ホタルはどうやって光るのでしょうか？事前に請求されましたか？

制作：中国科学普及協会

著者: Chongyan Chongyu チーム

プロデューサー: 中国科学博覧会

夏の夕暮れ時には、渓流の草や茂みの間に小さな光が浮かんでいるのをよく見かけます。彼らは、スポットライトを求めてスターたちと競い合っているか、あるいは夜の散歩でランタンを持っているカップルのようです。 「小さなランプ」を小さな網で覆ってみると、硬い殻に覆われた小さな甲虫であることがわかります。腹部の端がわずかに蛍光を発することから、人々はこの虫に鮮やかな名前「ホタル」を付けました。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ホタルは、昆虫の大科である甲虫目ホタル科に属します。一般的にホタルの長さは数ミリメートルですが、最大のものは17ミリメートルを超えることもあります。ホタルは魔法のような美しい昆虫です。細長くやや平たい体は青緑色の光沢がある。前胸板は比較的平らで幅が広く、頭部を覆うことが多い。頭部にある一対の小さな歯を持つ触角は11節に分かれています。 3対の細い這う脚。オスはよく発達した鞘翅を持ち、後翅は扇状で、通常は前翅の下に折り畳まれており、飛ぶときだけ広げられる。メスは羽が短いか、羽がありません。いくつかのグループは群れをなしており、ホタル科のすべての種が光を発できるわけではないことに注意する必要があります。ホタルは生涯を通じて、卵、幼虫、蛹、成虫という 4 つのまったく異なる段階を経ます。完全変態する昆虫の一種です。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ホタルの発光器官は、雌の昆虫の腹部の最後の 3 つの節に生えています。外から見ると銀灰色の透明なフィルムの層のように見えますが、これが蛍光顔料です。このフィルムを剥がして拡大鏡で観察すると、何千もの光る細胞が見えます。その下には反射層があり、発光細胞の周りには小さな気管と密集した繊細な神経枝があります。発光細胞の主な物質はルシフェリンとルシフェラーゼです。ホタルは動き出すと呼吸が速くなり、酸素を大量に取り込みます。酸素は小気管を通って発光細胞に入ります。ルシフェリンが細胞内で触媒として働くルシフェラーゼと相互作用すると、ルシフェリンが活性化され、生物学的酸化反応が起こり、ホタルの腹部が明るい緑色の光を発します。ホタルの呼吸のリズムはそれぞれ異なるため、時には明るく、時には暗くなる「閃光信号」を作り出します。

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ホタルのルシフェリンは無尽蔵ではないのに、ホタルが繰り返し光り続けるエネルギーはどこから来るのでしょうか？エネルギーは、すべての生物にエネルギーを供給する物質であるアデノシン三リン酸（略して ATP）から得られることが判明しました。ホタルは体内にこのエネルギー源を持っているため、連続的に光を発するだけでなく、より高い明るさで光を発することができます。発光構造だけでは光を発するのに十分ではなく、脳と神経系による調節と制御も必要です。実験をしてホタルの頭を切り落とすと、発光の仕組みは機能しなくなります。メスの昆虫の腹部の2番目と3番目の節は光って幅の広い帯のように見えますが、最後の節は光の点のみを形成し、体の節の両側と背面から見ることができます。オスの昆虫の腹部の最後の節だけが光を発することができ、これはメスの昆虫の腹部の最後の節と同じであり、やはり 2 つの光点として現れます。

ホタルの卵、幼虫、蛹はすべて光ります。卵は産まれたばかりのときは光りませんが、孵化が近づくと、卵殻の外側から2つの光点が見えます。実験により、これは卵殻内の幼虫の活動によって引き起こされることが判明しており、実際に光を発しているのは形成された幼虫です。幼虫の腹部の端にある最後から2番目の節に発光器官が見られますが、後ろから見ると2つの光点しか発しません。蛹化後4～5日で、蛹の腹部の端の両側に光点が見えるようになりますが、蛹は泥と砂でできた繭室の中にいるので、光は見えません。

ホタルは発光効率が非常に高く、ほぼすべての化学エネルギーを可視光に変換することができ、これは現代の電気光源よりも数倍から数十倍も効率的です。ホタルの発する光は、体内の化学物質を光源としているため、明るいものの熱を含まず、磁場も発生しません。人々はこの光を「冷光」と呼びます。ホタルの光は放射熱を運ばないので、物理学者はホタルの光は理想的な光であると考えています。なぜなら、何かが光を発すると、火のついたろうそくのように熱も発生するからです。たとえば、電球を点灯すると非常に熱くなります。しかし、人間は熱を発生させるのに光を必要としません。ホタルのように熱を発生しない光を作り出すことができれば理想的です。その後、人々はホタルの発光原理を模倣し、基本的にこの要件を満たす蛍光灯（蛍光ランプ）を発明しました。

科学の発展に伴い、蛍光の応用範囲はますます広がっています。蛍光は食品中の細菌含有量の検査に使用され、蛍光灯は爆発性ガスのある鉱山の照明に使用され、弾薬庫の表示灯や水中作業用の発光灯として使用されます。