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2006年6月13日 作者:阿炳 [返回]
发光机制及其应用

萤火虫的发光器官,雌虫生长在腹部末端三节,从外表看只是一层银灰色的透明薄膜,这就是萤光色素。如果把这层薄膜揭开在放大镜下观察,便可见到数以千计的发光细胞,再下面是反光层,在发光细胞周围密布着小气管和密密麻麻的纤细神经分支。发光细胞中的主要物质是荧光素和荧光酶。当萤火虫开始活动时,呼吸加快,体内吸进大量氧气,氧气通过小气管进入发光细胞,荧光素在细胞内与起着催化剂作用的荧光酶互相作用时,荧光素就会活化,产生生物氧化反应,导致萤火虫的腹下发出碧莹莹的光亮来。又由于萤火虫不同的呼吸节律,便形成时明时暗的闪光信号。人们经过研究,把其发光的过程,列一简单的公式:

          荧光酶作用
  荧光素 + 氧气 ─────→ 发出荧光

  萤火虫体内的荧光素并不是用之不竭的,那幺它们不断地多次发光,能量又是从何而来的呢?原来能量来自三磷酸腺苷(简称ATP),它是一切生物体内供应能源的物质。萤火虫体内有了这种能源,不但能不间断地发光,而且亮度也较强。只有发光结构还不能发光,还要有脑神经系统调节支配。如果做个实验,将萤火虫的头部切除,发光的机制也就失去作用。雌虫因腹部倒数第23节整节都能发光,看起来似为宽带状,而末节只形成点状发光,它在体节两侧,从背面也能看见。雄虫只有腹部末节可以发光,与雌虫腹部末节相同,也呈两个点状光。

   卵、幼虫、蛹都可发光。卵在刚产下时是不能发光的,只是临近孵化时,从卵壳外可见2个光点。有实验证明它是幼虫在卵壳内活动所致,因此,实际是已形成的幼虫发的光。幼虫腹部末端倒数第2节可见发光器,但仅能发两个光点,它从背面可见。化蛹4-5天后,蛹的腹部末端两侧各有一个可见光斑,但蛹都在泥沙做的茧室中,所以其发光并不可见。

   萤火虫发光的效率非常高,几乎能将化学能全部转化为可见光,为现代电光源效率的几倍到几十倍。由于光源来自体内的化学物质,因此,萤火虫发出来的光虽亮但没有热量,也不产生磁场,人们称这种光为冷光。由于萤火虫的光不带辐射热,物理学家们认为这是非常理想的灯光,因一般东西发光时,同时也要发热,如点着了的蜡烛。又如电灯开-亮后灯泡也热得发烫。然而人们并不需要灯光发热,假使能创造出像萤火虫一样不发热的光来那将是很理想的。三十多年前,人们模拟了萤火虫发光的原理创造出一种日光灯(萤光灯)来,基-本上达到了这种要求。

  随着科学的发展,萤光的应用也越来越广泛。利用萤光检查食物中细菌的含量,在含有易爆性瓦斯的矿井中用萤光灯照明,在弹药库中的指示灯、水下作业的发光灯,无不用的是萤光。美国的生物化学家根据萤火虫的发光原理和机制,提出了电子转移反应原理,它可以解释腐蚀现象、光合作用等,特别是激光器的开发利用,因此荣获1992年诺贝尔化学奖。

萤火虫发光原理是因为在其发光器的部位,有一种含磷的发光质与一种催化酵素。萤火虫在发光器上会有一些气孔,由气孔引入空气后,发光质就会透过酵素的催化与氧进行氧化作用。然后透过这样的机制来发出光。 

    萤光素酵素在常温、常压下使发光反应进行非常有效率,和三磷酸腺甘(atp)作用产生复杂的氧化还原反应,这种反应是连续性的进行着。萤火虫的光没有伴随热,能量和效率非常高。约210 %的能量转为热量,而其余能量完全用来发光,称为「冷光」。

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