自然界中的生物发光

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浮游动物科利用它们被称为纤毛的毛发状突出物在水中推进。美国NOAA /维基共享

作为我侄子的生日礼物,我送给他一套基于发光科学的实验套件。他很喜欢它,我想他的妈妈可能很高兴我选择了这个而不是“恶心的科学”工具包(包括马桶形状的混合设备),那肯定会大受欢迎。我们一起做了一些“隐形墨水”,给对方写了一些信息,然后用一点黑光照亮它们,我们就可以读了。我相信我的侄子会和其他的实验玩得很开心,尽管他们中的许多是科学活动,发光是不必要的,但增加了一个额外的酷的因素。

但是,为什么不呢?发光的东西长期以来一直吸引着我们的想象力。对我来说,“发光”这个词本身就会让人联想到仙女和魔法药水,或者是我最近看过的一部迪士尼电影,其中一些发光的物体是故事情节的关键。

自然界的辉光也提供了美丽和魅力。我们很多人都有在夏夜捉萤火虫的回忆。有些人很幸运能在海里游泳发光的鞭毛藻类是一种能发出蓝色光的海洋浮游生物。生物体发出的这种光被称为生物发光,它发生在一些细菌、真菌、鱼类以及许多种类的水母和乌贼中。它的目的可以是吸引配偶,就像萤火虫一样;警告捕食者毒素,如某些昆虫的幼虫;或者是为了引诱猎物,比如一种深海居民琵琶鱼。

光是细胞,昆虫或动物内化学反应的产物。产生生物发光的最常见类型的化学反应是酶底物反应,其中酶 - 催化剂 - 允许反应转化底物进行。通常,这些反应涉及来自一类称为荧光素的化学物质的底物分子,该化学物质(当酶荧光素酶)时(当辅助酶荧光素酶)与氧气反应以产生光。

几种迷人的生物发光应用有助于科学家寻求困难的生物和环境问题的答案。通过改变生物体的基因,可以“编程”响应于某种刺激,外部条件或在生物体本身内发生的功能来发光。

例如,生物学家已经在植物、藻类、昆虫和啮齿动物身上使用了生物发光研究昼夜节律,即依赖于生物体日常生物钟的过程,并研究它们是如何受到光线或其他因素的影响的。在我的研究领域,基因改造细菌可以产生与污染物浓度相关的亮度,这使得检测有毒化学物质变得更简单。这些“bioreporters”被用过通过测量水、土壤甚至食物中汞、砷等重要环境污染物的低浓度的生物发光。

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