萤火虫引发的科学狂想！未来不需要路灯，因为城市树木会发光

萤火虫引发的科学狂想！未来不需要路灯，因为城市树木会发光

　　2016-07-23 科技日报


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　　在没有月亮的夜晚，巴西热带雨林深处，你能看到萤火虫飞来飞去的光点和林地上散布的蘑菇发出的辉光——生物发光效应。这些有夜间发光特殊能力的生物，就像活的夜灯。

　　在进化史中，生物发光被“发明”过数十次，各有不同的目的：有的是为了吸引异性，有的为了引诱猎物，有的为了躲避天敌。这些蘑菇为何会发出幽灵般的光辉，其确切机制还不太清楚，而动物或微生物发光则是通过所谓的“荧光素”。

　　荧光素最早是19世纪末法国化学家拉斐尔·杜波依斯在磕头虫和一种双壳贝类体内发现的，他给这种物质命名为荧光素，因为它会在荧光素酶的辅助下在空气中氧化，发出蓝绿色的光。

　　黑暗中发光的动物


　　萤火虫。图片来自网络

　　萤火虫可能是自然界最容易识别的生物发光。在它们的发光器官中包含多种化学物质，如荧光素、生物发光荧光酶等。萤火虫能改变这些化学混合物中的氧气，从而控制发光。当它们处在幼虫阶段时，发光可作为一种警示，警告捕食者它们不好吃。变成成虫后，通过发光能确定同类数量，吸引异性。

　　深海琵琶鱼是生物发光拟态的一个好例子。在它们张开的大嘴上悬挂着一根长长的附肢，附肢尖端巧妙地排布着会发光的细菌，吸引猎物游到它们嘴巴里。

　　腰鞭毛虫是一些漂浮在海面上的微小海洋浮游生物，当它们在夜晚照亮巨大的海域时，形成了自然界最大规模的生物发光景观。实验显示，这种现象能震慑捕食者，扰乱它们的摄食行为，给腰鞭毛虫以喘息的机会。一种理论认为，这种现象还可以作为一种“防盗”警报，吸引更大的动物来把腰鞭毛虫的天敌吃掉。


　　渔民在日本滑川市海岸捕获一网发光萤火虫鱼。图片来自网络

　　萤火虫鱼会利用生物发光细菌照亮身体下方，这样从下方看来与海面上有光的背景融为一体，这是一种很好的伪装，让它们难以被水下更深处的捕食者发现。

　　真菌的第九种荧光素


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　　真菌中的生物发光现象显得格外神秘。早在19世纪初，一些自然学者就发现，木头上生长的真菌能为井下采矿提供照明。现在，人们知道有许多真菌和蘑菇能在黑暗中发光，但对于发光原因却不甚清楚。有人认为，这是一种无用的代谢副产品；也有人认为，这是一种高级的反捕食适应。


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　　从进化角度看，似乎是夜间发光能引来昆虫及其它动物，帮它们把孢子传播到更远的地方。巴西圣保罗大学的卡修斯·斯蒂梵尼团队的研究证明了这一点。他们把带有绿色LED灯的塑料蘑菇撒在林地上，模仿一种长在棕榈树下的发光蘑菇，结果发现，假蘑菇吸引了多种昆虫和其他擅于传播孢子的生物。他们还证明生物发光现象只发生在夜晚，这排除了“无用副产品”理论。斯蒂梵尼说：“研究结果表明，生物发光能吸引动物来传播孢子，这种传播机制可能赋予它们某些优势，尤其是适合在茂密的森林里生存。”

　　最近，俄罗斯克拉斯诺亚尔斯克生物物理学研究所和莫斯科生物有机化学研究所的两个团队合作，通过寻找一类不会发光的荧光素前体，对真菌用于发光的蛋白质化学结构做了分析。莫斯科生物有机化学研究所的伊利亚·雅姆坡斯基说，真菌生物发光的机制表明，它们的荧光素是由一种前体物质形成的，森林里一些不会发光的真菌中也有这种荧光素前体。更重要的是，荧光素前体的数量大约是发光生物所含荧光素的100倍，因此从不发光真菌中提取荧光素前体是可行的。


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　　研究团队还发现，真菌发光所用的荧光素的化学结构和已知的8种来自动物、微生物界的荧光素分子完全不同，他们发现的是第9种，也是真菌类植物界第一次发现的荧光素。

　　有望带来发光的行道树


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　　“真菌荧光素在化学上与其他已知的荧光素毫无关系，它代表了一种完全不同的发光机制。从光化学、生物化学和进化的角度来看，这一点非常重要，也为研究未知的真菌荧光素酶带来了可能。”雅姆坡斯基说，“与其他荧光素不同的是，真菌荧光素与植物的生化作用相容，我希望利用这一点最终造出能自主发光的植物。”

　　这将是一个关键突破，有望带来会发光的行道树，让它们在夜晚照亮街道。比如，设计一种能在黑暗中发光的转基因树，作为可持续的路灯光源。这种想法并不疯狂，因为它是可能的。“发光植物计划”也是合成生物学应用项目中的第一个众筹竞选项目。支持该计划的美国哈佛大学遗传学家乔治·丘奇曾说：“即使一朵微弱发光的小花，也是一个伟大的象征。”

　　科技日报

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