奇妙的冷光

文/陳福民

奇妙的冷光

文/陳福民

“銀燭秋水冷畫屏，輕羅小扇撲流螢?！痹诔跚锏某炕杳捎袄?，一只只奇妙的小“燈籠”在草坪和林叢間穿行，大自然被這點(diǎn)點(diǎn)螢火點(diǎn)綴得更加富有詩(shī)情畫意了。

長(zhǎng)期以來(lái)，自然界這一奇跡曾令人深思。然而，會(huì)發(fā)光的又何止螢火蟲呢？珊瑚蟲、夜光蟲、蠕蟲、海綿、水母、沙蠶、角藻、磷蝦以及某些甲殼類、魚類等，都具有這種本領(lǐng)。而螢火蟲和這些生物的發(fā)光之謎未逃過(guò)科學(xué)家的慧眼。他們親手捕捉了一只螢火蟲，結(jié)果驚訝地發(fā)現(xiàn)，螢火蟲發(fā)出的耀眼光芒竟一點(diǎn)也不發(fā)熱。俗語(yǔ)說(shuō)，有一分熱發(fā)一分光，一般能發(fā)光的東西都伴隨著熱。于是，這些生物發(fā)的光就以“冷光”而馳名科學(xué)界。

輕羅小扇撲流螢

奇怪的生物發(fā)光

海洋發(fā)光

1982年春天的一個(gè)夜里，浙江省溫州市梧田區(qū)三鄉(xiāng)一個(gè)農(nóng)民剛剛熄燈準(zhǔn)備睡覺(jué)，突然發(fā)現(xiàn)樓板下閃著點(diǎn)點(diǎn)綠熒熒的光。他當(dāng)即點(diǎn)上燈一看，原來(lái)這些奇怪的綠光是從扔在樓板下的一只熟雞身上發(fā)出的。他用手指甲在雞上揩了一下，指甲沾上的油也會(huì)發(fā)光。

關(guān)于生物發(fā)光的事，我國(guó)古代著名科學(xué)家沈括在《夢(mèng)溪筆談》中，就曾記述他早年在一個(gè)夜里煮咸鴨蛋時(shí)，其中一個(gè)竟通身透亮，就像一盞明亮的燈把整個(gè)房間都照亮。在國(guó)外，意大利帕度亞城里一個(gè)屠夫于1592年發(fā)現(xiàn)他家里一塊羊肉竟發(fā)出奇怪的光來(lái)。1887年，法國(guó)生理學(xué)家杜波依斯發(fā)現(xiàn)一種石蛤也會(huì)發(fā)出奇妙的光，令他驚奇的是，一旦停止發(fā)光，在石蛤的冷水提取液中再加入已冷卻的新鮮石蛤熱水提取液，類似的發(fā)光現(xiàn)象就又“死灰復(fù)燃”了。

每當(dāng)夜幕降臨在大海時(shí)，人們常常可以看到海面上閃閃爍爍的光芒像一條條火舌。海洋發(fā)光主要是由發(fā)光細(xì)菌引起的。海洋發(fā)光細(xì)菌多生活在熱帶和溫帶海洋中。它們大多是以寄生、共生或腐生的方式生長(zhǎng)在魚、蝦、貝、藻等生物體上，為這些魚、蝦、貝等提供了新的光源，使它們更有利于覓食和驅(qū)敵。一個(gè)瓜水母發(fā)出的光可讓人在黑暗中看清人的面孔；長(zhǎng)腹縹水蚤的發(fā)光能力也很強(qiáng)，可以利用它的光在輪船甲板上讀報(bào)。

發(fā)光菌類

發(fā)光的磷蝦

南極磷蝦群

那個(gè)法國(guó)的杜波依斯還做了個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)。他在15～20℃的溫水中，放入死魚和烏賊進(jìn)行培養(yǎng)，不料，僅一夜功夫，竟發(fā)現(xiàn)閃光的細(xì)菌菌落分布在它們的遺體上。于是，他發(fā)現(xiàn)了死魚之類的生物也能繁殖發(fā)光細(xì)菌。

除了發(fā)光細(xì)菌外，許多真菌、甲殼類動(dòng)物、昆蟲以及海鳥等都會(huì)發(fā)出生物光。在非洲的沼澤上，就有一種會(huì)發(fā)光的熒鳥，其頭部長(zhǎng)著一層會(huì)閃閃發(fā)光的硬殼，其亮度相當(dāng)于2瓦燈泡的亮度，當(dāng)?shù)鼐用癜堰@種鳥捉來(lái)養(yǎng)在鳥籠里，夜行時(shí)當(dāng)手電筒用。早在1911年，英國(guó)醫(yī)生華爾德·基爾納透過(guò)用雙花青染料染過(guò)的玻璃屏，看到人體外周有一圈光暈，色彩瑰麗，忽隱忽現(xiàn)，令人稱奇。后來(lái)，俄國(guó)工程師基里安做過(guò)許多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)人體只要在500伏以上的高壓和50千赫的電場(chǎng)中，就會(huì)發(fā)出明亮的光暈。俄國(guó)和美國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，認(rèn)為人體之所以會(huì)發(fā)光是存在著一個(gè)光導(dǎo)纖維系統(tǒng)。中醫(yī)學(xué)中的741個(gè)針炙穴位是人體中對(duì)光最敏感的部位。那么，中醫(yī)說(shuō)的經(jīng)絡(luò)系統(tǒng)是否就是人體的光導(dǎo)纖維系統(tǒng)呢？現(xiàn)在還是一個(gè)謎。

時(shí)至今日，人們發(fā)現(xiàn)會(huì)發(fā)冷光的生物簡(jiǎn)直多得難以計(jì)數(shù)，冷光生物五光十色，比比皆是。南極洋中的磷蝦就是最為壯觀的生物發(fā)光奇跡之一。磷蝦多半在逾150 米的深水層成群生活和浮游，一般晝潛夜浮，富有經(jīng)驗(yàn)的捕鯨者常利用夜間磷蝦群在水面浮游時(shí)所發(fā)出的熒光來(lái)判明鯨的來(lái)往去向。白天，大磷蝦群性喜淺游，可在頃刻之間把茫茫海洋“染成”紅色。美國(guó)在南極大象島以北海域，發(fā)現(xiàn)一個(gè)磷蝦群，至少有1000萬(wàn)噸之巨，堪稱迄今最宏偉壯觀的海洋發(fā)光生物群。

生物發(fā)光的奧妙

那么，生物自動(dòng)發(fā)光的“秘密”何在呢？科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論雄的或雌的螢火蟲都能發(fā)光，而雌蟲的光度稍微弱一些。螢火蟲發(fā)光是因?yàn)橛袀€(gè)發(fā)光器，它在腹部第六七節(jié)的腹面，這腹面在白天看去是灰白色的，只有在黑夜才能讓人看到發(fā)光。這個(gè)發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成。發(fā)光層擁有幾千個(gè)發(fā)光細(xì)胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質(zhì)。發(fā)光器上有一些氣孔，空氣進(jìn)入氣孔后，在熒光酶的作用下，熒光素在細(xì)胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合便發(fā)出或黃綠或橙紅、亮度也各不相同的熒光。螢火蟲的發(fā)光，實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過(guò)程。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，如今科學(xué)家已弄清楚生物發(fā)光的秘密。原來(lái)這些生物體內(nèi)也是具有能夠發(fā)光的熒光素和熒光酶。熒光素很容易被氧化，一旦吸收了氧和糖分子，就會(huì)在熒光酶的催化下，發(fā)生微妙的化學(xué)反應(yīng)，生成氧化熒光素并發(fā)出光亮，這樣，冷光奇跡便活靈活現(xiàn)。

熒光酶是一種結(jié)晶蛋白質(zhì)，能在熒光素和氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)中起催化作用。令人驚嘆的是，熒光素幾乎能將化學(xué)能百分之百地轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光。這倒是那些發(fā)光效率不足百分之十的現(xiàn)代光源所望塵莫及的。

螢火蟲的發(fā)光器在腹部

生物發(fā)光來(lái)自熒光素和熒光酶

海洋發(fā)光主要是由發(fā)光細(xì)菌引起的。在這些發(fā)光細(xì)菌的生物體內(nèi)，也有一種熒光素和熒光酶。同樣，熒光酶是一種生物催化劑。在它的催化下，熒光素和氧氣結(jié)合，生成氧化熒光素，其化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的能量以光的形式釋放出來(lái)，因此就發(fā)出了光。海洋發(fā)光細(xì)菌多生活在熱帶和溫帶海洋中。它們大多是以寄生、共生或腐生的方式生長(zhǎng)在魚、蝦、貝、藻等生物體上，為它們提供了新的光源，使它們更有利于覓食和驅(qū)敵。令人驚訝的是，一些極少量的“冷光”物質(zhì)也可以使人感覺(jué)出光亮。例如，從海螢的細(xì)胞中分離出的1克干發(fā)光物質(zhì)，溶解在1700噸水中，仍能發(fā)出可見(jiàn)的光。而且這種干品，保存10年后，遇上潮濕環(huán)境，照樣能夠發(fā)光。

這些發(fā)光生物發(fā)出的光都是“冷光”，在發(fā)光的同時(shí)，沒(méi)有輻射熱能的消耗，因而生物發(fā)光的效率是很高的。普通電燈泡（白熾燈）通電時(shí)，灼熱的鎢絲約把7%～13%的電能變成了可見(jiàn)的光，其余電能成了不可見(jiàn)的光和熱。而生物光幾乎能將化學(xué)能百分之百地轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光，為普通電光源效率的幾倍到幾十倍。

揭開(kāi)了生物發(fā)光的奧秘，有朝一日，人們利用或仿效出冷光，必將引起人們生活領(lǐng)域的一場(chǎng)偉大變革。

冷光是新型光源

古人的“燈光捕魚”

室內(nèi)電致發(fā)光屏

奇妙的冷光早就引起人們的注目。早在我國(guó)的明朝，捕魚者就抓來(lái)幾百只螢火蟲，把它們裝在吹足氣的羊膀胱里，再把它吊在漁網(wǎng)里。魚見(jiàn)了光就紛紛入網(wǎng)。這可算是世界上最早的“燈光捕魚”了。長(zhǎng)期以來(lái)，世界各地的漁民們?cè)煤９鈱ふ音~群，識(shí)別暗礁、淺灘、沙洲和冰山等。后來(lái)，科學(xué)家們研究出了從發(fā)光生物中分離熒光素和熒光酶的方法，從而實(shí)現(xiàn)了用人工的方法來(lái)控制生物光。1900年柏林的世界博覽會(huì)上就展出過(guò)轟動(dòng)一時(shí)的“細(xì)菌燈”，就是通過(guò)培養(yǎng)發(fā)光細(xì)菌，并把這些細(xì)菌集中在玻璃瓶里而制成的。

自從知道生物發(fā)光屬于冷光，發(fā)熱極少，發(fā)光效率極高，幾乎95%以上的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為光能之后，人們就通過(guò)研究生物發(fā)光機(jī)理，進(jìn)而模仿生物發(fā)光，研制理想化學(xué)冷光源，以廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活的照明。20世紀(jì)70年代，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把熒光素和激發(fā)劑兩種化學(xué)物質(zhì)放到一起，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，能產(chǎn)生冷光。于是，他們便把這兩種化學(xué)物質(zhì)放入塑料管內(nèi)，中間用玻璃隔開(kāi)，當(dāng)需要使用時(shí)，只要把塑料管折彎，兩種化學(xué)物質(zhì)就混到了一起，發(fā)出冷光。這樣，這只塑料管便成了一盞奇妙的燈。

室外電致發(fā)光屏

科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)利用電子、電場(chǎng)、基本粒子激發(fā)，能使好多物質(zhì)發(fā)出冷光來(lái)。比如月光燈也是冷光的一種。當(dāng)通電后，在電場(chǎng)作用下，它里頭水銀蒸氣發(fā)出了紫外線，激發(fā)了燈管內(nèi)壁上涂的硫化鋅和硫化鈣等熒光物質(zhì)，于是發(fā)出了冷光。早在1936年，法國(guó)物理學(xué)家德蓁特勞曾發(fā)現(xiàn)強(qiáng)的交流電能使某些熒光物質(zhì)發(fā)光，也就是不必先激發(fā)出紫外線，而將電直接轉(zhuǎn)化為光。他把這種現(xiàn)象叫做“電致發(fā)光”?，F(xiàn)在不少科學(xué)家正繼續(xù)從事這個(gè)研究，不斷探索其中奧秘。一些科學(xué)工作者正在著手進(jìn)行把一些熒光物質(zhì)摻進(jìn)塑料或玻璃中來(lái)制造一種叫做“電致發(fā)光板”的材料。當(dāng)你住在用電致發(fā)光材料做墻壁和天花板的房間里時(shí)，雖然沒(méi)有電燈，而你卻可以利用按鈕來(lái)調(diào)節(jié)，使房間里散發(fā)著十分柔和的光。物理學(xué)家認(rèn)為，可見(jiàn)光也是在一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，只要使獲得的電磁波在可見(jiàn)光的頻率范圍內(nèi)，便能產(chǎn)生可見(jiàn)光。據(jù)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家曾將一枚火箭發(fā)射到250千米高空，它爆發(fā)性地釋放出的鋇氣與太陽(yáng)光作用后，竟然出現(xiàn)了范圍達(dá)幾十千米的好像“北極光”那樣的光幕。

科學(xué)家們還利用化學(xué)方法人工合成熒光素。在不宜使用熱光的礦井里，用冷光做照明燈，可以避免瓦斯爆炸。進(jìn)行軍事偵查時(shí)，把冷光物質(zhì)涂在手掌上可以查地圖、看文件。由于高靈敏度檢測(cè)儀器的發(fā)展，臨床上開(kāi)始用冷光來(lái)診斷某些疾病，比如到醫(yī)院里作尿檢，在尿中加入熒光素、熒光酶、鎂及其它緩沖劑，如果發(fā)光的強(qiáng)度越大，說(shuō)明尿中所含細(xì)菌越多。此外，應(yīng)用各種不同色彩的結(jié)晶磷光體作裝飾，能使裝飾品畫面絢麗多彩。把冷光物質(zhì)涂在手術(shù)室和研究室的墻壁和天花板上，可使其在夜晚“四壁生輝”?，F(xiàn)在有的建筑師在室內(nèi)用一種特殊的冷光物質(zhì)繪成各樣圖案，白天什么也看不見(jiàn)，晚上使用特殊的紫外線燈光照射才顯示出來(lái)。比如一種用來(lái)改善睡眠的裝置已經(jīng)研制成功，白天臥室沒(méi)有特殊的地方，只有到了臨睡熄燈以后，天花板和四壁就會(huì)慢慢呈現(xiàn)出星光閃爍，綠野蒙蒙，一片田園景象，時(shí)隱時(shí)現(xiàn)，可以使你酣然入睡。這現(xiàn)代化冷光裝置真令人贊嘆不已！

發(fā)光金魚和發(fā)光圣誕樹(shù)

在不久的將來(lái)，螢火蟲“發(fā)光基因”被成功轉(zhuǎn)移到其他動(dòng)植物細(xì)胞中，可以開(kāi)發(fā)出許多新奇的產(chǎn)品。

近日，臺(tái)灣輔仁大學(xué)主辦了臺(tái)北縣科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展與規(guī)劃論壇活動(dòng)?；顒?dòng)展示了一個(gè)在奶油中添加了臺(tái)灣本上紅藻熒光蛋白制成的“熒光蛋糕”，這個(gè)蛋糕在黑暗中發(fā)出柔和動(dòng)人的熒光色彩，散發(fā)出浪漫的氣氛，吸引了不少人的關(guān)注。

根據(jù)報(bào)道，科學(xué)家已經(jīng)使蠶能吐出“發(fā)光蠶絲”，培養(yǎng)出“能發(fā)光的金魚”，培育出“發(fā)光圣誕樹(shù)”，這些產(chǎn)品一旦投入市場(chǎng)，定會(huì)受到廣泛歡迎。

最近又傳來(lái)新消息：螢火蟲“生物探測(cè)器”將飛上太空！原來(lái)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，螢火蟲體內(nèi)的ATP（三磷酸腺苷）是一種靈敏度極高的物質(zhì)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)：十億分之一克的ATP只要遇上熒光酶、熒光素等，也會(huì)發(fā)出熒光。在宇宙中是否有生命的探討中，科學(xué)家想了很多辦法，其中，利用熒光酶、熒光素等制成“生物探測(cè)器”是一個(gè)巧妙的方法，因?yàn)橹灰嬖谏?，無(wú)論是體型大的還是體型小的，甚至是微生物，體內(nèi)必然含有ATP物質(zhì)，而只要經(jīng)過(guò)“生物探測(cè)器”的檢測(cè)，看它是否發(fā)出熒光，可以快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)生命的痕跡，小小的螢火蟲對(duì)人類又做出了新貢獻(xiàn)！

我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，神秘的“冷光世界”為我們帶來(lái)的前景無(wú)限美好！

螢火蟲用于太空探測(cè)