萤火虫是怎么把化学能转化为光能的?学"能的转化"的时候,物理老师这样说,可是萤火虫内有什么化学物质具有化学能呢?

Question

萤火虫是怎么把化学能转化为光能的?
学"能的转化"的时候,物理老师这样说,可是萤火虫内有什么化学物质具有化学能呢?

Answer 1

萤火虫有许多种类,在我们国家就主要是十字胸萤和红胸萤.有的萤火虫只在幼虫时发光,它变成成虫后反而不发光了.以前,有很多人认为：萤火虫发光是一种向异性求爱的信号.但是,在大自然里还有许多不发光的萤火虫,而且有的在卵和幼虫时发光,可见上面的对发光的解释,是难以令人置信的.
日本的萤火虫专家神田左京先生,曾对萤火虫的发光目的进行过种种考察.但最后仅仅得出了“由于萤火虫体内有发光物质,所以它能够发光”的结论.这样看来,萤火虫发光的目的,如果不问萤火虫本身,我们将无从得知.
一般我们所见的萤火虫的光是一会儿亮一会儿灭,但是听说在印度尼西亚就有一种能够连续发光的萤火虫,并且不同种类的萤火虫,它们发光的亮灭形式也是各具特色呢.过去我们认为十字胸萤发光的亮灭是和呼吸相联系的,实际上却并非如此,现在已经知道了它的发光是受神经直接支配的.姬萤的亮与灭,与十字胸萤的亮与灭却迥然不同,前者是非常锐敏的.日本的羽根田博士在新几内亚曾经观察到,停在一棵树上的无数只萤火虫,同时发生亮和灭.
现在,人们已从调查研究中得知,萤火虫的发光是因为存在于其体内的发光物质所发生的化学变化引起的.这种化学变化是一种“酶反应”,称为“萤光素；（基本反应物质,称为底物）—萤光素酶（酶）反应”.早在１９１６年,有人就已发现这种反应,１９５７年麦克埃利等人又分离出萤光素；１９６１年怀特等人推导了它的结构,并通过合成确定了它是具有Ｄ—构型的方式.
萤火虫在进行生物发光时需要有Ｄ—萤光素、萤光素酶、腺苷三磷酸（ＡＴＰ）、两价镁离子（Mg2+）和氧等物质存在.但是,天然萤光素的对映体,即Ｌ萤光素却不发光.这种发光反应中的化学变化,可以通过其它化学发光物质,以及萤光素的模拟化合物的发光机理来类推.现在认为它是按照下面的方式来发光的.
反应的第一步是萤光素在Mg2+的存在下,受萤光素酶的作用,与ＡＴＰ反应,生成萤光素腺耷酸和焦磷酸.接着,萤光素腺苷酸进一步在萤光素酶的作用下,与分子氧反应,生成氢过氧化物阴离子,这种阴离子即按照发光反应第一步的途径,生成含有萤光素腺昔酸和焦磷油的二氧四环的化合物,由于这种化合物是一种能量很高的不稳定的化合物,所以它很快分解,放出二氧化碳,生成一种羰基化合物.这时羰基化合物是处于一种激发状态中.通过模拟实验的结果表明,它直接发出来的光是红光,而实际上萤火虫发出来的光之所以是黄绿色,乃是由羰基化合物再脱掉一个质子后生成的阴离子所发的光.
虽然科学家已经作了积极探索,但在研究萤火虫为什么会发光的问题时,仍然有许多未解之谜.
向萤光素腺苷酸中加入萤光素酶,使之发光,然而,只要有两分子的萤光素腺苷酸发生反应之后,加入的酶就会完全受到抑制.这时,即使还有萤光素腺苷酸存在,发光也要停止.这种被抑制了的酶可以受焦磷酸及辅助酶的作用而再生.
所以在萤火虫的发光器中,最初存在着一种受生物抑制的酶.当这种酶受到由神经刺激而分泌出来的焦磷酸的作用而成为活性酶时,它就成为催化萤光素、ＡＴＰ、Mg2+三者之间反应的催化剂.但在引起发光的同时,它本身又会受到生成物的抑制而失活,副产的焦磷酸也在焦磷酸酶的作用下迅速分解.萤火虫的光也就由亮而灭,于是重新回到循环的开始.
这个对萤火虫的发光机制的研究,只是模拟地说明了我们常见的萤火虫一闪一灭发光的原理.对于可连续发光的萤火虫,还有待于我们去发现它的发光秘密.