六月末，夏意正浓。当夜幕降临，微风轻拂大地，溪涧丛林间，于黑暗中闪现着点点亮光，仿佛星星掉落人间。这些微小的光芒，如同一场无声的焰火，于空中舞动，照亮了夜的寂静。我们称这些小小的“灯笼”为萤火虫，它们的光亮不仅让夏夜更加神秘与浪漫，也激起了人们对自然界中奇妙现象的无限好奇。
我们看到的萤火虫发光，本质是一种生物发光现象。实际上除了萤火虫，在阴暗的深海，或是隐秘的地下洞穴中，许多生物都掌握了这种发光的本领。它们通过一系列复杂的生物化学反应，能够在无尽的黑暗中自我发光，以此来寻找配偶、捕捉猎物，甚至避开捕食者。这让我们不禁猜想究竟是什么力量让这些小生物发出璀璨的光亮？在这里，让我们从萤火虫的光芒开始，探索生物发光的奥秘，揭示那些隐藏在黑暗中自然之光背后的科学原理。
萤火虫发光
萤火虫在生物学上是指鞘翅目萤科（学名：Lampyridae）一类自身会发光的昆虫，它们的光来自于腹部一种特殊器官——发光器，主要由发光细胞层和反光细胞层构成。在发光细胞中，经历一系列复杂的生物化学反应后可以产生光亮，具体来说主要涉及到以下两个过程1, 2：
(1) 荧光素酶催化荧光素氧化：
发光细胞中含有一种叫荧光素（Luciferin）的物质，当荧光素酶（Luciferase）催化荧光素与氧气反应时，会生成一种激发态的中间体。
(2) 光的释放：
激发态的中间体会迅速回到能量更低的基态，并释放出一个光子（光的基本单位），从而产生可见光。
荧光素酶参与的生物发光原理示意图
这个过程中没有产生明显的热量，能量效率极高，几乎所有的化学能都转化为光能，因此我们看到的这种光也被称为“冷光”。在脑神经系统的支配下，萤火虫通过调节呼吸节律来控制氧气供应，从而形成时明时暗的“闪光”。通常，萤火虫可以利用发光进行求偶和种内交流，一些萤火虫物种还通过发光来迷惑或驱赶捕食者。
除萤火虫外，另一种常见的发光生物为夜光藻，它们属于甲藻门单细胞生物（dinoflagellate），也就是人们所熟知的——“蓝眼泪”。“蓝眼泪”实际是夜光藻等海洋微生物在受到外部刺激时发出蓝色光的现象。夜光藻通常出现在春季和夏季夜晚的海岸线附近，这段时间海水温度较高，营养盐充足，适合夜光藻大量繁殖。
夜光藻发光产生的“蓝色眼泪”现象
与萤火虫发光类似，夜光藻发出的蓝光也是属于一种生物发光现象，但是它们的触发机制和具体过程存在差异。具体来说，夜光藻体内同样含有荧光素和荧光素酶，但需要受到外部机械刺激（如水流、波浪等机械振动）时，荧光素酶才会催化荧光素与氧气发生反应，产生蓝色或蓝绿色的光，而萤火虫发光只需生物体自身控制反应物质的结合和酶的活性即可。
夜光藻（Noctiluca scientillans）
夜光藻这种刺激引发的发光现象也被称为机械发光。当夜光藻的细胞受到机械刺激时，细胞膜会感应到这种外部压力，导致藻体细胞膜上的钙离子（Ca2+）通道打开，钙离子会迅速从细胞外部流入细胞内部。钙离子的流入是启动发光反应的关键步骤，这些离子会与细胞内部的特定蛋白质相互作用，激活荧光素酶，使荧光素与氧气反应，从而产生光3。目前，这种发光甲藻已经被应用到诸多方面, 比如环境污染物的毒性检测、海洋浮游植物的生物量监测和有害藻华的预警，同时，其本身也具有一定观赏价值。
维多利亚水母（Aequorea victoria）
在海洋的更深处，另外一种发光生物也被人熟识，这就是水母。但是，水母的发光原理并不单一，主要通过生物发光和（或）荧光两种方式来实现，不同种类的水母可能利用不同机制来发光。
水母的生物发光原理与上述类似，都是基于荧光素酶催化荧光素与氧气反应实现，其发光部位通常位于触手或体壁上，可以通过调节发光部位的透明度或颜色来改变光的显示效果。
而另一种方式——荧光（fluorescence）发光，则是借助荧光蛋白实现，比如著名的绿色荧光蛋白（green fluorescent protein, GFP）4。GFP最早是从一种水母（Aequorea victoria）中分离出来，它能够在特定波长的光（如经生物发光产生的蓝光）照射下发出绿色光。GFP的发光原理是利用蛋白内部发光团的荧光性质：即分子内部特定荧光发色团吸收高能量的光，荧光分子由基态电子跃迁到高能激发态，再回到基态时释放光子。
荧光生成示意图
由于激发态的电子处于一种不稳定状态，它们会通过非辐射跃迁（包括振动能量的释放或通过与周围分子的碰撞）损失一部分能量，剩余的能量不足以使电子继续保持在高能态，电子会回到基态。在这个过程中，荧光团会以光子的形式释放能量，这个光子就是我们所看到的荧光。由于激发态电子在能量转换过程中损失了一部分能量，发射光子的能量通常低于吸收光子的能量，因此发射光的波长（例如绿色光）会比吸收光的波长（如蓝光）更长。
荧光蛋白用于生物样本观测5
水母利用发光可以起到吸引猎物、防御和逃避以及交配、交流目的。同时水母发光现象在科学研究中也具有广泛应用。例如，利用荧光蛋白可以产生荧光的特性，科学家们改造开发了多种不同颜色的衍生荧光蛋白，这些荧光蛋白被广泛用于标记细胞、追踪分子过程和研究基因表达5-7。具体而言，在细胞成像研究中，科学家经常利用荧光蛋白标签标记特定的细胞或细胞器，帮助研究人员观察和追踪细胞内部的动态过程；结合基因工程技术，将表达荧光蛋白的基因插入到生物体的特定基因序列中，可以用于报告特定基因表达的情况，帮助科学家们研究基因功能和调控机制；荧光蛋白结构也可以通过改造拆分，用于研究蛋白质间的相互作用和分子距离变化。
此外，科学家们希望可以利用生物发光原理，结合基因工程技术，实现将类似荧光的生物发光原理引入到烟草植物当中，从而实现植物自体发光8，这不仅具有观赏价值，还在环境监测和节能减排中有着广泛的应用潜力。
基于基因工程改造的发光植物8
这就是关于生物发光的故事。在这个充满光与奇迹的自然世界中，从夜晚溪涧旁闪烁的萤火虫，到海岸线边如星河洒落的“蓝色眼泪”，再到深海中神秘发光的水母，这些生物用自己的光芒点亮了我们对生命的无限好奇。
设想当我们下次再遇见这闪烁的光亮，在那一幕幕的光影交错下，我们心中会不会涌动着一些关于生命、自然、科学交织的些许感动呢。
参考文献：
1. Baldwin, T. O., Firefly luciferase: the structure is known, but the mystery remains. Structure 1996, 4 (3), 223-228.
2. McElroy, W. D., The energy source for bioluminescence in an isolated system. Proceedings of the National Academy of Sciences 1947, 33 (11), 342-345.
3. Valiadi, M.; Iglesias-Rodriguez, D., Understanding Bioluminescence in Dinoflagellates—How Far Have We Come? Microorganisms 2013, 1 (1), 3-25.
4. Shimomura, O., The discovery of aequorin and green fluorescent protein. Journal of microscopy 2005, 217 (1), 3-15.
5. Weissman, T. A.; Pan, Y. A., Brainbow: new resources and emerging biological applications for multicolor genetic labeling and analysis. Genetics 2015, 199 (2), 293-306.
6. Yuste, R., Fluorescence microscopy today. Nature methods 2005, 2 (12), 902-904.
7. Greenwald, E. C.; Mehta, S.; Zhang, J., Genetically Encoded Fluorescent Biosensors Illuminate the Spatiotemporal Regulation of Signaling Networks. Chemical Reviews 2018, 118 (24), 11707-11794.
8. Mitiouchkina, T.; Mishin, A. S.; Somermeyer, L. G.; Markina, N. M.; Chepurnyh, T. V.; Guglya, E. B.; Karataeva, T. A.; Palkina, K. A.; Shakhova, E. S.; Fakhranurova, L. I., Plants with genetically encoded autoluminescence. Nature Biotechnology 2020, 38 (8), 944-946.