论文部分内容阅读
令人着迷的神奇光
当你夜晚漫步在乡村的森林里，可能遇到一群在空中“舞动”着的灯光，这看起来可能有点像是魔术的场景，但事实上这是自然世界赋予某种昆虫的一项最特别的能力：发光。这些是由小小的萤火虫施展出来的。
几千年以来，人类一直被发光的生物所深深吸引。例如唐代诗人杜牧《秋夕》里“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤”里的萤火虫。公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就曾写道，“有些物体，虽然不像阳光或火光一样，但也能产生光亮。”同样，在公元1世纪，罗马学者老普林尼曾记录他在地中海的那不勒斯湾那里观察到一个会发光的水母，在他看来，水母的发光强度，如果放在手杖顶端，几乎可以用来当做火炬。
黑暗中的生物发光最庞大的阵营，莫过于海洋生物了，比如水母、鱼类，甚至珊瑚虫也能发光。然而，有意思的是，淡水栖息地中除萤火虫外几乎没有发光生物。另外，在自然界并不只有动物才有这种特殊技能，有些细菌也能发光。
生物如何发光？
那么生物是如何发光的呢？它们的光有区别吗？
正如亚里士多德注意到的那样，生物散发的光是一种“冷光”，这种光不同于太阳光，也不同于我们常见的电灯泡所散发出来的光芒。电灯泡发光的同时还会产生余热，而生物发光反应的效率几乎是100%，产生的余热极少。
动物一般通过两种方式产生“冷光”：一种是通过自身的构造，比如萤火虫；第二种是通过发光细菌——会发光的细菌会在动物体内举办一场华丽的灯光秀。这些发光细菌也可以自主生活，也可以寄生，当它们以寄生方式活着的时候，会依附于一个动物宿主，然后使动物宿主在不知不觉间发光。
例如，在太平洋沿海水域，有一种微小的短尾鱿鱼，只有几厘米长，发光细菌在它们的体内生活，使它们闪闪发亮。每天早上，短尾鱿鱼将身体内95%的发光细菌驱逐出去，确保在自己休息时细菌不再发光。等到了晚上，再将发光细菌召回，直到体内的细菌累积到足够多的数量后，短尾鱿鱼便开始发光了。
在水中，短尾鱿鱼利用身体里发光细菌所散发的蓝绿色光，伪装成月亮从天上照射下来的光线，可以欺骗潜伏在短尾鱿鱼底下的捕食者。此外，短尾鱿鱼还能控制由细菌所发出的光线的亮度。这是一个有趣的生物发光现象，光在这里主要并不是为了照亮黑夜，而是起到伪装的作用。
而作为回报，短尾鱿鱼的身体会提供含糖溶液来喂养细菌——它们之间是互利的共生关系，这种关系在短尾鱿鱼一出生就已经存在了。短尾鱿鱼出生后，就会立即从周围的环境中获取发光细菌，而发光细菌则通过“殖民”，变为短尾鱿鱼的发光器官。
真正的发光生物，并不是借取发光细菌的光，而是通过自身的构造和身体内的化学反应自己创造光芒。这些动物通常有专门结构，称为发光器官，发光器官里的有机分子——荧光素——会与氧发生反应，产生可见光。萤火虫的下腹部就有一个能发光的器官，能产生独特的闪烁光芒。发光器官里的化学反应可以由各种因素刺激而发生，包括化学的、神经的，或者是力学的触发。
还有荧光和磷光
以上两种方式统称为“生物发光法”，但“生物发光法”并不是动物王国发光的唯一方法，许多动物也可以通过荧光反应来发光，荧光反应是指动物被某种光线照射后，会出射与入射光不同波长的光。而一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。
例如，在紫外线下，蝎子会出现青绿色光。不同种类的水母和甲壳动物也具有荧光性质，很多珊瑚礁生物都利用荧光来生存。栉水母是一种微小的生物体，它们不是水母。栉水母有“桨状附属物”——纤毛，能推动它们前进，当它们运动时，入射光被运动中的纤毛所散射，这时，你就会发现有闪闪的五彩光也随之移动。而在脊椎动物中，日本鳗鱼是具有这种本领的唯一物种。
此外，动物们也可以使用磷光，磷光的化学性质与荧光相类似，但除去光源之后，磷光仍会继续发亮。
许多海洋生物的发光囊括了以上三种发光方法，但磷光往往过于微弱，很难用肉眼看到，又或者是被另外两种方式产生的光芒掩盖掉了。对比来说，生物发光法所发的光是最为明亮耀眼的。
生物为何要发光？
从海洋表面到最深的海沟，生物光就像是一束光柱。随着海底变得越来越暗，生物发光的量开始增加。人们认为，90%左右的深海动物都使用某种形式的发光来保护自己、捕食和寻找伴侣。
首先是防御作用：在黑暗中，当面临凶恶的捕食者或攻击者时，动物们可以突然闪光，这种防御性生物发光可以吓退天敌。比如短尾鱿鱼或者某些种类的水母就是使用这种方法，突然闪光，然后迅速逃走。
其次是用来“犯罪”：生物发光可以吸引猎物，为动物披上伪装的外衣，或通过照明来找到猎物。琵琶鱼的头上有一盏“小灯笼”，就像是一个发光的钓鱼杆，在深海处一闪一闪的亮光，吸引了鱼儿们的目光，使鱼儿游向发光处，当小鱼游到面前时，琵琶鱼就突然张开自己的“血盆大口”，把这群小家伙吞到了肚子里。
这个发光的工具还助于吸引雌性琵琶鱼，当雄琵琶鱼把雌琵琶鱼吸引过来后，就会紧紧咬住雌鱼的身体，并长期寄生于雌鱼身上，因为雌鱼的体形较大，而雌鱼比雄鱼大上几倍，甚至数百倍。在寄生过程中，雄鱼会逐渐解体，直至融入雌鱼身体中，完全消失。最后，雄鱼留下的精巢则成为雌鱼所需精子的来源。
不仅是海洋生物，地面动物的光同样具有诱惑能力：发光的萤火虫在求偶中起着关键的作用，它们的腹部下方有发光器官。雄性萤火虫进行“灯光秀”来吸引雌性，雌性如果喜欢某只雄性萤火虫的表演，它就会做出回应。而不同的萤火虫物种可以通过光的闪烁模式来识别。
但相对地，发光的海洋动物可能也会因为自己的特殊技能而陷入危机。科学家曾经观察到，抹香鲸等其他不发光的海洋生物一直潜水到很深、很暗的海域捕食发光动物，而追踪的线索就是发光动物身上的光线。
在海洋中，你如果仔细观察，就能注意到动物发光的颜色通常包括蓝色和绿色，与霓虹等散发出来的蓝色和绿色光线极为相似，因此也称作霓虹色调。为什么海洋动物的生物灯是这两种颜色呢？这是因为在海洋深处，波长较短的蓝色和绿色光可以穿行很远的距离，就类似于我们打着手电筒走在黑乎乎的森林里，当然希望手电筒的光照得越远越好。
自然光如何造福人类？
美轮美奂的生物发光除了具有欣赏价值之外，在我们的日常生活中，生物发光也有很多实际的应用，我们可以把它应用于医疗、军事和商业等的领域之中。其中，动物的荧光反应已成为一种越来越有用的工具。
比如来自发光水母的荧光蛋白，在医学研究中具有巨大的潜力。荧光蛋白的出现可以说是彻底改变了细胞生物学，它在紫外灯下会发出明亮的绿色和蓝色，可作为生物过程的一个多功能的标记物。该蛋白质可以被克隆（因此它不需要从活水母中获得），而绿色荧光蛋白基因序列还可以添加到生物体的基因组中。
如此一来，科学家们想要研究某一类细胞的话，就能利用自然荧光蛋白使细胞“发光”，这样科学家们能够更好地观察组织的生长，比如脑部的神经细胞到癌细胞的扩散。也可以跟踪啮齿类动物病毒和疾病的传播，也可以让我们了解和治疗人类的疾病。
此外，还有一个比较大胆的想法，就是把生物发光的基因加入到植物的基因中，让植物发光，那么就可以让树木代替路灯，不用消耗能源就可以散发光芒，这样我们就能节省宝贵的化石燃料。
如今研究人员已经将发光细菌的基因组，插入到一种叫做花烟草的植物的基因中，创造了“组合型植物”，能自主发出黄绿色的光。英国爱丁堡大学的科学家们也创造出了一种会发光的土豆，在黑暗中，土豆会脱水，然后就会发光。这种新型土豆可以为农民带来福利，因为发光的土豆能作为“标记物”来监测庄稼的水分状况，避免了人为造成的旱灾。
生物发光还有军事用途。比如当被扰动时，某些种类的浮游生物往往会发光。如果大量发光的浮游生物聚集到一起，使用它们可以暴露隐身潜艇的下落，或扰乱其他隐蔽的海军作战。
当然，生物发光还有很多商业用途。例如，美国一家生物技术公司希望开发一系列不可思议的发光产品，比如糖果、口香糖和饮料等发光甜食，以及能在黑暗中发光的牙膏、肥皂和泡泡沐浴液等等。
当你夜晚漫步在乡村的森林里，可能遇到一群在空中“舞动”着的灯光，这看起来可能有点像是魔术的场景，但事实上这是自然世界赋予某种昆虫的一项最特别的能力：发光。这些是由小小的萤火虫施展出来的。
几千年以来，人类一直被发光的生物所深深吸引。例如唐代诗人杜牧《秋夕》里“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤”里的萤火虫。公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就曾写道，“有些物体，虽然不像阳光或火光一样，但也能产生光亮。”同样，在公元1世纪，罗马学者老普林尼曾记录他在地中海的那不勒斯湾那里观察到一个会发光的水母，在他看来，水母的发光强度，如果放在手杖顶端，几乎可以用来当做火炬。
黑暗中的生物发光最庞大的阵营，莫过于海洋生物了，比如水母、鱼类，甚至珊瑚虫也能发光。然而，有意思的是，淡水栖息地中除萤火虫外几乎没有发光生物。另外，在自然界并不只有动物才有这种特殊技能，有些细菌也能发光。
生物如何发光？
那么生物是如何发光的呢？它们的光有区别吗？
正如亚里士多德注意到的那样，生物散发的光是一种“冷光”，这种光不同于太阳光，也不同于我们常见的电灯泡所散发出来的光芒。电灯泡发光的同时还会产生余热，而生物发光反应的效率几乎是100%，产生的余热极少。
动物一般通过两种方式产生“冷光”：一种是通过自身的构造，比如萤火虫；第二种是通过发光细菌——会发光的细菌会在动物体内举办一场华丽的灯光秀。这些发光细菌也可以自主生活，也可以寄生，当它们以寄生方式活着的时候，会依附于一个动物宿主，然后使动物宿主在不知不觉间发光。
例如，在太平洋沿海水域，有一种微小的短尾鱿鱼，只有几厘米长，发光细菌在它们的体内生活，使它们闪闪发亮。每天早上，短尾鱿鱼将身体内95%的发光细菌驱逐出去，确保在自己休息时细菌不再发光。等到了晚上，再将发光细菌召回，直到体内的细菌累积到足够多的数量后，短尾鱿鱼便开始发光了。
在水中，短尾鱿鱼利用身体里发光细菌所散发的蓝绿色光，伪装成月亮从天上照射下来的光线，可以欺骗潜伏在短尾鱿鱼底下的捕食者。此外，短尾鱿鱼还能控制由细菌所发出的光线的亮度。这是一个有趣的生物发光现象，光在这里主要并不是为了照亮黑夜，而是起到伪装的作用。
而作为回报，短尾鱿鱼的身体会提供含糖溶液来喂养细菌——它们之间是互利的共生关系，这种关系在短尾鱿鱼一出生就已经存在了。短尾鱿鱼出生后，就会立即从周围的环境中获取发光细菌，而发光细菌则通过“殖民”，变为短尾鱿鱼的发光器官。
真正的发光生物，并不是借取发光细菌的光，而是通过自身的构造和身体内的化学反应自己创造光芒。这些动物通常有专门结构，称为发光器官，发光器官里的有机分子——荧光素——会与氧发生反应，产生可见光。萤火虫的下腹部就有一个能发光的器官，能产生独特的闪烁光芒。发光器官里的化学反应可以由各种因素刺激而发生，包括化学的、神经的，或者是力学的触发。
还有荧光和磷光
以上两种方式统称为“生物发光法”，但“生物发光法”并不是动物王国发光的唯一方法，许多动物也可以通过荧光反应来发光，荧光反应是指动物被某种光线照射后，会出射与入射光不同波长的光。而一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。
例如，在紫外线下，蝎子会出现青绿色光。不同种类的水母和甲壳动物也具有荧光性质，很多珊瑚礁生物都利用荧光来生存。栉水母是一种微小的生物体，它们不是水母。栉水母有“桨状附属物”——纤毛，能推动它们前进，当它们运动时，入射光被运动中的纤毛所散射，这时，你就会发现有闪闪的五彩光也随之移动。而在脊椎动物中，日本鳗鱼是具有这种本领的唯一物种。
此外，动物们也可以使用磷光，磷光的化学性质与荧光相类似，但除去光源之后，磷光仍会继续发亮。
许多海洋生物的发光囊括了以上三种发光方法，但磷光往往过于微弱，很难用肉眼看到，又或者是被另外两种方式产生的光芒掩盖掉了。对比来说，生物发光法所发的光是最为明亮耀眼的。
生物为何要发光？
从海洋表面到最深的海沟，生物光就像是一束光柱。随着海底变得越来越暗，生物发光的量开始增加。人们认为，90%左右的深海动物都使用某种形式的发光来保护自己、捕食和寻找伴侣。
首先是防御作用：在黑暗中，当面临凶恶的捕食者或攻击者时，动物们可以突然闪光，这种防御性生物发光可以吓退天敌。比如短尾鱿鱼或者某些种类的水母就是使用这种方法，突然闪光，然后迅速逃走。
其次是用来“犯罪”：生物发光可以吸引猎物，为动物披上伪装的外衣，或通过照明来找到猎物。琵琶鱼的头上有一盏“小灯笼”，就像是一个发光的钓鱼杆，在深海处一闪一闪的亮光，吸引了鱼儿们的目光，使鱼儿游向发光处，当小鱼游到面前时，琵琶鱼就突然张开自己的“血盆大口”，把这群小家伙吞到了肚子里。
这个发光的工具还助于吸引雌性琵琶鱼，当雄琵琶鱼把雌琵琶鱼吸引过来后，就会紧紧咬住雌鱼的身体，并长期寄生于雌鱼身上，因为雌鱼的体形较大，而雌鱼比雄鱼大上几倍，甚至数百倍。在寄生过程中，雄鱼会逐渐解体，直至融入雌鱼身体中，完全消失。最后，雄鱼留下的精巢则成为雌鱼所需精子的来源。
不仅是海洋生物，地面动物的光同样具有诱惑能力：发光的萤火虫在求偶中起着关键的作用，它们的腹部下方有发光器官。雄性萤火虫进行“灯光秀”来吸引雌性，雌性如果喜欢某只雄性萤火虫的表演，它就会做出回应。而不同的萤火虫物种可以通过光的闪烁模式来识别。
但相对地，发光的海洋动物可能也会因为自己的特殊技能而陷入危机。科学家曾经观察到，抹香鲸等其他不发光的海洋生物一直潜水到很深、很暗的海域捕食发光动物，而追踪的线索就是发光动物身上的光线。
在海洋中，你如果仔细观察，就能注意到动物发光的颜色通常包括蓝色和绿色，与霓虹等散发出来的蓝色和绿色光线极为相似，因此也称作霓虹色调。为什么海洋动物的生物灯是这两种颜色呢？这是因为在海洋深处，波长较短的蓝色和绿色光可以穿行很远的距离，就类似于我们打着手电筒走在黑乎乎的森林里，当然希望手电筒的光照得越远越好。
自然光如何造福人类？
美轮美奂的生物发光除了具有欣赏价值之外，在我们的日常生活中，生物发光也有很多实际的应用，我们可以把它应用于医疗、军事和商业等的领域之中。其中，动物的荧光反应已成为一种越来越有用的工具。
比如来自发光水母的荧光蛋白，在医学研究中具有巨大的潜力。荧光蛋白的出现可以说是彻底改变了细胞生物学，它在紫外灯下会发出明亮的绿色和蓝色，可作为生物过程的一个多功能的标记物。该蛋白质可以被克隆（因此它不需要从活水母中获得），而绿色荧光蛋白基因序列还可以添加到生物体的基因组中。
如此一来，科学家们想要研究某一类细胞的话，就能利用自然荧光蛋白使细胞“发光”，这样科学家们能够更好地观察组织的生长，比如脑部的神经细胞到癌细胞的扩散。也可以跟踪啮齿类动物病毒和疾病的传播，也可以让我们了解和治疗人类的疾病。
此外，还有一个比较大胆的想法，就是把生物发光的基因加入到植物的基因中，让植物发光，那么就可以让树木代替路灯，不用消耗能源就可以散发光芒，这样我们就能节省宝贵的化石燃料。
如今研究人员已经将发光细菌的基因组，插入到一种叫做花烟草的植物的基因中，创造了“组合型植物”，能自主发出黄绿色的光。英国爱丁堡大学的科学家们也创造出了一种会发光的土豆，在黑暗中，土豆会脱水，然后就会发光。这种新型土豆可以为农民带来福利，因为发光的土豆能作为“标记物”来监测庄稼的水分状况，避免了人为造成的旱灾。
生物发光还有军事用途。比如当被扰动时，某些种类的浮游生物往往会发光。如果大量发光的浮游生物聚集到一起，使用它们可以暴露隐身潜艇的下落，或扰乱其他隐蔽的海军作战。
当然，生物发光还有很多商业用途。例如，美国一家生物技术公司希望开发一系列不可思议的发光产品，比如糖果、口香糖和饮料等发光甜食，以及能在黑暗中发光的牙膏、肥皂和泡泡沐浴液等等。