当把海水盛进瓶中时，它发出了火光-资讯-知识分子

当把海水盛进瓶中时，它发出了火光

2018/08/08

导读

自然界中的生物发光

当下次你再看到大海中的“火花”时，请记住，对我们来说，它们的存在意义重大。

撰文 | Catrin F. Williams（卡迪夫大学博士后研究员）

海面上闪耀着的点点光亮，紧紧地跟在船的后面，呈现出一片均匀的乳白色。当把海水盛进瓶中时，它发出了火光……

这是1832年1月6日，当达尔文乘坐的贝格尔号刚刚驶离特内里费岛海岸时，他在他的动物学笔记中写下的第一条内容。达尔文所看到的是会发光的海洋生物，闪烁的光是它们对物理干扰作出的反应。

生物发光

生物发光（Bioluminescence）是指生物体产生并发出光亮的现象，它成了达尔文的一个难题。他努力解释为什么这种现象会以一种看似随机的方式出现在不同的物种中。然而，我们现在知道，在陆地和海洋中，生物发光至少独立进化了40次。

达尔文并不是第一个注意到生物发光的人。约在公元前350年，希腊哲学家亚里士多德就观察到，生物发光是一种“冷”光，因为它不产生热量。研究人员发现，这种形式的化学发光会产生蓝绿色的光，这是由一种名为荧光素的化合物被一种名为荧光素酶的酶氧化所导致的结果。

据估计，超过75%的深海生物都能够自行发光。例如，鮟鱇鱼用类似鱼竿的生物性发光作诱饵，将猎物吸引到它们的大嘴附近。有趣的是，鮟鱇鱼的光实际上是由发光杆菌属产生的，这是一种在鱼体内与之共生的细菌。

在夜间活动的夏威夷短尾鱿鱼（Euprymna scolope）生活在浅水区，与另一种生物发光细菌，费氏另类弧菌（Aliivibrio fischeri）存在共生关系。到了夜晚，这些细菌开始闪耀出光芒，这样，这些短尾鱿鱼就能用放出的光在夜空中伪装自己。这种反光照策略就如同为自己披上了隐形斗篷。

夏威夷短尾鱿鱼（Euprymna scolope）（图源：National Geographic）

在黎明时分，短尾鱿鱼会从它的发光器中排出大约95%的发光细菌，并为剩下的5%提供足够的营养物质，以供它们全天的生长。到了黄昏时，这些发光细菌会又一次达到临界质量，这时它们要开始发出光亮了。

正是因为研究这类细菌，使得我们发现了一种被称为“群体感应”的微生物现象。“群体感应”是一种由费氏另类弧菌所使用的，被用来计算它的邻居的“化学语言”。这样做可以确保在短尾鱿鱼的光器官中具有足够多的细胞（通常为1千万/毫升）之前，不会浪费任何能量来启动生物发光基因。

在靠近海面的地方，生物发光通常是由一种叫做“夜光藻”（Noctiluca scintillans）的浮游生物产生的。这种微生物会因为外界的物理干扰而产生闪烁的光芒，这种干扰可以是海浪冲击海岸，或是在藻丛投入一块石头。由于外部刺激而出现的生物发光反应被描述为“防盗报警”效应。当捕食者要来攻击时，集体的光芒会使攻击者惊恐，同时还暴露了攻击者的位置，为更高阶的捕食者提供它们的行踪。

海边的生物发光（视频来源：Kris Williams/Youtube）

“天使之光”

纵观历史，人类已经利用生物发光发明了许多的巧妙方法。例如，发光的真菌被一些部落用来照亮穿越浓密丛林的路，而萤火虫则被矿工们用作早期的安全灯。也许是受到这些应用的启发，研究人员现在又开始将生物发光作为一种潜在的绿色能源。在不远的将来，传统的路灯可能会被发光的树和建筑物所取代。

现如今，来自费氏另类弧菌的生物荧光被用来监测水的毒性。当水暴露在污染物中时，细菌培养输出的光量会减少，这就代表水中可能存在污染物。

生物荧光甚至还在战争中扮演着某种角色。在1918年11月的第一次世界大战中，在生物发光生物体帮助下，盟军击沉了最后一艘德国的U型潜水艇。据报道，这艘潜艇在通过一片发光生物丛时，尾部留下了一道发光尾迹，从而被盟军追踪到。

除此之外，它还有保护作用。在美国内战中最血腥的夏伊洛（Shiloh）战役之后，一些受伤士兵的伤口开始发光。这些发光的伤口能更快更干净地愈合，这种现象被称为“天使之光”。这种光芒很可能是由一种土壤细菌，发光杆菌（Photorhabdus luminescens）产生的。这种细菌可以释放抗菌化合物，从而保护士兵免受感染。

夏伊洛战役后，一些受伤士兵的伤口开始发光。（图源：Amino）

或许最令人兴奋的是生物发光在医学上的应用。2008年，诺贝尔化学奖被授予绿色荧光蛋白（GFP）的发现和研发。绿色荧光蛋白自然存在于晶莹剔透的维多利亚多管发光水母（Aequorea victoria）中，与之前描述的生物发光机制有所不同的是，它具有荧光性。这意味着在发出特有的绿光之前，蛋白质需要被蓝光激发。自发现以来，绿色荧光蛋白已通过基因技术植入各类细胞甚至是动物之中，以试图弄清细胞生物学和疾病动力学的许多重要方面。