科普大赛 | 行走人间的星河——萤火虫

学术   2024-09-20 09:01   吉林  

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图1 萤火虫发光图片

(https://wenda.so.com/q/1504090919210390,
https://www.lofter.com/favblog/langyanxi)



萤火虫,点灯笼,飞到西,飞到东。飞到河边上,小鱼在做梦。飞到树林里,小鸟睡正浓[1]



摘要

萤火虫作为自然界中一类独特的昆虫,以其独特的发光现象吸引了无数人的目光。本文旨在介绍萤火虫的生物学特性、发光原理以及面临的威胁与保护现状。通过深入分析萤火虫的生物学特征和发光机制,探讨其在生态系统中的重要作用,以期增强公众对萤火虫的了解和保护意识。




1 引言

“雨打灯难灭,风吹色更明。若非天上去,定作月边星[2]。”李白在《咏萤火》这首诗中赋予了萤火虫极高的赞誉。展现了萤火虫坚韧不拔、光芒不灭的特质,将萤火虫提升至与星辰同辉的高度。而文章开头《萤火虫》这首现代儿童诗以简洁明快的语言,描绘了萤火虫在夏夜中自由飞翔的场景。如图1所示,它点着灯笼,为静谧的夜晚增添了几分生机与活力。同时,诗歌还通过萤火虫飞到不同地方所见的景象,展现了自然界的和谐与美好。


萤火虫属于鞘翅目萤科的昆虫,广泛分布于除南极洲以外的各大洲,主要生活在热带和亚热带地区。世界上已知萤火虫有2000多种,种类十分丰富[3]。它们最为人所知的特征便是能够在黑暗中发出明亮的光芒,这一现象不仅美丽而神秘,更蕴含着丰富的生物学和生态学意义。


萤火虫体型小巧,体长一般在0.5至2厘米之间,身体分为头、胸、腹三部分。成虫具有较为发达的前翅和后翅,能够飞行。根据形态、发光颜色及习性等特征,萤火虫被分为多个属和种。根据生活环境可分为陆栖和水栖两类,以陆栖种类占多数。它们多栖息于温暖、潮湿、多水的杂草丛、沟河边及芦苇地等环境中。陆栖萤火虫的幼虫偏好遮蔽度高、草本植被茂盛和湿度高的地方,而水栖萤火虫则在不同虫态下有不同的生态位,蛹期通常在水旁度过。


萤火虫的生活史包括卵、幼虫、蛹和成虫四个阶段[4],如图2所示。成虫通常只负责交配和产卵,而幼虫则是主要的捕食者和发光者。萤火虫是肉食性昆虫,幼虫在土壤中或水生环境中寻找食物,主要以蜗牛、蛞蝓、昆虫等为食。水栖萤火虫的幼虫吃螺类、贝类和水中的小动物,而陆栖的萤火虫幼虫则以蜗牛、蛞蝓为主要食物,有些种类还会捕食蚯蚓和其他小型无脊椎动物。经过数次蜕皮后化蛹,最终羽化为成虫。

图2萤火虫的完整的生命周期
(https://www.meipian.cn/2k61wumn)

萤火虫成虫雄性第6及第7腹节有两节发光器,雌性第6腹节有一节发光器,这种发光器会在夜晚的特定时期发光。当萤火虫受到刺激或惊扰时,其发光器会停止闪光并进入假死状态,然后萤火虫会趁机快速掉入草丛中,这种行为增加了其逃脱天敌的机会。


萤火虫对生态环境的变化非常敏感,因此常被用作生态质量的指示生物。萤火虫种群数量的变化可以反映出水体质量、土壤污染程度以及植被覆盖状况等生态环境因子的变化。





2 萤火虫的发光原理

在自然界中,存在多种能够发光的动物,这些动物之所以能够发光,主要依赖于它们体内所含有的特殊物质以及这些物质与氧的相互作用。萤火虫的发光现象是由其体内的“生物发光”的化学反应系统所驱动的。该系统主要由荧光素、荧光素酶以及腺苷三磷酸(ATP)等化学物质组成。如图3所示,在荧光素酶的催化下,消耗ATP,荧光素与氧气发生反应,产生激发态的氧化荧光素。当氧化荧光素从激发态回到基态时,会释放出光子,即在其腹部末端下方的发光器发出光[5]。萤火虫发出的光通常是黄绿色荧光,这是由于荧光素与氧气反应后产生的特定波长的光。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释放,只有极少部分以热的形式释放,这使得反应效率非常高,达到95%,这种高效的光能转换使得萤火虫能够长时间发光而不会过热灼伤。萤火虫是典型的夜行性昆虫,一般在夜晚活动,尤其是在黄昏和夜晚。它们对光线非常敏感,会根据光线的强度和方向进行移动和调整。他能够发出不同颜色的荧光,成虫利用物种特有的闪光信号来定位并吸引异性,完成求偶交配及繁殖的使命。当萤火虫受到刺激时,也会发出亮光作为警戒信号,同时也具有标识、诱捕等作用[6]。不同种类的萤火虫发光器形态差异显著,是分类的重要特征。

图3 鞘翅目生物发光反应[5]
(Science Advances,2020,6,49,5705)


萤火虫的发光原理是一种高效的生物发光反应,这种发光现象不仅为萤火虫提供了独特的生存优势,也为我们揭示了自然界中奇妙的生物化学过程。自然界还有许多其他发光生物,如图4所示。深海中的夏威夷短尾乌贼能够与发光细菌形成共生关系,通过控制细菌发出的光线来照明、寻找食物或进行防御;其他如亮乌贼、裸鳁、日本松球鱼和提灯鱼等也是发光的鱼类,它们的光亮可能用于引诱猎物、防御天敌或进行社交交流;如线形美螅、仙游水母、燐海鳃海和燐瓜水母等,它们的发光主要是由体内的发光蛋白质(如水母素)与氧反应产生的;在特定条件下(如被紫外线照射时),某些蝎子会发出明亮的蓝绿色荧光,但这种现象的真正原因和用途尚不完全清楚,等待未来的科学之星们去探索。

图4 水母等发光动物的发光行为图
(https://baike.baidu.com)





3 萤火虫面临的威胁与保护

随着人类活动的加剧,萤火虫面临着诸多威胁。主要包括栖息地破坏、光污染、农药使用以及过度捕捉等。这些因素导致萤火虫种群数量急剧下降,甚至在某些地区已经灭绝[7]。为了保护萤火虫及其生态环境,需要采取以下措施。加强对萤火虫栖息地的保护和管理,减少人类活动对其造成的干扰和破坏;限制夜间照明设备的使用范围和亮度,减少对萤火虫发光信号的干扰;推广生态友好型农业技术,减少农药的使用量和频率;提高公众对萤火虫及其生态环境的认识和保护意识,鼓励人们参与萤火虫保护活动。





4 结论

萤火虫作为自然界中的微型灯笼,以其独特的发光现象和重要的生态角色赢得了人们的喜爱和关注。随着人类活动区域的不断扩张,萤火虫越来越难以进入人们的视野,它们在某些地区甚至濒临着灭绝的风险。为了保护这一珍贵的生命奇迹,我们需要加强宣传,提高公众的环保意识,让萤火虫继续在夜空中闪烁出迷人的光芒。





参考文献


[1]周佳佳. 萤火虫 [J]. 东方娃娃·保育与教育, 2021, (04): 71-72.

[2]杨钰宁. 李白诗歌昆虫意象研究 [J]. 作家天地, 2024, (02): 7-9.

[3]曹成全,张毅,王义哲,何华. 萤火虫的研究、保护及开发利用进展 [J]. 环境昆虫学报, 2023, 45 (01): 1-22.

[4]Martín L. Zurita-García, Daniel Edwin Domínguez-León, Viridiana Vega-Badillo, Mireya González-Ramírez, Ishwari Giovanni Gutiérrez-Carranza, Geovanni M. Rodríguez-Mirón, Sara López-Pérez, Paulina Cifuentes-Ruiz, Miriam Aquino-Romero, Santiago Zaragoza-Caballero. Life cycle and description of the immature stages of a terrestrial firefly endemic to Mexico: Photinus extensus Gorham (Coleoptera, Lampyridae)[J].ZooKeys, 2022, 1104:29-54.

[5]Y Oba,K Konishi,D Yano,H Shibata,T Shirai. Resurrecting the ancient glow of the fireflies[J].Science Advances, 2020, 6(49):1-11.

[6]徐云华 ,马栩佳 ,宁炫怡等. 萤火虫 [J]. 中学生百科, 2023, (Z6): 76.

[7]詹志鸿. 重读《昆虫记》14 提着灯笼的“守夜人”——萤火虫 [J]. 科学大众(小学版), 2021, (11): 19-21.





审稿人意见




 

需要再优化文章文字,适当增加图片或视频。也可以拓展介绍一些其它发光生物。




作者:李唐

作者单位:西北师范大学

作者邮箱:245117229@qq.com

推荐人:莫尊理

指导老师:莫尊理

审稿人:卓峻峭

编辑:朱真逸



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