仲夏夜 萤之光

图文: | 2016-07-01

导语: 曾几何时,田间屋外、林中湖畔肆意飞舞的点点流萤变成了只能在公园展览、售卖瓶罐中才能一睹的稀有动物?近期有关各地萤火虫展的诸多报道——不论是大批观众争相前往还是环保人士出于保护野生萤火虫而抵制展览——引起许多人对这种发光的夜之精灵的追忆、好奇或向往。这期《微专栏》,咱们不谈争议,只谈萤火虫。

萤火虫的生命周期

仲夏夜晚,萤火虫闪烁着黄绿色的光芒在丛林中飞舞,成为夏夜最美的景致之一。这些夏夜发光萤火虫大多是破蛹而出的“成年”萤火虫,即成虫。在一群萤火虫中,雄萤火虫会先发光,它们通过发光来“呼唤”异性,雌萤火虫在雄萤火虫发光一段时间之后通过发光作出回应。

南京紫金山仲夏夜的萤火虫

它们发光的光谱、时间和频率等形成了一种特殊的交流语言,它们用这种语言识别同类、与异性交流,最后结成一对对伴侣并交配产卵,并在交配产卵后死去,整个成年期的寿命一般只有3~7。虫卵经过一定时间后孵化为幼虫,幼虫经过几次蜕皮后进入休眠变成蛹。在蛹内部,萤火虫幼虫的身体结构历经一个月甚至更长时间的重建变为成虫的样子,然后破蛹而出,开始新一轮的求偶交配产卵。

萤火虫的整个生命——-幼虫-蛹-成虫——4个月到1年不等。

南京灵谷寺萤火虫

萤之光的惊奇档案

每一种萤火虫的“闪烁密码”都不同

萤火虫通过闪烁的荧光传递信息,目的主要是吸引异性、同伴间相互联络、照明或警告敌人。但萤火虫是鞘翅目萤科发光昆虫的统称,全世界已知的萤火虫有2000多种,不同种的萤火虫是如何识别同类的呢?事实上,每一种萤火虫都有不同的闪烁密码,如不同的发光光谱、发光时间、闪烁频率或者是雌虫与雄虫发光之间的时间间隔等。

萤火虫的发光器位于腹部末端,由大量发光细胞与反光细胞和神经等辅助结构组成。

100% VS 10%

萤火虫依靠发光细胞中的化学反应来发光,在这一过程中起关键作用的有两类化学物质——荧光素和荧光素酶。荧光素在荧光素酶的催化下利用能量物质(三磷酸腺苷,ATP)与氧气发生反应,释放出光子,形成可见光。

这种化学反应的能量转化效率极高,几乎将化学能100%地转化为光能,只有极少数能量以热能的形式释放。我们人类制造的白炽灯,将电能转化为光能的效率只有约10%90%的能量都转变为热能白白浪费了。

人们受萤火虫发光原理的启发,发明了日光灯(荧光灯)。

光的陷阱

温馨浪漫的萤火虫之光有时也可能暗含杀机。在北美洲,一种大型萤火虫的雌虫“破译”了另一种小型萤火虫的闪烁密码,通过模拟小型萤火虫雌虫的发光模式来诱捕对方的雄虫作为食物。这种现象在动物行为学上被称为攻击性拟态。

萤火虫荧光素酶

如前所述,萤火虫发出的光来自体内荧光素酶与荧光素参与的化学反应

荧光素酶是生物体内催化荧光素等物质氧化发光的一类酶的总称。自然界中,不同的发光生物拥有不同的荧光素酶,除了萤火虫荧光素酶(Firefly Luciferase)之外,还有发光细菌体内的细菌荧光素酶、发光海星的海星荧光素酶等。目前,人们对萤火虫荧光素酶的研究最多、应用广泛。

一则关于手机上的细菌的新闻里,专家在用ATP荧光检测仪检测手机表面的细菌。ATP是一种在动物、植物和细菌等活细胞中都存在的能量物质,由前述的反应式可知,ATP与荧光素、荧光素酶反应发出荧光。检测样品中的微生物越多,ATP就越多,荧光反应的光亮就越大。故根据荧光反应的情况可以检测样品中的微生物含量。APT荧光检测仪广泛用于食品、饮用水、餐饮器具等的微生物快速检测。

1970年,科学家第一次测定了萤火虫荧光素酶的结构;1985年,科学家首次克隆了一种萤火虫荧光素酶基因,并在大肠杆菌中表达,从而得到了具有活性的荧光素酶;1986年,科学家们测定了该种萤火虫荧光素酶的基因序列。随后,各种萤火虫荧光素酶基因相继克隆成功,荧光素酶的研究和应用不断发展。目前,荧光素酶发光系统的分析技术已经广泛应用到医学、生命科学、环境科学、微生物学等许多领域。

以医学领域为例,专家们将荧光素酶基因嵌入到癌细胞中,再注入荧光素,使癌细胞发光,通过探测荧光,就能监测癌细胞的扩散和转移。同理,用这种方法能对致病基因、活体免疫机制等进行研究,对某些疾病进行诊断,监测疫苗、药物和治疗方法的效力。

裸鼠接种萤火虫荧光素酶标记的人肺癌细胞后的动态活体影像

萤之光的数学启发——萤火虫算法

萤之光不仅给人们带来了具有广泛用途的荧光素酶,还启迪科学家们创立了一种仿生模拟进化算法——萤火虫算法。

萤火虫算法是模拟自然界中萤火虫成虫发光的生物学特性发展而来,是基于群体搜索的随机优化算法。其仿生原理是:用搜索空间中的点模拟自然界中的萤火虫个体,将搜索和优化过程模拟成萤火虫个体的吸引和移动过程,将求解问题的目标函数度量成个体所处位置的优劣,将个体的优胜劣汰过程类比为搜索和优化过程中用好的可行解取代较差可行解的迭代过程。

萤火虫算法是一种群智能优化算法,这类算法还有遗传算法、蚁群算法和粒子群算法等。群智能优化算法以数学理论简洁、易于实现、优化效果良好为特点,被广泛应用于模式识别、自动控制、机器人路径规划、组合优化以及社会科学等领域。

一本介绍群智能优化算法的书,群智能优化算法的研究和应用方兴未艾。

发光的生命

发光鱿鱼

大约有90%的深海生物能发光,发光的目的主要是诱捕食物或惊吓敌人。


发光蘑菇

世界上没有会发光的植物,但是有一些蘑菇能发光。人类曾把它们用作便携的水下光源。


发光水母

许多水母会发光,有些水母还能发出不同颜色的光。与萤火虫不同,水母发光不是依靠荧光素的氧化,而是依靠一种发光蛋白。


发光蚯蚓

发光蚯蚓在世界范围内广泛分布,有不同种类。


琵琶鱼,学名鮟鱇

琵琶鱼头部上方有个会发光的肉状突出,形似小灯笼,像钓竿一样诱捕具有趋光性的鱼。



参考文献:

胡敬志.  萤火虫荧光素酶的性质和应用的研究[D].   上海:华东师范大学,2007.

卡罗琳·宾海姆. 虫——昆虫家族与它们的亲戚[M].  北京:科学普及出版社,2012.

杨颖,张逢春. 荧光素酶的分类、结构与应用[N].  北华大学学报(自然科学版),2006,7(5).

刘启才等. 荧光素酶标记的肺癌细胞系的建立及动物模型验证[J].  中国现代医学杂志,2011,,21(35).

刘长平,叶春明. 一种新颖的仿生群智能优化算法:萤火虫算法[J].  计算机应用研究,2011,28(9).


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