神奇的發(fā)光生物

無(wú)奇不有的大自然總能造就讓我們眼前一亮的生物，發(fā)光生物就是其中之一。這些種類繁多的發(fā)光生物猶如點(diǎn)點(diǎn)繁星點(diǎn)綴著我們身邊的夜空、大海和森林……給地球增添了別樣美麗的風(fēng)景。

自然界中有哪些生物會(huì)發(fā)光？它們?yōu)槭裁茨馨l(fā)光？下面就讓我們認(rèn)識(shí)一下這些發(fā)光生物。

發(fā)光昆蟲

提起發(fā)光生物，人們首先想到的就是夏夜草叢中飛舞的“小星星”—螢火蟲。螢火蟲是人類最早發(fā)現(xiàn)的發(fā)光生物，古時(shí)候就有車胤囊螢夜讀的故事。螢火蟲（拉丁學(xué)名為L(zhǎng)ampyridaee）屬鞘翅目螢科，其中能發(fā)光的約有2200種，它們的幼蟲腹部下方有專門的發(fā)光器官，當(dāng)氧氣進(jìn)入發(fā)光器官后，會(huì)與其內(nèi)的熒光素作用，從而發(fā)出不同頻率的光。

研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的螢火蟲發(fā)光的目的各不相同：端黑螢通過(guò)發(fā)光，可以干擾、警示天敵；妖掃螢屬的螢火蟲可以通過(guò)發(fā)光設(shè)置誘捕獵物的陷阱，從而提高捕食的效率；不過(guò)，大多數(shù)螢火蟲是通過(guò)發(fā)光行為將附近的個(gè)體聚集起來(lái)聯(lián)歡，以便增加交配的機(jī)會(huì)。例如，雄性藍(lán)光螢火蟲在夜幕降臨后的16～27分鐘開始發(fā)光，每次發(fā)光0.2秒，間隔2.7秒后重復(fù)發(fā)光。此時(shí)，如果有哪只雌性藍(lán)光螢火蟲對(duì)這只“帥哥”感興趣，便會(huì)在雄蟲發(fā)光1.5秒后做出相同回應(yīng)，之后，雄蟲會(huì)很快飛過(guò)來(lái)與雌蟲“牽手”，并進(jìn)一步“交往”。

螢火蟲究竟是怎樣發(fā)光的呢？原來(lái)，螢火蟲尾部的發(fā)光細(xì)胞中含有熒光素和熒光素酶，在酶的作用下，熒光素和氧氣被催化成氧合熒光素，氧合熒光素會(huì)發(fā)出不同波長(zhǎng)的光，于是，自然界中就出現(xiàn)了有的螢火蟲發(fā)綠光、有的發(fā)橙光、有的發(fā)黃光的情況。2024年2月，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)付新華教授公布了一項(xiàng)關(guān)于螢火蟲成蟲發(fā)光器發(fā)育及發(fā)光調(diào)控的分子機(jī)制的研究成果。他發(fā)現(xiàn)熒光素酶由Homeobox家族基因控制，其中最關(guān)鍵的兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子基因?yàn)锳1Adb-B和A1unc-4。兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子通過(guò)基因互作，啟動(dòng)并調(diào)控?zé)晒馑孛福簿褪前l(fā)光蛋白的表達(dá)。讓其中任何一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子“沉默”，都會(huì)導(dǎo)致螢火蟲不再發(fā)光甚至“黑化”。

此外，螢火蟲發(fā)光還需要一種叫ATP（三磷酸腺苷）的物質(zhì)提供能量。與傳統(tǒng)的白熾燈泡的發(fā)光機(jī)制不同，螢火蟲發(fā)出的光被稱為冷光源，它們可以將超過(guò)90%的能量用于發(fā)光，剩下的不足10%的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。受到螢火蟲的啟發(fā)，科學(xué)家通過(guò)人工方式合成熒光素，再加入從發(fā)光細(xì)胞里分離出的熒光素酶制成人工冷光源，以提高物體的發(fā)光效率。現(xiàn)實(shí)中，有些化妝品中就添加了經(jīng)過(guò)人工改造的熒光素類似物，以利用其發(fā)光效應(yīng)，讓使用者的皮膚看起來(lái)更有光澤、更通透。

除了螢火蟲外，昆蟲家族中還有雙翅目蕈蚊、彈尾目跳蟲、鞘翅目的叩頭蟲和半翅目的蠟蟬能夠發(fā)光，其發(fā)光原理也與螢火蟲類似。

發(fā)光蘑菇

早在2000多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德就記錄過(guò)自己在邁錫尼看到夜晚的草地上出現(xiàn)點(diǎn)點(diǎn)“星光”。亞里士多德將這些“星光”稱為“冷火”，它們來(lái)自一種發(fā)光真菌。17世紀(jì)，一位荷蘭醫(yī)生注意到印度尼西亞居民走夜路時(shí)會(huì)把能發(fā)出藍(lán)色光的蘑菇作為“手電筒”。2009年，生物學(xué)家丹尼斯·德斯賈爾丁在中美洲的熱帶雨林中一次性發(fā)現(xiàn)了7種可以發(fā)光的蘑菇。2013年的一個(gè)夜晚，來(lái)自美國(guó)的蘑菇攝影師泰勒·洛克伍德在我國(guó)云南西雙版納的叢林中散步時(shí)，不經(jīng)意地看到眼前的草地上儼然鋪了一層發(fā)光的“綠毯子”。洛克伍德走近觀察，才發(fā)現(xiàn)草叢中星星點(diǎn)點(diǎn)的蘑菇正發(fā)出柔和的綠色熒光。這些蘑菇比成人的指甲蓋稍大，外表布滿密密麻麻的球狀孔，學(xué)名膠孔菌。2014年，人們?cè)谌毡镜木胖輱u也發(fā)現(xiàn)過(guò)類似的發(fā)光真菌，當(dāng)?shù)厝私o它們起了個(gè)可愛(ài)的名字—“綠色佩佩”，并且建立了一個(gè)以發(fā)光蘑菇為主題的公園吸引游客。

目前，全世界有記載的發(fā)光真菌大約有97種，且發(fā)光原理與昆蟲類似，也是通過(guò)氧化熒光素產(chǎn)生冷光源。令科學(xué)家不解的是，蘑菇為什么要發(fā)光？會(huì)發(fā)光的蘑菇難道不是更容易招致昆蟲或爬行動(dòng)物的捕食嗎？沒(méi)錯(cuò)，這種發(fā)光現(xiàn)象的確更容易引來(lái)捕食者，但捕食行為同樣加快了其孢子的傳播，促使它們繁殖下一代。

可愛(ài)的發(fā)光蘑菇也沒(méi)有逃過(guò)分子生物學(xué)家的法眼。2020年，歐洲科學(xué)家就克隆出蘑菇中的發(fā)光基因，并將該基因通過(guò)質(zhì)粒載體導(dǎo)入到煙草的葉肉細(xì)胞中，得到了可以發(fā)光的煙草。假以時(shí)日，我們的生活中或許會(huì)誕生發(fā)光玫瑰、夜光薔薇等新型觀賞植物。

夜光菌

非洲草原上生長(zhǎng)著一種“妖魔樹”：這種樹在白天與其他植物沒(méi)什么區(qū)別，但到了夜晚，它的樹干、樹枝就會(huì)發(fā)出閃爍的熒光，將四周照亮。起初，當(dāng)?shù)厝艘詾檫@種樹之所以會(huì)發(fā)光，是由于神靈降世，紛紛跑到樹周圍跪拜祈禱。后來(lái)，植物學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這種樹發(fā)光的原因并非源自植物本身，而是由寄生在樹上的一種細(xì)菌—假蜜環(huán)菌所致，這種微生物以樹木的纖維素和木質(zhì)素為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，同時(shí)合成熒光素，到了夜晚，在熒光素酶和氧氣的共同作用下，假蜜環(huán)菌就會(huì)發(fā)出藍(lán)綠色熒光。

如果說(shuō)人們只能在陸地上偶爾看到發(fā)光生物，那么作為生命起源地的海洋則是各種發(fā)光生物的聚集地。初夏時(shí)節(jié)的黃昏，人們時(shí)常能在海邊看到波浪將一條時(shí)明時(shí)暗的藍(lán)色光帶緩緩?fù)葡蚝Ｕ驹诟咛幱^察，這條光帶仿佛給大海戴上了藍(lán)色的珍珠項(xiàng)鏈。將大海裝飾得如此美麗的藍(lán)光究竟是如何產(chǎn)生的呢？原來(lái)，這些藍(lán)光是由一種叫夜光藻的單細(xì)胞生物發(fā)出的。夜光藻是藍(lán)細(xì)菌的一種，廣泛分布在世界各海域，它們通常含有葉綠素和熒光素，白天在陽(yáng)光下進(jìn)行光合作用產(chǎn)生氧氣，供自身和其他生物呼吸；夜晚，剩余的氧氣會(huì)將熒光素氧化，發(fā)出藍(lán)色或淺綠色的光，給海濱增添了一抹夢(mèng)幻色彩。當(dāng)海浪拍打沙灘、巖石的時(shí)候，蜿蜒的藍(lán)色光帶仿佛一串串淚痕，人們形象地稱之為“藍(lán)眼淚”。

對(duì)于游客來(lái)說(shuō)，“藍(lán)眼淚”是難得一見(jiàn)的美景；對(duì)于海洋來(lái)說(shuō)，“藍(lán)眼淚”的出現(xiàn)卻未必是件好事。如果這些夜光藻繁殖過(guò)快，會(huì)急劇消耗海水中的氧氣，導(dǎo)致魚蝦和浮游生物大量死亡。生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，夜光藻類發(fā)光的顏色和光質(zhì)取決于海洋中的氧氣、鎂離子和鈣離子等的濃度。而今，人們常將夜光藻應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。檢測(cè)人員根據(jù)水體發(fā)光的顏色、光質(zhì)和波長(zhǎng)等信息，可以快速判斷出受其污染的程度。

發(fā)光水母

1962年，生物學(xué)家下村修（Osamu Shimomura）在舊金山灣淺水區(qū)偶然看到一個(gè)發(fā)著綠光的小生物，捕捉上來(lái)才發(fā)現(xiàn)那是一種名為維多利亞多管發(fā)光水母（拉丁學(xué)名為Aequorea victoria）的腔腸動(dòng)物。起初，下村修斷定該水母體內(nèi)必定有一種和其他生物相似的熒光素類物質(zhì)，所以才會(huì)發(fā)光；可是，下村修進(jìn)行了多次提取分離實(shí)驗(yàn)后，居然一無(wú)所獲。為了探究水母發(fā)光的真相，下村修多次冒著生命危險(xiǎn)下海捕撈這種水母，并進(jìn)行分離實(shí)驗(yàn)。功夫不負(fù)有心人，1974年，下村修分離出這種珍貴的物質(zhì)—綠色熒光蛋白（Green Fluorescent Protein，簡(jiǎn)稱GFP）。通過(guò)測(cè)序分析，下村修發(fā)現(xiàn)這種蛋白是由綠色熒光蛋白基因控制編碼的，它由238個(gè)氨基酸縮合成一條長(zhǎng)鏈并折疊成圓筒狀，其中第65～67位的絲氨酸、酪氨酸和甘氨酸經(jīng)過(guò)脫氫環(huán)化后形成發(fā)光基團(tuán)，在藍(lán)光或紫外光的刺激下就可以發(fā)出綠色熒光。1994年，科學(xué)家馬丁創(chuàng)造性地將GFP基因進(jìn)行“移植”，得到了可以發(fā)光的大腸桿菌和秀麗隱桿線蟲。一年后，華裔科學(xué)家錢永健對(duì)野生型的熒光蛋白進(jìn)行人工改造，得到了發(fā)光效果更好的GFP。為了表彰下村修、馬丁和錢永健3位學(xué)者在綠色熒光蛋白研究方面的突出貢獻(xiàn)，諾貝爾委員會(huì)將2008年諾貝爾獎(jiǎng)的化學(xué)獎(jiǎng)授予3人。

今天，綠色熒光蛋白及基因被廣泛用于醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)研究領(lǐng)域。比如，以前通常采用藍(lán)白斑篩選法進(jìn)行質(zhì)粒載體轉(zhuǎn)化受體細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)，但這種方法錯(cuò)誤率高；現(xiàn)在將GFP基因克隆到專門的Litmus28載體上再進(jìn)行轉(zhuǎn)化，接著將細(xì)胞放到紫外光下觀察，如果細(xì)胞發(fā)出綠色熒光，則說(shuō)明載體上的目的基因連同GFP基因轉(zhuǎn)化成功，如果細(xì)胞未發(fā)光，則說(shuō)明轉(zhuǎn)化失敗。科學(xué)家還可以將綠色熒光蛋白導(dǎo)入發(fā)育的組織或腫瘤，以便精準(zhǔn)地觀察組織細(xì)胞發(fā)育（或癌變）過(guò)程中細(xì)胞的分化和遷移情況。

自然界中會(huì)發(fā)光的生物遠(yuǎn)不止上文提到的這些，其發(fā)光原理不同、用途各異。隨著研究的深入，未來(lái)，這些發(fā)光生物將給我們的生活和世界帶來(lái)更多的可能。

【責(zé)任編輯】趙 菲