版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

大千世界無奇不有，生物更是千奇百怪，動物、植物都有不少會(hui) 發光的，其中比較常見的就是螢火蟲，每到夏季的夜晚，它們(men) 就會(hui) 在叢(cong) 林或田間一閃一閃，就像一個(ge) 個(ge) 小天使，引起人們(men) 無限遐想。

今天，我們(men) 就來從(cong) 生物學、化學、物理角度，了解一下這種小動物的發光機理。

一、螢火蟲的發光機製

簡單地說，螢火蟲發光是熒光素在催化下，發生的複雜生化反應，在這個(ge) 反應過程中，會(hui) 以光的方式釋放能量。也就是說，螢火蟲的光和世界上所有的光源一樣，都是能量的釋放。

螢火蟲有2000多個(ge) 品種，不同品種發光形式不同，光的顏色也不盡相同，有黃色、橙色、紅色、黃綠色及綠色等多種顏色的熒光，今天就不展開說了。

具體(ti) 地說，螢火蟲發光的部分是其腹部的一個(ge) 發光器，這個(ge) 發光器由發光細胞、反射層細胞、神經與(yu) 表皮細胞等組成。發光器的構造有點像汽車大燈總成，發光細胞就是燈泡，反射層細胞就如車燈反光鏡和燈罩，將燈泡發出的光集中反射出去。

發光細胞中含有兩(liang) 類化學物質，一類叫作熒光素，另一類叫作熒光素酶。熒光素在熒光素酶的催化作用下，會(hui) 與(yu) 空氣中的氧發生化學反應，並釋放能量，主要以熒光的形式發出。因此，螢火蟲發光是一種生化反應。

螢火蟲發光為(wei) 什麽(me) 會(hui) 一閃一閃呢？這是因為(wei) 螢火蟲也在呼吸，氣管中輸送的氧氣不均衡，氧氣充足時，發光細胞裏的化學反應就強烈，亮度就強；反之反應緩慢，光亮就會(hui) 變弱，甚至黯淡無光。

在螢火蟲體(ti) 內(nei) ，還有一種叫三磷酸腺苷（ATP）的化學物，能夠調節熒光素的發光功能，在熒光變弱時重新發出光來。

螢火蟲發光的作用一是對自己覓食起到照明作用，二是對敵人起到恐嚇和防禦作用，更重要的是為(wei) 了求偶而發出的信息交流。成蟲在晚上會(hui) 通過發出不同的光尋找伴侶(lv) ，雄蟲一般發光時間為(wei) 0.2秒，間隔時間為(wei) 2.2秒；雌蟲在雄蟲發光後0.5秒做出回應。

二、螢火蟲發出的也是光子嗎？

當然，這個(ge) 世界上所有的光都是電磁波，而且都是由光子為(wei) 媒介傳(chuan) 導的。那麽(me) 一隻螢火蟲能發出多少光子呢？這就要從(cong) 可見光的波長說起了。

可見光是約由7種顏色組成，波長約在380~760nm（納米）之間，不同顏色的光波長是不一樣，紅光波長最長，紫光波長最短。螢火蟲發出的光有綠色、黃色、橙色、紅色等多種顏色或漸變色，從(cong) 綠色到紅色光的波段介於(yu) 492~760nm之間。

我們(men) 折中一下，平均為(wei) 626nm，這樣我們(men) 就可以大約計算出螢火蟲發出的光子有多少。先要計算出626nm光子的能量，計算公式為(wei) ：E=hc/λ。這裏的E代表能量；h代表普朗克常數，約6.626*10^-34J·s；λ為(wei) 光量子波長。

這樣，我們(men) 可以計算出626nm波長的光子每個(ge) 能量約3.17*10^-19J（焦耳）。那麽(me) 螢火蟲每秒鍾能夠發出多少個(ge) 這樣的光子呢？這得看螢火蟲的光度有多大了。搜索許久，都沒有找到專(zhuan) 門研究螢火蟲亮度的資料，隻找到有一項研究認為(wei) ，1000隻螢火蟲相當於(yu) 一隻20瓦的電燈泡的光度。

不同種類電燈的光效是不一樣的，也就是說，電燈能量轉化成光子發出的效率是不一樣的，白熾燈最小，發光效率隻占到其能量的15%，其餘(yu) 大部分能量轉化為(wei) 熱能了；相對比較，日光燈光效率可達50%，LED節能燈光效率可達90%。

該研究沒有說這1000隻螢火蟲發出的光是相當於(yu) 那種20瓦的燈泡，但一般與(yu) 燈泡相比隻能是指白熾燈。按白熾燈來計算，20瓦燈泡光效率隻有15%，也就是約3瓦，每秒發出的光子能量就是3J，這樣，每秒釋放626nm波長的光子就約有9.5*10^18個(ge) 。

除以1000隻螢火蟲，每隻螢火蟲每秒鍾釋放的光子就有約9.5*10^15個(ge) ，就是9500萬(wan) 億(yi) 個(ge) 。不少啊，難怪我們(men) 看到的螢火蟲一閃一閃很亮。

一些研究認為(wei) ，螢火蟲的發光效率很高，可以達到88~90%，還有的說高達95%，因此能量極少轉化為(wei) 熱量，是公認的冷光源。現在的LED發光效率達到了90%，和螢火蟲發光效率差不多，因此也應該屬於(yu) 冷光源。

三、螢火蟲的冷光源機製帶給人類的啟示

冷光源的發光原理，是在電場作用下，產(chan) 生的電子碰撞激發熒光材料而產(chan) 生發光現象，具有優(you) 良的光學特性和較高的發光效率。總體(ti) 上說，冷光源工作時基本不發熱或者少發熱。

螢火蟲的發光特性帶給人類很多啟示，人們(men) 從(cong) 螢火蟲的發光器中成功提取了熒光素和熒光素酶，通過分析了解了其成分，再通過化學合成方法成功製備出這些物質，應用在發光設備上，大大提升了發光效率。

如日光燈、霓虹燈、液晶顯示屏、LED等，都是得益於(yu) 螢火蟲的啟發而發明出的冷光源。當然，冷光源並不是一點熱量也不會(hui) 產(chan) 生，隻是發光效率提升了很高，比如日光燈就比白熾燈提升了35%，而LED則提升了75%。

但也有人認為(wei) ，螢火蟲的發光效率並沒有過去認為(wei) 的那麽(me) 高。日本東(dong) 京大學秋山英教授領導的研究小組，通過測定發光最亮的北美螢火蟲，發現其發光量最大的時候光線強度也隻有體(ti) 內(nei) 發光物質能夠發出能量的41%，這還沒有日光燈的發光效率。

但日光燈還是有溫度的，這是因為(wei) 還有一部分能量轉化成為(wei) 熱能。如果螢火蟲發光隻使用了總能量的41%，但螢火蟲並沒有發熱，那多餘(yu) 的能量轉化成什麽(me) 了呢？看來還值得進一步研究，需要有更多的證據說話。

在動植物世界，還有許多發光生物，如海洋中有一種深海鮟鱇魚，頭上就有一個(ge) 會(hui) 發光的“小燈籠”；一種“月亮魚”也會(hui) 發光，有些水母也會(hui) 發光；還有一些會(hui) 發光的植物，如“燈草”、“鬼樹”等等。

這些動物植物會(hui) 發光，有的就和螢火蟲一樣，身體(ti) 構造存在熒光素和光素酶，有的則是身體(ti) 中具有某種特殊蛋白。如在發光水母的體(ti) 內(nei) 就有一種叫埃奎林的蛋白質，在與(yu) 鈣離子結合時就會(hui) 放出亮光。

大自然經過幾十億(yi) 年的鬼斧神工，將動植物雕琢得極其精細完美，其中的機製無比複雜。人類科技發展到今天，對大自然的模仿還不及其萬(wan) 一。現代發展起來一門很重要的學科叫仿生學，就是通過弄清動植物界的各種機理，製造出更精美的工具或食物。

通過學習(xi) 弄清螢火蟲等動植物的發光機製，未來的光能技術也將越來越高級。

歡迎掃碼關(guan) 注深圳科普！

我們(men) 將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的科普活動和科普好物！