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萤火虫为什么会发光 也是发射电磁波和光子吗
动物 | admin发表于2024年09月06日 | 641个浏览 -
大千世界无奇不有，生物更是千奇百怪，动物、植物都有不少会发光的，其中比较常见的就是萤火虫，每到夏季的夜晚，它们就会在丛林或田间一闪一闪，就像一个个小天使，引起人们无限遐想。
今天，我们就来从生物学、化学、物理角度，了解一下这种小动物的发光机理。
一、萤火虫的发光机制
简单地说，萤火虫发光是荧光素在催化下，发生的复杂生化反应，在这个反应过程中，会以光的方式释放能量。也就是说，萤火虫的光和世界上所有的光源一样，都是能量的释放。
萤火虫有2000多个品种，不同品种发光形式不同，光的颜色也不尽相同，有黄色、橙色、红色、黄绿色及绿色等多种颜色的荧光，今天就不展开说了。
具体地说，萤火虫发光的部分是其腹部的一个发光器，这个发光器由发光细胞、反射层细胞、神经与表皮细胞等组成。发光器的构造有点像汽车大灯总成，发光细胞就是灯泡，反射层细胞就如车灯反光镜和灯罩，将灯泡发出的光集中反射出去。
发光细胞中含有两类化学物质，一类叫作荧光素，另一类叫作荧光素酶。荧光素在荧光素酶的催化作用下，会与空气中的氧发生化学反应，并释放能量，主要以荧光的形式发出。因此，萤火虫发光是一种生化反应。
萤火虫发光为什么会一闪一闪呢？这是因为萤火虫也在呼吸，气管中输送的氧气不均衡，氧气充足时，发光细胞里的化学反应就强烈，亮度就强；反之反应缓慢，光亮就会变弱，甚至黯淡无光。
在萤火虫体内，还有一种叫三磷酸腺苷（ATP）的化学物，能够调节荧光素的发光功能，在荧光变弱时重新发出光来。
萤火虫发光的作用一是对自己觅食起到照明作用，二是对敌人起到恐吓和防御作用，更重要的是为了求偶而发出的信息交流。成虫在晚上会通过发出不同的光寻找伴侣，雄虫一般发光时间为0.2秒，间隔时间为2.2秒；雌虫在雄虫发光后0.5秒做出回应。
二、萤火虫发出的也是光子吗？
当然，这个世界上所有的光都是电磁波，而且都是由光子为媒介传导的。那么一只萤火虫能发出多少光子呢？这就要从可见光的波长说起了。
可见光是约由7种颜色组成，波长约在380~760nm（纳米）之间，不同颜色的光波长是不一样，红光波长最长，紫光波长最短。萤火虫发出的光有绿色、黄色、橙色、红色等多种颜色或渐变色，从绿色到红色光的波段介于492~760nm之间。
我们折中一下，平均为626nm，这样我们就可以大约计算出萤火虫发出的光子有多少。先要计算出626nm光子的能量，计算公式为：E=hc/λ。这里的E代表能量；h代表普朗克常数，约6.626*10^-34J·s；λ为光量子波长。
这样，我们可以计算出626nm波长的光子每个能量约3.17*10^-19J（焦耳）。那么萤火虫每秒钟能够发出多少个这样的光子呢？这得看萤火虫的光度有多大了。搜索许久，都没有找到专门研究萤火虫亮度的资料，只找到有一项研究认为，1000只萤火虫相当于一只20瓦的电灯泡的光度。
不同种类电灯的光效是不一样的，也就是说，电灯能量转化成光子发出的效率是不一样的，白炽灯最小，发光效率只占到其能量的15%，其余大部分能量转化为热能了；相对比较，日光灯光效率可达50%，LED节能灯光效率可达90%。
该研究没有说这1000只萤火虫发出的光是相当于那种20瓦的灯泡，但一般与灯泡相比只能是指白炽灯。按白炽灯来计算，20瓦灯泡光效率只有15%，也就是约3瓦，每秒发出的光子能量就是3J，这样，每秒释放626nm波长的光子就约有9.5*10^18个。
除以1000只萤火虫，每只萤火虫每秒钟释放的光子就有约9.5*10^15个，就是9500万亿个。不少啊，难怪我们看到的萤火虫一闪一闪很亮。
一些研究认为，萤火虫的发光效率很高，可以达到88~90%，还有的说高达95%，因此能量极少转化为热量，是公认的冷光源。现在的LED发光效率达到了90%，和萤火虫发光效率差不多，因此也应该属于冷光源。
三、萤火虫的冷光源机制带给人类的启示
冷光源的发光原理，是在电场作用下，产生的电子碰撞激发荧光材料而产生发光现象，具有优良的光学特性和较高的发光效率。总体上说，冷光源工作时基本不发热或者少发热。
萤火虫的发光特性带给人类很多启示，人们从萤火虫的发光器中成功提取了荧光素和荧光素酶，通过分析了解了其成分，再通过化学合成方法成功制备出这些物质，应用在发光设备上，大大提升了发光效率。
如日光灯、霓虹灯、液晶显示屏、LED等，都是得益于萤火虫的启发而发明出的冷光源。当然，冷光源并不是一点热量也不会产生，只是发光效率提升了很高，比如日光灯就比白炽灯提升了35%，而LED则提升了75%。
但也有人认为，萤火虫的发光效率并没有过去认为的那么高。日本东京大学秋山英教授领导的研究小组，通过测定发光最亮的北美萤火虫，发现其发光量最大的时候光线强度也只有体内发光物质能够发出能量的41%，这还没有日光灯的发光效率。
但日光灯还是有温度的，这是因为还有一部分能量转化成为热能。如果萤火虫发光只使用了总能量的41%，但萤火虫并没有发热，那多余的能量转化成什么了呢？看来还值得进一步研究，需要有更多的证据说话。
在动植物世界，还有许多发光生物，如海洋中有一种深海鮟鱇鱼，头上就有一个会发光的“小灯笼”；一种“月亮鱼”也会发光，有些水母也会发光；还有一些会发光的植物，如“灯草”、“鬼树”等等。
这些动物植物会发光，有的就和萤火虫一样，身体构造存在荧光素和光素酶，有的则是身体中具有某种特殊蛋白。如在发光水母的体内就有一种叫埃奎林的蛋白质，在与钙离子结合时就会放出亮光。
大自然经过几十亿年的鬼斧神工，将动植物雕琢得极其精细完美，其中的机制无比复杂。人类科技发展到今天，对大自然的模仿还不及其万一。现代发展起来一门很重要的学科叫仿生学，就是通过弄清动植物界的各种机理，制造出更精美的工具或食物。
通过学习弄清萤火虫等动植物的发光机制，未来的光能技术也将越来越高级。
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