海洋生物发光现象揭秘：原理大解析

07-03

海洋生物发光现象揭秘：原理大解析

世人皆知，矿下作业最忌明火。所以，在安全探照灯未面世前，英国和欧洲的矿工只得借助干鱼皮发出的微光在井下作业。众人须得步步小心，处处谨慎。

鱼皮灯 © pinterest

到了1920年，美国动物学家 Edmund Newton Harvey 在其《动物发光的本质》（The Nature of Animal Light）一书中初次对生物光这一现象的研究成果进行了概述。书中提到：“亚里士多德注意到死亡的鱼类身上能够发出微光”。

由此可见，动物发光的现象早已走入人们的视线。但囿于时间和技术手段的限制，那时的人们更愿意把“动物发光”看作“神迹”，即便是有心钻研的科学家也难以一己之力摸清根底。

让科学家们对此提起兴趣的时机要追溯到“冷战”时期。彼时，在美国海军中服役的官兵发现本国潜水艇被水下探测器发现的原因竟是“部分海域有亮光”，实实气煞人也。

不过，他们不必太过心焦，毕竟此事在一战期间就有先例：一艘德军潜水艇下潜后在作战海域“匍匐前进”，最终却因海中的强光而被敌军探测出来，game over。反复思量之下，海军部门有意对上述海域进行排查和预测，借此引导本国潜水艇规避亮光的“出卖”。

有心的读者看到此处心下明白，定是海里那发光的东西在作怪才致使美军潜艇折戟于此！是，您猜对了，今天的科普我们就海洋生物发光一事细说端详。

发光事信为神隐，为生存进化多端

生物光（Bioluminescence）是生物体内因化学反应而发出光亮的现象。与人们惯常看到的热光源不同，很多海洋生物发光并不散热。在对“冷光源”经年累月的研究中，人们“心有余而力不足”—— 对生物光的初次发现已为“陈迹”，人们情愿将生物光作“神隐”（myths）。幸有现代科学的发展，科学家们现在已经对生物发光的化学反应基础、反应原理等有所了解。然而，生物发光依然留给科学家以巨大的遐想空间和可能性。

一部分的陆上生物具备发光能力，但大部分生物光源的“所有者”深居水下，据研究表明，90% 的深海生物（生活在水下1000米处）具备发光功能。不仅如此，海洋生物们的这项功能的进化史竟长达1.5亿年之久（进化次数在40-50次之间）。

发光一事解不明，反应方程说分明

动物发光的“myth”只在具备以下条件的生物身上“应验”：同时具备荧光素和荧光素酶。前者，荧光素（luciferin），是能让生物体产生生物光的化合物，可以通过酶的催化产生氧化反应，经衰变、回到基态时以“可见光”的形式放出能量。后者，荧光素酶（luciferase），就是能够产生生物光的一类酶的统称。最典型的荧光素酶是萤火虫体内含有的 Photinus pyralis。在荧光素酶的催化作用下，荧光素与氧气的反应速率会大大增加，特别是钙离子的加入，使氧化反应进一步加快。

Photinus pyralis © 维基百科

名词扫盲结束，我们来看看氧化反应具体的情况：

荧光素与氧气结合，在荧光素酶的催化作用下生成生物光、氧化荧光素和二氧化碳。

另外一些海洋生物的体内所含的光蛋白底物（photoprotein substrates）与众不同，只能依赖带电离子（比如上文提到的钙离子）触发氧化反应。这种类型的发光生物通过控制释放光蛋白数量的多少来控制释放生物光的明暗。这种反应的具体表现，因物而异。

生物光，说到底是生物对外界刺激所给出的回应，外界因素触发它们体内的中枢神经系统，“不发个光怎么证明我们活着”？有些生物自己能释放荧光素酶，有些则捕获发光细菌以结成共生关系（symbiotic relationship）。总之，海洋生物们各尽所能、各发其光。

察光色区别分子，散红光别有居心

生物光的波长和光色取决于荧光素分子的排列方式。光波过长的光色穿透力很差，因此，我们在深海常见的海洋生物多发蓝光或绿光，这两种光色波长较短，能够在黑暗的海下穿行无碍。

但这是否意味着红光毫无用处？非也。

可见光中红光波长为最 © I-tron.com

红光，作为光波最长的光，传播路径很短。但是，深海中的很多生物依然选择发出红光。这种选择，有别样的考量。

大量的深海生物失去了对红光的可视性，这就为另外一些生物提供了“投机取巧”的空间 —— 龙鱼（Dragonfish）通过发红光与伙伴们交流，顺便觅个食。

龙鱼的猎物们看不见龙鱼发出的红光，“大祸临头”也不知情：龙鱼充分运用它们“懵圈”的时机发动攻击，一举拿下猎物。不仅如此，龙鱼还借助红光，将猎物暴露给同伴，真不知它们这属于“互帮互助”还是“推卸责任”……

阳光，典型的自然光，能够长驱直入至透光带（Euphotic Zone）和分光带（Disphotic Zone），也就是我们日常所说的日光区（Sunlight Zone）和暮光区（Twilight Zone）。

透光带-分光带-无光区 © Noaa

但是，对于阳光来说，穿透无光区（Aphotic Zone）是一件无能为力的事情。该区域位于海面下1000米处，幽暗无光，却是会发光的海洋生物聚集的所在。

为觅食巧点明灯，求逃脱又起波澜

古人有云，“山中何事？松花酿酒，春水煎茶”。这话说的在理，口腹之欲未解，岂有顾及其他的道理？海下之事，亦是如此。头上点灯，还不是为了吃…… 咳咳，其实生物发光也具有交流、繁衍后代等其他功能。（但是小编只想介绍和觅食相关的两个功能）

灯笼鱼（Lantern Fish）“光明”正大的“交流”© Google

为了让猎物“心甘情愿”的送上门，很多深海鱼类放出了柔和的灯光，让猎物“亦步亦趋”，循着光把命丧。有这种发光能力的海鱼，体内含有荧光菌（bioluminescent bacteria），该菌落就聚集在“嘴”的周围，只要猎物足够靠近，它们一张嘴就能“结束战斗”；更何况，不必远游搜寻猎物，又不必“千里奔袭”亲自追捕和打击猎物，实在是妙哉。

不怕千招会，就怕一招鲜。为了更好的自我提升，捕食者们利用生物光改进视力，便于准确定位下一顿饭……食物，就是原动力。

出来混迟早是要还的，一山更比一山高，能人之外有能人……这些说的是—— 捕食者也会变成猎物。

为了保全自己的性命，会发光的海洋生物利用“反照明”（Counter-illumination）将自己的身型隐去，深藏功与名。它们的体表下释放出光素（photophore），将自己的外形轮廓隐藏在光亮的、浅色的水面下，使二者对比不再那么明显。捕食者一“恍惚”，就放弃了进攻。

生物光的闪动（flash）也是海洋生物“自保”的方式。“战斗尚刚刚打响”，他们就搅动海水，令海水表面的浮游生物发光。突如其来的闪光对捕食者产生震慑作用，让捕食者看不清猎物的位置。这种战术会吸引更加庞大、战斗力更强的捕食者，比如鲸鱼或鲨鱼，来到此处攻击原有的捕食者，进而引发新一轮的“夺食之战”。当战斗结束，海水趋于平静，海面上起伏不定的光亮也随之消失。