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

今天，我們就來從生物學、化學、物理角度，瞭解一下這種小動物的發光機理。

一、螢火蟲的發光機制

簡單地說，螢火蟲發光是熒光素在催化下，發生的復雜生化反應，在這個反應過程中，會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，今天就不展開說瞭。

具體地說，螢火蟲發光的部分是其腹部的一個發光器，這個發光器由發光細胞、反射層細胞、神經與表皮細胞等組成。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，會與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。

螢火蟲發光為什麼會一閃一閃呢？這是因為螢火蟲也在呼吸，氣管中輸送的氧氣不均衡，氧氣充足時，發光細胞裡的化學反應就強烈，亮度就強；反之反應緩慢，光亮就會變弱，甚至黯淡無光。

在螢火蟲體內，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，更重要的是為瞭求偶而發出的信息交流。成蟲在晚上會通過發出不同的光尋找伴侶，雄蟲一般發光時間為0.2秒，間隔時間為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，這個世界上所有的光都是電磁波，而且都是由光子為媒介傳導的。那麼一隻螢火蟲能發出多少光子呢？這就要從可見光的波長說起瞭。

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，從綠色到紅色光的波段介於492~760nm之間。

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我們折中一下，平均為626nm，這樣我們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：E=hc/λ。這裡的E代表能量；h代表普朗克常數，約6.626*10^-34J·s；λ為光量子波長。

這樣，我們可以計算出626nm波長的光子每個能量約3.17*10^-19J（焦耳）。那麼螢火蟲每秒鐘能夠發出多少個這樣的光子呢？這得看螢火蟲的光度有多大瞭。搜索許久，都沒有找到專門研究螢火蟲亮度的資料，隻找到有一項研究認為，1000隻螢火蟲相當於一隻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%，其餘大部分能量轉化為熱能瞭；相對比較，日光燈光效率可達50%，LED節能燈光效率可達90%。

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該研究沒有說這1000隻螢火蟲發出的光是相當於那種20瓦的燈泡，但一般與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。

除以1000隻螢火蟲，每隻螢火蟲每秒鐘釋放的光子就有約9.5*10^15個，就是9500萬億個。不少啊，難怪我們看到的螢火蟲一閃一閃很亮。

一些研究認為，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熱量，是公認的冷光源。現在的LED發光效率達到瞭90%，和螢火蟲發光效率差不多，因此也應該屬於冷光源。

三、螢火蟲的冷光源機制帶給人類的啟示

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

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螢火蟲的發光特性帶給人類很多啟示，人們從螢火蟲的發光器中成功提取瞭熒光素和熒光素酶，通過分析瞭解瞭其成分，再通過化學合成方法成功制備出這些物質，應用在發光設備上，大大提升瞭發光效率。

如日光燈、霓虹燈、液晶顯示屏、LED等，都是得益於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產生，隻是發光效率提升瞭很高，比如日光燈就比白熾燈提升瞭35%，而LED則提升瞭75%。

但也有人認為，螢火蟲的發光效率並沒有過去認為的那麼高。日本東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內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，這是因為還有一部分能量轉化成為熱能。如果螢火蟲發光隻使用瞭總能量的41%，但螢火蟲並沒有發熱，那多餘的能量轉化成什麼瞭呢？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，頭上就有一個會發光的“小燈籠”；一種“月亮魚”也會發光，有些水母也會發光；還有一些會發光的植物，如“燈草”、“鬼樹”等等。

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

大自然經過幾十億年的鬼斧神工，將動植物雕琢得極其精細完美，其中的機制無比復雜。人類科技發展到今天，對大自然的模仿還不及其萬一。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，制造出更精美的工具或食物。

通過學習弄清螢火蟲等動植物的發光機制，未來的光能技術也將越來越高級。

今天就說這些，歡迎討論，感謝閱讀。

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