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破解生物发光之谜
文章来源: 文章作者:sj 发布时间:09-11

  是的,在生物世界里说到发光,人们首先会想到萤火虫,但除了这种昆虫外还有许多生物也能发光,如一些生活在深海里的鱼类,光是一种谋生的手段。夜晚常在近海作业的渔民甚至是长住海边的人经常能看到海面上有光带,这是一些藻类发出的,当它们受到惊扰时或者是在大量繁殖时,似乎海洋都开始燃烧了起来。晚上在海滩上戏耍的孩子们能从海滩上找到沙蚕,这也是一种能发光的动物,除此之外,能发光的还有水母呀、珊瑚呀、某些贝类和蠕虫呀等。人们发现,不同的生物会发出不同颜色的光来。所有的植物在阳光照射后都会发出一种很暗淡的红光,微生物一般都会发出淡淡的蓝光或者绿光,某些昆虫会发黄光。仔细地划分一下,发光可分两类,一类是被动发光,如植物,那些微弱的红光不过是没能参与光合作用多余的光,这种光对植物是否有着生物学上的意义目前还是个谜,但一般的看法是这种光无意义,就像涂有荧光物质的材料经强光照射后再置于黑暗中发光那样。另一类是主动发光,尽管有一些发光的意义目前还未全部认识清楚,但有一点是可以肯定的,绝大多数主动发光的生物这种发光是有用途的。光是一种能量,主动发光是对能量的一种消耗,生物的生存策略有一个最基本的共同点,那就是在维持生命的正常活动中最大限度地去节省能量,因此主动发光必定是主动发光生物生存的一个重要的环节。有必要说一下,有些动物本身并不会发光,但在共生的环境中它们会利用发光细菌的光为自己服务,下面举例时我们会提到这一点。

  萤火虫

  发光,是一种生物行为,具体地说就是一种生物通讯。下面我们来看看主动发光对发光生物都有些什么用途。

  人们首先会由萤火虫想到发光是动物的求偶行为,雌性萤火虫发出微弱的光蛰伏在草丛中,雄虫发现后会用一种兴奋的明亮的闪光来示好,等待着雌虫发光的变化以确定自己有多大成功的把握。

  警告也是光的一种用途。众所周知,很多种动物会有自己食物来源的一个区域,这种秩序建立在同种生物自然默契的基础上,为了不使矛盾激化,动物们通常会各自有一套警告的方法行为,如较深海处底栖的某些发光鱼类。

  在深海有一种鮟鱇头顶会有一个发光器,这是用来迷惑一些从它身旁经过的小动物的,如果某个动物有太强的好奇心的话,那么这种抑制不了诱惑的恶习极有可能让它成为鮟鱇的口中之鬼。这种发光属于取食行为中的一种。有趣的是,这种鮟鱇自己并不能发光,但在它的头顶的那个突出物却能给一种发光的细菌提供生存环境,细菌得到了一个稳定的生活来源,而鮟鱇则利用它们发出的光来吸引小动物。

  发光的水母

1885年,杜堡伊斯(Dubois)在实验室里提出的萤火虫的荧光素和荧光素酶,指出萤火虫的发光是一种化学反应,后来,科学家们又得到了荧光素酶的基因。经过科学家们的研究,萤火虫的发光原理被完全弄清楚了。我们知道,化学发光的物质有两种能态,即基态和激发态,前者能级低后者能级很高,一般地说在激发态时分子有很高并且不稳定的能量,它们很容易释放能量重新回到基态,当能量以光子形式释放时,我们就看到了生物发光。如果我们企图使一个物体发光我们只需要给它足够的能量使它从基态变成激发态就行了,但生物要发光则需要体内的酶来参与,即酶是一种催化剂,并且是高效率的,它可以促使发生化学反应的以给发光物质提供能量且能保证消耗的能量尽量少而发光强度尽可能高。在萤火虫体内,ATP(三磷腺酸苷)水解产生能量提供给荧光素而发生氧化反应,每分解一个ATP氧化一个荧光素就会有一个光子产生,从而发出光来。目前已知,绝大多数的生物发光机制是这种模式。但在发光的腔肠动物那里,荧光素则换成了光蛋白,如常见发光水母的绿荧光蛋白,这些个荧光蛋白与钙或铁离子结合发生反应从而发出光来。

  一种能发红色荧光的转基因斑马鱼,这算是人工发光生物了

  上面我们说到生物主动发光归根结底是一种生物的通讯行为,一些有眼睛的动物能直接捕获到自己能理解的来自同类物种发出的光,但一些压根都没有眼睛的生物是如何实现光通讯的呢?科学家们目前在这方面进行过一些有意义的实验,让我们来看看那些具普遍意义的实验吧。

  首先,生物发光是最经济的,因此更多的生物发光是一种非常弱的光,弱到人眼无法而只能通过仪器检测到。如水蚤,一般情况下我们甚至都不知道它们原来也是一种会主动发光的动物。科学家们为了测定到它们微弱的光用不吸收紫外线的石英玻璃杯盛上水,再放进一些水蚤,测试中假定水蚤各自的发光是独立的,即意味着它们的光量是可能迭加的,水蚤数目越多,光量就越大,可实验的结果大出人们的意料,当水蚤的数目达到一定的比例时,这种迭加就不存在了,反而是光量变小,经研究发现这原来是一种被称之为“相干”的光学现象。在对微小生物进行发光的研究中科学家们还发现,发光生物机体的异常也会影响到发光的质量。像光照诱导的延迟发光也存在于发光生物中,并且研究后都发现了“相干”。于是人们提出了一种称为“相干电磁场和生物光子”的假说,这种假说认为在发光的生物体内存在着相干的电磁场释放生物光子,它是活组织中细胞通讯的基础,即细胞和细胞之间可以借助于电磁场和光来传递信息,这便是细胞的视觉系统。1993年,俄国科学家通过另一个实验证明了细胞可能有“视觉”,实验是这样的,在5个格子里放进乳腺组织进行起培养,中间一组(AB)两格用不透明隔板隔开,另外一组(CD)则用透明隔板隔开。向AB中添加不同的激素以测得分泌的蛋白质、氧化物和化学发光。实验结果为AB无变化,CD则发生了变化,这表明它们觉察到了AB中发出的光。接着科学家们又用嗜中性白细胞做了类似的实验研究,结果一样。

  这些研究工作是非常有意义的,一方面为我们解开生物系统之间传递信息的秘密提供了令人鼓舞的线索,另一方面为动物视觉的起源提供了一个科学解释的想像空间。

 
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