「生物發光」的原理是什麼，有哪些應用和意義？
- 有哪些發光的生物種類？
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我是研究植物的，簡單說一下生物發光，及利用生物發光，改造出發光植物。
要說生物發光，那就得是真發光，自發光，是生物體內的化學反應引起的發光，無需人工幹預就能發光。而不能是假髮光，不是反光，不是光照射引起的發光。
給光才發光的發光形式，只是轉換了光的波長，沒有真正產生光，是被動的假髮光。只有利用生物體內的化學反應發光時，能量從化學能轉化為光能，從沒有光到產生光，纔是實實在在的真發光。那麼生物體內的真自發光，就是熒光素酶分解熒光素了。
自然界的發光生物主要是一些動物，像是螢火蟲、水母、鮟鱇魚…… 還有一些發光細菌和真菌。想要讓植物發光，就得讓植物表達相應的熒光素酶基因，對這種植物施加熒光素，植物就會發光。
植物自己不合成熒光素，為了實現發光的目的，需要人為補充熒光素，才能使這種發光得以延續。外源施加熒光素往往不均勻、難滲透，代價很昂貴，維持長久穩定發光要消耗大量成本。於是，科學家就想辦法讓植物自己合成熒光素。通過將來發光細菌 Photobacterium leiognathi 中的 lux 操縱子（luxCDABEG）改造進入煙草葉綠體，無需人為外源施加熒光素，煙草就能發出肉眼可見的光。
這種改良葉綠體的方法，雖然能讓植物自己產生熒光素，為熒光素酶發光提供原料，但是這種對葉綠體的操作很繁瑣，很多植物種類都不適合進行這種改良。葉綠體中高水平地表達異源蛋白通常還會影響植物的生活力和生長勢。因此，這一方法也難以推廣。
最近，真菌 Neonothopanus nambi 的發光途徑 (FBP) 被闡明，為研發自發光植物提供了新選擇。該途徑可以被核基因編碼，就不需要改造葉綠體，繞過了質體轉化的難題。只要將真菌的三個酶：真菌熒光素酶(Luz)，hispidin合酶 (HispS) 和 hispidin3-羥化酶 (H3H) 轉入植物，植物就能自己合成真菌熒光素，無需額外打理，就能進行自發光，且不會影響植物生長。
這意味著離我們擁有一株發光植物，或者用上路燈花，燈籠樹，更近了一步。
點擊連接： 植物發光，觀看發光植物相關視頻，瞭解更多關於植物生物發光的生物學細節。
主要參考文獻
- 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.
狹義的生物發光指的是熒光素酶分解熒光素髮出的光。在這個過程中，熒光素酶是引擎，熒光素是燃料。作為燃料，熒光素分解完了就要重新製造，這個過程需要能量。還有一種方法可以作弊「白嫖」，這個後面再說。
作者：Timothy R Fallon
蝦說的視頻 · 1006 播放除了視頻中發光的微生物，螢火蟲、鮟鱇魚也通過熒光素酶來發光，不過不同物種使用的熒光素酶並不相同，對應的熒光素也不同。
在生物研究中，可以把熒光素酶的基因轉入癌細胞中用來追蹤癌細胞在小鼠體內的位置。這樣即使不用動手術切開小鼠，也能知道腫瘤的位置與大小。
不過對於生物學生來說，更常見的應該不是熒光酶而是熒光蛋白。這就是之前說的「白嫖」發光。熒光素酶需要消耗熒光素來發光，但是熒光蛋白不需要消耗其他物質也能發光。
不過發光的前提是，需要有其他光照著熒光蛋白。
這個功能雖然聽起來很坑，但其實在生物研究非常有用。熒光蛋白可以把短波長的光變為長波長的光，使自己在環境中更加顯眼。在顯微鏡追蹤各種細胞/蛋白的位置靠的就是熒光蛋白。熒光蛋白的發現者和研究者也因此在2008年獲得諾貝爾化學獎。
除了科研，熒光蛋白還有一些比較有意思的玩法：轉入了熒光蛋白基因的熱帶魚可以在特定顏色的燈光下發出熒光。
以我的理解，生物發光常見的都是熒光（fluorescence），光致發光和化學發光比較常見，基本原理都是因為基態物種（S0）吸收能量（光照/化學反應）獲得激發態（單線態激發態高振動能級？），通過振動能級弛豫後得到單線態第一激發態（S1），回到基態（S0）的過程中發出對應能量差的可見光。
類似的還有磷光（phosphorescence），不知道是否有生物發光是磷光，從機理上說與熒光不同，這個光是三線態第一激發態（T1）回到基態（S0）所發出的光，多涉及到一步S1-T1的系間跨越（intersystem crossing，ISC）。
另外，對於同一個物種而言，由於T1能量比S1能量稍低，從而導致其發出的磷光比熒光相對紅移。更通俗一點，熒光常見偏藍紫，而磷光多綠色。
至於生物發光原理意義重大，應用在生化科研領域太廣，讓其他專家來說吧。
從原理上來說有兩種，一種是螢火蟲的熒光素髮光，本質上跟點燃沒啥區別就是氧化反應。另一種是水母熒光蛋白那種，跟激光啊鈉光燈啊原理比較類似，受激發光。
應用的話生物學上兩者都是重要的報告基因，可以把基因表達的狀況轉化為易於檢測甚至定量的光的亮度
2020-08-21
許多深海中層帶的生物都具有特殊的生物發光行為，而這些發光行為更是牠們賴以生存的利器。生物發光的機制可分為兩大類：由共生細菌來發光及體內自己形成的化學性發光，這是許多深海中層帶生物的重要配備，其作用包括：擬態、引誘獵物、辨識種類及配偶、或迷惑敵人。
廣義的生物發光包含化學反應產生的生物發光與物理性的生物熒光。前者主要為發光物質氧化，以光的型式釋放能量所產生的副產物，後者則是某些生物物質照射高階能量的光之後將之轉換為低階能量的光釋放，屬於「光致發光」。生物發光現象主要發生在海洋生物，其發光物質可分為四大類：細菌發光素、甲藻發光素、腔腸素與介形蟲發光素，其化學結構與作用條件各有不同，但作用原理基本上相同。雖然多數的類羣自身能合成發光素，但有些則依賴共生的細菌發光，甚至由獵物身上獲取發光素。陸地的發光生物遠較海生的少，昆蟲是最主要的類羣，當中又以螢火蟲等甲蟲最常見。另有一些昆蟲曾被誤認為會發光，但多半已被證實是以訛傳訛或其實是「生物熒光」現象。
生物發光的化學反應過程和需求條件在各類生物或多或少有些不同，但是大抵上原理相同，以螢火蟲為例，是發光物質（通常稱為發光素 luciferin）與高能的分子（例如被稱為細胞能量現金的三磷酸腺苷 ATP）結合後變成激髮狀態，在特定的酶（通常稱為發光酵素，luciferase）催化下，與氧分子產生氧化反應，過程中 ATP 的兩個高能磷酸鍵被打斷，其能量以光的型式被釋放出來，同時產生氧化發光素、二氧化碳、無機焦磷酸鹽與單磷酸腺苷 AMP。在螢火蟲，發光是由神經傳導訊號所控制，但如被稱為「藍眼淚」的甲藻／雙鞭毛蟲（dinoflagellate）隨浪潮發光，則是海水擾動時產生的動能便能使得細胞內的物質相遇、作用而發光。發光細菌則可能是藉由化學傳導而開啟反應。
有別於「生物（化學）發光，bioluminescence」，「生物熒光，biofluorescence」是一種「光致發光，photoluminescence」現象：當一個「熒光源，fluorophore」吸收較高能量的光波，瞬間將其轉換為較低能量的光散發出去，一旦發光源移開，熒光也隨之消失。若移開發光源仍能持續發出熒光，則稱為「磷光現象，phosphorescence」，蓋其熒光源在能量吸收、傳遞和發散速率較慢。不同熒光源對不同波長的光的吸收有選擇性，因此發光源本身的光和熒光源的結構與環境都會影響到熒光的有無、發散出的色光與強度。除了生物，一些礦物也能發出熒光。
至於生物發光的應用我舉出「螢光蛋白，green fluorescent protein，GFP」的例子，像是綠色熒光蛋白最早是由 Shimomura Osamu 在 1962 年在維多利亞水母體內發現，他在超過一萬隻水母體內首度成功萃取出熒光蛋白，為後畜研究奠下基礎。Martin Chalfie 接續下村脩的研究，在 1990 年代找到將綠色熒光蛋白植入「大腸桿菌，E. coli」或「秀麗隱桿線蟲，C. elegans」等研究載體的方法。他的研究讓之後的研究者都可以透過植入綠色熒光蛋白追蹤後續機轉。通過熒光蛋白的協助疾病感染或癌症轉移時，不必在單靠前後生物變化，猜測單中可能的轉變及有關的基因或因子，只要植入熒光蛋白後，就可以直接觀測到不但減少時間人力，也提高研究的準確度，可說是照亮腦神經細胞，將來外科手術必須的標準配之一，所以 GFP 的應用價值不亞於 19 世紀才被發明用來觀察微生物的光學顯微鏡。
分類：科普 &>&>生物 &>&>發光
熒光蛋白可以做為生物實驗中的標記物。比如，我要測量一種化合物對細胞膜是否能造成破壞。我可以調控該細胞的基因，讓其表達出熒光蛋白。這樣，正常細胞只有自己細胞內有熒光，而如果我投入的化合物把細胞膜破壞掉了，細胞間質中就也變得具有熒光了。這是我博士後做的第一個項目，想要用分子動力學模擬的辦法解釋一下分子破壞細胞膜的機理。文章發表於2012年。
無法發圖片。。。。
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第7章 生物發光與生命光化學
7.1 生物發光
7.1.1 生物發光的機理
7.1.2 幾種典型的生物發光系統
7.1.3 研究生物發光的意義
生物發光研究及其應用進展 - 圖文 - 百度文庫
https://wenku.baidu.com/view/5e7eccd633d4b14e852468ff.html?wenku.baidu.com以下資料來源於bioluminescence | National Geographic Society
bioluminescence?www.nationalgeographic.org
生物發光bioluminescence是生物體內化學反應產生的光。生物發光是化學發光的一種。
生物發光是一種「 冷光 」。冷光意味著不到20％的光會產生熱輻射或熱量。
一、大多數生物發光生物都在海洋中發現。這些生物發光的海洋物種包括魚類，細菌和果凍。在陸地上發現了一些生物發光生物，包括螢火蟲和真菌。淡水生境幾乎沒有原生的生物發光生物。
二、導致生物發光的化學反應需要兩種獨特的化學物質：螢光素和螢光素酶或光蛋白。螢光素是實際上產生光的化合物。在化學反應中，螢光素被稱為底物。生物發光色（螢火蟲為黃色，燈籠魚為綠色）是螢光素分子排列的結果。
一些生物發光生物體自己產生（合成）螢光素。例如，鞭毛藻呈藍綠色的生物發光。生物發光的鞭毛藻是一種浮游生物，是一種微小的海洋生物，有時會引起海洋表面在夜間閃閃發光。
一些生物發光生物不合成螢光素。相反，它們通過食物或共生關係通過其他生物體吸收。例如，某些中型魚類通過其食用的「種子蝦」獲得螢光素。魷魚等許多海洋動物的光器官中都有生物發光細菌。細菌和魷魚有共生關係。
螢光素酶是一種酶。酶是與底物相互作用以影響化學反應速率的化學物質（稱為催化劑）。螢光素酶與氧化的（加氧的）螢光素的相互作用產生了一種副產物，稱為氧化螢光素。更重要的是，化學反應會產生光。
生物發光的鞭毛蟲利用螢光素-螢光素酶反應發光。在鞭毛藻中發現的螢光素酶與植物中發現的綠色化學葉綠素有關。
生物發光的鞭毛藻類生態系統非常罕見，主要形成在通向大海的狹窄開口的溫水瀉湖中。生物發光的鞭毛蟲聚集在這些瀉湖或海灣中，狹窄的開口防止它們逃逸。整個瀉湖可以在夜間照明。生物學家於2010年在波多黎各的Humacao自然保護區確定了一個新的生物發光的鞭毛藻類生態系統。
大多數生物發光反應涉及熒光素和熒光素酶。但是，某些反應不涉及酶（螢光素酶）。這些反應涉及一種叫做光蛋白的化學物質。光蛋白與結合螢光素和氧氣，但需要另一種藥劑，通常是一個離子的元素的鈣，以產生光。
光蛋白直到最近才被發現，生物學家和化學家仍在研究其異常的化學性質。首先在北美西海岸發現的生物發光晶體膠中研究了光蛋白。水晶果凍中的光蛋白稱為「綠色熒光蛋白」或GFP。
但是，生物發光與熒光並不相同。熒光不涉及化學反應。在熒光中，刺激光被吸收並重新發射。熒光僅在存在刺激光的情況下可見。熒光筆中使用的墨水是熒光的。磷光與熒光相似，不同之處在於磷光能夠重新發射更長的時間。夜光貼紙是磷光的。
三、生物發光光譜
生物發光的外觀變化很大，這取決於發現它的棲息地和生物。
例如，大多數海洋生物發光以可見光譜的藍綠色部分表示。這些顏色在深海中更容易看到。而且，大多數海洋生物僅對藍綠色敏感。他們實際上無法處理黃色，紅色或紫色。
大多數陸地生物還表現出藍綠色的生物發光。但是，許多光譜在黃色光譜中發光，包括螢火蟲和唯一已知的生物發光的陸地蝸牛Quantula striata，其原產於東南亞熱帶地區。
很少有生物可以發出一種以上的顏色。所謂的鐵路蠕蟲（實際上是甲蟲的幼蟲）可能是最熟悉的。鐵路蠕蟲的頭部發出紅色光，而其身體則發出綠色光。不同的熒光素酶導致生物發光的表達不同。
一些生物持續發光。例如，腐爛的木材中存在的某些真菌會發出相當一致的光芒，稱為狐火。
但是，大多數生物體會使用其發光器官閃爍少於一秒到大約10秒的時間。這些閃光可以發生在特定的位置，例如魷魚上的點。其他閃光燈可以照亮生物體的整個身體。
四、生物利用生物發光來捕食獵物，防禦捕食者，尋找伴侶並執行其他重要活動。
1、防守適應
一些物種發光使攻擊者迷惑。例如，許多種類的魷魚會閃閃發光，使魚類等食肉動物大喫一驚。驚嚇的魚措手不及，魷魚試圖迅速逃脫。
2、進攻性適應
生物發光可用於吸引獵物或尋找獵物。
3、尋找伴侶
成年螢火蟲，也稱為閃電蟲，具有生物發光性。他們點亮來吸引伴侶。儘管雄性和雌性螢火蟲都可以發光，但在北美，大多數螢火蟲都為雄性。它們的閃爍模式告訴附近的雌性它們是哪種螢火蟲種類，並且對交配感興趣。
4、其他生物發光
有機體受到幹擾時會發光。例如，環境變化（例如鹽度下降）會迫使生物發光藻發光。在黑暗的海洋中，這些活燈籠可以看作是粉紅色或綠色的斑點。
五、生物學家和工程師正在研究與生物發光有關的化學物質和環境，以瞭解人們如何使用該過程使生活更輕鬆，更安全。
例如，綠色熒光蛋白（GFP）是有價值的「報告基因」。記者基因是生物學家附加到他們正在研究的其他基因上的化學物質（基因）。GFP報告基因通常通過熒光很容易識別和測量。這使科學家能夠追蹤和監測所研究基因的活性，即其在細胞中的表達或與其他化學物質的相互作用。
其他用途更具實驗性。例如，生物發光的樹木可以幫助照亮城市街道和高速公路。這將減少對電力的需求。生物發光的農作物和其他植物在需要水或其他養分或準備收穫時會發光。這將減少農民和農業綜合企業的成本。
fluorescence？
有哪些發光的生物種類？
螢火蟲，這個是我知道的地面上唯一的例子
一些海洋生物可以發光，比如某些水母
生物發光原理？
也許是生物電能激發了原子的外層電子？
我用我發現的個人觀點看問題。看到這個問題，使我想起我研究的問題了。「生物發光」=生命發電（光線=電波原理）。使我想起來了自身眼球是否也會放電波的呢。因為我發現自然規律都是一對同時存在時間統一原理。發電和用電就是生命電力輸入輸出時間統一原理。所以眼球輸入光線電能，可能是也同時發出了電能才感覺到速度時間統一信息空間模型的。如果發出發出的電能穿過阻擋物體，那就是特異功能的感覺空間時間統一原理模型的了。（想了解我的研究過程，就看我的《大自然的正反規律》吧）
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