Warum leuchten Glühwürmchen? Senden sie auch elektromagnetische Wellen und Photonen aus?

Die Welt ist voller Wunder und die Kreaturen sind noch bizarrer. Viele Tiere und Pflanzen können leuchten, und die am weitesten verbreiteten unter ihnen sind Glühwürmchen. Jede Sommernacht blitzen sie wie kleine Engel im Dschungel oder auf den Feldern auf und regen die grenzenlose Fantasie der Menschen an.

Lassen Sie uns heute den Lumineszenzmechanismus dieses kleinen Tieres aus biologischer, chemischer und physikalischer Sicht verstehen.

1. Der Lumineszenzmechanismus von Glühwürmchen

Einfach ausgedrückt ist die Lumineszenz von Glühwürmchen eine komplexe biochemische Reaktion, die unter der Katalyse von fluoreszierendem Pigment auftritt. Bei dieser Reaktion wird Energie in Form von Licht freigesetzt. Mit anderen Worten: Das Licht der Glühwürmchen ist, wie alle Lichtquellen der Welt, eine Energiefreisetzung.

Es gibt mehr als 2.000 Glühwürmchenarten. Verschiedene Arten haben unterschiedliche Formen der Lichtemission und auch die Lichtfarben sind unterschiedlich. Es gibt Gelb, Orange, Rot, Gelbgrün, Grün und andere Fluoreszenzfarben. Ich werde heute nicht ins Detail gehen.

Konkret handelt es sich bei dem leuchtenden Teil des Glühwürmchens um ein Leuchtorgan in seinem Hinterleib, das aus Leuchtzellen, Reflexschichtzellen, Nerven und Epidermiszellen besteht. Der Aufbau des Lichtemitters ähnelt ein wenig der Scheinwerfereinheit eines Autos. Die lichtemittierenden Zellen sind die Glühbirnen, und die Zellen der reflektierenden Schicht sind wie die Reflektoren und Lampenschirme der Autoscheinwerfer, die das von den Glühbirnen emittierte Licht konzentrieren und reflektieren.

Lumineszierende Zellen enthalten zwei Arten von Chemikalien, eine heißt Luciferin und die andere heißt Luciferase. Unter der Katalyse der Luciferase reagiert Luciferin chemisch mit dem Sauerstoff in der Luft und setzt Energie frei, hauptsächlich in Form von Fluoreszenz. Daher ist die Lumineszenz von Glühwürmchen eine biochemische Reaktion.

Warum blinken Glühwürmchen? Dies liegt daran, dass auch Glühwürmchen atmen und die Sauerstoffzufuhr in die Luftröhre ungleichmäßig erfolgt. Bei ausreichend Sauerstoff ist die chemische Reaktion in den Leuchtzellen intensiv und die Helligkeit hoch; Andernfalls erfolgt die Reaktion langsam und das Licht wird schwächer oder sogar dunkler.

Im Körper von Glühwürmchen gibt es außerdem eine Chemikalie namens Adenosintriphosphat (ATP), die die Leuchtfunktion von Luciferin regulieren und erneut Licht aussenden kann, wenn die Fluoreszenz schwächer wird.

Der Zweck des Lichts der Glühwürmchen besteht darin, ihnen bei der Nahrungssuche Licht zu spenden, sie einzuschüchtern und sich gegen Feinde zu verteidigen und, was noch wichtiger ist, ihnen zum Zwecke der Balz Informationen auszutauschen. Erwachsene Insekten suchen nachts nach Partnern, indem sie verschiedene Lichter aussenden. Männliche Insekten geben im Allgemeinen 0,2 Sekunden lang Licht ab, mit einer Pause von 2,2 Sekunden. Weibliche Insekten reagieren 0,5 Sekunden, nachdem die männlichen Insekten Licht aussenden.

2. Senden Glühwürmchen auch Photonen aus?

Natürlich besteht alles Licht auf dieser Welt aus elektromagnetischen Wellen und wird durch Photonen übertragen. Wie viele Photonen kann ein Glühwürmchen also aussenden? Dies beginnt mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

Sichtbares Licht besteht aus etwa 7 Farben mit Wellenlängen im Bereich von etwa 380 bis 760 nm (Nanometer). Verschiedene Lichtfarben haben unterschiedliche Wellenlängen, wobei rotes Licht die längste und violettes Licht die kürzeste Wellenlänge hat. Das von Glühwürmchen ausgestrahlte Licht hat verschiedene Farben oder Farbverläufe, darunter Grün, Gelb, Orange und Rot. Der Wellenlängenbereich von grünem bis rotem Licht liegt zwischen 492 und 760 nm.

Wir haben einen Kompromiss geschlossen und den Durchschnitt auf 626 nm ermittelt, wodurch wir grob berechnen können, wie viele Photonen ein Glühwürmchen aussendet. Zuerst müssen wir die Energie von 626-nm-Photonen mit der Formel E=hc/λ berechnen. Hier steht E für Energie; h stellt die Planck-Konstante dar, die ungefähr 6,626*10^-34J·s beträgt; λ ist die Wellenlänge des Lichtquants.

Auf diese Weise können wir berechnen, dass die Energie jedes Photons mit einer Wellenlänge von 626 nm ungefähr 3,17*10^-19J (Joule) beträgt. Wie viele solcher Photonen kann ein Glühwürmchen pro Sekunde aussenden? Es hängt davon ab, wie hell die Glühwürmchen sind. Nach langer Suche konnte ich keine Daten finden, die sich speziell mit der Helligkeit von Glühwürmchen befassen. Das Einzige, was ich fand, war eine Studie, die besagte, dass 1.000 Glühwürmchen der Helligkeit einer 20-Watt-Glühbirne entsprechen.

Die Lichtausbeute verschiedener Arten von elektrischen Lampen ist unterschiedlich, d. h. die Effizienz der Umwandlung der Energie der elektrischen Lampe in Photonen ist unterschiedlich. Glühlampen haben die geringste Lichtausbeute, wobei die Lichtausbeute nur 15 % ihrer Energie ausmacht und der Großteil der restlichen Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Im Vergleich dazu kann die Effizienz von Leuchtstofflampen 50 % und die Effizienz von LED-Energiesparlampen 90 % erreichen.

Die Studie besagt nicht, dass das Licht von 1.000 Glühwürmchen dem einer 20-Watt-Glühbirne entspricht, aber im Allgemeinen wird der Vergleich von Glühbirnen nur mit Glühlampen vorgenommen. Auf Glühlampenbasis berechnet, beträgt die Lichtausbeute einer 20-Watt-Glühbirne nur 15 %, also etwa 3 Watt, und die pro Sekunde abgegebene Photonenenergie beträgt 3 J. Auf diese Weise werden pro Sekunde etwa 9,5*10^18 Photonen mit einer Wellenlänge von 626nm freigesetzt.

Geteilt durch 1.000 Glühwürmchen gibt jedes Glühwürmchen etwa 9,5*10^15 Photonen pro Sekunde ab, also 950 Billionen. Davon gibt es ziemlich viele. Kein Wunder, dass die Glühwürmchen, die wir sehen, so hell und blinkend sind.

Einige Studien gehen davon aus, dass die Lichtausbeute von Glühwürmchen sehr hoch ist und 88–90 % erreicht, manche sagen sogar bis zu 95 %. Daher wird nur sehr wenig Energie in Wärme umgewandelt und es handelt sich um eine anerkannte Kaltlichtquelle. Die Lichtausbeute heutiger LEDs liegt bei 90 %, was in etwa der von Glühwürmchen entspricht, sodass sie ebenfalls als Kaltlichtquelle einzustufen sind.

3. Die Inspiration, die der Kaltlichtquellenmechanismus von Glühwürmchen der Menschheit bringt

Das Lumineszenzprinzip einer Kaltlichtquelle besteht darin, dass unter der Einwirkung eines elektrischen Felds die erzeugte Elektronenkollision das fluoreszierende Material anregt und so ein Lumineszenzphänomen hervorruft. Es verfügt über hervorragende optische Eigenschaften und eine hohe Lumineszenzeffizienz. Generell gilt, dass Kaltlichtquellen bei der Arbeit keine oder nur eine geringe Wärmeentwicklung aufweisen.

Die Leuchteigenschaften der Glühwürmchen haben der Menschheit viel Inspiration gebracht. Es ist gelungen, Luciferin und Luciferase aus den Leuchtorganen der Glühwürmchen zu extrahieren, ihre Zusammensetzung durch Analyse zu verstehen und diese Substanzen dann erfolgreich durch chemische Synthesemethoden herzustellen. Sie wurden auf lichtemittierende Geräte angewendet und verbesserten die Lichtausbeute erheblich.

Leuchtstofflampen, Neonlichter, LCD-Bildschirme, LEDs usw. sind allesamt kalte Lichtquellen, die nach dem Vorbild von Glühwürmchen erfunden wurden. Kalte Lichtquellen erzeugen zwar keine Wärme, die Lichtausbeute ist jedoch deutlich besser. Beispielsweise sind Leuchtstofflampen 35 % teurer als Glühlampen, während LEDs 75 % teurer sind.

Manche Menschen glauben jedoch, dass die Leuchtkraft von Glühwürmchen nicht so hoch ist wie bisher angenommen. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Hideo Akiyama von der Universität Tokio in Japan hat die hellsten Glühwürmchen Nordamerikas gemessen und festgestellt, dass die Lichtintensität bei ihrer hellsten Leuchtkraft nur 41 % der Energie beträgt, die die Leuchtstoffe in ihrem Körper abgeben können. Dies ist niedriger als die Lichtausbeute von Leuchtstofflampen.

Leuchtstofflampen haben aber dennoch Temperatur, da ein Teil der Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Wenn Glühwürmchen nur 41 % ihrer Gesamtenergie zur Erzeugung von Licht verwenden, aber keine Wärme erzeugen, was wird dann aus der überschüssigen Energie? Es scheint, dass weitere Forschung und mehr Beweise erforderlich sind.

In der Tier- und Pflanzenwelt gibt es viele leuchtende Lebewesen. So gibt es beispielsweise im Meer eine Art Tiefsee-Anglerfisch, der auf seinem Kopf eine leuchtende „kleine Laterne“ trägt; es gibt eine Art „Mondfisch“, der auch leuchten kann, und auch einige Quallen können leuchten; es gibt auch einige leuchtende Pflanzen, wie etwa „Lampengras“, „Geisterbaum“ und so weiter.

Diese Tiere und Pflanzen können leuchten. Einige von ihnen, wie etwa Glühwürmchen, besitzen Luciferin und Luciferase in ihren Körperstrukturen, während andere spezielle Proteine ​​in ihrem Körper haben. So gibt es beispielsweise im Körper der Leuchtqualle ein Protein namens Equilin, das Licht aussendet, wenn es an Kalziumionen bindet.

Nach Milliarden von Jahren der Magie hat die Natur Tiere und Pflanzen in äußerst zarte und perfekte Formen gebracht und die Mechanismen, die dabei eine Rolle spielen, sind unglaublich komplex. Trotz der heutigen Entwicklung der menschlichen Technologie ist es uns noch nicht einmal gelungen, ein Zehntel der Natur nachzuahmen. Eine sehr wichtige Disziplin, die sich in der modernen Zeit entwickelt hat, heißt Bionik. Dabei geht es darum, durch das Verständnis der verschiedenen Mechanismen des Tier- und Pflanzenreichs anspruchsvollere Werkzeuge oder Nahrungsmittel zu entwickeln.

Durch das Erlernen und Verstehen des Lumineszenzmechanismus von Tieren und Pflanzen wie Glühwürmchen wird die Lichtenergietechnologie der Zukunft immer fortschrittlicher.

Das ist alles für heute. Willkommen zur Diskussion und danke fürs Lesen.

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