生物发光昆虫

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引言

生物发光是化学发光的一个例子，即生物体中化学反应发出的光。“生物发光”一词源于希腊语，其中“bio”意为“生命”，“lumen”意为“光”。它是一种酶催化反应，是将光能转化为化学能的过程。

希腊人和罗马人是第一个发现发光生物和海中磷光的文明。亚里士多德将它们描述为“冷光”。第一本关于生物发光的书由康拉德·格斯纳于1555年出版，后来在19世纪，拉斐尔·杜布瓦提取了这种生化反应的两个关键成分——“荧光素”和“荧光素酶”。荧光素（来自拉丁语Lucifer——“光明使者”）是一组杂环化合物，被荧光素酶氧化后产生氧化荧光素和光能。

生物发光过程

光是由专门进化而来的发光器官产生的，主要来源于脂肪体，但在某些双翅目昆虫中则来自马氏管的远端。这些器官通常存在于雄性和雌性中，或者有时仅限于雌性和未成熟阶段，如萤火虫。它们可以分布在身体的任何部位，但在成虫中通常位于胸部或腹部的腹侧。

每个发光器官都由光细胞组成，光细胞散布在表皮下方，并被背层细胞覆盖。角质层质地透明。光细胞呈圆柱形，垂直于角质层排列。每个圆柱体都包含气管和神经。这些气管分支成气管细支，在光细胞之间分支。气管细支的根部仍然包裹在一个气管末端细胞内，其内膜与气管母细胞形成褶皱。光细胞的神经在气管末端细胞和气管母细胞质膜连接处终止于一个未分裂的过程。每个光细胞都包含许多光细胞颗粒，这些颗粒形成一个与细胞质通过其颈部连接的空腔。

光细胞颗粒含有参与光反应的荧光素分子。背层细胞也含有颗粒，称为尿酸颗粒，它们形成反射层。

生物发光的先决条件是：

• 荧光素，一种由光细胞分泌的低分子量化合物，可以是醛、复杂的肽或蛋白质。

• 荧光素酶，反应所需的酶。

• 荧光素结合蛋白。

• 光蛋白

• 闪烁体 - ATP 和 Mg2+。

在 Mg2+ 和荧光素酶的存在下，荧光素被 ATP 激活产生腺苷酰荧光素。该化合物在荧光素酶的存在下被氧化，形成激发态的腺苷酰氧化荧光素。腺苷酰氧化荧光素通过产生光转化为低能化合物。该反应的能量由氧化提供，而不是来自 ATP，以光能的形式释放。

低能腺苷酰氧化荧光素通过与荧光素酶结合来抑制进一步的反应，但焦磷酸盐有助于消除这种抑制作用。发光器官受到神经的刺激，乙酰胆碱在神经末梢释放，它与 ATP 和辅酶 A 反应产生焦磷酸盐。

该反应完全取决于氧气供应，因此控制氧气供应可以控制光反应。生物发光不产生热量，因此被称为冷光。光的强度低，且没有紫外线辐射。

例子

真光或自发光的自然例子主要存在于弹尾目、双翅目、鞘翅目和同翅目昆虫中。鞘翅目是最大的生物发光类群，最典型的例子是萤火虫科、叩头虫科和幽萤科。

• 萤火虫科被称为“萤火虫”或“闪电虫”。

• 叩头虫科被称为“铁丝虫”或“叩头虫”，其中最亮的昆虫是Pyrophorus noctilucus，也被称为西印度群岛的“牙买加叩头虫”或“cucujo 甲虫”。幽萤科被称为“火车虫”。

• 在弹尾目中，生物发光见于Onychiurus armatus；在同翅目萤火虫科中，如Fulgora lanternaria；在双翅目蕈蚊科中，如Arachnocampa，它们的幼虫在洞穴顶部筑网；Keroplatus 和 Orfelia，以及Platyuridae 和 Bolitophilidae 科的幼虫。

生物发光在动物中的作用

生物发光无疑在节肢动物中具有功能意义，它主要用于吸引异性进行交配，或者用于引诱猎物，或作为一种防御机制。

作为交配信号

发光已知在萤火虫中充当交配信号。在萤火虫科中，雌性无翅且不活动，因此光生产对它们吸引雄性至关重要。不同物种和性别的闪光模式各不相同。在一个凉爽宜人的夜晚，有些物种每五秒钟发出一次闪光，而另一些物种可能只等待一秒钟就发出闪光，一些热带物种可以齐声发出闪光。

Photuris pyralis 萤火虫以规则的间隔发出单个短闪光，通常来自雄性用于交配，大约每只雌性有五十只雄性。雌性沿着草叶爬行，跟随十到十二英尺内的闪光。在交配前，它们会交换五到十次信号。

作为捕食者

利用光进行捕食最独特的例子见于新西兰的萤火虫——Arachnocampa luminosa。这些昆虫的雌性将卵产在黑暗洞穴的天花板上，卵孵化后产生幼虫，幼虫通过粘性细丝悬挂在洞穴壁上并发出光。

在黑暗的夜晚，洞穴闪闪发光，吸引许多昆虫来到这些悬挂的幼虫处，然后被它们捕食。这些洞穴也被称为“发光洞穴”，在新西兰是受欢迎的旅游景点。

作为防御

当幼虫行走时，火车虫会持续发光头部，这些突然的闪光有助于吓跑潜在的捕食者。

生物发光的经济意义

荧光素酶发光系统已被证明可用于生物医学研究、害虫管理和不同的科学实验。

• 活生物体中 ATP 的存在已被用于各种医学研究。用荧光素和荧光素酶注射正常细胞和癌细胞显示出不同的结果，有助于检测人体细胞中的代谢能量缺陷。这项技术已被广泛用于治疗心脏病、肌营养不良症和泌尿系统疾病。

• 最近，棉花害虫棉铃虫的遗传物质通过注射水母 Aequorea victoria 的绿色荧光蛋白 (GFP) 而被修饰。转基因昆虫将从幼虫阶段开始发光，这有助于在农业田间识别它们。

• 送往其他行星的宇宙飞船配备了一种特殊的电子设备，可以采集外星土壤并使其与氧气、水、荧光素和荧光素酶反应。如果辉光被电视传回地球，那将是该星球上存在 ATP 和生命存在的证据。

• 由短 DNA 序列组成的荧光标记基因被插入到目标基因中，转化的细胞将帮助科学家区分目标细胞并消除其他细胞。

常见问题

问1. 生物发光在哪里发现？

答。它们存在于森林、黑暗洞穴和海洋中。

问2. 生物发光需要光吗？

答。它不需要外部光源，是在生物体内产生的。

问3. 生物发光可以在白天发生吗？

答。它只在晚上被观察到。

问4. 生物发光会产生热量吗？

答。不会，它是冷光。