中它們會利用發光細菌的光為自己服務，下面舉例時我們會提到這一點。

發光，是一種生物行為，具體地説就是一種生物通訊。下面我們來看看主動發光對發光生物都有些什麼用途。

人們首先會由螢火蟲想到發光是動物的求偶行為，雌性螢火蟲發出微弱的光蟄伏在草叢中，雄蟲發現後會用一種興奮的明亮的閃光來示好，等待着雌蟲發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，很多種動物會有自己食物來源的一個區域，這種秩序建立在同種生物自然默契的基礎上，為了不使矛盾激化，動物們通常會各自有一套警告的方法行為，如較深海處底棲的某些發光魚類。

在深海有一種鮟鱇頭頂會有一個發光器，這是用來迷惑一些從它身旁經過的小動物的，如果某個動物有太強的好奇心的話，那麼這種抑制不了誘惑的惡習極有可能讓它成為鮟鱇的口中之鬼。這種發光屬於取食行為中的一種。有趣的是，這種鮟鱇自己並不能發光，但在它的頭頂的那個突出物卻能給一種發光的細菌提供生存環境，細菌得到了一個穩定的生活來源，而鮟鱇則利用它們發出的光來吸引小動物。

1885年，杜堡伊斯(Dubois)在實驗室裏提出的螢火蟲的熒光素和熒光素酶，指出螢火蟲的發光是一種化學反應，後來，科學家們又得到了熒光素酶的基因。經過科學家們的研究，螢火蟲的發光原理被完全弄清楚了。我們知道，化學發光的物質有兩種能態，即基態和激發態，前者能級低後者能級很高，一般地説在激發態時分子有很高並且不穩定的能量，它們很容易釋放能量重新回到基態，當能量以光子形式釋放時，我們就看到了生物發光。如果我們企圖使一個物體發光我們只需要給它足夠的能量使它從基態變成激發態就行了，但生物要發光則需要體內的酶來參與，即酶是一種催化劑，並且是高效率的，它可以促使發生化學反應的以給發光物質提供能量且能保證消耗的能量儘量少而發光強度儘可能高。在螢火蟲體內，ATP（三磷腺酸苷）水解產生能量提供給熒光素而發生氧化反應,每分解一個ATP氧化一個熒光素就會有一個光子產生，從而發出光來。已知，絕大多數的生物發光機制是這種模式。但在發光的腔腸動物那裏，熒光素則換成了光蛋白，如常見發光水母的綠熒光蛋白，這些個熒光蛋白與鈣或鐵離子結合發生反應從而發出光來。

一種能發紅色熒光的轉基因斑馬魚，這算是人工發光生物了。

生物主動發光歸根結底是一種生物的通訊行為，一些有眼睛的動物能直接捕獲到自己能理解的來自同類物種發出的光，但一些壓根都沒有眼睛的生物是如何實現光通訊的呢？科學家們在這方面進行過一些有意義的實驗，讓我們來看看那些具普遍意義的實驗吧。

首先，生物發光是最經濟的，因此更多的生物發光是一種非常弱的光，弱到人眼無法而只能通過儀器檢測到。如水蚤，一般情況下我們甚至都不知道它們原來也是一種會主動發光的動物。科學家們為了測定到它們微弱的光用不吸收紫外線的石英玻璃杯盛上水，再放進一些水蚤，測試中假定水蚤各自的發光是獨立的，即意味着它們的光量是可能迭加的，水蚤數目越多，光量就越大，可實驗的結果大出人們的意料，當水蚤的數目達到一定的比例時，這種迭加就不存在了，反而是光量變小，經研究發現這原來是一種被稱之為“相干”的光學現象。在對微小生物進行發光的研究中科學家們還發現，發光生物機體的異常也會影響到發光的質量。像光照誘導的延遲發光也存在於發光生物中，並且研究後都發現了“相干”。於是人們提出了一種稱為“相干電磁場和生物光子”的假説，這種假説認為在發光的生物體內存在着相干的電磁場釋放生物光子，它是活組織中細胞通訊的基礎，即細胞和細胞之間可以藉助於電磁場和光來傳遞信息，這便是細胞的視覺系統。1993年，俄國科學家通過另一個實驗證明了細胞可能有“視覺”，實驗是這樣的,在5個格子裏放進乳腺組織進行起培養，中間一組（AB）兩格用不透明隔板隔開，另外一組（CD）則用透明隔板隔開。向AB中添加不同的激素以測得分泌的蛋白質、氧化物和化學發光。實驗結果為AB無變化，CD則發生了變化，這表明它們覺察到了AB中發出的光。接着科學家們又用嗜中性白細胞做了類似的實驗研究，結果一樣。

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

在生物發光領域中最容易被人們所接受的發光現象就是以螢火蟲的閃光為代表的發光生物發光。這種發光體系是各種酶促過程的原型，從海洋細菌到南美洲的大發光甲蟲，都是這種酶促過程產生光。發光生物的發光是指一種高效率的冷光發射，這些生物為了生存的目的利用生物發光，使它們在所處的環境中更有效地競爭。在許多陸棲生物中存在生物發光，但最常見的是在海洋裏，特別是在深海中，那裏幾乎所有種屬的生物都能發光，其中最大的生物發光族要算腔腸動物。這些生物的發光不僅比較強，而且都有明確的生理功能，是求偶(螢火蟲尾部發光)、獵食(安康魚頭鬚髮光)、防禦或欺騙敵人的手段(水生生物發光)。研究發現生物發光有以下幾個特點:生物發光的顏色範圍很寬從鐵路蛆蟲發出的紅光，到大多數海洋生物所發的特徵的深藍光；氧是幾乎所有生物發光系統中必需的因素；生物發光是由“熒光素酶”與“熒光素”的化學反應所引起的；所有的生物發光反應似乎都是酶底物類型的反應，但複雜程度不同，某些生物發光反應涉及3種或4種底物，而另一些生物發光反應甚至需要3個或4個酶的體系。

已瞭解各種發光生物發光的基本反應，在這個領域中也取得了一些新的進展，例如在體外重組蟲熒光素酶，用基因工程技術在大腸桿菌中表達；人工合成熒光素；體外模擬細菌發光體系已獲成功；細菌的發光基因已被提出，同樣也已用基因工程方法在大腸桿菌中表達。水母發光蛋白已經分離純化，一級結構已經清楚。由於生物發光的量子效率極高，所以研究生物發光能量的轉化具有重要的理論與實際意義。被廣泛應用的發光蛋白，如GFP、YFP、CFP等，其發光原理就是源自動物的自發發光，從而為生物醫學研究提供了新的手段 ^[2]  。