螢火蟲生物學特性及應用概況

螢火蟲生物學特性及應用概況

螢火蟲是昆蟲科的一種常見的昆蟲。世界上已知的有2000多種昆蟲屬于八個子類和92個子類，分布在溫帶、亞熱帶和熱帶地區(qū)。在中國對其種類有不同的記載。螢火火蟲獨特的發(fā)光行為使之成為一類重要的觀賞性昆蟲,在中國昆蟲文化中,螢火蟲與蝴蝶、蟋蟀齊名,并長期受到文化界的推崇;它對環(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信息交流和信息交流信號演化的實驗對象;同時,螢火蟲的發(fā)光機理與體內兩種發(fā)光物質熒光素酶和熒光素已經廣泛應用于臨床醫(yī)學、環(huán)境檢測等領域。為此,作者對螢火蟲的生物學特性以及應用概況做一綜述,希望能引起人們對此類昆蟲更多的關注。1螢火蟲生物學特性1.1成蟲蛻皮的周期螢火蟲屬于完全變態(tài),一生經過卵—幼蟲—蛹—成蟲4個階段,水生螢火蟲通常4個月便可以完成1個世代,1年有2個世代。而陸生螢火蟲則1年才能完成1個世代,幼蟲從卵孵化到蛹要經過6次蛻皮,蛹歷期因種類而不同,最長的可達40多d。成蟲野外壽命一般為3～7d,但也有長達20～30d者。1.2生命的習性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大類,前者占大多數。陸棲螢火蟲幼蟲多棲于遮蔽度高,草本植被茂盛,相對濕度高地方,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,卵產于岸邊。1.2.2夜間活動的種類出現的時間螢火蟲成蟲依種類不同,活動的時間也有差異,白天和夜晚各有日行性和夜行性的種類,夜間活動的種類出現的時間,由18∶00至清晨3∶00,4∶00都有。一般說來,多數種類是在日落后開始活動,而且大多在晚上20∶00,21∶00點停止活動。螢火蟲幼蟲在夜晚出現的時間大抵和成蟲相仿,但它們卻可以整夜活動。1.2.3水棲線蟲幼蟲的采集水棲螢火蟲的幼蟲吃螺類,貝類和水中的小動物,而陸棲的螢火蟲幼蟲則以蝸牛、蛞蝓為食物,有些種類會捕食蚯蚓和昆蟲等小動物。很多人對其捕食行為作了研究,研究發(fā)現蝸牛的腹足會分泌一種粘液,只要它爬過地方就會留下痕跡,而陸棲螢火蟲幼蟲利用自己的嗅覺可以發(fā)現蝸牛。在捕食過程中,螢火蟲先爬上蝸牛的貝殼,用3對足將其緊緊抓住,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個月不進食仍能存活。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)現的唯一一個成蟲具有捕食習性的屬。在Photuris屬中有12種螢火蟲能分別捕獲2～8種獵物,而最厲害的獵手當數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上被稱為攻擊性擬態(tài),即某個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。同時有人發(fā)現在被捕食的種類之中,Photinus屬較多,因為這種食物對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會產生一種Lucibufagin的物質,這種物質有毒,能使它們的卵和幼蟲避免受到一些天敵的傷害。2螢火蟲的光刻化學機制及其作用2.1熒光素薄膜螢火蟲的卵,幼蟲和蛹都會發(fā)光,大部分成蟲都是發(fā)光的,只有極少數成蟲不會發(fā)光,幼蟲的發(fā)光器在腹部第8節(jié)兩側,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,薄膜內是數以千計的發(fā)光細胞,周圍密布著小氣管和纖細神經分支,再下面是反光層。發(fā)光細胞中的主要物質是熒光素和熒光素酶。當氧氣通過小氣管進人發(fā)光細胞時,熒光素酶在鎂離子作用下,與底物反映形成與酶結合的腺苷酸熒光素?；瘡秃衔?該復合物經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。熒火蟲在腦神經系統(tǒng)的支配下,通過調節(jié)呼吸節(jié)律,控制氧氣供應,便形成時明時暗的“閃光”。熒光素在發(fā)光時,一個熒光素分子只能釋放出一個光量子。大部分能量都用來發(fā)光,只有2%～10%的能量轉化為熱能,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,是由于它們體內的熒光素酶的結構不同而造成的。2.2同步性及群體顯示的生理機制不少螢火蟲研究者認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,蛹一般不會發(fā)光,只有遭到人為的干擾或天敵的侵犯才會發(fā)光。成蟲的發(fā)光是人們的關注的重點,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)光時間為0.2s,間歇時間為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,從而雄蟲根據雌蟲反應時間長短而選擇同類進行配對。另外,江口英輔教授經研究發(fā)現螢火蟲的發(fā)光光譜于眼睛的分光靈敏度存在著成曲線的對應關系,他所研究的一種螢火蟲發(fā)出的光主要是560nm的黃光,其視覺細胞的分光靈敏度也恰在此波長時最高。另外如前面所述,Photuris屬雌成蟲會設置光陷阱完成捕食,而Photinus的發(fā)光則多是用于照明著陸,同時在陸地活動時也會間斷性的發(fā)光,起飛前也會迅速發(fā)光。在一些種類中,熒光可以吸引同種的個體聚集到一起,因而間接的增加了交配的機會。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者的注意。LLOYD對這種同步性及群體顯示的生理機制以及群體內個體的交配行為及同步閃爍對個體的意義進行了探討,并提出了同步閃爍的螢火蟲的交配流程模型。這個交配流程包括6個部分:(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停息了許多同種個體的樹上;(2)在停息樹上的雄性個體探測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體探測到閃爍節(jié)律以外的信號;(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)在雄性和雌性個體進入集群后,其它的行為使得他們更進一步的靠近;(6)在交配的最后階段,將發(fā)生交流頻道的變化。OHBA也對Pteroptyxeffulgens的同步閃爍行為進行了研究。3熒光酶的加工和表達熒光素酶是生物體內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種類,其熒光酶已成為商品,且采用定向突變和隨機突變的方法對該基因的結構與功能進行很多研究;另外MASUDA對日本的Luciolacruciata(Lcr)的熒光酶cDNA進行了克隆與測序;TATSUMI則對Luciolalateralis(Lla)的熒光酶的cDNA在Escherichiacoli中的克隆與表達進行了研究;DEVINE對歐洲的Luciolamingrelica(Lmi)的cDNA的克隆與測序及其在Escherichiacoli中的表達及表達產物(熒光酶)的純化進行了研究。同時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能轉變?yōu)楣饽艿母咝锎呋瘎?它是蛋白質和脂類復合物(磷脂和中性脂質與螢火蟲熒光素酶結合),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,并促進光的產生。隨著反應體系pH的降低,產生的光波長增加;如果各種反應底物成過量狀態(tài),則發(fā)射光強度與反應體系中螢火蟲熒光素酶的量成正比。同時有研究證明熒光素酶基因的表達受反義RNA及其缺失片斷的嚴重阻礙,表達抑制和反譯RNA之間存在明顯的劑量效應;螢火蟲熒光素酶緞16個氨基酸與催化活性密切相關。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個氨基酸,分子量約61kD;北美螢火蟲(Photinuspyralis)的熒光素酶則含550個氨基酸,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體系螢火蟲熒光素酶的活性不需要轉錄后修飾,無二硫鍵,不需要輔助因子和結合金屬,幾乎可以在任何宿主中表達。它應用于不同啟因子下外源基因表達強度和轉錄調控的研究的報告基因,該報告基因的靈敏度,對于研究低水平表達如弱啟動因子的調控方式有很大意義,通過側定熒光素酶基因的表達,監(jiān)測各種啟動子的活性;利用熒光素酶基因與特定目的基因的連鎖或共轉移,可以建立非放射性的外源基因檢測體系。由于大多數生物缺少內源熒光,因此在研究這些生物時該基因做為報告基因幾乎無背景干擾,即可用壓X光片的方法初步探測,也可用精密儀器實時間才或定量,所以倍受青睞。此外一些生物長期生活在含有某種化學物質的自然環(huán)境中,產生了適應現象,基因組中含有某種能被該物質誘導的和降解或富集等有關的基因,將這些基因和熒光素酶基因融合構成重組體,當這些特異的化學物質存在時熒光素酶基因將被一同表達。重組體是否發(fā)光和環(huán)境中是否含有該物質相藕聯,重組體發(fā)光強度的強弱和該物質的毒性強弱相藕聯。熒光素酶監(jiān)測的優(yōu)點就是不損害監(jiān)測對象,便與在整體水平和離體器官內測定基因產物是否表達,可見光的形成使觀察基因的空間表達成為可能,為研究細胞分化,細胞間聯絡,基因的空間表達和生物間的相互作用提供了新的途徑。4程序的研究。一般知識在一般知識螢火蟲的研究不僅包含有昆蟲生物學方面的一般知識,而且在螢火蟲的發(fā)光機理和功能及其仿生學研究,螢火蟲的生態(tài)學和生態(tài)環(huán)境保護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,幾乎能將化學能全部轉化為可見光,是現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,也不產生磁場,是一種非常理想的燈光。早在20世紀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)。另外美國的生物化學家根據螢火蟲的發(fā)光原理和機制,提出了電子轉移反應原理,它可以解釋腐蝕現象、光合作用等,并導致了激光器的開發(fā)和利用。4.2熒光酶基因的應用自McElory等首次應用螢火蟲熒光素酶測定ATP以來,熒光素酶在生物化學及生物技術的分析應用不斷發(fā)展,其檢測和研究范圍包括:臨床醫(yī)學及法醫(yī)學檢測;生命科學研究;環(huán)境監(jiān)測和制備廣譜酶聯免疫檢測試劑。隨著科學的發(fā)展,人類對螢火蟲發(fā)光特性的研究和利用正在走向一個新的層次,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上,克隆出熒光素酶基因,并試圖將它轉移到其它昆蟲和其它生物上。據報道,熒光酶基因點亮了小鼠體內的前列腺癌基因的表達,有望用來監(jiān)測早期前列腺癌的發(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驗工具。在農業(yè)中,通過將熒光酶基因轉到植物體內,可監(jiān)測植物(作物)受洪、澇、旱等自然災害脅迫的情況;轉到昆蟲體內,可監(jiān)測害蟲的分布形式。在分子生物學實驗室,熒光酶基因以其易檢測、敏感以及對人體無毒等優(yōu)點而在基因工程中越來越多的作為遺傳標記的首選來檢測基因表達。4.3種群恢復的作用螢火蟲的幼蟲以捕食蝸牛、蛞蝓等軟體動物為主,是這些農作物害蟲的重要天敵。通過種群的恢復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)境保護得比較好的地方。而水質污染、植被破壞則會嚴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,部分國家和地區(qū)投人了螢火蟲生態(tài)旅游點的開發(fā)。馬來西亞已建成2個螢火蟲生態(tài)旅游景點達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為世界七大奇景之一。在我國臺灣陽明山國家公園,阿里山農場和嘉義縣梅山鄉(xiāng)瑞里風景區(qū)也已開發(fā)出了螢火蟲生態(tài)旅游景點。新加坡的國家公園局也計劃在雙溪布洛天然公園創(chuàng)建一個適宜的生態(tài)環(huán)境,以便吸引幾乎在當地絕跡的螢火蟲到公園“落戶”,進而在夜間開放公園讓公眾觀賞螢火蟲