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解开萤火虫发光之谜:涉及单个氧电子化学反应

对于能在森林发出美丽光芒的萤火虫,化学家已经进一步了解了它们的发光奥妙。科学家认为,萤火虫体内一系列复杂化学反应中伴随的氧电子转移引起了发光。科学家对其它发光动物的研究也发现了相同的发光机制,比如发光蠕虫和蜈蚣。

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大约六十年前,科学家就开始研究昆虫腹部发光器官(简称“灯笼”)产生的大量复杂化学反应。而耶鲁大学、布法罗大学、Hauptman-Woodward研究所以及康涅狄格学院的科学家在前人研究的基础上,阐释了萤火虫的发光机制。


对于昆虫,发光的主要作用是沟通交流以及吸引异性。


科学家发现产生发光现象的化学反应涉及了两类化学物质,一类被称作荧光素,另一类被称为三磷酸腺苷(ATP)。 这两种物质发生化学反应后的产物在遇到氧气后就会发光。


通过实验,科学家发现通常情况下荧光素和ATP之间的反应速度非常慢,而荧光素酶可以提高反应速度。在这种化学反应的最后阶段,科学家发现存在一个氧电子的转移。科学家认为氧电子的转移才使萤火虫获得了发光能力。科学家还认为这种机制可能是所有生物的共有发光机制。


生物发光不仅很有趣,还有很多潜在应用,比如药物测试、水污染监测以及利用荧光点亮植物。


去年,瑞士EPFL和台湾国立清华大学的科学家采用两种复杂成像技术不仅成功解开了萤火虫“灯笼”身上的谜团,还发现了发光细胞如何为发光反应提供氧气。


他们采用的技术叫做同步相衬显微层析和传送X射线显微技术。利用这两种技术可以扫描单个细胞,使科学家可以观测细胞内部。 通过将这些技术应用到活萤火虫身上,科学家第一次观察到了发光细胞的全部结构,并且计算出了其中的氧气分布。此外,科学家还发现“灯笼”看上去就像一系列“小灯管”。这些“小灯管”不仅含有荧光素,还可以为发光细胞提供氧气。利用两种技术获得的图像还表明萤火虫可以从其它细胞运送氧气到发光细胞,这些氧气参与的化学反应会分解荧光素。


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