奇妙的冷光

文/陈福民

奇妙的冷光

文/陈福民

“银烛秋水冷画屏，轻罗小扇扑流萤。”在初秋的晨昏蒙影里，一只只奇妙的小“灯笼”在草坪和林丛间穿行，大自然被这点点萤火点缀得更加富有诗情画意了。

长期以来，自然界这一奇迹曾令人深思。然而，会发光的又何止萤火虫呢？珊瑚虫、夜光虫、蠕虫、海绵、水母、沙蚕、角藻、磷虾以及某些甲壳类、鱼类等，都具有这种本领。而萤火虫和这些生物的发光之谜未逃过科学家的慧眼。他们亲手捕捉了一只萤火虫，结果惊讶地发现，萤火虫发出的耀眼光芒竟一点也不发热。俗语说，有一分热发一分光，一般能发光的东西都伴随着热。于是，这些生物发的光就以“冷光”而驰名科学界。

轻罗小扇扑流萤

奇怪的生物发光

海洋发光

1982年春天的一个夜里，浙江省温州市梧田区三乡一个农民刚刚熄灯准备睡觉，突然发现楼板下闪着点点绿荧荧的光。他当即点上灯一看，原来这些奇怪的绿光是从扔在楼板下的一只熟鸡身上发出的。他用手指甲在鸡上揩了一下，指甲沾上的油也会发光。

关于生物发光的事，我国古代著名科学家沈括在《梦溪笔谈》中，就曾记述他早年在一个夜里煮咸鸭蛋时，其中一个竟通身透亮，就像一盏明亮的灯把整个房间都照亮。在国外，意大利帕度亚城里一个屠夫于1592年发现他家里一块羊肉竟发出奇怪的光来。1887年，法国生理学家杜波依斯发现一种石蛤也会发出奇妙的光，令他惊奇的是，一旦停止发光，在石蛤的冷水提取液中再加入已冷却的新鲜石蛤热水提取液，类似的发光现象就又“死灰复燃”了。

每当夜幕降临在大海时，人们常常可以看到海面上闪闪烁烁的光芒像一条条火舌。海洋发光主要是由发光细菌引起的。海洋发光细菌多生活在热带和温带海洋中。它们大多是以寄生、共生或腐生的方式生长在鱼、虾、贝、藻等生物体上，为这些鱼、虾、贝等提供了新的光源，使它们更有利于觅食和驱敌。一个瓜水母发出的光可让人在黑暗中看清人的面孔；长腹缥水蚤的发光能力也很强，可以利用它的光在轮船甲板上读报。

发光菌类

发光的磷虾

南极磷虾群

那个法国的杜波依斯还做了个有趣的实验。他在15～20℃的温水中，放入死鱼和乌贼进行培养，不料，仅一夜功夫，竟发现闪光的细菌菌落分布在它们的遗体上。于是，他发现了死鱼之类的生物也能繁殖发光细菌。

除了发光细菌外，许多真菌、甲壳类动物、昆虫以及海鸟等都会发出生物光。在非洲的沼泽上，就有一种会发光的荧鸟，其头部长着一层会闪闪发光的硬壳，其亮度相当于2瓦灯泡的亮度，当地居民把这种鸟捉来养在鸟笼里，夜行时当手电筒用。早在1911年，英国医生华尔德·基尔纳透过用双花青染料染过的玻璃屏，看到人体外周有一圈光晕，色彩瑰丽，忽隐忽现，令人称奇。后来，俄国工程师基里安做过许多实验，发现人体只要在500伏以上的高压和50千赫的电场中，就会发出明亮的光晕。俄国和美国科学家经过长期研究，认为人体之所以会发光是存在着一个光导纤维系统。中医学中的741个针炙穴位是人体中对光最敏感的部位。那么，中医说的经络系统是否就是人体的光导纤维系统呢？现在还是一个谜。

时至今日，人们发现会发冷光的生物简直多得难以计数，冷光生物五光十色，比比皆是。南极洋中的磷虾就是最为壮观的生物发光奇迹之一。磷虾多半在逾150 米的深水层成群生活和浮游，一般昼潜夜浮，富有经验的捕鲸者常利用夜间磷虾群在水面浮游时所发出的荧光来判明鲸的来往去向。白天，大磷虾群性喜浅游，可在顷刻之间把茫茫海洋“染成”红色。美国在南极大象岛以北海域，发现一个磷虾群，至少有1000万吨之巨，堪称迄今最宏伟壮观的海洋发光生物群。

生物发光的奥妙

那么，生物自动发光的“秘密”何在呢？科学家研究发现，无论雄的或雌的萤火虫都能发光，而雌虫的光度稍微弱一些。萤火虫发光是因为有个发光器，它在腹部第六七节的腹面，这腹面在白天看去是灰白色的，只有在黑夜才能让人看到发光。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。发光器上有一些气孔，空气进入气孔后，在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出或黄绿或橙红、亮度也各不相同的荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。

随着科学技术的发展和进步，如今科学家已弄清楚生物发光的秘密。原来这些生物体内也是具有能够发光的荧光素和荧光酶。荧光素很容易被氧化，一旦吸收了氧和糖分子，就会在荧光酶的催化下，发生微妙的化学反应，生成氧化荧光素并发出光亮，这样，冷光奇迹便活灵活现。

荧光酶是一种结晶蛋白质，能在荧光素和氧发生化学反应中起催化作用。令人惊叹的是，荧光素几乎能将化学能百分之百地转变为可见光。这倒是那些发光效率不足百分之十的现代光源所望尘莫及的。

萤火虫的发光器在腹部

生物发光来自荧光素和荧光酶

海洋发光主要是由发光细菌引起的。在这些发光细菌的生物体内，也有一种荧光素和荧光酶。同样，荧光酶是一种生物催化剂。在它的催化下，荧光素和氧气结合，生成氧化荧光素，其化学反应所产生的能量以光的形式释放出来，因此就发出了光。海洋发光细菌多生活在热带和温带海洋中。它们大多是以寄生、共生或腐生的方式生长在鱼、虾、贝、藻等生物体上，为它们提供了新的光源，使它们更有利于觅食和驱敌。令人惊讶的是，一些极少量的“冷光”物质也可以使人感觉出光亮。例如，从海萤的细胞中分离出的1克干发光物质，溶解在1700吨水中，仍能发出可见的光。而且这种干品，保存10年后，遇上潮湿环境，照样能够发光。

这些发光生物发出的光都是“冷光”，在发光的同时，没有辐射热能的消耗，因而生物发光的效率是很高的。普通电灯泡（白炽灯）通电时，灼热的钨丝约把7%～13%的电能变成了可见的光，其余电能成了不可见的光和热。而生物光几乎能将化学能百分之百地转变为可见光，为普通电光源效率的几倍到几十倍。

揭开了生物发光的奥秘，有朝一日，人们利用或仿效出冷光，必将引起人们生活领域的一场伟大变革。

冷光是新型光源

古人的“灯光捕鱼”

室内电致发光屏

奇妙的冷光早就引起人们的注目。早在我国的明朝，捕鱼者就抓来几百只萤火虫，把它们装在吹足气的羊膀胱里，再把它吊在渔网里。鱼见了光就纷纷入网。这可算是世界上最早的“灯光捕鱼”了。长期以来，世界各地的渔民们曾利用海光寻找鱼群，识别暗礁、浅滩、沙洲和冰山等。后来，科学家们研究出了从发光生物中分离荧光素和荧光酶的方法，从而实现了用人工的方法来控制生物光。1900年柏林的世界博览会上就展出过轰动一时的“细菌灯”，就是通过培养发光细菌，并把这些细菌集中在玻璃瓶里而制成的。

自从知道生物发光属于冷光，发热极少，发光效率极高，几乎95%以上的化学能直接转化为光能之后，人们就通过研究生物发光机理，进而模仿生物发光，研制理想化学冷光源，以广泛应用于生产和生活的照明。20世纪70年代，美国科学家发现，如果把荧光素和激发剂两种化学物质放到一起，发生化学反应，能产生冷光。于是，他们便把这两种化学物质放入塑料管内，中间用玻璃隔开，当需要使用时，只要把塑料管折弯，两种化学物质就混到了一起，发出冷光。这样，这只塑料管便成了一盏奇妙的灯。

室外电致发光屏

科学家还发现利用电子、电场、基本粒子激发，能使好多物质发出冷光来。比如月光灯也是冷光的一种。当通电后，在电场作用下，它里头水银蒸气发出了紫外线，激发了灯管内壁上涂的硫化锌和硫化钙等荧光物质，于是发出了冷光。早在1936年，法国物理学家德蓁特劳曾发现强的交流电能使某些荧光物质发光，也就是不必先激发出紫外线，而将电直接转化为光。他把这种现象叫做“电致发光”。现在不少科学家正继续从事这个研究，不断探索其中奥秘。一些科学工作者正在着手进行把一些荧光物质掺进塑料或玻璃中来制造一种叫做“电致发光板”的材料。当你住在用电致发光材料做墙壁和天花板的房间里时，虽然没有电灯，而你却可以利用按钮来调节，使房间里散发着十分柔和的光。物理学家认为，可见光也是在一定频率范围内的电磁波，只要使获得的电磁波在可见光的频率范围内，便能产生可见光。据报道，美国科学家曾将一枚火箭发射到250千米高空，它爆发性地释放出的钡气与太阳光作用后，竟然出现了范围达几十千米的好像“北极光”那样的光幕。

科学家们还利用化学方法人工合成荧光素。在不宜使用热光的矿井里，用冷光做照明灯，可以避免瓦斯爆炸。进行军事侦查时，把冷光物质涂在手掌上可以查地图、看文件。由于高灵敏度检测仪器的发展，临床上开始用冷光来诊断某些疾病，比如到医院里作尿检，在尿中加入荧光素、荧光酶、镁及其它缓冲剂，如果发光的强度越大，说明尿中所含细菌越多。此外，应用各种不同色彩的结晶磷光体作装饰，能使装饰品画面绚丽多彩。把冷光物质涂在手术室和研究室的墙壁和天花板上，可使其在夜晚“四壁生辉”。现在有的建筑师在室内用一种特殊的冷光物质绘成各样图案，白天什么也看不见，晚上使用特殊的紫外线灯光照射才显示出来。比如一种用来改善睡眠的装置已经研制成功，白天卧室没有特殊的地方，只有到了临睡熄灯以后，天花板和四壁就会慢慢呈现出星光闪烁，绿野蒙蒙，一片田园景象，时隐时现，可以使你酣然入睡。这现代化冷光装置真令人赞叹不已！

发光金鱼和发光圣诞树

在不久的将来，萤火虫“发光基因”被成功转移到其他动植物细胞中，可以开发出许多新奇的产品。

近日，台湾辅仁大学主办了台北县科技产业发展与规划论坛活动。活动展示了一个在奶油中添加了台湾本上红藻荧光蛋白制成的“荧光蛋糕”，这个蛋糕在黑暗中发出柔和动人的荧光色彩，散发出浪漫的气氛，吸引了不少人的关注。

根据报道，科学家已经使蚕能吐出“发光蚕丝”，培养出“能发光的金鱼”，培育出“发光圣诞树”，这些产品一旦投入市场，定会受到广泛欢迎。

最近又传来新消息：萤火虫“生物探测器”将飞上太空！原来科学家发现，萤火虫体内的ATP（三磷酸腺苷）是一种灵敏度极高的物质，根据实验：十亿分之一克的ATP只要遇上荧光酶、荧光素等，也会发出荧光。在宇宙中是否有生命的探讨中，科学家想了很多办法，其中，利用荧光酶、荧光素等制成“生物探测器”是一个巧妙的方法，因为只要存在生命，无论是体型大的还是体型小的，甚至是微生物，体内必然含有ATP物质，而只要经过“生物探测器”的检测，看它是否发出荧光，可以快速准确地发现生命的痕迹，小小的萤火虫对人类又做出了新贡献！

我们相信，随着科学技术的不断发展，神秘的“冷光世界”为我们带来的前景无限美好！

萤火虫用于太空探测