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匿名使用者 發問時間: 科學生物學 · 1 0 年前

水母為什麼會發光呢?

如題,水母為什麼會發光呢?

在水族館和電視裡都會看到~水母會發光耶...為什麼?

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  • bear
    Lv 4
    1 0 年前
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    水母為什麼會發光呢?

    一、常識篇

    發光素與發光[酉每]

    發光素,英文 luciferin,泛指生物體的發光物質;發光[酉每] ,英文 luciferase,泛指生物體內催化發光反應的酵素,其中[酉每]是一個電腦上不存在的字,音同「梅」,意同「酵素」,在此暫用這種方式表達。

    下圖列出數種發光素的化學結構。發光[酉每]分子不在本站討論範圍內。

    有沒有發現,它們「長」得很不一樣,至少構成的元素就有差,有的只有碳氫氧 (C,H,O),有的還多了氮 (N),螢火蟲的發光素更多了硫 (S)!唯一相同的是,它們都是發光素。

    得自不同生物體,具有不同化學結構,但都被稱為「發光素」,區別的方式是把生物名加在「發光素」三個字之前,如螢火蟲發光素,Cypridina發光素,Latia發光素。

    發光原理

    簡單來說,生物發光現象是發光素在發光[酉每]的催化下進行氧化反應所產生,結論

    生物發光現象不限於螢火蟲,其他如細菌、蚯蚓、海洋生物也有類似現象,發光原理大致相同,都是生物體內的發光素在酵素催化之下發生氧化反應。

    二、知識篇

    背景

    為什麼發光素的英文是 luciferin?Lucifer不是撒旦的名字嗎?根據第二篇參考文獻的說法,這個問題得問Dubois,他是這方面研究的開山始祖,發表論文的年代早在百年以前! (Dubois, R. Note sur la Physiologie des Pyrophores. Compt. Rend. Soc. Biol. 1885, 37, 559.)。

    生物發光的現象蠻普遍的,陸地上、海洋裡都有,昆蟲、魚類、細菌、甲殼類動物、貝類均有發現,其中大家最熟悉的應屬螢火蟲了。

    然而光是螢火蟲的發光現象就有很多不同的「版本」,它們具有一或多個發光器,不同品種發不同的光,甚至同一品種的不同個體,乃至同一個體的不同發光器,都可能發出不一樣的閃光,光的顏色從紅到綠都有,發光的目的多半是為了求偶,且有特定的模式。

    不同於螢火蟲,一種名為 Cypridina hilgendorfii 的甲殼類動物是在體外產生發光現象,當受到外界刺激時,它會從兩個不同的腺體同時釋出不同的微粒,在水中溶解混合之後,發出燦爛的藍光。

    Latia neritoides 是在紐西蘭發現的一種淡水貝類,受外界刺激時分泌出閃亮的黏液。

    這些發光現象不僅吸引民眾的目光,也讓科學家們想要一探究竟,

    這兒所要介紹的是其中的化學部份,即產生發光現象的化學物質。取得

    發光物質究竟是何物?經過搜集材料,萃取,分離,純化,鑑定等步驟,結果如圖一所示,看起來好像沒什麼,其實困難重重。首先,螢火蟲體積有多大?要有多少數量才能從中獲取足量發光素,多到可以定出化學結構?

    此外,這些生物都含有保護作用的脂溶性物質,它們對生物很重要,卻不是分離的目的物,必須有效地去除,且不影響到發光素。發光素容易氧化,要用氣體與空氣隔絕,整個實驗要求快速,以免發光素在實驗過程變質。

    500克完全乾燥的 Cypridina hilgendorfii 磨碎後以索氏裝置(Soxhlet)萃取,先用苯在減壓狀態 (約 80 mmHg)下迴流 50 小時脫脂,再用甲醇萃取,同時整個裝置需充滿氫氣以防發光物質氧化變質,接下來還是一連串的萃取、加酸處理、管柱分離、再結晶純化…最後僅得到3毫克橘紅色晶體狀沈澱物,即Cypridina發光素。改良的處理方式以冷凍乾燥法處理,可以自溼重 1公斤的材料得到20毫克發光素結晶。螢火蟲發光素是從15,000隻蟲體分離得到 9毫克結晶,另一份報導則從12,000隻蟲體分得 5.5毫克發光素。二者材料不同,是不同的螢火蟲,得到的卻是相同的發光素。對於研究材料的處理,包括乾燥方式(日曬或冷涷)、萃取程序、管柱分離等,都和最終結果息息相關,此階段看似簡單,卻攸關成敗,正如一份人人會做的菜單,即使用相同的素材,但專業廚師和一般人處理的手法及做出的菜肴就是有天壤之別。

    研究發光素有點特別需要注意的是化合物的安定性,它們都可能在處理過程就氧化變質,故宜用低溫乾燥法,並用氣體隔開空氣中的氧,處理過程更要迅速確實、速戰速決。不同的螢火蟲發出不同的光,卻有相同的發光素,研究發現,Photuris, Pyrophorus, Diphotus, Lecontae, Luciola 五個不同屬的螢火蟲都含有同一種發光素,結構如圖一所示,那為何會有不同的發光現象呢?

    原因出在發光[酉每],不同個體有不同的發光[酉每],導致不同的發光現象。從Photinus pyralis 得到的發光[酉每]的分子量在50,000以上,在此不妨想想,發光素的分子量不到1000,想定出其化學結構已屬勉強,而這些酵素分子比發光素大上數十倍,其困難度可想而知,且這些高分子量的生化分子已超出本站討論的範圍,所以就此打住 。

    螢火蟲似乎只有一種發光素,幾種不同海洋生物也有各自不同的發光素,但巧合的是含有相同的「部份結構」(partial structure),如圖二所示:

    Cypridina是一種甲殼類動物,Aequorea是一種水母,Watasenia是一種烏賊,它們的發光素各不相同,但中心部份都是圖二所示的結構,不同的在於R1,R2,R3部份,理論發光現象是如何地進行呢?如何研究這個課題呢?從一萬多隻螢火蟲所分離得到的發光素不到十毫克,這樣的量用來定結構可以,要進行發光實驗可能就不夠了,且如何知道生物體內的環境及條件?

    化學家使用化學發光(chemiluminescence)的方式來研究生物發光(bioluminescence)機制,以化學合成方式製作與發光素相同或類似結構的化合物,測其光化學反應及動力學的種種數據,推演出生物發光的詳細步驟。

    圖三所示為Cypridina發光素的發光反應機制,圖中展示氧是如何接上發光素分子,二氧化碳如何脫離、光如何發出,及最終產物為何,其正確性仍待證實,唯有透過對發光[酉每]的深入研究,方有更進一步確認的可能。

    水母為什麼會發光呢?

    早在十七世紀科學家就對生物的發光感興趣了。最早的探討是發生在一六六七年,法國科學家 R. Boyl發現,存於玻璃缸內的蘑菇,要有空氣才會發光,抽掉空氣就不能發光。七年後,又有意大利科學家 F. Spara-ani,發現生存於地中海的發光水母,雖然晒乾後是不發光,但是灑上水後可恢復發光。有了這兩項發現,科學家就推斷,生物的發光是一種純粹的化學作用,與生命的存與否無關。

    這個觀念在一八八五年又得到了進一步的證實;法國科學家 R. Du-bois於研究藏身在地中海的石灰岩孔中之海鷗貝時,發現其體內的發光物質可分解成耐熱的螢光素(luciferin)和不耐熱的螢光酵素 (luciferase)。此後,尋找各種發光生物的螢光素和螢光酵素就變成研究此門生物科學的中樞課題了。現在,我們也知道,大多數的發光生物都具備特製的發光化合物;換句話說,海鷗貝的螢光素要配上海鷗貝的螢光酵素才會發光,配上細菌的或是蝦類的螢光酵素,再加水和氧氣,也不一定會發出光來。

    按照發光的方法,我們可以把會發光的動物分成兩組,一組是「自行發光」,另一組是「借助發光」。兩組的發光器(photophore)有顯著的差異,前者可比一家化學工廠,而後者是像一家電影院。自行發光的發光器,通常包括一群發光細胞,外部被一層透明膜當透鏡,而裡面蒙一層有黑色素的細胞,阻擋發出來的光射進自身體內。發光細胞內含有螢光素和螢光酵素,有了氧氣,細胞內的螢光素就受到螢光酵素的催化作用而吸收能量,變成氧化螢光素而釋放光子以發光。所以這具「手電」的開關,是用氧氣來控制,要發光就通氧氣,不要發光就停止送氧氣。

    海洋生物真是無奇不有。有些會發光的魚類和烏賊,自己並沒有發光本領,但是身上卻有發光器,是名副其實的帶「手電」海怪。其發光器之組成與上述的自行發光動物所持的差不多,主要的區別是「手電」內並沒

    有自己的發光細胞。那怎麼發光呢?

    原來這些魚和烏賊是很聰明的「宿主」,在發光器內養一群發光細菌,經常供給養分與氧氣,使發光細菌不斷地在裡頭繁殖、發光。因為細菌是一天到晚不停地發光,這些「宿主」就在發光器的外面加一層黑膜,要光就把它拉開,不要光就把它緊閉,宛如電影院裡的台幕,真妙!更妙的是這種動物從卵孵出來時,其發光器內並無細菌,但是在海水裡游幾天後就有了。那麼發光細菌是如何被納入這種「手電」?生物學家分別在日本和意大利針對此問題加以研究,結果發現這種發光器有一條細管直通體外,既可隨時從海水取「種」來培養,也可以把「手電」內的發光細菌所產生的新陳代謝廢物排出體外。

    日本生物學家於一九五七年發現,大海裡的「借助發光」動物中,又

    有另一種「手電」,就是發光器內不帶發光細菌而帶「他人」的螢光素。

    產於日本伊豆半島外海的金眼鯛(學名:Parapriacnthus ransonneti)

    所具備的發光器就是屬於這一種。根據發光生物學泰斗,羽根田彌太博士

    的研究,金眼鯛的主食品是會發光的介虫(甲殼類),叫做海螢(學名:

    Cypridina hilgendorfii)。奇妙的是,金眼鯛把海螢吃下去而消化後,

    會把餌料中的螢光素分離出來而儲存於幽門垂;而這具藏有海螢的螢光素

    之胃垂,就是牠們的發光器。產於菲律賓的金眼鯛(學名:Parapriacan-

    thus disper)更發達,牠們不用幽門垂當發光器,而在胸部另起爐灶,

    在那兒有一具細長而呈「Y」字形的發光器,由兩條髮絲般的細管從「Y」

    形的兩臂通往幽門垂,當螢光素的供給線;另外,在肛門前方又有一具「

    I」字形發光器,而從幽門垂也有一條螢光素專線通往此具「手電」。

    生物為何發光?生物學家至今尚無法給與完善地答覆,因為有些發光生物,像大海裡的細菌、單胞藻、浮游性原生動物、水母、海鰓等等,這些比較低等的生物,牠們的發光並沒有什麼特別或顯著的目的,所以談不上「為何」。但是,那些棲息於珊瑚礁,或居住於陽光不能達到的深海中之魚、蝦、烏賊等等,其發光器,不管是自行發光型或借助發光型,皆有廣泛又多樣的功用。許多深海魚,不僅用發光器於防禦、攻擊、誘集餌料、或尋找食物,也用它當信號燈與同伴交換信息,從事招呼、求偶。有些

    生存於深海的蝦和烏賊,會把「發光器」當「吐光器」用,當牠們受到掠

    食性動物侵襲時,會噴射出一股發光物質以迷惑來犯的攝食者。海洋生物

    的行為,可真是無奇不有。

    http://www.fa.gov.tw/tfb5/128/fe128nc.htm

  • 匿名使用者
    1 0 年前

    牠的身體裡有螢光劑或者是改良過的

    其實我也不太清楚啦

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