生物发光解释：发光生物的化学原理

萤火虫在夏日田野上闪烁，发光的波浪在黑暗的海滩上破碎，这两者都是同一基本过程的例子：一个活生物体通过化学而非热量制造自己的光。科学家称之为生物发光，它是地球上最广泛的生物光产生形式之一。

化学反应：荧光素、萤光酶和氧气

根据伦敦自然历史博物馆的说法，生物发光发生在一个称为荧光素的分子与氧气反应并以光的形式释放能量时。该反应通常需要一种称为萤光酶的酶来加速该过程，或在某些生物中需要一种相关的蛋白质，称为光蛋白，与钙离子一起工作。

美国国家海洋和大气管理局（NOAA）指出，尽管每个生物发光生物都依赖于酶和底物之间的反应，但不同物种使用不同的化学组合。NOAA表示，这种多样性表明制造光的能力多次独立进化，而不是来自单个共同祖先。

光的颜色取决于荧光素的确切结构和周围蛋白质。自然历史博物馆和国家地理教育都指出，大多数海洋生物发出蓝色或绿色光，因为这些波长通过海水传播最远，而陆地上的萤火虫产生黄色光，少数深海鱼类（如松下颌龙鱼）发出稀有红光，深海中的大多数其他动物看不到。

生物为什么产生光

NOAA和自然历史博物馆的研究人员将生物发光的用途分为几个主要类别：寻找食物、吸引或向配偶发信号以及防御捕食者。一些物种结合了其中几个功能。

• 捕猎：根据国家地理教育，深海鮟鱇鱼在其嘴前摇晃一个称为脂肪灯的发光诱饵来吸引好奇的猎物。
• 交配：国家地理教育报告称，雄性萤火虫闪烁物种特异性的模式来向雌性发信号。
• 防御：根据国家地理教育，斧鱼使用'反向发光'，将其下侧的微弱光与来自上方的微弱发光相匹配，使向上看的捕食者看不到它们的轮廓。
• 惊吓捕食者：根据国家地理教育，一些乌贼会突然闪烁以惊吓攻击者，吸血鱿会喷射发光的粘液而不是墨水。

生物发光最常见的地方

NOAA表示，生活在海洋深处200至1,000米（656至3,280英尺）之间的动物中有80%是生物发光的。自然历史博物馆对不同区域给出了更高的估计，说海洋暮光区中高达90%的生命以某种形式产生光。在陆地上，生物发光相对罕见，最著名的是来自萤火虫、一些发光蠕虫和大约75种真菌，根据自然历史博物馆，它们散发出微弱的绿色光。

NOAA的海洋事实页指出了一个开放的科学问题：研究人员尚未充分解释为什么生物发光在海洋环境中如此普遍，但在淡水湖泊和河流中基本不存在，他们也还没有确切指出该特征在不同系统中独立进化了多少次或如何进化的。

显著例子

除了萤火虫和鮟鱇鱼之外，还有几个其他案例说明了生物发光生活的范围。根据国家地理教育，甲藻——单细胞浮游生物——当受到波浪或水中运动的扰动时会产生蓝绿色光的闪烁，这种效果有时在夜间可见为闪闪发光的浪花。国家地理教育指出，由发光细菌群落形成的这种大片持久发光区域被称为"乳白色海洋"，有时足够明亮，可以被热带水域的卫星检测到。一些物种（如夏威夷剑尖鱿）根本不自己制造光；它们在自然历史博物馆描述的共生关系中宿主发光细菌群落，包括菲氏弧菌。

在所有这些情况中，基础化学原理是相似的——荧光素与氧气反应，由萤光酶或光蛋白催化——但具体的分子、颜色和生物目的从一个系统到另一个系统都不同，反映了NOAA和自然历史博物馆确定的该特征的许多不同起源。