萤火虫是怎样发光的？

萤火虫在黄昏和夜晚的黑暗中利用一种发光的化学反应向彼此发出信号。

这是美国部分地区夏季的典型标志之一：萤火虫在夜间闪烁。萤火虫自身产生光的能力被称为生物发光，这种能力存在于世界各地的某些动物、细菌和真菌中。大多数这些生物生活在洞穴或海洋中。但少数甲虫生活在人类能看到的地方，包括构成萤火虫家族的 2000 多种甲虫。

所以我们知道这种效应叫什么。但是萤火虫（萤火虫科），也称为闪电虫，是如何创造出这些令人眼花缭乱的景象的呢？

加州大学圣地亚哥分校的生化遗传学家蒂莫西·法伦 (Timothy Fallon) 表示，它们发光的关键是基于一种名为荧光素的化合物的化学反应。

荧光素在三磷酸腺苷 (ATP)（一种为细胞提供能量的分子）和镁的存在下通过失去电子来发光（这一过程称为氧化）。该反应由荧光素酶介导。萤火虫的腹部有发光器官，这些反应发生的地方，其中含有一层结晶尿酸，有助于反射和增强光。 

这种使用荧光素和荧光素酶的系统在生物发光动物中已经独立进化了好几次，包括另一类被称为中华萤光甲虫的发光甲虫。

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直到最近几百年，科学家们才开始了解一些生物是如何发光的。第一批在这方面取得进展的人之一是一位 17 世纪牛津皇家学会会员，他发现空气对于生物发光真菌发光至关重要。 

事实上，氧气是萤火虫生物发光的主要成分之一。 

萤火虫的发光开始得很早。蛹——甚至卵——能够发光，这可能是向捕食者发出的信号，表明它们无法好好进食，因为其中一些有毒，因为它们合成的名为“lucibufagins”的化学物质他们的饮食。当萤火虫完成变态并成年时，它们会产生新的发光器官。但整个系统是相同的，光线来自一些萤火虫底部发光器官中的特殊细胞，将它们变成黄色、橙色、绿色甚至蓝色。

这些细胞充满了荧光素和荧光素酶，以及异常大量的线粒体。这些微小的细胞器泵出萤火虫进行化学反应所需的 ATP。萤火虫通过流向这些细胞的氧气来打开和关闭它们的光。没有氧气就意味着黑暗。氧气多吗？你有一种光芒。 

这种开关对于美国东海岸萤火虫来说非常重要，它们在成年后使用闪烁信号来寻找合适的繁殖伙伴。作为甲虫寻找配偶可能很困难，每个闪烁的物种都进化出了自己的光序列以将自己与其他物种区分开来。田纳西州诺克斯维尔的独立萤火虫研究员林恩·福斯特 (Lynn Faust) 表示，这使得生物发光成为一首“光中的莫尔斯电码情歌”。 “由于它们的成年寿命极短，寻找伴侣就像一场与时间的赛跑”。 

研究人员在理解萤火虫生物发光背后的科学方面已经取得了长足的进步。但根据预印本数据库上发表的研究，在亚洲和非洲，无数的萤火虫物种仍未被记录下来，研究人员仍在努力了解甲虫是如何在 1.3 亿至 1.4 亿年前首次进化出它们在黑暗中发光的特长。 BioRxiv。

“最大的悬而未决的问题是，生物发光涉及的所有基因是什么？”法伦说道。

1985 年，研究人员发现了负责制造荧光素酶的基因，取得了重大突破。这种酶现在用于生物医学研究，以人工点亮植物和动物中的特定蛋白质。 2024 年，中国武汉的研究人员在一种罕见的水生萤火虫 Aquatica leii 中发现了另外两个基因，他们怀疑这可能有助于定位灯笼（成年萤火虫的发光器官） - 在腹部并启用发光基因，例如荧光素酶。 

除了破译萤火虫的生物发光之外，科学家们还在研究萤火虫在野外滴答作响的原因。近年来，由于数量减少、栖息地丧失和气候变化，萤火虫数量不断减少。浮士德说，“我们对萤火虫的自然栖息地知之甚少。如果我们几乎不了解它们最基本的需求，我们到底如何才能保存和保护它们呢？”