萤火虫的发光 蒋志帆生技1001102202106 摘要：萤火虫（鞘翅目，莹科）是自然界常见的生物，地球上很多地方都可以在夏天的夜晚 看到它们。科学家对它们的研究可以追溯到上世纪初，并且持续至今，依然有很多问题吸引 着人们。本文就莹火虫的发光行为、机制、功能意义及其在各方面的应用作出了综合性的论 述。 关键字：莹火虫、发光行为、发光机制、应用 1.发光的类型 发光是由于一个分子或原子中的电子吸收能量后，跃迁到较高的 能级，由于激发态的不稳定性，当它从较高的能级再自发跃迁到基态 的时候，就会发出一个光子，这就是所说的发光。 根据分子受激发的方式不同，可分为化学发光，生物发光，电发 光，荧光等等。手机屏幕和按键的背景光是二极管发光，来自于电： 有些荧光壁画或夜光手表，在关了灯后依然灼灼生辉，这时看到的是 磷光：演唱会上挥舞的荧光棒和荧光手镯其实是化学发光，是通过里 面化学试剂的反应而发光；萤火虫的光也不是荧光（因为荧光属于光 发光，即分子是通过光激发而达到激发态的)，它是生物发光。 2.萤火虫的发光 2.1萤火虫的发光机制 60年代Hopkins大学的William McElroy、Emil White与 Howard Seliger就北美萤火虫Photinus pyralis是如何发光的做 了开创性的基础研究。关于它的反应机理，一个普遍被接受的机制 是，萤火虫萤光素(D-luciferin,D-LH2)在萤光素酶(1 uciferases, LuC)的活性点与其结合，在三磷酸腺苷(ATP),Mg2+和02的作用 下，由酶催化产生激发态氧化萤光素(OxyLH22)。在OxyLH22退激的 过程中，产生可见光。简单来说，就是荧光素在萤光素酶的催化下被 氧化，同时消耗ATP,产生了可见光。它每产生100次闪光需要6微 克ATP②。 2.2萤火虫发光较电灯泡发光的优点 通常，物体被加热到500℃以上时就开始发出暗红色的光，温度 进一步升高，物体就开始发更强的光，爱迪生就是以此发明了电灯。 如白炽灯的灯丝温度为2000℃以上，可想而知，这样的光源要伴随
萤火虫的发光 蒋志帆 生技 1001 102202106 摘要：萤火虫(鞘翅目，萤科 )是自然界常见的生物，地球上很多地方都可以在夏天的夜晚 看到它们。科学家对它们的研究可以追溯到上世纪初，并且持续至今，依然有很多问题吸引 着人们。本文就萤火虫的发光行为、机制、功能意义及其在各方面的应用作出了综合性的论 述。 关键字：萤火虫、发光行为、发光机制、应用 1.发光的类型 发光是由于一个分子或原子中的电子吸收能量后，跃迁到较高的 能级，由于激发态的不稳定性，当它从较高的能级再自发跃迁到基态 的时候，就会发出一个光子，这就是所说的发光。 根据分子受激发的方式不同，可分为化学发光，生物发光，电发 光，荧光等等。手机屏幕和按键的背景光是二极管发光，来自于电； 有些荧光壁画或夜光手表，在关了灯后依然灼灼生辉，这时看到的是 磷光；演唱会上挥舞的荧光棒和荧光手镯其实是化学发光，是通过里 面化学试剂的反应而发光；萤火虫的光也不是荧光（因为荧光属于光 发光，即分子是通过光激发而达到激发态的），它是生物发光。 2.萤火虫的发光 2.1 萤火虫的发光机制 60 年代 Hopkins 大学的 William McElroy、Emil White 与 Howard Seliger 就北美萤火虫 Photinus pyralis 是如何发光的做 了开创性的基础研究[1]。关于它的反应机理，一个普遍被接受的机制 是，萤火虫萤光素（D-luciferin，D-LH2）在萤光素酶（luciferases， Luc）的活性点与其结合，在三磷酸腺苷（ATP），Mg2+和 O2 的作用 下，由酶催化产生激发态氧化萤光素（OxyLH2）。在 OxyLH2 退激的 过程中，产生可见光。简单来说，就是荧光素在萤光素酶的催化下被 氧化，同时消耗 ATP，产生了可见光。它每产生 100 次闪光需要 6 微 克 ATP[2]。 2.2 萤火虫发光较电灯泡发光的优点 通常，物体被加热到 500℃以上时就开始发出暗红色的光，温度 进一步升高，物体就开始发更强的光，爱迪生就是以此发明了电灯。 如白炽灯的灯丝温度为 2000℃以上，可想而知，这样的光源要伴随
着大量热的散发，因此大部分能量也随着这些热效应而浪费掉了。而 生物发光并不像这些光线那样产生热效应，所以又称之为冷光（但不 仅仅只有生物发光是冷光，像荧光一般也没有热效应)。通常情况下 灯泡只有10%的功率用以发光，其余的90%全都转化成热浪费了。而黄 火虫灯却不发热，可以使其功率全部用以发光。很明显，冷光的能量 利用效率要远大于伴随着热效应的发光。一直以来，发明萤火虫灯是 照明工程师们梦寐以求的愿望。 3.萤火虫成虫发光的生物学意义 3.1两性交配中的信号交流 0 sten Sacken首先描述了萤火虫的发光行为作为其性别识别信 号。利于两性求偶交配是目前公认的成虫自发荧光的基本也是最重要 的功能。动物学家们已经探明，雄性萤火虫并非凭借雌性萤火虫的 色彩，亮度或闪光的持续时间来辨认自己的情侣，而是以雄性萤火虫 呼应自己的闪光速度为依据。萤火虫这种雌雄两性之间的闪光形式有 其一定的规律，而且非常稳定。就好象各种小鸟在交配前唱出各种不 同的歌声一样。 3.2捕食信号 少数种类萤火虫成虫利用光信号捕食异种萤火虫。比如美洲 Photuris属一些种类的雌萤，它们能破译某些异种萤火虫如 Photinus的特异性闪光信号，进而模拟异种雌萤的回应信号来吸引 并捕食雄莹，这种现象称为侵略性拟态或捕食应答[。 3.3警告防御 某些取食者如蜥蜴误食萤火虫成虫后会导致厌食甚至致死的现 象，证实成虫的发光除了找寻配偶之外，还有警告等其它生物的作 用。 4.应用领域 用萤光虫尾部提取物可以测定各种生物体或其器官、组织内的 ATP含量及能量代谢情况。用萤光素酶系检测ATP方法已日益广泛地 应用于生物化学、生物物理及植物生理学等各方面。 在环境污染监控方面，利用生物荧光分析细菌污染已成为全世界 最快的分析方法：在生物工程、分子生物学领域则可以利用生物荧光 作为报告基因检测目标基因以及细胞内ATP水平：核酸领域中用 于标记核酸，可作为基因水平下的超敏感和选择性的生物分析工具
着大量热的散发，因此大部分能量也随着这些热效应而浪费掉了。而 生物发光并不像这些光线那样产生热效应，所以又称之为冷光（但不 仅仅只有生物发光是冷光，像荧光一般也没有热效应）。通常情况下 灯泡只有 10%的功率用以发光,其余的 90%全都转化成热浪费了。而萤 火虫灯却不发热,可以使其功率全部用以发光。很明显，冷光的能量 利用效率要远大于伴随着热效应的发光。一直以来，发明萤火虫灯是 照明工程师们梦寐以求的愿望。 3.萤火虫成虫发光的生物学意义 3.1 两性交配中的信号交流 O sten Sacken 首先描述了萤火虫的发光行为作为其性别识别信 号。利于两性求偶交配是目前公认的成虫自发荧光的基本也是最重要 的功能[3]。 动物学家们已经探明,雄性萤火虫并非凭借雌性萤火虫的 色彩,亮度或闪光的持续时间来辨认自己的情侣,而是以雄性萤火虫 呼应自己的闪光速度为依据。萤火虫这种雌雄两性之间的闪光形式有 其一定的规律,而且非常稳定。就好象各种小鸟在交配前唱出各种不 同的歌声一样。 3.2 捕食信号 少数种类萤火虫成虫利用光信号捕食异种萤火虫。比如美洲 Photuris 属一些种类的雌萤, 它们能破译某些异种萤火虫如 Photinus 的特异性闪光信号, 进而模拟异种雌萤的回应信号来吸引 并捕食雄萤, 这种现象称为侵略性拟态或捕食应答[4]。 3.3 警告防御 某些取食者如蜥蜴误食萤火虫成虫后会导致厌食甚至致死的现 象[5]，证实成虫的发光除了找寻配偶之外，还有警告等其它生物的作 用。 4.应用领域 用萤光虫尾部提取物可以测定各种生物体或其器官、组织内的 ATP 含量及能量代谢情况。用萤光素酶系检测 ATP 方法已日益广泛地 应用于生物化学、生物物理及植物生理学等各方面。 在环境污染监控方面，利用生物荧光分析细菌污染已成为全世界 最快的分析方法；在生物工程、分子生物学领域则可以利用生物荧光 作为报告基因检测目标基因以及细胞内 ATP 水平[6]；核酸领域中用 于标记核酸，可作为基因水平下的超敏感和选择性的生物分析工具
如重组细胞生物传感器、免疫分析和核酸杂交系统：基因学中测定 DNA片段序列，可应用于临床诊断和药物开发等生物体外和体内持续 检测过程，如基因表达，蛋白质一蛋白质相互间作用和疾病的进程。 和传统分析方法相比，此系列技术不论在时间耗费和灵敏度上都显示 了很大的优势，应用前景很广阔。 5.讨论 持续警戒发光也会引来天敌或者不怕光的取食者的注意，并且 发光代谢反应需要消耗能量ATP的代价也是昂贵的。当遭遇或者吸 引捕食者的几率很高时，这一行为是发育过程中必要的代谢？还是 既能带来利益又会带来风险的防御信号？或许还是其它的原因？这些 都需要深入研究。同时，光信号和化学信号的关系在萤火虫的生存和 繁殖过程中都具有重要意义，但是二者发挥作用中的关系还需要进 一步证明，特别是卵和幼虫的发光行为与体内某些化学物质或者化 学反应的关系。 参考文 [1]Me Elroy W.D.DeLuca M.and Travis J.Science 1967,157,50 [2](美)w.D麦克尔罗伊著（杨松榆等译），1978，细胞生理学与生物化学，科学出版社，69 而 [3]Sivin skiJ.1981.The nature andposs ib le functions of lum in escence inColeor 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,35:167179. [6] and Szalay A.A.Lu cence2002,17,4 [7]Chiu N H L.Chxistopoulos T K.Anal Chem,1996,68(14):2304-2308 [8]Deb D.K.Srivastava K.K.Srivastava R.And Srivastava B.S.Biochem.Biophys. Res.Commun.2000,279,457
如重组细胞生物传感器、免疫分析和核酸杂交系统[7]；基因学中测定 DNA 片段序列，可应用于临床诊断和药物开发等生物体外和体内持续 检测过程[8]，如基因表达，蛋白质－蛋白质相互间作用和疾病的进程。 和传统分析方法相比，此系列技术不论在时间耗费和灵敏度上都显示 了很大的优势，应用前景很广阔。 5.讨论 持续警戒发光也会引来天敌或者不怕光的取食者的注意, 并且 发光代谢反应需要消耗能量 ATP 的代价也是昂贵的。当遭遇或者吸 引捕食者的几率很高时, 这一行为是发育过程中必要的代谢? 还是 既能带来利益又会带来风险的防御信号? 或许还是其它的原因?这些 都需要深入研究。同时，光信号和化学信号的关系在萤火虫的生存和 繁殖过程中都具有重要意义, 但是二者发挥作用中的关系还需要进 一步证明, 特别是卵和幼虫的发光行为与体内某些化学物质或者化 学反应的关系。 参考文献 [1] Mc Elroy W. D., DeLuca M. and Travis J. Science 1967, 157, 50 [2](美)w.D 麦克尔罗伊著 (杨松榆等译)，1978，细胞生理学与生物化学,科学出版社,69 页 [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, 43 [7] Chiu N H L, Chxistopoulos T K. Anal Chem, 1996,68(14):2304－2308 [8] Deb D. K., Srivastava K. K, Srivastava R. And Srivastava B. S. Biochem. Biophys. Res.Commun. 2000, 279, 457