生物發光特征與應用（一）

生物發光（bioluminescence、BL）是指生物體發出的光輻射，是生物體釋放能量的一種形式，這種發光現象廣泛地分散在生物界中。它不依賴于有機體對光的吸收，而是一種特殊類型的化學發光，也是氧化發光的一種。生物發光的一般機制是：由細胞合成的化學物質，在一種特殊酶的作用下，使化學能轉化為光能。自然界具有發光能力的有機體種類繁多。一些細菌和高等真菌有發光現象。動物界25個門中，就有13個門28個綱的動物具有發光現象，從最簡單的原生動物到低等脊椎動物中都有發光動物，如鞭毛蟲、海綿、水螅、海生蠕蟲、海蜘蛛和魚等。動物的發光，除其自身發光即一次的發光以外，由寄生或共生而產生二次發光的例子也不少。不同生物體的發光顏色不盡一致，多數發射藍光或綠光，少數發射黃光或紅光。

目前，根據發光的機理不同國際上將生物發光分為四種
1．受激熒光是指生物體在受到外界光輻射的作用時，體內固有的熒光物質或吸收的熒光標記物發光的現象。 2．發光生物發光。以螢火蟲的閃光為代表。 
3．化學發光 
化學發光是在化學反應過程中(主要為氧化還原反應)發出可見光的現象。化學發光反應是由兩個關鍵步驟組成：激發和發射。許多化學反應進行時能釋放足夠的自由能而把參加反應的物質之一激發到能發射光的電子激發態，生成一種激發態產物，在它回到基態時，剩余能量轉變成光子能量產生發光現象。 
4．生物超微弱發光 
隨著生物發光研究的進一步深入，發現人體的器官、組織、細胞、乃至大分子都在發光，不過發光強度更弱。目前研究已涉及到細胞、亞細胞乃至生物大分子的層次。越來越多的實驗表明，DNA 是生物超微弱發光的一個輻射源。

生物發光還可分為:
1．被動發光：如植物，那些微弱的紅光是沒能參與光合作用多余的光，一般的看法是這種光無意義。
2. 主動發光：如螢火蟲的閃光。
另外，有些動物本身并不會發光，但在共生的環境中它們會利用發光細菌的光為自己服務。
動物的發光器有兩類，一類具有發光細胞，另一類具有共生的發光細菌
發光細胞是起源于皮膚而發生了變異和特化的腺細胞，能分泌熒光素和熒光素酶。          

如果發光細胞內同時含有熒光素和熒光素酶，則發光可在細胞內進行，此稱細胞內發光；如果發光細胞內僅含有熒光素或熒光素酶，則發光必須在分別含有熒光素和熒光素酶的不同發光細胞之分泌物相遇時才能產生，此稱細胞外發光。

生物發光的機制：
熒光素酶（Lu ciferase）以熒光素（Luciferin）、三磷酸腺苷（ATP）和O2為底物，在Mg2＋存在時，底物在催化循環中會形成還原型核黃素磷酸鹽和醛化合物，當遇到熒光素酶和氧時，形成一種激發的絡合物。絡合物斷裂時生成氧化核黃素磷酸鹽、酸、水及一個光子，化學能轉變為光能。
熒光素+ ATP+ O2→核黃素磷酸鹽+醛化合物

核黃素磷酸鹽+醛化合物→激發的絡合物

激發的絡合物→氧化核黃素磷酸鹽+酸+水+光子

化學能→光能

ATP既是熒光素酶催化發光的必需底物，又是所有生物生命活動的能量來源。在熒光素酶催化的發光反應中，ATP在一定的濃度范圍內，其濃度與發光強度呈線性關系。

生物發光的特點： 
1 生物發光的顏色范圍很寬，可從紅光到深藍光；
2 氧是幾乎所有生物發光系統中必須的因素；
3 生物發光是由“熒光素酶”與“熒光素”的化學反應所引起的；
4 所有的生物發光反應幾乎都是酶-底物類型的反應，但復雜程度不同，某些生物發光反應涉及3種或4種底物，而另一些生物發光反應甚至需要3個或4個酶的體系。
5 高效率。在發光的同時，沒有輻射熱能的消耗，因而生物發光的效率是很高的。幾乎能將化學能百分之百地轉變為可見光，為普通電光源效率的幾倍到幾十倍。
6 安全性。因為冷光本身無熱，所以沒有爆發火花的危險，在油庫、炸藥庫、礦井等易燃易爆場所，用其作照明光源最為理想，因此被稱為“安全之光”。