點亮洞穴,穿山鼠岩洞的發光苔蘚

  《精靈寶可夢:太陽與月亮》第80集小智一行人走進阿羅拉地區的一處山洞,起初還以為會因為沒有光源,伸手不見五指,但其實洞穴中的苔蘚會發光,整個洞穴光明了起來,透過生物發光的機制讓洞穴內很亮這件事變得相當合理,現實世界中也有很多生物會發光,有的以吸收光發光,有的以化學反應發光,發光的功能可能是保護自己,也可能是求偶利器,就算功能不盡相同,仍然是黑暗世界中的一抹璀璨,照亮這美麗的世界,讓我們來了解有趣的生物發光吧!

太陽與月亮中的場景

點亮世界,璀璨的生物新星

冷光螢光大不同
  說到發光大家會想到手電筒的光,還是熊熊火焰熾熱的光?這兩種光有一個共通點,就是都會發燙,如果生物發光會燙的話想必用不久,畢竟太高的溫度,可能會傷到生物體,也因此生物採用了發散較低熱輻射的冷光。冷光產生的一種方式,是透過化學反應自體產生的光源,像是螢光素(luciferin)就是會發光的化學分子,而螢光也是冷光的一種,則非由化學反應,而是蛋白質經過吸收光的能量跳到激發態,接著掉回基態發出光的過程,如同水母的綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP)。

會發光的生物有哪些?
  前面說到的綠色螢光蛋白在 1961 於維多利亞管水母中發現,該蛋白只需要被紫外光或藍光照射後就會發光,這屬於螢光的範疇,不過我找不到螢光能力對水母生存來說是否有益處的資料。另外,還有舉世聞名的螢火蟲,他們是以化學反應發光,其發光器由發光細胞、反射層細胞、神經與表皮等組成,功能則有求偶、溝通,甚至能警告其他動物,另外還有發光蕈、磷蝦等也都具備冷光系統,下方影片中也有相當多的深海發光生物,有興趣的人能點開來看看喔!

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點亮未來,光遺傳學技術

  前面講到的綠色螢光蛋白(GFP)現在被廣泛應用於生命科學研究領域,為光遺傳學(optogenetics)採用的技術之一,因為這項劃時代的發現,下村脩、喬非與錢永健獲頒2008年的諾貝爾化學獎,藉由這項技術可以知道細胞中發生了什麼事,以神經細胞為例,若活化則有除了量測膜電位變化外的方法,能透過螢光的產生紀錄神經活動,隨著技術不斷精進,螢光蛋白反應時間跟電位變化時間差距越來越小,變成更好的紀錄工具,不知道冷光能不能也拿來做相關的研究,期待未來的發展,讓生物發光照亮我們的視野。

螢光蛋白讓我們能看見細胞活動

資料來源:

  1. 綠色螢光蛋白:https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?Unit=columns&id=3717
  2. 螢火蟲:https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?id=675
  3. 發光蕈:https://pansci.asia/archives/161203
  4. Marvin, J., Borghuis, B., Tian, L. et al. An optimized fluorescent probe for visualizing glutamate neurotransmission. Nat Methods 10, 162–170 (2013). https://doi.org/10.1038/nmeth.2333

經提醒更正的部分:螢光是冷光的一種(感謝劉兆罄指證,以下為建議更正內容
雖然一般在中文裡會說螢火蟲的是「冷光」、水母照 UV 產生的是「螢光」。不過冷光 (Luminescence/Cold Light) 應該不能和生物發光 (Bioluminescence) 畫上等號。
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發光的分類大概是這樣:
發光

對物施加能量並產生高溫:白熾 (Incandescence)
沒有產生高溫:冷光 (Luminescence/Cold Light)
冷光
由機械性力量產生:摩擦發光 (Triboluminescence)、聲致發光 (Sonoluminescence)
由電流、電場產生:電致發光 (Electroluminescence)
晶體加溫(但不到白熾程度)所產生:熱釋光 (Thermoluminescence)
照光產生:光致發光 (Photoluminescence)
化學變化產生:化學發光 (Chemiluminescence)
光致發光
可以延遲發光:磷光 (Phosphorescence)
不能延遲發光:螢光 (Fluorescence)
化學發光
非生物產生
生物產生:生物發光 (Bioluminescence)
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換句話說,冷光是個大分類,而生物發光和螢光皆屬於冷光的一種。