萤火虫生物学特性及应用概况

萤火虫生物学特性及应用概况

萤火虫是昆虫科的一种常见的昆虫。世界上已知的有2000多种昆虫属于八个子类和92个子类，分布在温带、亚热带和热带地区。在中国对其种类有不同的记载。萤火火虫独特的发光行为使之成为一类重要的观赏性昆虫,在中国昆虫文化中,萤火虫与蝴蝶、蟋蟀齐名,并长期受到文化界的推崇;它对环境敏感,是环境的指示物种;特有的光信息传递方式使它成为研究昆虫种内信息交流和信息交流信号演化的实验对象;同时,萤火虫的发光机理与体内两种发光物质荧光素酶和荧光素已经广泛应用于临床医学、环境检测等领域。为此,作者对萤火虫的生物学特性以及应用概况做一综述,希望能引起人们对此类昆虫更多的关注。1萤火虫生物学特性1.1成虫蜕皮的周期萤火虫属于完全变态,一生经过卵—幼虫—蛹—成虫4个阶段,水生萤火虫通常4个月便可以完成1个世代,1年有2个世代。而陆生萤火虫则1年才能完成1个世代,幼虫从卵孵化到蛹要经过6次蜕皮,蛹历期因种类而不同,最长的可达40多d。成虫野外寿命一般为3～7d,但也有长达20～30d者。1.2生命的习性1.2.1陆栖昆虫与昆虫的生态栖位萤火虫依其生活环境区分为陆栖和水栖两个大类,前者占大多数。陆栖萤火虫幼虫多栖于遮蔽度高,草本植被茂盛,相对湿度高地方,水栖萤火虫每一虫态都有不同的生态栖位;蛹期在水旁边度过。成虫则以雄虫及雌虫分为水上方开阔水域及水边的植物上,卵产于岸边。1.2.2夜间活动的种类出现的时间萤火虫成虫依种类不同,活动的时间也有差异,白天和夜晚各有日行性和夜行性的种类,夜间活动的种类出现的时间,由18∶00至清晨3∶00,4∶00都有。一般说来,多数种类是在日落后开始活动,而且大多在晚上20∶00,21∶00点停止活动。萤火虫幼虫在夜晚出现的时间大抵和成虫相仿,但它们却可以整夜活动。1.2.3水栖线虫幼虫的采集水栖萤火虫的幼虫吃螺类,贝类和水中的小动物,而陆栖的萤火虫幼虫则以蜗牛、蛞蝓为食物,有些种类会捕食蚯蚓和昆虫等小动物。很多人对其捕食行为作了研究,研究发现蜗牛的腹足会分泌一种粘液,只要它爬过地方就会留下痕迹,而陆栖萤火虫幼虫利用自己的嗅觉可以发现蜗牛。在捕食过程中,萤火虫先爬上蜗牛的贝壳,用3对足将其紧紧抓住,尾足也牢牢吸附在蜗牛壳上,然后用它针状的上颚攻击蜗牛的触角并注入麻醉液,直至蜗牛失去知觉。然后它分泌消化液于蜗牛肉上,再用上颚夹肉,使消化液能充分的将肉分解成流状的肉靡,然后再吸入肚子里面。吃完之后,有的萤火虫还要用尾足粘干净自己的身体。萤火虫幼虫取食1次可以维持几天甚至1个月不进食仍能存活。水栖萤火虫幼虫则需要在水中完成捕猎过程,然后将猎物拖至岸边慢慢的享用。萤火虫成虫多数种类只喝水或吃花粉和花蜜,或者利用幼虫期贮藏的脂肪,而Photuris属的雌成虫也可以捕食,它们捕捉的主要是别的属或同属别的种类的萤火虫雄成虫,它是所发现的唯一一个成虫具有捕食习性的属。在Photuris属中有12种萤火虫能分别捕获2～8种猎物,而最厉害的猎手当数Photurisvesicolor,它能捕获11种猎物,堪称萤火虫中的“捕食之后”。它们的捕食行为在昆虫学上被称为攻击性拟态,即某个种的雌虫模仿其它种类的雌虫发光,引诱它们的雄虫靠近,然后捕食雄虫。同时有人发现在被捕食的种类之中,Photinus属较多,因为这种食物对Photuris属的后代是极为有利的,研究表明,取食这些食物它们体内会产生一种Lucibufagin的物质,这种物质有毒,能使它们的卵和幼虫避免受到一些天敌的伤害。2萤火虫的光刻化学机制及其作用2.1荧光素薄膜萤火虫的卵,幼虫和蛹都会发光,大部分成虫都是发光的,只有极少数成虫不会发光,幼虫的发光器在腹部第8节两侧,蛹的发光器的位置大抵和成虫相似,都在腹末的1～2节。成虫的发光器着生在腹部(通常是倒数第2,3节),从外表看只是一层银灰色的透明薄膜,这层薄膜中含有大量的荧光色素,薄膜内是数以千计的发光细胞,周围密布着小气管和纤细神经分支,再下面是反光层。发光细胞中的主要物质是荧光素和荧光素酶。当氧气通过小气管进人发光细胞时,荧光素酶在镁离子作用下,与底物反映形成与酶结合的腺苷酸荧光素酰化复合物,该复合物经过氧化脱羧作用成为处于激活状态的氧化荧光素,最后发射光子。荧火虫在脑神经系统的支配下,通过调节呼吸节律,控制氧气供应,便形成时明时暗的“闪光”。荧光素在发光时,一个荧光素分子只能释放出一个光量子。大部分能量都用来发光,只有2%～10%的能量转化为热能,萤火虫成虫发光的颜色因种而异,有黄色、绿色、黄绿色,之所以有颜色的差异,是由于它们体内的荧光素酶的结构不同而造成的。2.2同步性及群体显示的生理机制不少萤火虫研究者认为萤火虫幼虫的闪烁行为是1种抵御捕食者的显示,蛹的发光具有警戒和御敌作用,蛹一般不会发光,只有遭到人为的干扰或天敌的侵犯才会发光。成虫的发光是人们的关注的重点,它的发光具有性信息交流、诱集、警戒和照明等作用。萤火虫成虫的光最主要的作用就是用在性信息交流上,同种之间的信息交流是有一定模式的,如Photinuscollustrans雄成虫日落后11～26min开始低飞,每次发光时间为0.2s,间歇时间为2.2s,而雌虫却要在雄虫发光后0.5s才做出回映,同属的Tanytoxus雄虫发光模式虽差不多,但雌虫要等候1.5s才作出回映,从而雄虫根据雌虫反应时间长短而选择同类进行配对。另外,江口英辅教授经研究发现萤火虫的发光光谱于眼睛的分光灵敏度存在着成曲线的对应关系,他所研究的一种萤火虫发出的光主要是560nm的黄光,其视觉细胞的分光灵敏度也恰在此波长时最高。另外如前面所述,Photuris属雌成虫会设置光陷阱完成捕食,而Photinus的发光则多是用于照明着陆,同时在陆地活动时也会间断性的发光,起飞前也会迅速发光。在一些种类中,荧光可以吸引同种的个体聚集到一起,因而间接的增加了交配的机会。亚洲萤火虫(主要是Pteroptys属)的同步闪烁行为在100多年以来甚至更早就吸引了西方学者的注意。LLOYD对这种同步性及群体显示的生理机制以及群体内个体的交配行为及同步闪烁对个体的意义进行了探讨,并提出了同步闪烁的萤火虫的交配流程模型。这个交配流程包括6个部分:(1)雄性与雌性都被适中的种特异性的闪烁节律吸引而聚集到已经停息了许多同种个体的树上;(2)在停息树上的雄性个体探测合适的雌性的荧光并更换他们自身的行为提高他们所在的树的位置的吸引性;(3)飞行中的雄性和雌性个体探测到闪烁节律以外的信号;(4)雌性停下来观察特定的雄性或是雄性停下来并且与附近的雄性同步闪烁,通过这种同步性来增加获得雌性的可能性;(5)在雄性和雌性个体进入集群后,其它的行为使得他们更进一步的靠近;(6)在交配的最后阶段,将发生交流频道的变化。OHBA也对Pteroptyxeffulgens的同步闪烁行为进行了研究。3荧光酶的加工和表达荧光素酶是生物体内催化荧光素或脂肪醛氧化发光的1类酶的总称。萤火虫荧光素酶只是其中1种,对荧光酶的最早研究始见于北美的Photinuspyralis。这是至今为止研究最为深入的一个种类,其荧光酶已成为商品,且采用定向突变和随机突变的方法对该基因的结构与功能进行很多研究;另外MASUDA对日本的Luciolacruciata(Lcr)的荧光酶cDNA进行了克隆与测序;TATSUMI则对Luciolalateralis(Lla)的荧光酶的cDNA在Escherichiacoli中的克隆与表达进行了研究;DEVINE对欧洲的Luciolamingrelica(Lmi)的cDNA的克隆与测序及其在Escherichiacoli中的表达及表达产物(荧光酶)的纯化进行了研究。同时还有其它属的萤火虫荧光素酶也得到不同程度的研究。3.1氧胆酸钠类及牛血清消化酶萤火虫荧光素酶是一种以荧光素,ATP和氧为底物,在镁离子存在的条件下能将化学能转变为光能的高效生物催化剂,它是蛋白质和脂类复合物(磷脂和中性脂质与萤火虫荧光素酶结合),在去氧胆酸钠中能使酶活性迅速减弱,镁离子与萤火虫荧光素酶结合能提高酶的活性;磷酸脂是特定的酶激活剂,能稳定萤火虫荧光素酶,不致失活,而长链胆碱衍生物能使它快速、不可逆地失活;牛血清白蛋白、氨基乙醇、Co能显著提高它的活性,并促进光的产生。随着反应体系pH的降低,产生的光波长增加;如果各种反应底物成过量状态,则发射光强度与反应体系中萤火虫荧光素酶的量成正比。同时有研究证明荧光素酶基因的表达受反义RNA及其缺失片断的严重阻碍,表达抑制和反译RNA之间存在明显的剂量效应;萤火虫荧光素酶缎16个氨基酸与催化活性密切相关。3.2荧光光素酶氨基酸成分分析萤火虫荧光素酶的分子量从60kD到100kD不等,从日本萤火虫(Luciolacruciata)中提取的荧光素酶含548个氨基酸,分子量约61kD;北美萤火虫(Photinuspyralis)的荧光素酶则含550个氨基酸,分子量约62kD;东欧萤火虫(L.mingrelica)的荧光素酶与日本萤火虫相似。而王维光等人在大肠杆菌种合成的荧光素酶的分子量为103kD。3.3建立非放射性的外源基因检测体系萤火虫荧光素酶的活性不需要转录后修饰,无二硫键,不需要辅助因子和结合金属,几乎可以在任何宿主中表达。它应用于不同启因子下外源基因表达强度和转录调控的研究的报告基因,该报告基因的灵敏度,对于研究低水平表达如弱启动因子的调控方式有很大意义,通过侧定荧光素酶基因的表达,监测各种启动子的活性;利用荧光素酶基因与特定目的基因的连锁或共转移,可以建立非放射性的外源基因检测体系。由于大多数生物缺少内源荧光,因此在研究这些生物时该基因做为报告基因几乎无背景干扰,即可用压X光片的方法初步探测,也可用精密仪器实时间才或定量,所以倍受青睐。此外一些生物长期生活在含有某种化学物质的自然环境中,产生了适应现象,基因组中含有某种能被该物质诱导的和降解或富集等有关的基因,将这些基因和荧光素酶基因融合构成重组体,当这些特异的化学物质存在时荧光素酶基因将被一同表达。重组体是否发光和环境中是否含有该物质相藕联,重组体发光强度的强弱和该物质的毒性强弱相藕联。荧光素酶监测的优点就是不损害监测对象,便与在整体水平和离体器官内测定基因产物是否表达,可见光的形成使观察基因的空间表达成为可能,为研究细胞分化,细胞间联络,基因的空间表达和生物间的相互作用提供了新的途径。4程序的研究。一般知识在一般知识萤火虫的研究不仅包含有昆虫生物学方面的一般知识,而且在萤火虫的发光机理和功能及其仿生学研究,萤火虫的生态学和生态环境保护等方面都将有广泛的意义。4.1以灯光荧光灯为例模拟采集感染昆虫的心理状态萤火虫发光的效率非常高,几乎能将化学能全部转化为可见光,是现代电光源效率的几倍到几十倍;萤火虫发出来的光虽亮但几乎没有辐射热量,也不产生磁场,是一种非常理想的灯光。早在20世纪60年代,人们模拟萤火虫发光的原理创造出了日光灯(荧光灯)。另外美国的生物化学家根据萤火虫的发光原理和机制,提出了电子转移反应原理,它可以解释腐蚀现象、光合作用等,并导致了激光器的开发和利用。4.2荧光酶基因的应用自McElory等首次应用萤火虫荧光素酶测定ATP以来,荧光素酶在生物化学及生物技术的分析应用不断发展,其检测和研究范围包括:临床医学及法医学检测;生命科学研究;环境监测和制备广谱酶联免疫检测试剂。随着科学的发展,人类对萤火虫发光特性的研究和利用正在走向一个新的层次,即在搞清萤火虫荧光素酶的氨基酸序列和碱基序列的基础上,克隆出荧光素酶基因,并试图将它转移到其它昆虫和其它生物上。据报道,荧光酶基因点亮了小鼠体内的前列腺癌基因的表达,有望用来监测早期前列腺癌的发生以及治疗效果;在其它疾病如肿瘤、艾滋等研究中,荧光酶基因也是一种潜在的实验工具。在农业中,通过将荧光酶基因转到植物体内,可监测植物(作物)受洪、涝、旱等自然灾害胁迫的情况;转到昆虫体内,可监测害虫的分布形式。在分子生物学实验室,荧光酶基因以其易检测、敏感以及对人体无毒等优点而在基因工程中越来越多的作为遗传标记的首选来检测基因表达。4.3种群恢复的作用萤火虫的幼虫以捕食蜗牛、蛞蝓等软体动物为主,是这些农作物害虫的重要天敌。通过种群的恢复可以帮助人们减少此类害虫的危害。此外,萤火虫也是生态环境的指示物种,凡是萤火虫种群分布的地区,都是生态环境保护得比较好的地方。而水质污染、植被破坏则会严重制约着萤火虫种群的生存和繁殖。4.4规定的地区可开发抗火车点随着生态旅游成为世界旅游业发展的新潮流,部分国家和地区投人了萤火虫生态旅游点的开发。马来西亚已建成2个萤火虫生态旅游景点达瓜拉雪兰羲武吉柏宁滨的萤火虫度假村和哥打丁宜柔佛河畔的萤火虫树林区。新西兰奥克兰市以南的怀托摩萤火虫洞被众多人们誉为世界七大奇景之一。在我国台湾阳明山国家公园,阿里山农场和嘉义县梅山乡瑞里风景区也已开发出了萤火虫生态旅游景点。新加坡的国家公园局也计划在双溪布洛天然公园创建一个适宜的生态环境,以便吸引几乎在当地绝迹的萤火虫到公园“落户”,进而在夜间开放公园让公众观赏萤火虫