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。”在初秋的晨昏蒙影里，一只只奇妙的小“燈籠”在草坪和林叢間穿行，大自然被這點點螢火點綴得更加富有詩情畫意了。

長期以來，自然界這一奇跡曾令人深思。然而，會發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。而螢火蟲和這些生物的發光之謎未逃過科學家的慧眼。他們親手捕捉了一只螢火蟲，結果驚訝地發現，螢火蟲發出的耀眼光芒竟一點也不發熱。俗語說，有一分熱發一分光，一般能發光的東西都伴隨著熱。于是，這些生物發的光就以“冷光”而馳名科學界。

輕羅小扇撲流螢

奇怪的生物發光

海洋發光

1982年春天的一個夜里，浙江省溫州市梧田區三鄉一個農民剛剛熄燈準備睡覺，突然發現樓板下閃著點點綠熒熒的光。他當即點上燈一看，原來這些奇怪的綠光是從扔在樓板下的一只熟雞身上發出的。他用手指甲在雞上揩了一下，指甲沾上的油也會發光。

關于生物發光的事，我國古代著名科學家沈括在《夢溪筆談》中，就曾記述他早年在一個夜里煮咸鴨蛋時，其中一個竟通身透亮，就像一盞明亮的燈把整個房間都照亮。在國外，意大利帕度亞城里一個屠夫于1592年發現他家里一塊羊肉竟發出奇怪的光來。1887年，法國生理學家杜波依斯發現一種石蛤也會發出奇妙的光，令他驚奇的是，一旦停止發光，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，類似的發光現象就又“死灰復燃”了。

每當夜幕降臨在大海時，人們常常可以看到海面上閃閃爍爍的光芒像一條條火舌。海洋發光主要是由發光細菌引起的。海洋發光細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敵。一個瓜水母發出的光可讓人在黑暗中看清人的面孔；長腹縹水蚤的發光能力也很強，可以利用它的光在輪船甲板上讀報。

發光菌類

發光的磷蝦

南極磷蝦群

那個法國的杜波依斯還做了個有趣的實驗。他在15～20℃的溫水中，放入死魚和烏賊進行培養，不料，僅一夜功夫，竟發現閃光的細菌菌落分布在它們的遺體上。于是，他發現了死魚之類的生物也能繁殖發光細菌。

除了發光細菌外，許多真菌、甲殼類動物、昆蟲以及海鳥等都會發出生物光。在非洲的沼澤上，就有一種會發光的熒鳥，其頭部長著一層會閃閃發光的硬殼，其亮度相當于2瓦燈泡的亮度，當地居民把這種鳥捉來養在鳥籠里，夜行時當手電筒用。早在1911年，英國醫生華爾德·基爾納透過用雙花青染料染過的玻璃屏，看到人體外周有一圈光暈，色彩瑰麗，忽隱忽現，令人稱奇。后來，俄國工程師基里安做過許多實驗，發現人體只要在500伏以上的高壓和50千赫的電場中，就會發出明亮的光暈。俄國和美國科學家經過長期研究，認為人體之所以會發光是存在著一個光導纖維系統。中醫學中的741個針炙穴位是人體中對光最敏感的部位。那么，中醫說的經絡系統是否就是人體的光導纖維系統呢？現在還是一個謎。

時至今日，人們發現會發冷光的生物簡直多得難以計數，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，富有經驗的捕鯨者常利用夜間磷蝦群在水面浮游時所發出的熒光來判明鯨的來往去向。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。美國在南極大象島以北海域，發現一個磷蝦群，至少有1000萬噸之巨，堪稱迄今最宏偉壯觀的海洋發光生物群。

生物發光的奧妙

那么，生物自動發光的“秘密”何在呢？科學家研究發現，無論雄的或雌的螢火蟲都能發光，而雌蟲的光度稍微弱一些。螢火蟲發光是因為有個發光器，它在腹部第六七節的腹面，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光。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。發光器上有一些氣孔，空氣進入氣孔后，在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發出或黃綠或橙紅、亮度也各不相同的熒光。螢火蟲的發光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。

隨著科學技術的發展和進步，如今科學家已弄清楚生物發光的秘密。原來這些生物體內也是具有能夠發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，就會在熒光酶的催化下，發生微妙的化學反應，生成氧化熒光素并發出光亮，這樣，冷光奇跡便活靈活現。

熒光酶是一種結晶蛋白質，能在熒光素和氧發生化學反應中起催化作用。令人驚嘆的是，熒光素幾乎能將化學能百分之百地轉變為可見光。這倒是那些發光效率不足百分之十的現代光源所望塵莫及的。

螢火蟲的發光器在腹部

生物發光來自熒光素和熒光酶

海洋發光主要是由發光細菌引起的。在這些發光細菌的生物體內，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，熒光素和氧氣結合，生成氧化熒光素，其化學反應所產生的能量以光的形式釋放出來，因此就發出了光。海洋發光細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敵。令人驚訝的是，一些極少量的“冷光”物質也可以使人感覺出光亮。例如，從海螢的細胞中分離出的1克干發光物質，溶解在1700噸水中，仍能發出可見的光。而且這種干品，保存10年后，遇上潮濕環境，照樣能夠發光。

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

揭開了生物發光的奧秘，有朝一日，人們利用或仿效出冷光，必將引起人們生活領域的一場偉大變革。

冷光是新型光源

古人的“燈光捕魚”

室內電致發光屏

奇妙的冷光早就引起人們的注目。早在我國的明朝，捕魚者就抓來幾百只螢火蟲，把它們裝在吹足氣的羊膀胱里，再把它吊在漁網里。魚見了光就紛紛入網。這可算是世界上最早的“燈光捕魚”了。長期以來，世界各地的漁民們曾利用海光尋找魚群，識別暗礁、淺灘、沙洲和冰山等。后來，科學家們研究出了從發光生物中分離熒光素和熒光酶的方法，從而實現了用人工的方法來控制生物光。1900年柏林的世界博覽會上就展出過轟動一時的“細菌燈”，就是通過培養發光細菌，并把這些細菌集中在玻璃瓶里而制成的。

自從知道生物發光屬于冷光，發熱極少，發光效率極高，幾乎95%以上的化學能直接轉化為光能之后，人們就通過研究生物發光機理，進而模仿生物發光，研制理想化學冷光源，以廣泛應用于生產和生活的照明。20世紀70年代，美國科學家發現，如果把熒光素和激發劑兩種化學物質放到一起，發生化學反應，能產生冷光。于是，他們便把這兩種化學物質放入塑料管內，中間用玻璃隔開，當需要使用時，只要把塑料管折彎，兩種化學物質就混到了一起，發出冷光。這樣，這只塑料管便成了一盞奇妙的燈。

室外電致發光屏

科學家還發現利用電子、電場、基本粒子激發，能使好多物質發出冷光來。比如月光燈也是冷光的一種。當通電后，在電場作用下，它里頭水銀蒸氣發出了紫外線，激發了燈管內壁上涂的硫化鋅和硫化鈣等熒光物質，于是發出了冷光。早在1936年，法國物理學家德蓁特勞曾發現強的交流電能使某些熒光物質發光，也就是不必先激發出紫外線，而將電直接轉化為光。他把這種現象叫做“電致發光”。現在不少科學家正繼續從事這個研究，不斷探索其中奧秘。一些科學工作者正在著手進行把一些熒光物質摻進塑料或玻璃中來制造一種叫做“電致發光板”的材料。當你住在用電致發光材料做墻壁和天花板的房間里時，雖然沒有電燈，而你卻可以利用按鈕來調節，使房間里散發著十分柔和的光。物理學家認為，可見光也是在一定頻率范圍內的電磁波，只要使獲得的電磁波在可見光的頻率范圍內，便能產生可見光。據報道，美國科學家曾將一枚火箭發射到250千米高空，它爆發性地釋放出的鋇氣與太陽光作用后，竟然出現了范圍達幾十千米的好像“北極光”那樣的光幕。

科學家們還利用化學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。進行軍事偵查時，把冷光物質涂在手掌上可以查地圖、看文件。由于高靈敏度檢測儀器的發展，臨床上開始用冷光來診斷某些疾病，比如到醫院里作尿檢，在尿中加入熒光素、熒光酶、鎂及其它緩沖劑，如果發光的強度越大，說明尿中所含細菌越多。此外，應用各種不同色彩的結晶磷光體作裝飾，能使裝飾品畫面絢麗多彩。把冷光物質涂在手術室和研究室的墻壁和天花板上，可使其在夜晚“四壁生輝”。現在有的建筑師在室內用一種特殊的冷光物質繪成各樣圖案，白天什么也看不見，晚上使用特殊的紫外線燈光照射才顯示出來。比如一種用來改善睡眠的裝置已經研制成功，白天臥室沒有特殊的地方，只有到了臨睡熄燈以后，天花板和四壁就會慢慢呈現出星光閃爍，綠野蒙蒙，一片田園景象，時隱時現，可以使你酣然入睡。這現代化冷光裝置真令人贊嘆不已！

發光金魚和發光圣誕樹

在不久的將來，螢火蟲“發光基因”被成功轉移到其他動植物細胞中，可以開發出許多新奇的產品。

近日，臺灣輔仁大學主辦了臺北縣科技產業發展與規劃論壇活動。活動展示了一個在奶油中添加了臺灣本上紅藻熒光蛋白制成的“熒光蛋糕”，這個蛋糕在黑暗中發出柔和動人的熒光色彩，散發出浪漫的氣氛，吸引了不少人的關注。

根據報道，科學家已經使蠶能吐出“發光蠶絲”，培養出“能發光的金魚”，培育出“發光圣誕樹”，這些產品一旦投入市場，定會受到廣泛歡迎。

最近又傳來新消息：螢火蟲“生物探測器”將飛上太空！原來科學家發現，螢火蟲體內的ATP（三磷酸腺苷）是一種靈敏度極高的物質，根據實驗：十億分之一克的ATP只要遇上熒光酶、熒光素等，也會發出熒光。在宇宙中是否有生命的探討中，科學家想了很多辦法，其中，利用熒光酶、熒光素等制成“生物探測器”是一個巧妙的方法，因為只要存在生命，無論是體型大的還是體型小的，甚至是微生物，體內必然含有ATP物質，而只要經過“生物探測器”的檢測，看它是否發出熒光，可以快速準確地發現生命的痕跡，小小的螢火蟲對人類又做出了新貢獻！

我們相信，隨著科學技術的不斷發展，神秘的“冷光世界”為我們帶來的前景無限美好！

螢火蟲用于太空探測