不插電的發(fā)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(fā)出幽光……2021年，一則蘑菇會發(fā)光的新聞引來眾多網(wǎng)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(fā)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(fā)出一連串追問：“蘑菇為什么會發(fā)光？”“還有哪些生物會發(fā)光？”“發(fā)光生物可以為科技發(fā)展帶來哪些靈感？”……

人類已知的發(fā)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(shù)碼技術監(jiān)測雨林動態(tài)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(fā)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(fā)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(fā)出綠色的光。我們觀察發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(fā)出醒目的光，可能是為了吸引節(jié)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(fā)掘與農(nóng)林復合系統(tǒng)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(lián)合考察。考察隊在梅加拉亞邦一處竹林枯死的竹莖上，也發(fā)現(xiàn)了一種羅里多菌屬的發(fā)光真菌。許建初研究員介紹，發(fā)光真菌依靠螢光素酶而發(fā)光，在有氧的情況下，螢光素被酶催化而發(fā)生反應時，真菌的子實體或菌絲就會發(fā)光。

由于在醫(yī)學、農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境傳感器等方面的廣泛應用，生物發(fā)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(fā)光特性是生態(tài)適應的體現(xiàn)，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(yōu)勢。

據(jù)報道，澳大利亞有一種被稱為“幽靈真菌”的發(fā)光真菌，同樣具有生物發(fā)光能力，它能產(chǎn)生螢光素的化學物質，在發(fā)生化學反應時，會以綠色熒光的形式釋放能量?！坝腥苏J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?！眻蟮肋€指出，人類很久以前就已經(jīng)認識了發(fā)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(fā)光真菌的研究、利用潛力很大，他的團隊不僅在繼續(xù)研究早期發(fā)現(xiàn)的發(fā)光真菌，同時還在云南的西雙版納、麗江等地相繼發(fā)現(xiàn)會發(fā)光的真菌。截至目前，全球已知至少有97種生物發(fā)光真菌類群。

由表及里對發(fā)光生物的認識逐漸深入

發(fā)光生物是自然界的奇妙創(chuàng)造，除了真菌和細菌，植物、動物中都有一些會發(fā)光的類群。從細菌到魚類，海洋中就有幾千種發(fā)光生物。海洋生物發(fā)光，是它們的一種必備“生存技能”——生物發(fā)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(jù)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(xiàn)象，這是發(fā)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(fā)出每平方厘米0.1微瓦的光芒，黑夜中甲藻聚集在一起，發(fā)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(fā)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(fā)光水母早已為人們熟知，其發(fā)光蛋白的原理已見大量的科學報道?？茖W家發(fā)現(xiàn)，許多水母都能發(fā)光。不同于其他動物的發(fā)光系統(tǒng)，水母發(fā)光全仗一種叫?？值牡鞍踪|，當其遇到鈣離子時，就能發(fā)出較強的藍色光。據(jù)稱，每只水母平均只含有50微克的?？?，發(fā)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(xiàn)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(fā)光魚類中，燈籠魚只是其中一種。它們身上有能發(fā)出晶瑩奪目光澤的圓形小發(fā)光器，因發(fā)光器形似燈籠而得名。發(fā)光器發(fā)出紅、藍、紫等各種顏色，遠遠望去，熒光閃閃。燈籠魚發(fā)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(fā)光生物中的明星?！吧餆晒馐沁M化生物學最有趣的現(xiàn)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?！敝袊茖W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(fā)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(tǒng)發(fā)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(xiàn)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(tǒng)發(fā)育研究，并為深入揭示全世界螢火蟲的系統(tǒng)發(fā)育關系提供了重要數(shù)據(jù)。

發(fā)光生物的應用研究前景廣闊

生物發(fā)光作為一種自然現(xiàn)象，最先應用于海洋捕撈。漁民根據(jù)不同的“海火”判別魚群，提高捕魚的效率?！昂；稹边€可以為航海者指出暗礁、淺灘，避免海難事故。

生物發(fā)光的原理，還能用于新型光源的制造，如現(xiàn)在使用的熒光燈和各種節(jié)能燈。生物光不產(chǎn)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(fā)成功。

另據(jù)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(fā)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(fā)光的植物。莫斯科大學生物學植物園經(jīng)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(fā)光基因來培育發(fā)光植物，但久未獲得成功。此前，他們在研究蘑菇等發(fā)光生物時發(fā)現(xiàn)，生物發(fā)光是由極精微的反應引起的，而在植物中可以找到這種發(fā)光所需的物質。在后來的實驗中，俄研究人員將發(fā)光蘑菇的幾個基因轉移到煙草DNA 中，便培育出了發(fā)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(fā)現(xiàn)，轉基因植物發(fā)出的光變化很大，植物的幼枝，尤其是花朵發(fā)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(fā)光的強度也會變化。他還稱，植物穩(wěn)定發(fā)光不會產(chǎn)生有毒物質，也不會影響植物正常生長和發(fā)育。

研究發(fā)現(xiàn)，在熄燈后，煙草的發(fā)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(jù)自身的生物鐘持續(xù)發(fā)光。這表明，生物發(fā)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(fā)現(xiàn)傷口位置怎樣開始發(fā)光，植物的“疼痛”信號迅速通過神經(jīng)開始傳播?！把芯堪l(fā)光植物的機理，使我們發(fā)現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象：如果傷害了植物，它也會像受傷的人一樣感到疼痛?！备ダ谞枴で鸩颊f。

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(fā)出許多可用來裝飾房屋和公共場所的發(fā)光植物，因此這項科研成果具有很好的商業(yè)前景。

此外，研究人員目前已經(jīng)分離出一些發(fā)光細菌，正通過實驗室進行培養(yǎng)。因有毒的化學物質、重金屬離子、抗生素、化學治療劑、農(nóng)藥等會影響細菌發(fā)光，所以科研人員用發(fā)光細菌作為敏感指標物，來測定有毒有害物的含量。一些醫(yī)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(fā)光屬性，自2018年起，北京大學李毓龍實驗室就開發(fā)了可基因編碼的一系列監(jiān)測神經(jīng)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(chuàng)新的方法，最重要、最有趣的是“讓細胞自己發(fā)光”。他們成功研發(fā)出經(jīng)過優(yōu)化的第二代綠色熒光探針，熒光更亮，結合神經(jīng)遞質后，信號變化更為顯著。此外，新型紅色熒光探針可實現(xiàn)對多巴胺的監(jiān)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(jīng)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(yōu)化提供了新的可能。

本文內容來自《科技日報》2021年8月27日