生物發光詳解：發光生物的化學原理

螢火蟲在夏日田野上閃爍，以及在黑色海灘上發光的波浪，都是同一個基本過程的例子：活生物透過化學而非熱量來製造自己的光。科學家稱這為生物發光，這是地球上生物產光的最廣泛形式之一。

化學反應：螢光素、螢光酶和氧氣

根據倫敦自然歷史博物館，生物發光是指稱為螢光素的分子與氧氣發生反應並以光的形式釋放能量。該反應通常需要一種稱為螢光酶的酶來加速該過程，或在某些生物中需要一種稱為光蛋白的相關蛋白質，它與鈣離子協同工作。

美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）指出，儘管每個生物發光生物都依賴於酶和底物之間的反應，但不同物種使用不同的化學組合。NOAA表示，這種多樣性表明製造光的能力是獨立演化多次的，而不是來自單一的共同祖先。

光的顏色取決於螢光素的確切結構和周圍蛋白質。自然歷史博物館和國家地理教育都指出，大多數海洋生物發出藍色或綠色光，因為這些波長在海水中傳播得最遠，而陸地上的螢火蟲產生黃光，少數深海魚類（如鬆頜龍魚）發出稀有的紅光，深海中的大多數其他動物都看不到。

生物為什麼產生光

NOAA和自然歷史博物館的研究人員將生物發光的用途分為幾個主要類別：尋找食物、吸引或向伴侶發信號、以及防禦捕食者。一些物種結合了其中幾個功能。

• 狩獵：根據國家地理教育，深海琵琶魚在嘴前搖晃著稱為發光誘餌（esca）的東西來吸引好奇的獵物。
• 交配：根據國家地理教育，雄性螢火蟲閃爍特異於物種的模式來向雌性發信號。
• 防禦：根據國家地理教育，斧魚使用「反向發光」，將它們腹部的微弱光與上方的微光相匹配，使從下方往上看的捕食者看不到它們的輪廓。
• 驚嚇捕食者：根據國家地理教育，一些烏賊會突然閃光來驚嚇攻擊者，吸血烏賊則射出發光的粘液而非墨汁。

生物發光最常見的地方

NOAA表示，海洋中200至1,000米（656至3,280英尺）深度的動物中有80%是生物發光的。自然歷史博物館對不同區域給出了更高的估計，稱海洋暮光帶中多達90%的生命以某種形式產生光。在陸地上，生物發光相對罕見，最著名的是螢火蟲、一些螢光蟲和約75種真菌，根據自然歷史博物館，這些真菌發出微弱的綠光。

NOAA的海洋事實頁面指出了一個開放的科學問題：研究人員還沒有完全解釋為什麼生物發光在海洋環境中如此普遍，但在淡水湖泊和河流中基本上不存在，也還沒有查明該特徵在不同譜系中獨立演化了多少次或如何演化的。

值得注意的例子

除了螢火蟲和琵琶魚外，還有其他幾個案例說明了生物發光生命的範圍。根據國家地理教育，渦鞭毛藻（單細胞浮游生物）在受到波浪或水中運動的干擾時會產生藍綠色閃光，這種效果有時在夜間可見為閃閃發光的海浪。國家地理教育指出，由發光菌落創建的大型持續發光斑塊被稱為「牛奶海」，有時亮度足以被熱帶水域的衛星檢測到。一些物種（如夏威夷短臂烏賊）根本不自己製造光；根據自然歷史博物館的描述，它們在體內維持著生物發光細菌（包括費希爾維布里奧菌）的菌落，與之形成共生關係。

在所有這些情況中，潛在的化學原理是相似的——螢光素與氧氣反應，由螢光酶或光蛋白催化——但特定的分子、顏色和生物目的因譜系而異，反映了NOAA和自然歷史博物館所識別的該特徵的許多單獨起源。