「生物发光」的原理是什么，有哪些应用和意义？

虎威将军

有哪些发光的生物种类？

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长长的路

我是研究植物的，简单说一下生物发光，及利用生物发光，改造出发光植物。
要说生物发光，那就得是真发光，自发光，是生物体内的化学反应引起的发光，无需人工干预就能发光。而不能是假发光，不是反光，不是光照射引起的发光。



叶绿体的磷光，各种荧光蛋白的荧光，都是假发光，需要用特定范围（更短波长）的光去激发才能发光。给光才发光的，都不是真正的自发光。

给光才发光的发光形式，只是转换了光的波长，没有真正产生光，是被动的假发光。只有利用生物体内的化学反应发光时，能量从化学能转化为光能，从没有光到产生光，才是实实在在的真发光。那么生物体内的真自发光，就是荧光素酶分解荧光素了。



自然界存在40余种不同的生物发光系统，但只有图中7个发光反应的分子成分是已知的，我们对引起生物发光的完整生化途径了解就更少了。

自然界的发光生物主要是一些动物，像是萤火虫、水母、鮟鱇鱼…… 还有一些发光细菌和真菌。想要让植物发光，就得让植物表达相应的荧光素酶基因，对这种植物施加荧光素，植物就会发光。



这是一株烟草，是世界上最早被报道的发光植物，实现于1986年。科学家们在烟草体内稳定地表达了萤火虫的「荧光素酶」，给这样的烟草施加「荧光素酶」的底物「荧光素」，烟草就可以通过类似于萤火虫发光的方式去发光。

植物自己不合成荧光素，为了实现发光的目的，需要人为补充荧光素，才能使这种发光得以延续。外源施加荧光素往往不均匀、难渗透，代价很昂贵，维持长久稳定发光要消耗大量成本。于是，科学家就想办法让植物自己合成荧光素。通过将来发光细菌 Photobacterium leiognathi 中的 lux 操纵子（luxCDABEG）改造进入烟草叶绿体，无需人为外源施加荧光素，烟草就能发出肉眼可见的光。



发光细菌基因转入植物叶绿体，产生的 LUX-TrnI/TrnA 烟草自发光图片。(A) 手持式家用相机Nikon D200 在黑暗中拍摄的植物发光照片。(B) 光下和暗中转基因植物与野生型植物照片。

这种改良叶绿体的方法，虽然能让植物自己产生荧光素，为荧光素酶发光提供原料，但是这种对叶绿体的操作很繁琐，很多植物种类都不适合进行这种改良。叶绿体中高水平地表达异源蛋白通常还会影响植物的生活力和生长势。因此，这一方法也难以推广。



（a）真菌的生物发光光谱与有色植物吸收光谱。（b）咖啡酸循环与植物生物合成途径共有的主要代谢产物。

最近，真菌 Neonothopanus nambi 的发光途径 (FBP) 被阐明，为研发自发光植物提供了新选择。该途径可以被核基因编码，就不需要改造叶绿体，绕过了质体转化的难题。只要将真菌的三个酶：真菌荧光素酶(Luz)，hispidin合酶 (HispS) 和 hispidin3-羟化酶 (H3H) 转入植物，植物就能自己合成真菌荧光素，无需额外打理，就能进行自发光，且不会影响植物生长。



真菌发光途径已经在多种植物和组织中成功应用，如：拟南芥和番茄幼苗，大丽花叶子以及长春花，矮牵牛和玫瑰的花瓣。

这意味着离我们拥有一株发光植物，或者用上路灯花，灯笼树，更近了一步。
点击连接： 植物发光，观看发光植物相关视频，了解更多关于植物生物发光的生物学细节。

主要参考文献

• Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, et al. Plants with genetically encoded autoluminescence [published correction appears in Nat Biotechnol. 2020 Jun 4;:]. Nat Biotechnol. 2020;38(8):944-946.
  
• Khakhar A, Starker CG, Chamness JC, et al. Building customizable auto-luminescent luciferase-based reporters in plants [published correction appears in Elife. 2020 Jul 14;9:]. Elife. 2020;9:e52786. Published 2020 Mar 25.
  

继续前进

狭义的生物发光指的是荧光素酶分解荧光素发出的光。在这个过程中，荧光素酶是引擎，荧光素是燃料。作为燃料，荧光素分解完了就要重新制造，这个过程需要能量。还有一种方法可以作弊“白嫖”，这个后面再说。
除了视频中发光的微生物，萤火虫、鮟鱇鱼也通过荧光素酶来发光，不过不同物种使用的荧光素酶并不相同，对应的荧光素也不同。



发光的萤火虫

在生物研究中，可以把荧光素酶的基因转入癌细胞中用来追踪癌细胞在小鼠体内的位置。这样即使不用动手术切开小鼠，也能知道肿瘤的位置与大小。



Kuchimaru et al.

<hr/>不过对于生物学生来说，更常见的应该不是荧光酶而是荧光蛋白。这就是之前说的“白嫖”发光。荧光素酶需要消耗荧光素来发光，但是荧光蛋白不需要消耗其他物质也能发光。
不过发光的前提是，需要有其他光照着荧光蛋白。


这个功能虽然听起来很坑，但其实在生物研究非常有用。荧光蛋白可以把短波长的光变为长波长的光，使自己在环境中更加显眼。在显微镜追踪各种细胞/蛋白的位置靠的就是荧光蛋白。荧光蛋白的发现者和研究者也因此在2008年获得诺贝尔化学奖。



转入绿色荧光蛋白的癌细胞

除了科研，荧光蛋白还有一些比较有意思的玩法：转入了荧光蛋白基因的热带鱼可以在特定颜色的灯光下发出荧光。

卡卡

以我的理解，生物发光常见的都是荧光（fluorescence），光致发光和化学发光比较常见，基本原理都是因为基态物种（S0）吸收能量（光照/化学反应）获得激发态（单线态激发态高振动能级？），通过振动能级弛豫后得到单线态第一激发态（S1），回到基态（S0）的过程中发出对应能量差的可见光。
类似的还有磷光（phosphorescence），不知道是否有生物发光是磷光，从机理上说与荧光不同，这个光是三线态第一激发态（T1）回到基态（S0）所发出的光，多涉及到一步S1-T1的系间跨越（intersystem crossing，ISC）。
另外，对于同一个物种而言，由于T1能量比S1能量稍低，从而导致其发出的磷光比荧光相对红移。更通俗一点，荧光常见偏蓝紫，而磷光多绿色。
至于生物发光原理意义重大，应用在生化科研领域太广，让其他专家来说吧。

卡卡

荧光蛋白可以做为生物实验中的标记物。比如，我要测量一种化合物对细胞膜是否能造成破坏。我可以调控该细胞的基因，让其表达出荧光蛋白。这样，正常细胞只有自己细胞内有荧光，而如果我投入的化合物把细胞膜破坏掉了，细胞间质中就也变得具有荧光了。这是我博士后做的第一个项目，想要用分子动力学模拟的办法解释一下分子破坏细胞膜的机理。文章发表于2012年。

感恩由您

无法发图片。。。。
推荐一本书《生物有机光化学》作者：王乃兴 马金石 刘扬
第7章 生物发光与生命光化学
7.1 生物发光
7.1.1 生物发光的机理
7.1.2 几种典型的生物发光系统
7.1.3 研究生物发光的意义
生物发光研究及其应用进展 - 图文 - 百度文库  
https://wenku.baidu.com/view/5e7eccd633d4b14e852468ff.html以下资料来源于bioluminescence | National Geographic Society  
bioluminescence生物发光bioluminescence是生物体内化学反应产生的光。生物发光是化学发光的一种。
生物发光是一种“ 冷光 ”。冷光意味着不到20％的光会产生热辐射或热量。
一、大多数生物发光生物都在海洋中发现。这些生物发光的海洋物种包括鱼类，细菌和果冻。在陆地上发现了一些生物发光生物，包括萤火虫和真菌。淡水生境几乎没有原生的生物发光生物。
二、导致生物发光的化学反应需要两种独特的化学物质：萤光素和萤光素酶或光蛋白。萤光素是实际上产生光的化合物。在化学反应中，萤光素被称为底物。生物发光色（萤火虫为黄色，灯笼鱼为绿色）是萤光素分子排列的结果。
一些生物发光生物体自己产生（合成）萤光素。例如，鞭毛藻呈蓝绿色的生物发光。生物发光的鞭毛藻是一种浮游生物，是一种微小的海洋生物，有时会引起海洋表面在夜间闪闪发光。
一些生物发光生物不合成萤光素。相反，它们通过食物或共生关系通过其他生物体吸收。例如，某些中型鱼类通过其食用的“种子虾”获得萤光素。鱿鱼等许多海洋动物的光器官中都有生物发光细菌。细菌和鱿鱼有共生关系。
萤光素酶是一种酶。酶是与底物相互作用以影响化学反应速率的化学物质（称为催化剂）。萤光素酶与氧化的（加氧的）萤光素的相互作用产生了一种副产物，称为氧化萤光素。更重要的是，化学反应会产生光。
生物发光的鞭毛虫利用萤光素-萤光素酶反应发光。在鞭毛藻中发现的萤光素酶与植物中发现的绿色化学叶绿素有关。
生物发光的鞭毛藻类生态系统非常罕见，主要形成在通向大海的狭窄开口的温水泻湖中。生物发光的鞭毛虫聚集在这些泻湖或海湾中，狭窄的开口防止它们逃逸。整个泻湖可以在夜间照明。生物学家于2010年在波多黎各的Humacao自然保护区确定了一个新的生物发光的鞭毛藻类生态系统。
大多数生物发光反应涉及荧光素和荧光素酶。但是，某些反应不涉及酶（萤光素酶）。这些反应涉及一种叫做光蛋白的化学物质。光蛋白与结合萤光素和氧气，但需要另一种药剂，通常是一个离子的元素的钙，以产生光。
光蛋白直到最近才被发现，生物学家和化学家仍在研究其异常的化学性质。首先在北美西海岸发现的生物发光晶体胶中研究了光蛋白。水晶果冻中的光蛋白称为“绿色荧光蛋白”或GFP。
但是，生物发光与荧光并不相同。荧光不涉及化学反应。在荧光中，刺激光被吸收并重新发射。荧光仅在存在刺激光的情况下可见。荧光笔中使用的墨水是荧光的。磷光与荧光相似，不同之处在于磷光能够重新发射更长的时间。夜光贴纸是磷光的。
三、生物发光光谱
生物发光的外观变化很大，这取决于发现它的栖息地和生物。
例如，大多数海洋生物发光以可见光谱的蓝绿色部分表示。这些颜色在深海中更容易看到。而且，大多数海洋生物仅对蓝绿色敏感。他们实际上无法处理黄色，红色或紫色。
大多数陆地生物还表现出蓝绿色的生物发光。但是，许多光谱在黄色光谱中发光，包括萤火虫和唯一已知的生物发光的陆地蜗牛Quantula striata，其原产于东南亚热带地区。
很少有生物可以发出一种以上的颜色。所谓的铁路蠕虫（实际上是甲虫的幼虫）可能是最熟悉的。铁路蠕虫的头部发出红色光，而其身体则发出绿色光。不同的荧光素酶导致生物发光的表达不同。
一些生物持续发光。例如，腐烂的木材中存在的某些真菌会发出相当一致的光芒，称为狐火。
但是，大多数生物体会使用其发光器官闪烁少于一秒到大约10秒的时间。这些闪光可以发生在特定的位置，例如鱿鱼上的点。其他闪光灯可以照亮生物体的整个身体。
四、生物利用生物发光来捕食猎物，防御捕食者，寻找伴侣并执行其他重要活动。
1、防守适应
一些物种发光使攻击者迷惑。例如，许多种类的鱿鱼会闪闪发光，使鱼类等食肉动物大吃一惊。惊吓的鱼措手不及，鱿鱼试图迅速逃脱。
2、进攻性适应
生物发光可用于吸引猎物或寻找猎物。
3、寻找伴侣
成年萤火虫，也称为闪电虫，具有生物发光性。他们点亮来吸引伴侣。尽管雄性和雌性萤火虫都可以发光，但在北美，大多数萤火虫都为雄性。它们的闪烁模式告诉附近的雌性它们是哪种萤火虫种类，并且对交配感兴趣。
4、其他生物发光
有机体受到干扰时会发光。例如，环境变化（例如盐度下降）会迫使生物发光藻发光。在黑暗的海洋中，这些活灯笼可以看作是粉红色或绿色的斑点。

五、生物学家和工程师正在研究与生物发光有关的化学物质和环境，以了解人们如何使用该过程使生活更轻松，更安全。
例如，绿色荧光蛋白（GFP）是有价值的“报告基因”。记者基因是生物学家附加到他们正在研究的其他基因上的化学物质（基因）。GFP报告基因通常通过荧光很容易识别和测量。这使科学家能够追踪和监测所研究基因的活性，即其在细胞中的表达或与其他化学物质的相互作用。
其他用途更具实验性。例如，生物发光的树木可以帮助照亮城市街道和高速公路。这将减少对电力的需求。生物发光的农作物和其他植物在需要水或其他养分或准备收获时会发光。这将减少农民和农业综合企业的成本。