不插電的發光生物

趙漢斌

你是否想象過穿越到電影《阿凡達》的世界？暗夜里，不插電，不接線，真菌、植物以及大量水生生物發出幽光……2021年，一則蘑菇會發光的新聞引來眾多網友的圍觀。這種來自中國科學院西雙版納熱帶植物園的蘑菇，白天看上去就是平平無奇的乳白色，到了夜晚，則會發出綠色的熒光，就如同進入了神奇的阿凡達世界。人們不禁發出一連串追問：“蘑菇為什么會發光？”“還有哪些生物會發光？”“發光生物可以為科技發展帶來哪些靈感？”……

人類已知的發光真菌至少有97種

泰勒·洛克伍德是美國著名的蘑菇攝影師。他怎么也沒想到，2013年8月，自己在中國云南的西雙版納熱帶植物園參加“數碼技術監測雨林動態培訓班”期間，竟有一次難忘的偶遇。

“我在吃完晚飯回家的路上，穿過一片竹林時，遇到了發光的蘑菇。它的明顯特征是具有側柄和寬闊的球狀孔。”泰勒·洛克伍德說。然而，直到那年夏天之前，科學界顯然還不知道這個屬的膠孔菌會發光。

“這種拇指大小的菌菇，只會長在百竹園上一年被砍掉而腐爛的竹子根部，晚上會發出綠色的光。我們觀察發現，在最初的菌絲階段，以及末期子實體成熟階段，它的光特別亮。”西雙版納熱帶植物園環境教育中心科普專家劉光裕介紹，這種菌暫定名為“東京膠孔菌”——這里的東京與日本無關，而與越南北部舊稱“東京”有關。它屬于孔菌類群，可分泌一種膠質，螞蟻、蝸牛都愛吃，它的孢子也比常見的真菌大。子實體之所以會在末期發出醒目的光，可能是為了吸引節肢動物代為傳播孢子。但到目前為止，人們對它的了解還很少，這是不是一個新種，也還沒有完全確定。

2018年，中科院昆明植物研究所木本資源發掘與農林復合系統構建團隊的許建初研究組與印度科學家合作，在印度東北部開展了多次聯合考察。考察隊在梅加拉亞邦一處竹林枯死的竹莖上，也發現了一種羅里多菌屬的發光真菌。許建初研究員介紹，發光真菌依靠螢光素酶而發光，在有氧的情況下，螢光素被酶催化而發生反應時，真菌的子實體或菌絲就會發光。

由于在醫學、農業與生態環境傳感器等方面的廣泛應用，生物發光真菌一直受到人們的極大關注。此前的研究認為，真菌的發光特性是生態適應的體現，主要是為了吸引昆蟲，保護自己免受食肉動物的侵害，并在孢子散布機制方面比其他真菌擁有更大優勢。

據報道，澳大利亞有一種被稱為“幽靈真菌”的發光真菌，同樣具有生物發光能力，它能產生螢光素的化學物質，在發生化學反應時，會以綠色熒光的形式釋放能量。“有人認為這種光可以吸引那些能夠幫忙傳播孢子的昆蟲，不過目前未有定論。”報道還指出，人類很久以前就已經認識了發光真菌，早在2000多年前，古希臘哲學家亞里士多德就曾在著作中描述過此類真菌。

許建初介紹，發光真菌的研究、利用潛力很大，他的團隊不僅在繼續研究早期發現的發光真菌，同時還在云南的西雙版納、麗江等地相繼發現會發光的真菌。截至目前，全球已知至少有97種生物發光真菌類群。

由表及里對發光生物的認識逐漸深入

發光生物是自然界的奇妙創造，除了真菌和細菌，植物、動物中都有一些會發光的類群。從細菌到魚類，海洋中就有幾千種發光生物。海洋生物發光，是它們的一種必備“生存技能”——生物發光有的可以被同類識別，有的可以作為釣餌，有的則是傳情的信號，有的用于迷惑“敵人”。

據文獻報道，在牙買加的牡蠣灣和波多黎各的一些地方，人們常會看到海上的磷光現象，這是發光植物甲藻聚集的結果。在海水的擾動或沖擊作用下，一片甲藻能發出每平方厘米0.1微瓦的光芒，黑夜中甲藻聚集在一起，發出的光足以引人注目。報道分析，甲藻是多種浮游小動物的餌料，聚集的甲藻在激蕩的海水中發光，會讓浮游小動物不能安心進食，因而可以減少甲藻被捕食的機會。此外，光痕也可以暴露這些小動物的位置，使魚蝦更容易捕獲它們，從而間接幫助了甲藻。

海洋中的發光水母早已為人們熟知，其發光蛋白的原理已見大量的科學報道。科學家發現，許多水母都能發光。不同于其他動物的發光系統，水母發光全仗一種叫埃奎林的蛋白質，當其遇到鈣離子時，就能發出較強的藍色光。據稱，每只水母平均只含有50微克的埃奎林，發出的光能卻相當于292.6千焦。至于水母為什么能貯藏如此多能量，在很大程度上還是個謎。

在漆黑的海洋深處，時常出現游動的點點“燈火”，給寧靜的海底世界帶來生命的信息。在眾多發光魚類中，燈籠魚只是其中一種。它們身上有能發出晶瑩奪目光澤的圓形小發光器，因發光器形似燈籠而得名。發光器發出紅、藍、紫等各種顏色，遠遠望去，熒光閃閃。燈籠魚發出的光可用來誘捕食餌，迷惑天敵，引誘配偶，以利于集群生活。

陸地上“掛燈籠”的螢火蟲，是發光生物中的明星。“生物熒光是進化生物學最有趣的現象之一，主要用于警戒和求偶交流，因此，自達爾文時期甚至更早，具有生物熒光的類群就吸引著眾多生物學家。”中國科學院昆明動物研究所實驗師董志巍說。螢火蟲是最著名的陸生發光生物，其中一些屬因其有限的地理分布和種群稀有性，使其分子系統發育關系仍有諸多不確定性，限制了人們對生物熒光起源與進化這一有趣現象的探討。

董志巍與同事劉貴春等與西雙版納熱帶植物園陳興等合作，利用二代基因組淺層測序，對昆明動物研究所自2002年以來收集的共計15個屬23種的部分亞洲螢火蟲樣品進行測序，獲得線粒體基因組和核糖體DNA，其中1 1屬2 2種螢火蟲的線粒體基因組和核糖體DNA 均為首次報道。深入研究表明，螢火蟲的共同祖先已具有成蟲生物熒光。這些工作也完善了亞洲螢火蟲的系統發育研究，并為深入揭示全世界螢火蟲的系統發育關系提供了重要數據。

發光生物的應用研究前景廣闊

生物發光作為一種自然現象，最先應用于海洋捕撈。漁民根據不同的“海火”判別魚群，提高捕魚的效率。“海火”還可以為航海者指出暗礁、淺灘，避免海難事故。

生物發光的原理，還能用于新型光源的制造，如現在使用的熒光燈和各種節能燈。生物光不產生熱量，如果這種光源在易爆物質的貯存庫和充滿易燃易爆氣體的礦井里，是最安全的照明設施。生物光光源的可應用場景還有很多很多，亟待開發成功。

另據2020年5月6日的一則報道稱，俄羅斯科學院生物有機化學研究所和莫斯科大學生物系的科研人員利用基因移植法，將發光蘑菇的幾個基因轉移到煙草的DNA 中，首次培育出可以在夜間發光的植物。莫斯科大學生物學植物園經理弗拉基米爾·丘布教授稱，多年來，俄科研人員一直試圖從螢火蟲、細菌中移植發光基因來培育發光植物，但久未獲得成功。此前，他們在研究蘑菇等發光生物時發現，生物發光是由極精微的反應引起的，而在植物中可以找到這種發光所需的物質。在后來的實驗中，俄研究人員將發光蘑菇的幾個基因轉移到煙草DNA 中，便培育出了發光亮度比蘑菇高得多的煙草植物。

弗拉基米爾·丘布說，研究發現，轉基因植物發出的光變化很大，植物的幼枝，尤其是花朵發出的光更亮，還能不斷變化，可以在植物的葉子上顯示出奇異的圖案和波浪，白天生物發光的強度也會變化。他還稱，植物穩定發光不會產生有毒物質，也不會影響植物正常生長和發育。

研究發現，在熄燈后，煙草的發光亮度會迅速增加。如果幾天內燈光一直關閉，植株則會根據自身的生物鐘持續發光。這表明，生物發光的機制反映了植物的代謝速率，也包括植物對機械損傷方面的反應。如果用刀切割植株，可以用特殊方法發現傷口位置怎樣開始發光，植物的“疼痛”信號迅速通過神經開始傳播。“研究發光植物的機理，使我們發現意想不到的現象：如果傷害了植物，它也會像受傷的人一樣感到疼痛。”弗拉基米爾·丘布說。

有專家指出，如果把在煙草植物上取得的成果轉移到花卉上，能研發出許多可用來裝飾房屋和公共場所的發光植物，因此這項科研成果具有很好的商業前景。

此外，研究人員目前已經分離出一些發光細菌，正通過實驗室進行培養。因有毒的化學物質、重金屬離子、抗生素、化學治療劑、農藥等會影響細菌發光，所以科研人員用發光細菌作為敏感指標物，來測定有毒有害物的含量。一些醫院的研究人員，也正在使用細菌生物光測量能安全有效殺死腫瘤的藥物劑量。

而借助熒光蛋白的發光屬性，自2018年起，北京大學李毓龍實驗室就開發了可基因編碼的一系列監測神經遞質的熒光探針，即GRAB探針系列，其中包括多巴胺探針。李毓龍介紹，他們創新的方法，最重要、最有趣的是“讓細胞自己發光”。他們成功研發出經過優化的第二代綠色熒光探針，熒光更亮，結合神經遞質后，信號變化更為顯著。此外，新型紅色熒光探針可實現對多巴胺的監測，從先前的單一綠色熒光，拓展到多色熒光。因此，新型探針可以更容易地與神經科學領域的其他重要技術——如鈣成像、光遺傳學等結合使用。新型探針也為相關藥物篩選優化提供了新的可能。

本文內容來自《科技日報》2021年8月27日