螢火蟲生物學(xué)特性及應(yīng)用概況

螢火蟲生物學(xué)特性及應(yīng)用概況

螢火蟲是昆蟲科的一種常見的昆蟲。世界上已知的有2000多種昆蟲屬于八個(gè)子類和92個(gè)子類，分布在溫帶、亞熱帶和熱帶地區(qū)。在中國(guó)對(duì)其種類有不同的記載。螢火火蟲獨(dú)特的發(fā)光行為使之成為一類重要的觀賞性昆蟲,在中國(guó)昆蟲文化中,螢火蟲與蝴蝶、蟋蟀齊名,并長(zhǎng)期受到文化界的推崇;它對(duì)環(huán)境敏感,是環(huán)境的指示物種;特有的光信息傳遞方式使它成為研究昆蟲種內(nèi)信息交流和信息交流信號(hào)演化的實(shí)驗(yàn)對(duì)象;同時(shí),螢火蟲的發(fā)光機(jī)理與體內(nèi)兩種發(fā)光物質(zhì)熒光素酶和熒光素已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。為此,作者對(duì)螢火蟲的生物學(xué)特性以及應(yīng)用概況做一綜述,希望能引起人們對(duì)此類昆蟲更多的關(guān)注。1螢火蟲生物學(xué)特性1.1成蟲蛻皮的周期螢火蟲屬于完全變態(tài),一生經(jīng)過卵—幼蟲—蛹—成蟲4個(gè)階段,水生螢火蟲通常4個(gè)月便可以完成1個(gè)世代,1年有2個(gè)世代。而陸生螢火蟲則1年才能完成1個(gè)世代,幼蟲從卵孵化到蛹要經(jīng)過6次蛻皮,蛹?xì)v期因種類而不同,最長(zhǎng)的可達(dá)40多d。成蟲野外壽命一般為3～7d,但也有長(zhǎng)達(dá)20～30d者。1.2生命的習(xí)性1.2.1陸棲昆蟲與昆蟲的生態(tài)棲位螢火蟲依其生活環(huán)境區(qū)分為陸棲和水棲兩個(gè)大類,前者占大多數(shù)。陸棲螢火蟲幼蟲多棲于遮蔽度高,草本植被茂盛,相對(duì)濕度高地方,水棲螢火蟲每一蟲態(tài)都有不同的生態(tài)棲位;蛹期在水旁邊度過。成蟲則以雄蟲及雌蟲分為水上方開闊水域及水邊的植物上,卵產(chǎn)于岸邊。1.2.2夜間活動(dòng)的種類出現(xiàn)的時(shí)間螢火蟲成蟲依種類不同,活動(dòng)的時(shí)間也有差異,白天和夜晚各有日行性和夜行性的種類,夜間活動(dòng)的種類出現(xiàn)的時(shí)間,由18∶00至清晨3∶00,4∶00都有。一般說來,多數(shù)種類是在日落后開始活動(dòng),而且大多在晚上20∶00,21∶00點(diǎn)停止活動(dòng)。螢火蟲幼蟲在夜晚出現(xiàn)的時(shí)間大抵和成蟲相仿,但它們卻可以整夜活動(dòng)。1.2.3水棲線蟲幼蟲的采集水棲螢火蟲的幼蟲吃螺類,貝類和水中的小動(dòng)物,而陸棲的螢火蟲幼蟲則以蝸牛、蛞蝓為食物,有些種類會(huì)捕食蚯蚓和昆蟲等小動(dòng)物。很多人對(duì)其捕食行為作了研究,研究發(fā)現(xiàn)蝸牛的腹足會(huì)分泌一種粘液,只要它爬過地方就會(huì)留下痕跡,而陸棲螢火蟲幼蟲利用自己的嗅覺可以發(fā)現(xiàn)蝸牛。在捕食過程中,螢火蟲先爬上蝸牛的貝殼,用3對(duì)足將其緊緊抓住,尾足也牢牢吸附在蝸牛殼上,然后用它針狀的上顎攻擊蝸牛的觸角并注入麻醉液,直至蝸牛失去知覺。然后它分泌消化液于蝸牛肉上,再用上顎夾肉,使消化液能充分的將肉分解成流狀的肉靡,然后再吸入肚子里面。吃完之后,有的螢火蟲還要用尾足粘干凈自己的身體。螢火蟲幼蟲取食1次可以維持幾天甚至1個(gè)月不進(jìn)食仍能存活。水棲螢火蟲幼蟲則需要在水中完成捕獵過程,然后將獵物拖至岸邊慢慢的享用。螢火蟲成蟲多數(shù)種類只喝水或吃花粉和花蜜,或者利用幼蟲期貯藏的脂肪,而Photuris屬的雌成蟲也可以捕食,它們捕捉的主要是別的屬或同屬別的種類的螢火蟲雄成蟲,它是所發(fā)現(xiàn)的唯一一個(gè)成蟲具有捕食習(xí)性的屬。在Photuris屬中有12種螢火蟲能分別捕獲2～8種獵物,而最厲害的獵手當(dāng)數(shù)Photurisvesicolor,它能捕獲11種獵物,堪稱螢火蟲中的“捕食之后”。它們的捕食行為在昆蟲學(xué)上被稱為攻擊性擬態(tài),即某個(gè)種的雌蟲模仿其它種類的雌蟲發(fā)光,引誘它們的雄蟲靠近,然后捕食雄蟲。同時(shí)有人發(fā)現(xiàn)在被捕食的種類之中,Photinus屬較多,因?yàn)檫@種食物對(duì)Photuris屬的后代是極為有利的,研究表明,取食這些食物它們體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一種Lucibufagin的物質(zhì),這種物質(zhì)有毒,能使它們的卵和幼蟲避免受到一些天敵的傷害。2螢火蟲的光刻化學(xué)機(jī)制及其作用2.1熒光素薄膜螢火蟲的卵,幼蟲和蛹都會(huì)發(fā)光,大部分成蟲都是發(fā)光的,只有極少數(shù)成蟲不會(huì)發(fā)光,幼蟲的發(fā)光器在腹部第8節(jié)兩側(cè),蛹的發(fā)光器的位置大抵和成蟲相似,都在腹末的1～2節(jié)。成蟲的發(fā)光器著生在腹部(通常是倒數(shù)第2,3節(jié)),從外表看只是一層銀灰色的透明薄膜,這層薄膜中含有大量的熒光色素,薄膜內(nèi)是數(shù)以千計(jì)的發(fā)光細(xì)胞,周圍密布著小氣管和纖細(xì)神經(jīng)分支,再下面是反光層。發(fā)光細(xì)胞中的主要物質(zhì)是熒光素和熒光素酶。當(dāng)氧氣通過小氣管進(jìn)人發(fā)光細(xì)胞時(shí),熒光素酶在鎂離子作用下,與底物反映形成與酶結(jié)合的腺苷酸熒光素酰化復(fù)合物,該復(fù)合物經(jīng)過氧化脫羧作用成為處于激活狀態(tài)的氧化熒光素,最后發(fā)射光子。熒火蟲在腦神經(jīng)系統(tǒng)的支配下,通過調(diào)節(jié)呼吸節(jié)律,控制氧氣供應(yīng),便形成時(shí)明時(shí)暗的“閃光”。熒光素在發(fā)光時(shí),一個(gè)熒光素分子只能釋放出一個(gè)光量子。大部分能量都用來發(fā)光,只有2%～10%的能量轉(zhuǎn)化為熱能,螢火蟲成蟲發(fā)光的顏色因種而異,有黃色、綠色、黃綠色,之所以有顏色的差異,是由于它們體內(nèi)的熒光素酶的結(jié)構(gòu)不同而造成的。2.2同步性及群體顯示的生理機(jī)制不少螢火蟲研究者認(rèn)為螢火蟲幼蟲的閃爍行為是1種抵御捕食者的顯示,蛹的發(fā)光具有警戒和御敵作用,蛹一般不會(huì)發(fā)光,只有遭到人為的干擾或天敵的侵犯才會(huì)發(fā)光。成蟲的發(fā)光是人們的關(guān)注的重點(diǎn),它的發(fā)光具有性信息交流、誘集、警戒和照明等作用。螢火蟲成蟲的光最主要的作用就是用在性信息交流上,同種之間的信息交流是有一定模式的,如Photinuscollustrans雄成蟲日落后11～26min開始低飛,每次發(fā)光時(shí)間為0.2s,間歇時(shí)間為2.2s,而雌蟲卻要在雄蟲發(fā)光后0.5s才做出回映,同屬的Tanytoxus雄蟲發(fā)光模式雖差不多,但雌蟲要等候1.5s才作出回映,從而雄蟲根據(jù)雌蟲反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)短而選擇同類進(jìn)行配對(duì)。另外,江口英輔教授經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)螢火蟲的發(fā)光光譜于眼睛的分光靈敏度存在著成曲線的對(duì)應(yīng)關(guān)系,他所研究的一種螢火蟲發(fā)出的光主要是560nm的黃光,其視覺細(xì)胞的分光靈敏度也恰在此波長(zhǎng)時(shí)最高。另外如前面所述,Photuris屬雌成蟲會(huì)設(shè)置光陷阱完成捕食,而Photinus的發(fā)光則多是用于照明著陸,同時(shí)在陸地活動(dòng)時(shí)也會(huì)間斷性的發(fā)光,起飛前也會(huì)迅速發(fā)光。在一些種類中,熒光可以吸引同種的個(gè)體聚集到一起,因而間接的增加了交配的機(jī)會(huì)。亞洲螢火蟲(主要是Pteroptys屬)的同步閃爍行為在100多年以來甚至更早就吸引了西方學(xué)者的注意。LLOYD對(duì)這種同步性及群體顯示的生理機(jī)制以及群體內(nèi)個(gè)體的交配行為及同步閃爍對(duì)個(gè)體的意義進(jìn)行了探討,并提出了同步閃爍的螢火蟲的交配流程模型。這個(gè)交配流程包括6個(gè)部分:(1)雄性與雌性都被適中的種特異性的閃爍節(jié)律吸引而聚集到已經(jīng)停息了許多同種個(gè)體的樹上;(2)在停息樹上的雄性個(gè)體探測(cè)合適的雌性的熒光并更換他們自身的行為提高他們所在的樹的位置的吸引性;(3)飛行中的雄性和雌性個(gè)體探測(cè)到閃爍節(jié)律以外的信號(hào);(4)雌性停下來觀察特定的雄性或是雄性停下來并且與附近的雄性同步閃爍,通過這種同步性來增加獲得雌性的可能性;(5)在雄性和雌性個(gè)體進(jìn)入集群后,其它的行為使得他們更進(jìn)一步的靠近;(6)在交配的最后階段,將發(fā)生交流頻道的變化。OHBA也對(duì)Pteroptyxeffulgens的同步閃爍行為進(jìn)行了研究。3熒光酶的加工和表達(dá)熒光素酶是生物體內(nèi)催化熒光素或脂肪醛氧化發(fā)光的1類酶的總稱。螢火蟲熒光素酶只是其中1種,對(duì)熒光酶的最早研究始見于北美的Photinuspyralis。這是至今為止研究最為深入的一個(gè)種類,其熒光酶已成為商品,且采用定向突變和隨機(jī)突變的方法對(duì)該基因的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行很多研究;另外MASUDA對(duì)日本的Luciolacruciata(Lcr)的熒光酶cDNA進(jìn)行了克隆與測(cè)序;TATSUMI則對(duì)Luciolalateralis(Lla)的熒光酶的cDNA在Escherichiacoli中的克隆與表達(dá)進(jìn)行了研究;DEVINE對(duì)歐洲的Luciolamingrelica(Lmi)的cDNA的克隆與測(cè)序及其在Escherichiacoli中的表達(dá)及表達(dá)產(chǎn)物(熒光酶)的純化進(jìn)行了研究。同時(shí)還有其它屬的螢火蟲熒光素酶也得到不同程度的研究。3.1氧膽酸鈉類及牛血清消化酶螢火蟲熒光素酶是一種以熒光素,ATP和氧為底物,在鎂離子存在的條件下能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿母咝锎呋瘎?它是蛋白質(zhì)和脂類復(fù)合物(磷脂和中性脂質(zhì)與螢火蟲熒光素酶結(jié)合),在去氧膽酸鈉中能使酶活性迅速減弱,鎂離子與螢火蟲熒光素酶結(jié)合能提高酶的活性;磷酸脂是特定的酶激活劑,能穩(wěn)定螢火蟲熒光素酶,不致失活,而長(zhǎng)鏈膽堿衍生物能使它快速、不可逆地失活;牛血清白蛋白、氨基乙醇、Co能顯著提高它的活性,并促進(jìn)光的產(chǎn)生。隨著反應(yīng)體系pH的降低,產(chǎn)生的光波長(zhǎng)增加;如果各種反應(yīng)底物成過量狀態(tài),則發(fā)射光強(qiáng)度與反應(yīng)體系中螢火蟲熒光素酶的量成正比。同時(shí)有研究證明熒光素酶基因的表達(dá)受反義RNA及其缺失片斷的嚴(yán)重阻礙,表達(dá)抑制和反譯RNA之間存在明顯的劑量效應(yīng);螢火蟲熒光素酶緞16個(gè)氨基酸與催化活性密切相關(guān)。3.2熒光光素酶氨基酸成分分析螢火蟲熒光素酶的分子量從60kD到100kD不等,從日本螢火蟲(Luciolacruciata)中提取的熒光素酶含548個(gè)氨基酸,分子量約61kD;北美螢火蟲(Photinuspyralis)的熒光素酶則含550個(gè)氨基酸,分子量約62kD;東歐螢火蟲(L.mingrelica)的熒光素酶與日本螢火蟲相似。而王維光等人在大腸桿菌種合成的熒光素酶的分子量為103kD。3.3建立非放射性的外源基因檢測(cè)體系螢火蟲熒光素酶的活性不需要轉(zhuǎn)錄后修飾,無二硫鍵,不需要輔助因子和結(jié)合金屬,幾乎可以在任何宿主中表達(dá)。它應(yīng)用于不同啟因子下外源基因表達(dá)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)錄調(diào)控的研究的報(bào)告基因,該報(bào)告基因的靈敏度,對(duì)于研究低水平表達(dá)如弱啟動(dòng)因子的調(diào)控方式有很大意義,通過側(cè)定熒光素酶基因的表達(dá),監(jiān)測(cè)各種啟動(dòng)子的活性;利用熒光素酶基因與特定目的基因的連鎖或共轉(zhuǎn)移,可以建立非放射性的外源基因檢測(cè)體系。由于大多數(shù)生物缺少內(nèi)源熒光,因此在研究這些生物時(shí)該基因做為報(bào)告基因幾乎無背景干擾,即可用壓X光片的方法初步探測(cè),也可用精密儀器實(shí)時(shí)間才或定量,所以倍受青睞。此外一些生物長(zhǎng)期生活在含有某種化學(xué)物質(zhì)的自然環(huán)境中,產(chǎn)生了適應(yīng)現(xiàn)象,基因組中含有某種能被該物質(zhì)誘導(dǎo)的和降解或富集等有關(guān)的基因,將這些基因和熒光素酶基因融合構(gòu)成重組體,當(dāng)這些特異的化學(xué)物質(zhì)存在時(shí)熒光素酶基因?qū)⒈灰煌磉_(dá)。重組體是否發(fā)光和環(huán)境中是否含有該物質(zhì)相藕聯(lián),重組體發(fā)光強(qiáng)度的強(qiáng)弱和該物質(zhì)的毒性強(qiáng)弱相藕聯(lián)。熒光素酶監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)就是不損害監(jiān)測(cè)對(duì)象,便與在整體水平和離體器官內(nèi)測(cè)定基因產(chǎn)物是否表達(dá),可見光的形成使觀察基因的空間表達(dá)成為可能,為研究細(xì)胞分化,細(xì)胞間聯(lián)絡(luò),基因的空間表達(dá)和生物間的相互作用提供了新的途徑。4程序的研究。一般知識(shí)在一般知識(shí)螢火蟲的研究不僅包含有昆蟲生物學(xué)方面的一般知識(shí),而且在螢火蟲的發(fā)光機(jī)理和功能及其仿生學(xué)研究,螢火蟲的生態(tài)學(xué)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面都將有廣泛的意義。4.1以燈光熒光燈為例模擬采集感染昆蟲的心理狀態(tài)螢火蟲發(fā)光的效率非常高,幾乎能將化學(xué)能全部轉(zhuǎn)化為可見光,是現(xiàn)代電光源效率的幾倍到幾十倍;螢火蟲發(fā)出來的光雖亮但幾乎沒有輻射熱量,也不產(chǎn)生磁場(chǎng),是一種非常理想的燈光。早在20世紀(jì)60年代,人們模擬螢火蟲發(fā)光的原理創(chuàng)造出了日光燈(熒光燈)。另外美國(guó)的生物化學(xué)家根據(jù)螢火蟲的發(fā)光原理和機(jī)制,提出了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)原理,它可以解釋腐蝕現(xiàn)象、光合作用等,并導(dǎo)致了激光器的開發(fā)和利用。4.2熒光酶基因的應(yīng)用自McElory等首次應(yīng)用螢火蟲熒光素酶測(cè)定ATP以來,熒光素酶在生物化學(xué)及生物技術(shù)的分析應(yīng)用不斷發(fā)展,其檢測(cè)和研究范圍包括:臨床醫(yī)學(xué)及法醫(yī)學(xué)檢測(cè);生命科學(xué)研究;環(huán)境監(jiān)測(cè)和制備廣譜酶聯(lián)免疫檢測(cè)試劑。隨著科學(xué)的發(fā)展,人類對(duì)螢火蟲發(fā)光特性的研究和利用正在走向一個(gè)新的層次,即在搞清螢火蟲熒光素酶的氨基酸序列和堿基序列的基礎(chǔ)上,克隆出熒光素酶基因,并試圖將它轉(zhuǎn)移到其它昆蟲和其它生物上。據(jù)報(bào)道,熒光酶基因點(diǎn)亮了小鼠體內(nèi)的前列腺癌基因的表達(dá),有望用來監(jiān)測(cè)早期前列腺癌的發(fā)生以及治療效果;在其它疾病如腫瘤、艾滋等研究中,熒光酶基因也是一種潛在的實(shí)驗(yàn)工具。在農(nóng)業(yè)中,通過將熒光酶基因轉(zhuǎn)到植物體內(nèi),可監(jiān)測(cè)植物(作物)受洪、澇、旱等自然災(zāi)害脅迫的情況;轉(zhuǎn)到昆蟲體內(nèi),可監(jiān)測(cè)害蟲的分布形式。在分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室,熒光酶基因以其易檢測(cè)、敏感以及對(duì)人體無毒等優(yōu)點(diǎn)而在基因工程中越來越多的作為遺傳標(biāo)記的首選來檢測(cè)基因表達(dá)。4.3種群恢復(fù)的作用螢火蟲的幼蟲以捕食蝸牛、蛞蝓等軟體動(dòng)物為主,是這些農(nóng)作物害蟲的重要天敵。通過種群的恢復(fù)可以幫助人們減少此類害蟲的危害。此外,螢火蟲也是生態(tài)環(huán)境的指示物種,凡是螢火蟲種群分布的地區(qū),都是生態(tài)環(huán)境保護(hù)得比較好的地方。而水質(zhì)污染、植被破壞則會(huì)嚴(yán)重制約著螢火蟲種群的生存和繁殖。4.4規(guī)定的地區(qū)可開發(fā)抗火車點(diǎn)隨著生態(tài)旅游成為世界旅游業(yè)發(fā)展的新潮流,部分國(guó)家和地區(qū)投人了螢火蟲生態(tài)旅游點(diǎn)的開發(fā)。馬來西亞已建成2個(gè)螢火蟲生態(tài)旅游景點(diǎn)達(dá)瓜拉雪蘭羲武吉柏寧濱的螢火蟲度假村和哥打丁宜柔佛河畔的螢火蟲樹林區(qū)。新西蘭奧克蘭市以南的懷托摩螢火蟲洞被眾多人們譽(yù)為世界七大奇景之一。在我國(guó)臺(tái)灣陽明山國(guó)家公園,阿里山農(nóng)場(chǎng)和嘉義縣梅山鄉(xiāng)瑞里風(fēng)景區(qū)也已開發(fā)出了螢火蟲生態(tài)旅游景點(diǎn)。新加坡的國(guó)家公園局也計(jì)劃在雙溪布洛天然公園創(chuàng)建一個(gè)適宜的生態(tài)環(huán)境,以便吸引幾乎在當(dāng)?shù)亟^跡的螢火蟲到公園“落戶”,進(jìn)而在夜間開放公園讓公眾觀賞螢火蟲