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2005年10月14日 作者:ctnyzn [返回]
大自然中的生物发光及运用

   夏夜,在乡间小路上散步,你四周到处是亮光。萤火虫闪烁着,上下飞动,闪光的小虫从栖息的草丛中发出微弱的亮光,就在你脚下也会出现一团蘑菇发出的绿光。这些光都是由各种生物发出的。 
  海洋中到处是发光物体:蛤、鱼、鱿鱼、海绵、细菌都在黑暗中闪闪发光。实际上,在非常深的海水中,90%以上的生物都发光。
   今天,某些引人注目的发光物正在从它们的栖息处走进实验室,被当作活的工具来使用。被称为“生物光”的这种发光机能可以用来判断化工厂排泄物含毒量的大小,能检验出肌肉组织内细胞功能是否正常,甚至能验证放射物的安全剂量。令人难以置信的是这些“生物光”比人们发明的所有仪器都灵敏。然而,在人们对生物光研究之前,自然界早已为它们指定了用场。比如,在海洋中,许多鱼类借助自身的光去猎取食物。有些深海鲨鱼在腹部周围有发光器官,一种理论认为,鲨鱼发出的光在黑暗中照到附近的鱼类,那么这些被光吓呆了的鱼就会被鲨鱼作为食物轻而易举地吞掉.一些擅长追捕的鱼类,其鳍尖有一个充满细菌的发光球体,象钩杆一样引诱鱼类。另一些动物用光来逃避敌人,一种深海鱿鱼将一团发光的液体喷向进攻者,使其短时间内看不清东西,自己则逃之夭夭。我们注意到有些萤火虫在落地前增强闪光的频率,或许这是“着陆照明”,以避免掉进水中或落人蜘蛛网内。还有一一些动物用亮光来照亮水下环境。一种双眼下各有一只闪光球体的鱼,用亮光来帮助扫描水下的食物。
    大部分海洋鱼类只能感觉到蓝光,因为它是光谱中唯一可以穿透海洋的光线。但有一种鱼可以看到红光,它双目之下有一个发出红色光线的突起,这或许可以用来偷袭猎物而不被发觉。有人认为它们也用红光相互之间取得联系。
    光也常用来引诱对方。比如,在繁殖季节,海中一种雌性萤光虫游到水面,一边转着小圈来回游动,一边产下带有发光绿色粘液的卵,雄虫受到光亮和雌虫游动的吸引,就来孵化这些卵。
当然,萤火虫是以闪光求爱而著称的.这种甲虫身体下侧长着特殊的器官,发出不同的闪光向对方求爱.
    有一种雌虫不仅能把同类雄虫引来,还能伪装发出其它种类雌虫求爱的信号.被这种伪造光迷惑上当的雄虫到头来发觉等待它的并非求偶者,而是被吃掉的厄运.
    佛罗里达大学昆虫学家艾伟德最近发现,与上述这种雌虫同类的雄虫,也会伪装发出同类雌虫要捕食的那种雄虫所发出的信号,以吸引雌虫过来捕食.艾伟德解释这种现象说,雄虫假装出这种信号就会吸引同类雌虫接近,然后双方进行交配.
    既然发光有这么多好处,那么为什么没有更多的生物这样做呢?淡水生物很少发现会在暗处发光,陆地上的两栖动物,爬行动物、哺乳动物和高级植物,如果没有自然光,都会感到日子不好过。 
    没人知道为什么一些生物发光而另一些生物不发光,但科学家确实知道发光的生物是怎样产生光的。人类觉察到生物光的存在已有数千年的历史了,可是我们对它的理解还是近代的事情。亚里斯多德注意到一段刚断裂的树干发出了亮光,哥伦布或许在去新大陆的途中看到了发光的海洋生物,但是直到100年前,法国生理学家杜波依斯才对光的产生做了化学上的解释。
     所有的光都产生在分子水平上,首先分子必须被推向一个更高的、不稳定的能量级上,然后,在它返回原来状态时,就放出一个光子,一个发光的粒子。生物学家巴克认为关键是“必须找到某种方法,使分子达到高一级的能量水平”
    至少有数十种化学反应能产生生物光,在这些反应中,起作用的是一种被称为“发光素”的化学物质。在一种“发光酶”的作用下----有时根据不同物质可以加入其它一些元素---把发光素同氧混合,导致分子处于一种高能状态,就足以射出光线。
    海洋水母具有另外一种发光机能,它的身体边缘有一种叫做发光细胞的蓝色细胞,如果这种水母受到惊动或兴奋起来,会释放出钙粒子,激发蛋白质,放出粒子。
    然而,没有人了解为什么会出现这些机能以及怎样出现这些机能,虽然有些从化石上能认出发光器官,但人们对表明这些生物如何进化的遗传背景了解得还不够充分。
    不论探索者们是否清楚生物光的起源,他们还是找到了许多在实验室中利用这些现象的方法,在医学、化学、甚至在工业上,发光科学正在迅速地变成一种宝贵的探索工具,把生物光用于进行早期检验细菌感染就是最通常的一种做法。这种检验方法只需把萤火虫尾巴上取下的化学物质放到病人尿样中去。该化学物质发光需要ATP(一种活细胞用于新陈代谢的物质),只要细菌出现,它就会同ATP产生反应(尿的特点是不含ATP),因此,只要尿样开始发光,就是有细菌感染。或许这种亮光刚刚能看出来,但使用象天文学家观察遥远而微弱的星星所使用的那种仪器,就可以准确地观测出来。
    其它应用还包括检测某些化学物质的标准。当把抗生素、杀虫剂和化学污染物质混合适量的细菌,就会使有机体发出微弱的光,亮度的减弱过程可以表明化学物质作用的大小和反应速度的快慢—— 换言之,表明化学物质的效力大小。
    乔治亚大学生化学家克米尔和威姆勒正在利用从水母中提取的一种发光蛋白质,研究身体细胞机能是否正常。他们之所以选择这种水母是因为它会对钙粒子—— 身体内许多反应都离不开它— —产生反应而发光。如果没有钙,我们的肌肉和神经都不能正常工作。研究人员把这种蛋白注射进单个细胞中,然后测量放射出的光线,这使细胞中钙粒子读数明显上升。
    底特律斯奈医院的放射生理学家曼特勒,正在使用细菌生物光测量能安全有效杀死癌肿瘤的剂量,他希望将获得的每种辐射所需的正常放射量奉献给别人。
    但令人烦恼的问题仍旧是如何生产足够的生物发光素,加利福尼亚海洋地质学院的海洋生物学家正在设法解决这个问题。他们把无性生物光基因加到大肠杆菌— —一种普通的容易繁殖和生长的细菌中,他们试图用这种无性繁殖的方法,培养大量廉价的化学发光素,这是令人兴奋的进展。


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