生物熒光傳奇

方陵生

20世紀90年代末，美國馬薩諸塞州伍茲霍爾研究所的海洋生物學家斯蒂文·哈德克拜訪了他的同行下村修。他們都對研究生物熒光具有濃厚的興趣。生物熒光是生物體體內(nèi)的化學反應所產(chǎn)生的光，最有名的發(fā)光生物是螢火蟲，此外，一些真菌和許多海洋生物也會發(fā)光。

哈德克回憶道，在他和下村修的那次會面時，下村修從一個瓶中倒出了一把像是芝麻粒樣的東西，然后灑了些水在上面，再放在手掌中揉搓了一下，然后關上了燈……奇跡出現(xiàn)了——張開的手掌中出現(xiàn)熒熒藍光，仿佛手里捧著一群童話世界里的小精靈。

這些像芝麻粒的發(fā)光體實際上是一種叫作“介形蟲”的微小甲殼類動物的“干尸”。二戰(zhàn)期間，日軍收集了數(shù)量龐大的這類海洋生物。其中的東京灣海螢（海螢火蟲）可發(fā)出幽冷藍色熒光，既可為士兵們照亮查看海圖、互相通信，又不會像燈光照明那樣引起敵方的注意。這是一種簡單而容易獲取的光源，只要加點水就行，非常方便，不需要任何電池。下村修當時展示的浮游生物已經(jīng)風干了很多年，但只要加點水進去，它們?nèi)匀荒軌虬l(fā)出幽幽的藍色冷光。

迷人的生物熒光

哈德克被這種發(fā)光生物迷住了。他從下村修這里要了一部分介形蟲，并帶回了他在加利福尼亞蒙特利灣水族館研究所的實驗室。他將它們放在一個和香料罐差不多大的小瓶里。他很少打開，只測試過五六次。在他心情好的時候，就會將他的“小神燈”從架子上拿下來，召喚那幽冷縹緲的光芒。

生物熒光為什么能讓人如此著迷？畢竟，我們今天已經(jīng)擁有了無處不在的大量光源，每天早上，晨曦初現(xiàn)，一束束光線從樹梢和屋頂后面升起，升得高過飛鳥，高過大山，那就是從東方噴薄而出的金色陽光。陽光潑灑在火陸和海洋上，籠罩在森林的樹冠上，匯聚在山谷和沙漠中，飛掠過城市和農(nóng)莊，溜進我們的房間，滲透到我們的皮膚下，穿過我們的視網(wǎng)膜，照亮我們的心田。光代表了神圣和超自然，人類社會文化中都有關于光的神秘故事，如神、天使、仙女、精靈和圣徒，都被賦予了神秘的光環(huán)，但是，太陽的光源離我們很遙遠，且只有白天才有陽光。

雖然我們不能直接召喚陽光，但即使是在沒有陽光的日子里，或者是在太陽落山之后的夜晚，我們也可以用其他方式來產(chǎn)生光和控制光。早期人類馴服了火，讓夜晚的火堆帶來光和熱;后來又發(fā)明了電，讓電力為我們帶來光亮，用燈光裝點夜的風景，只要輕按一下開關，就能讓豎立在街道上的燈柱都亮起來。如今，甚至還有人為了尋求新奇刺激，在自己的皮膚下植入發(fā)光二極體，創(chuàng)造了逆光文身的奇特效果……

盡管人類發(fā)明了許多發(fā)光技術(shù)，但我們從來都無法擁有像介形蟲或螢火蟲的那種天然發(fā)光的能力。它們才是真正的“發(fā)光大師”——光，以我們未能知曉的方式被編織進入它們的生物體中。特別是熒光生物，它們?nèi)绱藦姶蟮淖層袡C體發(fā)光的能力，對于我們來說簡直是一座難以攀登的高峰。

傳奇故事

生物熒光是一種我們難以企及的自然力量。幾千年來，人們?yōu)槠錈o法抗拒的魅力所吸引，將生物熒光進行了許多巧妙的應用：羅馬時期，人們將一種叫作“夜光蟲”的發(fā)光水母的黏液涂抹在手杖上，可以兼作照明的火炬用;17世紀末，印度尼西亞土著民族在黑暗的森林中行走時，將生物發(fā)光菌用作手電筒;19世紀前，安全燈還沒有發(fā)明，礦工們往往攜帶著滿瓶的螢火蟲或爬滿了發(fā)光細菌的干魚皮進入黑暗的地下坑道，當作“礦燈”使用，以避免明火進入地下可能導致的瓦斯爆炸。

后來，人們又發(fā)現(xiàn)了介形類和其他微小的發(fā)光海洋生物，但在之前很長的一段時期，一直都沒有人知道這些微小生物的存在。早期的海洋探險家們看到船只周圍和船槳上的熒熒光斑，或波光粼粼的海水區(qū)域，常常感到困惑不解。人們嘗試著對這些現(xiàn)象做出的解釋，更接近于充滿詩意的描繪而不是科學的真相。在當時的許多人看來，水中的熒光是與火相類似的東西。古時候的航海人曾這樣描述道：“海水被攪動時，可以看到水中閃耀著熾烈火星?！睙o獨有偶，17世紀的法國哲學家笛卡兒也將水中看到的閃閃光點比喻為“擊打火石時產(chǎn)生的火焰”。1688年，傳教士和數(shù)學家蓋伊·塔查德在一次前往暹羅的海上航行途中描述道：“灑在海面上的陽光與海水中閃閃的波光交相輝映，渾然一體?！?/p>

1753年，科學家、發(fā)明家本杰明·富蘭克林推測，水中有一些“極其微小的微生物”在水中產(chǎn)生了可見光。與此同時，配備了早期顯微鏡的一些博物學家也證實了富蘭克林的預感是正確的：海洋里閃耀的生物熒光來自我們?nèi)缃穹Q之為“浮游生物”的一種微小的“海洋昆蟲”。20世紀初，這些“發(fā)光浮游生物”開始被世界上的一些軍事力量所關注，并被運用于人類的戰(zhàn)爭之中。

當船只通過大群發(fā)光浮游生物時，會在兩邊船舷和船尾帶起一片閃著綠色和藍色光芒的波紋漣漪，這些討厭的“聚光燈”有時會給航行中的海軍艦隊帶來麻煩，尤其是在需要隱形的時候。1918年，第一次世界大戰(zhàn)期間，一艘英國艦艇在西班牙海岸附近擊沉一艘德國u形潛水艇，就是因為發(fā)現(xiàn)了海水中被擾動的浮游生物產(chǎn)生的光。第二次世界大戰(zhàn)和冷戰(zhàn)期間，海軍開始研究如何利用生物發(fā)光現(xiàn)象追蹤潛艇和魚雷。如今，美國海軍仍在繼續(xù)進行生物光的研究，試圖開發(fā)一種既能探測到敵方目標，又能防止己方行動被意外暴露的檢測生物熒光的水上機器人。

1954，海洋生物發(fā)光曾拯救了一位美國軍人的生命。當時，未來的阿波羅13號宇航員詹姆斯·洛弗爾還是一名戰(zhàn)斗機飛行員。他在日本沿海附近執(zhí)行一次訓練任務時遇上了暴風雨。座艙內(nèi)的儀表盤突然短路失效，所有的指示燈和表盤都熄滅了，他當時無法依靠現(xiàn)代科學技術(shù)將自己帶回航空母艦了。危急之中，他在一片黑暗里注意到在海中閃爍的綠色條紋，很快意識到這是航空母艦的發(fā)光尾跡。在那條生命之光的導引下，他終于準確、安全地降落在了航空母艦上。

榮獲諾貝爾獎

1955年，下村修加入了名古屋大學的一個實驗室的研究，負責從介形類中提取有機化合物熒光素，并擬確定其精確的分子結(jié)構(gòu)。他從此開始了最終將改變生物發(fā)光生物學領域的研究。今天，科學家們已經(jīng)知道海洋中許多發(fā)光生物體內(nèi)有一種酶，叫作熒光素酶，可促進熒光素和氧之間的化學反應，從而產(chǎn)生生物熒光。但在當時，科學家還沒有完全理解它是如何發(fā)生的，這還是一個未知的謎。10個月后在一次實驗中，下村修成為了成功分離出熒光素晶體的第一人，邁出了研究其結(jié)構(gòu)的關鍵一步。

20世紀60年代，下村修在普林斯頓大學繼續(xù)生物熒光的研究，在那里開始對一種叫作“維多利亞的多管發(fā)光水母”進行了研究。下村修和他的同事收集了大量維多利亞水母標本，提取了少量純凈的發(fā)光物質(zhì)。在這些閃亮的液體中，他們發(fā)現(xiàn)了一種發(fā)光蛋白質(zhì)，將其命名為“水母蛋白（水母素）”，這種水母蛋白即使在沒有氧氣的情況下，在與鈣結(jié)合時也會釋放出藍色的光。水母中的另一種蛋白質(zhì)叫作“綠色熒光蛋白（GFP）”。這種蛋白有時會吸收藍光釋放出綠色的冷光。

1978年，在收集研究了近100萬個水母之后，下村修已徹底揭示了水母發(fā)光蛋白的結(jié)構(gòu)及維多利亞水母獨特的發(fā)光反應機制。水母蛋白和綠色熒光蛋白以及后者的基因編碼，如今都己成為生物學和醫(yī)學研究中不可或缺的工具?？茖W家們現(xiàn)在可以它們來標記和觀察活細胞，從而看到以前所看不到的細胞中基因和蛋白質(zhì)的復雜“舞蹈”。2008年，下村修和另外兩位研究熒光蛋白的科學家一起，因在綠色熒光蛋白（GFP）研究中取得的成就榮獲諾貝爾化學獎。

開發(fā)利用

如今生物熒光除了作為實驗室里有用的工具之外，還有了商業(yè)化的用途。例如，美國加州的一家公司開發(fā)了一種“自己動手做（DIY）”的基因改造工具，客戶可自己在家培育出發(fā)光擬南芥植物。加利福尼亞卡爾斯巴德一家生物公司開發(fā)的一種能夠發(fā)光的叫作“海猴子”的新奇小寵物深受孩子們喜愛。實際上它們可不是什么“海里的猴子”，而是一種叫作“鞭毛藻類”的海洋浮游生物。白天，這種浮游生物進行光合作用，晚上關掉燈，用力晃動一下養(yǎng)著這種浮游生物的玻璃瓶子，這些浮游生物就會發(fā)出藍綠色的幽幽熒光，就像很久以前海上航行的水手們攪動海水時觀察到的奇景一樣。但是這樣的晃動一晚上最多只能做三次，如果對它們太過粗暴魯莽，就有可能會傷害或殺死這些微小脆弱的浮游生物。

可以想象，這些被困在方寸之地里的小小“游泳明星”有多可憐。每到夜晚，當調(diào)皮而好奇的孩子們動手搖晃時，就會給孩子們帶來歡娛。孩子們這片刻的歡娛，對于這些小生物來說，好似“巨手”在它們的“海洋”里攪動起一片漩渦，無異于災難來臨。孩子們玩夠了，將它們的這整個“海洋”收拾好放在一邊時，就像關上音樂盒的蓋子一樣簡單，而它們，這些會發(fā)光的弱小海洋生物，只是為了這個床邊魔術(shù)而孤獨地茍活著。

裝在瓶子里的發(fā)光生物讓我們有幸一睹這種難得一見的自然現(xiàn)象，但事實上，生物發(fā)光現(xiàn)象在我們這個星球上是很普遍的，尤其是在海洋上?？茖W家估計，目前發(fā)現(xiàn)并己分類編目的數(shù)千種發(fā)光生物只是地球上實際擁有總和的一小部分。發(fā)光生物的絕大多數(shù)可能都是深海生物，它們生活在陽光無法抵達的地方，于是它們就自己發(fā)光（有時也會借助微生物來發(fā)光）。它們的這些天生發(fā)光能力主要用于互相之間的交流，起著警告和恐嚇、躲藏和覓食、誘惑和欺騙等多種作用。生物發(fā)光是地球生物最古老和最普遍流行的“語言”之一，但卻是我們?nèi)祟悷o緣擁有的一種“語言”。自古以來，人類對生物熒光充滿了奇妙的幻想，圍繞著神奇的生物熒光產(chǎn)生了許多美麗的神話故事，但事實是，生物發(fā)光現(xiàn)象并非是一種超自然現(xiàn)象，它們是無數(shù)自然現(xiàn)象的一部分，遺憾的是我們?nèi)祟愄焐鸁o法擁有這種特殊“天賦”。

幸運的是，人類擁有遠超其他生物的智慧，因此，我們具有可以開發(fā)利用發(fā)光生物這種無與倫比的天賦。我們借助于它們發(fā)出的光來揭示我們自身的生物學秘密，如果沒有這種生物熒光，我們也許永遠無法發(fā)現(xiàn)細胞里的隱秘活動。我們不能成為它們，但我們可以借用它們的“天賦”來為我們做一些事情。就像早期人類為太陽之光與海洋之光融為一體而迷醉一樣，我們也因醉心于神秘的生物熒光而讓它們離我們的生活越來越近，我們將它們捧在手心里，收集在瓶子里，放在我們的床頭邊，欣賞它們美麗的幽光，驚嘆大自然造化之力的神奇，滿足我們對探索生命奧秘永無止境的渴望。

（責任編輯 張虹）