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(xué)家對(duì)它們的研究可以追溯到上世紀(jì)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(jī)制、功能意義及其在各方面的應(yīng)用作出了綜合性的論述。關(guān)鍵字：螢火蟲、發(fā)光行為、發(fā)光機(jī)制、應(yīng)用1.發(fā)光的類型 發(fā)光是由于一個(gè)分子或原子中的電子吸收能量后，躍遷到較高的能級(jí)，由于激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定性，當(dāng)它從較高的能級(jí)再自發(fā)躍遷到基態(tài)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)出一個(gè)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(xué)發(fā)光，生物發(fā)光，電發(fā)光，熒光等等。手機(jī)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(guān)了燈后依然灼灼生輝，這時(shí)看到的是磷光；演唱會(huì)上揮舞的熒光棒和熒光手鐲其實(shí)是化學(xué)發(fā)光，是通過里面化學(xué)試劑的反應(yīng)而發(fā)光；螢火蟲的光也不是熒光（因?yàn)闊晒鈱儆诠獍l(fā)光，即分子是通過光激發(fā)而達(dá)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(jī)制 60 年代 Hopkins 大學(xué)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(chǔ)研究1。關(guān)于它的反應(yīng)機(jī)理，一個(gè)普遍被接受的機(jī)制是，螢火蟲螢光素（D-luciferin，D-LH2）在螢光素酶（luciferases，Luc）的活性點(diǎn)與其結(jié)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(jiǎn)單來說，就是熒光素在螢光素酶的催化下被氧化，同時(shí)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(diǎn)通常，物體被加熱到500以上時(shí)就開始發(fā)出暗紅色的光，溫度進(jìn)一步升高，物體就開始發(fā)更強(qiáng)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(yīng)而浪費(fèi)掉了。而生物發(fā)光并不像這些光線那樣產(chǎn)生熱效應(yīng)，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(yīng)）。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(fèi)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(yuǎn)大于伴隨著熱效應(yīng)的發(fā)光。一直以來，發(fā)明螢火蟲燈是照明工程師們夢(mèng)寐以求的愿望。3. 螢火蟲成蟲發(fā)光的生物學(xué)意義3.1 兩性交配中的信號(hào)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(shí)別信號(hào)。利于兩性求偶交配是目前公認(rèn)的成蟲自發(fā)熒光的基本也是最重要的功能3。 動(dòng)物學(xué)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(shí)間來辨認(rèn)自己的情侶,而是以雄性螢火蟲呼應(yīng)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(hào) 少數(shù)種類螢火蟲成蟲利用光信號(hào)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(hào), 進(jìn)而模擬異種雌螢的回應(yīng)信號(hào)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(yīng)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(huì)導(dǎo)致厭食甚至致死的現(xiàn)象5，證實(shí)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(yīng)用領(lǐng)域用螢光蟲尾部提取物可以測(cè)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(cè)ATP方法已日益廣泛地應(yīng)用于生物化學(xué)、生物物理及植物生理學(xué)等各方面。 在環(huán)境污染監(jiān)控方面，利用生物熒光分析細(xì)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(xué)領(lǐng)域則可以利用生物熒光作為報(bào)告基因檢測(cè)目標(biāo)基因以及細(xì)胞內(nèi) ATP 水平6；核酸領(lǐng)域中用于標(biāo)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(xì)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(cè)定 DNA 片段序列，可應(yīng)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(cè)過程8，如基因表達(dá)，蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互間作用和疾病的進(jìn)程。和傳統(tǒng)分析方法相比，此系列技術(shù)不論在時(shí)間耗費(fèi)和靈敏度上都顯示了很大的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景很廣闊。5.討論持續(xù)警戒發(fā)光也會(huì)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(yīng)需要消耗能量 ATP的代價(jià)也是昂貴的。當(dāng)遭遇或者吸引捕食者的幾率很高時(shí), 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(huì)帶來風(fēng)險(xiǎn)的防御信號(hào)? 或許還是其它的原因?這些都需要深入研究。同時(shí)，光信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的關(guān)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(guān)系還需要進(jìn)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(xué)物質(zhì)或者化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系。參考文獻(xiàn)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(xì)胞生理學(xué)與生物化學(xué),科學(xué)出版社,69頁(yè)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.