螢火蟲的發(fā)光行為.doc

螢火蟲的發(fā)光蔣志帆 生技1001 102202106摘要：螢火蟲(鞘翅目，螢科 )是自然界常見的生物，地球上很多地方都可以在夏天的夜晚看到它們。科學家對它們的研究可以追溯到上世紀初，并且持續(xù)至今，依然有很多問題吸引著人們。本文就螢火蟲的發(fā)光行為、機制、功能意義及其在各方面的應用作出了綜合性的論述。關鍵字：螢火蟲、發(fā)光行為、發(fā)光機制、應用1.發(fā)光的類型 發(fā)光是由于一個分子或原子中的電子吸收能量后，躍遷到較高的能級，由于激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，當它從較高的能級再自發(fā)躍遷到基態(tài)的時候，就會發(fā)出一個光子，這就是所說的發(fā)光。 根據(jù)分子受激發(fā)的方式不同，可分為化學發(fā)光，生物發(fā)光，電發(fā)光，熒光等等。手機屏幕和按鍵的背景光是二極管發(fā)光，來自于電；有些熒光壁畫或夜光手表，在關了燈后依然灼灼生輝，這時看到的是磷光；演唱會上揮舞的熒光棒和熒光手鐲其實是化學發(fā)光，是通過里面化學試劑的反應而發(fā)光；螢火蟲的光也不是熒光（因為熒光屬于光發(fā)光，即分子是通過光激發(fā)而達到激發(fā)態(tài)的），它是生物發(fā)光。2. 螢火蟲的發(fā)光2.1螢火蟲的發(fā)光機制 60 年代 Hopkins 大學的 William McElroy、Emil White與 Howard Seliger 就北美螢火蟲 Photinus pyralis 是如何發(fā)光的做了開創(chuàng)性的基礎研究1。關于它的反應機理，一個普遍被接受的機制是，螢火蟲螢光素（D-luciferin，D-LH2）在螢光素酶（luciferases，Luc）的活性點與其結合，在三磷酸腺苷（ATP），Mg2+和 O2的作用下，由酶催化產(chǎn)生激發(fā)態(tài)氧化螢光素（OxyLH2）。在 OxyLH2退激的過程中，產(chǎn)生可見光。簡單來說，就是熒光素在螢光素酶的催化下被氧化，同時消耗ATP，產(chǎn)生了可見光。它每產(chǎn)生100次閃光需要6微克ATP2。2.2 螢火蟲發(fā)光較電燈泡發(fā)光的優(yōu)點通常，物體被加熱到500以上時就開始發(fā)出暗紅色的光，溫度進一步升高，物體就開始發(fā)更強的光，愛迪生就是以此發(fā)明了電燈。如白熾燈的燈絲溫度為2000以上，可想而知，這樣的光源要伴隨著大量熱的散發(fā)，因此大部分能量也隨著這些熱效應而浪費掉了。而生物發(fā)光并不像這些光線那樣產(chǎn)生熱效應，所以又稱之為冷光（但不僅僅只有生物發(fā)光是冷光，像熒光一般也沒有熱效應）。通常情況下燈泡只有10%的功率用以發(fā)光,其余的90%全都轉(zhuǎn)化成熱浪費了。而螢火蟲燈卻不發(fā)熱,可以使其功率全部用以發(fā)光。很明顯，冷光的能量利用效率要遠大于伴隨著熱效應的發(fā)光。一直以來，發(fā)明螢火蟲燈是照明工程師們夢寐以求的愿望。3. 螢火蟲成蟲發(fā)光的生物學意義3.1 兩性交配中的信號交流 O sten Sacken 首先描述了螢火蟲的發(fā)光行為作為其性別識別信號。利于兩性求偶交配是目前公認的成蟲自發(fā)熒光的基本也是最重要的功能3。 動物學家們已經(jīng)探明,雄性螢火蟲并非憑借雌性螢火蟲的色彩,亮度或閃光的持續(xù)時間來辨認自己的情侶,而是以雄性螢火蟲呼應自己的閃光速度為依據(jù)。螢火蟲這種雌雄兩性之間的閃光形式有其一定的規(guī)律,而且非常穩(wěn)定。就好象各種小鳥在交配前唱出各種不 同的歌聲一樣。3.2 捕食信號 少數(shù)種類螢火蟲成蟲利用光信號捕食異種螢火蟲。比如美洲 Photuris屬一些種類的雌螢,它們能破譯某些異種螢火蟲如 Photinus的特異性閃光信號, 進而模擬異種雌螢的回應信號來吸引并捕食雄螢, 這種現(xiàn)象稱為侵略性擬態(tài)或捕食應答4。3.3 警告防御 某些取食者如蜥蜴誤食螢火蟲成蟲后會導致厭食甚至致死的現(xiàn)象5，證實成蟲的發(fā)光除了找尋配偶之外，還有警告等其它生物的作用。4. 應用領域用螢光蟲尾部提取物可以測定各種生物體或其器官、組織內(nèi)的ATP含量及能量代謝情況。用螢光素酶系檢測ATP方法已日益廣泛地應用于生物化學、生物物理及植物生理學等各方面。 在環(huán)境污染監(jiān)控方面，利用生物熒光分析細菌污染已成為全世界最快的分析方法；在生物工程、分子生物學領域則可以利用生物熒光作為報告基因檢測目標基因以及細胞內(nèi) ATP 水平6；核酸領域中用于標記核酸，可作為基因水平下的超敏感和選擇性的生物分析工具，如重組細胞生物傳感器、免疫分析和核酸雜交系統(tǒng)7；基因?qū)W中測定 DNA 片段序列，可應用于臨床診斷和藥物開發(fā)等生物體外和體內(nèi)持續(xù)檢測過程8，如基因表達，蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互間作用和疾病的進程。和傳統(tǒng)分析方法相比，此系列技術不論在時間耗費和靈敏度上都顯示了很大的優(yōu)勢，應用前景很廣闊。5.討論持續(xù)警戒發(fā)光也會引來天敵或者不怕光的取食者的注意, 并且發(fā)光代謝反應需要消耗能量 ATP的代價也是昂貴的。當遭遇或者吸引捕食者的幾率很高時, 這一行為是發(fā)育過程中必要的代謝? 還是既能帶來利益又會帶來風險的防御信號? 或許還是其它的原因?這些都需要深入研究。同時，光信號和化學信號的關系在螢火蟲的生存和繁殖過程中都具有重要意義, 但是二者發(fā)揮作用中的關系還需要進一步證明, 特別是卵和幼蟲的發(fā)光行為與體內(nèi)某些化學物質(zhì)或者化學反應的關系。參考文獻1 Mc Elroy W. D., DeLuca M. and Travis J. Science 1967, 157, 502(美)w.D麥克爾羅伊著 (楊松榆等譯)，1978，細胞生理學與生物化學,科學出版社,69頁3 Sivin sk i J. 1981. The n ature and poss ib le functions of lum in escen ce inColeop tera larvae J . Th e Co leopterists Bu llet in, 35: 167 179.4 L loyd JE. 1980. M ale Photuris f iref lies m im ic sexual signals of theirfem ales prey J . S cien ce, 210: 669 671.5 S ivin sk i J. 1981. The n ature and poss ib le functions of lum in escen ce inColeop tera larvae J . Th e Co leopterists Bu llet in, 35: 167 179.6 Greer L. and Szalay A. A. Luminescence 2002,17, 437 Chiu N H L, Chxistopoulos T K.