生物發光昆蟲

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引言

生物發光是化學發光的一個例子，即生物體中化學反應發出的光。“生物發光”一詞源於希臘語，其中“bio”意為“生命”，“lumen”意為“光”。它是一種酶催化反應，是將光能轉化為化學能的過程。

希臘人和羅馬人是第一個發現發光生物和海中磷光的文明。亞里士多德將它們描述為“冷光”。第一本關於生物發光的書由康拉德·格斯納於1555年出版，後來在19世紀，拉斐爾·杜布瓦提取了這種生化反應的兩個關鍵成分——“熒光素”和“熒光素酶”。熒光素（來自拉丁語Lucifer——“光明使者”）是一組雜環化合物，被熒光素酶氧化後產生氧化熒光素和光能。

生物發光過程

光是由專門進化而來的發光器官產生的，主要來源於脂肪體，但在某些雙翅目昆蟲中則來自馬氏管的遠端。這些器官通常存在於雄性和雌性中，或者有時僅限於雌性和未成熟階段，如螢火蟲。它們可以分佈在身體的任何部位，但在成蟲中通常位於胸部或腹部的腹側。

每個發光器官都由光細胞組成，光細胞散佈在表皮下方，並被背層細胞覆蓋。角質層質地透明。光細胞呈圓柱形，垂直於角質層排列。每個圓柱體都包含氣管和神經。這些氣管分支成氣管細支，在光細胞之間分支。氣管細支的根部仍然包裹在一個氣管末端細胞內，其內膜與氣管母細胞形成褶皺。光細胞的神經在氣管末端細胞和氣管母細胞質膜連線處終止於一個未分裂的過程。每個光細胞都包含許多光細胞顆粒，這些顆粒形成一個與細胞質透過其頸部連線的空腔。

光細胞顆粒含有參與光反應的熒光素分子。背層細胞也含有顆粒，稱為尿酸顆粒，它們形成反射層。

生物發光的先決條件是：

• 熒光素，一種由光細胞分泌的低分子量化合物，可以是醛、複雜的肽或蛋白質。

• 熒光素酶，反應所需的酶。

• 熒光素結合蛋白。

• 光蛋白

• 閃爍體 - ATP 和 Mg2+。

在 Mg2+ 和熒光素酶的存在下，熒光素被 ATP 啟用產生腺苷醯熒光素。該化合物在熒光素酶的存在下被氧化，形成激發態的腺苷醯氧化熒光素。腺苷醯氧化熒光素透過產生光轉化為低能化合物。該反應的能量由氧化提供，而不是來自 ATP，以光能的形式釋放。

低能腺苷醯氧化熒光素透過與熒光素酶結合來抑制進一步的反應，但焦磷酸鹽有助於消除這種抑制作用。發光器官受到神經的刺激，乙醯膽鹼在神經末梢釋放，它與 ATP 和輔酶 A 反應產生焦磷酸鹽。

該反應完全取決於氧氣供應，因此控制氧氣供應可以控制光反應。生物發光不產生熱量，因此被稱為冷光。光的強度低，且沒有紫外線輻射。

例子

真光或自發光的自然例子主要存在於彈尾目、雙翅目、鞘翅目和同翅目昆蟲中。鞘翅目是最大的生物發光類群，最典型的例子是螢火蟲科、叩頭蟲科和幽螢科。

• 螢火蟲科被稱為“螢火蟲”或“閃電蟲”。

• 叩頭蟲科被稱為“鐵絲蟲”或“叩頭蟲”，其中最亮的昆蟲是Pyrophorus noctilucus，也被稱為西印度群島的“牙買加叩頭蟲”或“cucujo 甲蟲”。幽螢科被稱為“火車蟲”。

• 在彈尾目中，生物發光見於Onychiurus armatus；在同翅目螢火蟲科中，如Fulgora lanternaria；在雙翅目蕈蚊科中，如Arachnocampa，它們的幼蟲在洞穴頂部築網；Keroplatus 和 Orfelia，以及Platyuridae 和 Bolitophilidae 科的幼蟲。

生物發光在動物中的作用

生物發光無疑在節肢動物中具有功能意義，它主要用於吸引異性進行交配，或者用於引誘獵物，或作為一種防禦機制。

作為交配訊號

發光已知在螢火蟲中充當交配訊號。在螢火蟲科中，雌性無翅且不活動，因此光生產對它們吸引雄性至關重要。不同物種和性別的閃光模式各不相同。在一個涼爽宜人的夜晚，有些物種每五秒鐘發出一次閃光，而另一些物種可能只等待一秒鐘就發出閃光，一些熱帶物種可以齊聲發出閃光。

Photuris pyralis 螢火蟲以規則的間隔發出單個短閃光，通常來自雄性用於交配，大約每隻雌性有五十隻雄性。雌性沿著草葉爬行，跟隨十到十二英尺內的閃光。在交配前，它們會交換五到十次訊號。

作為捕食者

利用光進行捕食最獨特的例子見於紐西蘭的螢火蟲——Arachnocampa luminosa。這些昆蟲的雌性將卵產在黑暗洞穴的天花板上，卵孵化後產生幼蟲，幼蟲透過粘性細絲懸掛在洞穴壁上併發出光。

在黑暗的夜晚，洞穴閃閃發光，吸引許多昆蟲來到這些懸掛的幼蟲處，然後被它們捕食。這些洞穴也被稱為“發光洞穴”，在紐西蘭是受歡迎的旅遊景點。

作為防禦

當幼蟲行走時，火車蟲會持續發光頭部，這些突然的閃光有助於嚇跑潛在的捕食者。

生物發光的經濟意義

熒光素酶發光系統已被證明可用於生物醫學研究、害蟲管理和不同的科學實驗。

• 活生物體中 ATP 的存在已被用於各種醫學研究。用熒光素和熒光素酶注射正常細胞和癌細胞顯示出不同的結果，有助於檢測人體細胞中的代謝能量缺陷。這項技術已被廣泛用於治療心臟病、肌營養不良症和泌尿系統疾病。

• 最近，棉花害蟲棉鈴蟲的遺傳物質透過注射水母 Aequorea victoria 的綠色熒光蛋白 (GFP) 而被修飾。轉基因昆蟲將從幼蟲階段開始發光，這有助於在農業田間識別它們。

• 送往其他行星的宇宙飛船配備了一種特殊的電子裝置，可以採集外星土壤並使其與氧氣、水、熒光素和熒光素酶反應。如果輝光被電視傳回地球，那將是該星球上存在 ATP 和生命存在的證據。

• 由短 DNA 序列組成的熒游標記基因被插入到目標基因中，轉化的細胞將幫助科學家區分目標細胞並消除其他細胞。

常見問題

問1. 生物發光在哪裡發現？

答。它們存在於森林、黑暗洞穴和海洋中。

問2. 生物發光需要光嗎？

答。它不需要外部光源，是在生物體內產生的。

問3. 生物發光可以在白天發生嗎？

答。它只在晚上被觀察到。

問4. 生物發光會產生熱量嗎？

答。不會，它是冷光。