螢火蟲為什麼會發光?-科學人雜誌
答案是……

螢火蟲為什麼會發光?

2005/04/29
台灣大學昆蟲系楊平世教授回答如下:

重點提要

螢火蟲為什麼會發光?可以被測量到的最快事件是什麼?正常血壓值為什麼應小於120/80?為什麼不會隨身高改變?

螢火蟲是一群軀體、翅鞘柔軟的甲蟲。據估計,全世界約有2000多種螢火蟲,而台灣目前已知有62種。依螢火蟲幼蟲的棲息環境,可區分為水棲、半水棲及陸棲三種,但是不管是哪一種螢火蟲,最吸引人的,還是牠們所發出的神秘光芒吧!


螢火蟲是完全變態的甲蟲,一生歷經卵、幼蟲、蛹及成蟲四個時期。目前已知的螢火蟲種類,其幼蟲都會發光,一般幼蟲的發光器位於第八腹節的兩側,在夜間活動時發光。至於成蟲會不會發光,則要視種類而定;例如弩螢屬(Drilaster)的螢火蟲,雖然幼蟲會發光,但是雌雄成蟲都不會發光。


螢火蟲的發光,簡單來說,是螢光素(luciferin)在螢光素的催化下,發生的一連串複雜生化反應;而光,即是這個過程中所釋放的能量。由於不同種類的螢火蟲,發光的型式不同,因此在種類之間自然形成隔離。


在台灣目前有的62種螢火蟲中,絕大多數的種類是雄蟲有發光器,而雌蟲無發光器或發光器較不發達。雖然我們印象中的螢火蟲大多是雄蟲有兩節發光器、雌蟲一節發光器,但這種情況僅出現於熠螢亞科中的熠螢屬(Luciola)及脈翅螢屬(Curtos)。因為像台灣窗螢(Pyrocoelia analis),雌雄都有兩節發光器,兩者最大的區別在於雌蟲為短翅型,而雄蟲則為長翅型。


螢火蟲的發光器是由發光細胞、反射層細胞、神經與表皮等所組成。如果將發光器的構造比喻成汽車的車燈,發光細胞就有如車燈的燈泡,而反射層細胞就有如車燈的燈罩,會將發光細胞所發出的光集中反射出去。所以雖然只是小小的光芒,在黑暗中卻讓人覺得相當明亮。


而螢火蟲的發光器會發光,起始於傳至發光細胞的神經衝動,使得原本處於抑制狀態的螢光素被解除抑制。而螢火蟲的發光細胞內有一種含磷的化學物質,稱為螢光素,在螢光素的催化下氧化,伴隨產生的能量便以光的形式釋出。由於反應所產生的大部份能量都用來發光,只有2~10%的能量轉為熱能,所以當螢火蟲停在我們的手上時,我們不會被螢火蟲的光給燙到,所以有些人稱螢火蟲發出來的光為「冷光」。


至於螢火蟲發光的目的,早期學者提出的假設有求偶、溝通、照明、警示、展示及調節族群等功能;但是除了求偶、溝通之外,其他功能只是科學家觀察的結果,或只是臆測。直到近幾年,才有學者驗證了警示說:1999年,學者奈特(Michael Knight)等人發現,誤食螢火蟲成蟲的蜥蜴會死亡,證實成蟲的發光除了找尋配偶之外,還有警告其他生物的作用;學者安德伍德(Todd Underwood)等人在1997年以老鼠做的試驗,證實幼蟲的發光對於老鼠具警示作用。


螢火蟲於夜晚的發光行為,以黑翅螢(Luciola cerata)為例,就目前的研究發現,多是在日落後,雄蟲開始在棲地上邊飛邊亮;在雄蟲開始活動不久後,雌蟲便開始出現於棲地周圍的高處(雌蟲也會發光,但只有發光器一節,雄蟲則有兩節發光器),從晚上7點一直到11點半左右,在其棲地可以見到成百成千的螢火蟲發光,但差不多在晚上11點半過後,成蟲便逐漸停止發光。而且雄蟲發光的頻率也有變化,並非整晚的發光頻率都一樣。由於台灣這方面的研究正在起步階段,有關螢火蟲發光的種種科學問題,亟待深入探討。


可以被測量到的最快事件是什麼?
美國國家標準與技術局時間與頻率部門的帝丹與歐布賴恩回答如下:

答案跟你怎麼解釋「測量」這個用語有關。精確測量飛逝的事件,與記錄或推論其發生,都同樣有趣。所以我們建議將原來的問題重整為兩個新問題:「能以一定精確度測量到的最短時間間隔為何?」以及「可以記錄到或推論得出的最短事件為何?」

銫原子噴泉鐘是當今能以特定精確度測量時間的最佳利器。這些「時鐘」其實是頻率標準,而不是計時裝置,它們可以達到定義的標準銫原子頻率,精確度高達10-15。換種方式講,在連續運轉3000萬年之後,銫原子噴泉鐘的快慢誤差不會超過一秒鐘。不過這些頻率標準的「雜訊」不小,而且要達到這種驚人的精確度,得在一天的時間裡分別做幾千次頻率測量,然後加以平均。所以在測量為時很短的事件時,原子噴泉鐘通常並不實用。


可以直接產生、控制,並加以測量的瞬時事件中,有一類是瞬間發射的雷射光。這些脈衝的時間等級為飛秒(1飛秒=10-15秒),最近還達到阿秒(1阿秒=10-18秒)。飛秒脈衝的作用就像照相機的閃光燈,可以「凍結」住眼睛看不到的快速事件。飛秒級光脈衝的來源是鎖模雷射,是利用許多光波同時產生一個脈衝。不過,要精確測出脈衝為時多久,則又是另一個問題。光偵測器或電子元件都不夠快,所以科學家通常使用關聯技術,將時間測量轉換為距離測量。到目前為止,已經能產生並測量出短至幾百阿秒的脈衝。


現在讓我們來看一下第二個問題,關於我們可以測量或推論的最短事件。在最大型粒子加速器的極高能碰撞裡,曾間接推測出短至10-25秒的事件。例如,迄今所觀測到質量最重的基本粒子頂夸克,其平均生命期根據推論為0.4攸秒(1攸秒=10-24秒)。(張明哲 譯)


正常血壓值為什麼應小於120/80?為什麼不會隨身高改變?
美國國家衛生研究院國家心肺血壓研究所的資深科學顧問卡特勒回答如下:

以120/80做為「正常」血壓的門檻數值,其起源已不可考。(前面的數值是收縮壓,也就是心臟將血液打出去時的動脈壓;後面的數值是舒張壓,也就是心臟舒張、血液回充時的動脈壓)。這些數值可能是根據20世紀初,壽險體檢時所得到的數據。流行病學的研究證實,成年人的收縮壓等於或大於115、而舒張壓等於或大於75時,心臟病發作或中風的風險就會開始增加。風險會隨這些數值的增加而穩定增加,因此,傳統上使用的120/80數值,對醫師來說依舊是個合理的參考指標,而其主要目的是要你留意,防止日後血壓持續上升。


血壓的確是會隨身高而增加,以確保每天大部份時間都位在循環系統最高點的腦,可以取得足夠的血流與氧氣。但身高對血壓的影響很小,因此120/80的數值還是適用於高個子的人。(黃榮棋 譯)


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2005年第39期5月號】


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