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生物荧光传奇

2019-06-09  自然科学...

介形类生物是甲壳动物的一种,在航海史上曾发挥过独特作用,它所产生的生物荧光足可令航海者在夜晚看清地图。

20世纪90 年代末,美国马萨诸塞州伍兹霍尔研究所的海洋生物学家斯蒂文·哈德克拜访了他的同行下村修。他们都对研究生物荧光具有浓厚的兴趣。生物荧光是生物体体内的化学反应所产生的光,最有名的发光生物是萤火虫,此外,一些真菌和许多海洋生物也会发光。

哈德克回忆道,在他和下村修的那次会面时,下村修从一个瓶中倒出了一把像是芝麻粒样的东西,然后洒了些水在上面,再放在手掌中揉搓了一下,然后关上了灯……奇迹出现了——张开的手掌中出现荧荧蓝光,仿佛手里捧着一群童话世界里的小精灵。

这些像芝麻粒的发光体实际上是一种叫作“介形虫”的微小甲壳类动物的“干尸”。二战期间,日军收集了数量庞大的这类海洋生物。其中的东京湾海萤(海萤火虫)可发出幽冷蓝色荧光,既可为士兵们照亮查看海图、互相通信,又不会像灯光照明那样引起敌方的注意。这是一种简单而容易获取的光源,只要加点水就行,非常方便,不需要任何电池。下村修当时展示的浮游生物已经风干了很多年,但只要加点水进去,它们仍然能够发出幽幽的蓝色冷光。

迷人的生物荧光

哈德克被这种发光生物迷住了。他从下村修这里要了一部分介形虫,并带回了他在加利福尼亚蒙特利湾水族馆研究所的实验室。他将它们放在一个和香料罐差不多大的小瓶里。他很少打开,只测试过五六次。在他心情好的时候,就会将他的“小神灯”从架子上拿下来,召唤那幽冷缥缈的光芒。

生物荧光为什么能让人如此着迷?毕竟,我们今天已经拥有了无处不在的大量光源,每天早上,晨曦初现,一束束光线从树梢和屋顶后面升起,升得高过飞鸟,高过大山,那就是从东方喷薄而出的金色阳光。阳光泼洒在大陆和海洋上,笼罩在森林的树冠上,汇聚在山谷和沙漠中,飞掠过城市和农庄,溜进我们的房间,渗透到我们的皮肤下,穿过我们的视网膜,照亮我们的心田。光代表了神圣和超自然,人类社会文化中都有关于光的神秘故事,如神、天使、仙女、精灵和圣徒,都被赋予了神秘的光环,但是,太阳的光源离我们很遥远,且只有白天才有阳光。

虽然我们不能直接召唤阳光,但即使是在没有阳光的日子里,或者是在太阳落山之后的夜晚,我们也可以用其他方式来产生光和控制光。早期人类驯服了火,让夜晚的火堆带来光和热;后来又发明了电,让电力为我们带来光亮,用灯光装点夜的风景,只要轻按一下开关,就能让竖立在街道上的灯柱都亮起来。如今,甚至还有人为了寻求新奇刺激,在自己的皮肤下植入发光二极体,创造了逆光文身的奇特效果……

萤火虫。尽管人类发明了许多发光技术,但我们从来都无法拥有像介形虫或萤火虫的那种天然发光的能力。

尽管人类发明了许多发光技术,但我们从来都无法拥有像介形虫或萤火虫的那种天然发光的能力。它们才是真正的“发光大师”——光,以我们未能知晓的方式被编织进入它们的生物体中。特别是荧光生物,它们如此强大的让有机体发光的能力,对于我们来说简直是一座难以攀登的高峰。

传奇故事

生物荧光是一种我们难以企及的自然力量。几千年来,人们为其无法抗拒的魅力所吸引,将生物荧光进行了许多巧妙的应用:罗马时期,人们将一种叫作“夜光虫”的发光水母的黏液涂抹在手杖上,可以兼作照明的火炬用;17世纪末,印度尼西亚土著民族在黑暗的森林中行走时,将生物发光菌用作手电筒;19世纪前,安全灯还没有发明,矿工们往往携带着满瓶的萤火虫或爬满了发光细菌的干鱼皮进入黑暗的地下坑道,当作“矿灯”使用,以避免明火进入地下可能导致的瓦斯爆炸。

后来,人们又发现了介形类和其他微小的发光海洋生物,但在之前很长的一段时期,一直都没有人知道这些微小生物的存在。早期的海洋探险家们看到船只周围和船桨上的荧荧光斑,或波光粼粼的海水区域,常常感到困惑不解。人们尝试着对这些现象做出的解释,更接近于充满诗意的描绘而不是科学的真相。在当时的许多人看来,水中的荧光是与火相类似的东西。古时候的航海人曾这样描述道:“海水被搅动时,可以看到水中闪耀着炽烈火星。” 无独有偶,17世纪的法国哲学家笛卡儿也将水中看到的闪闪光点比喻为“击打火石时产生的火焰”。1688年,传教士和数学家盖伊·塔查德在一次前往暹罗的海上航行途中描述道:“洒在海面上的阳光与海水中闪闪的波光交相辉映,浑然一体。”

1753年,科学家、发明家本杰明·富兰克林推测,水中有一些“极其微小的微生物”在水中产生了可见光。与此同时,配备了早期显微镜的一些博物学家也证实了富兰克林的预感是正确的:海洋里闪耀的生物荧光来自我们如今称之为“浮游生物”的一种微小的“海洋昆虫”。20世纪初,这些“发光浮游生物”开始被世界上的一些军事力量所关注,并被运用于人类的战争之中。

当船只通过大群发光浮游生物时,会在两边船舷和船尾带起一片闪着绿色和蓝色光芒的波纹涟漪,这些讨厌的“聚光灯”有时会给航行中的海军舰队带来麻烦,尤其是在需要隐形的时候。1918年,第一次世界大战期间,一艘英国舰艇在西班牙海岸附近击沉一艘德国U形潜水艇,就是因为发现了海水中被扰动的浮游生物产生的光。第二次世界大战和冷战期间,海军开始研究如何利用生物发光现象追踪潜艇和鱼雷。如今,美国海军仍在继续进行生物光的研究,试图开发一种既能探测到敌方目标,又能防止己方行动被意外暴露的检测生物荧光的水上机器人。

1954,海洋生物发光曾拯救了一位美国军人的生命。当时,未来的阿波罗13号宇航员詹姆斯·洛弗尔还是一名战斗机飞行员。他在日本沿海附近执行一次训练任务时遇上了暴风雨。座舱内的仪表盘突然短路失效,所有的指示灯和表盘都熄灭了,他当时无法依靠现代科学技术将自己带回航空母舰了。危急之中,他在一片黑暗里注意到在海中闪烁的绿色条纹,很快意识到这是航空母舰的发光尾迹。在那条生命之光的导引下,他终于准确、安全地降落在了航空母舰上。

荣获诺贝尔奖

1955年,下村修加入了名古屋大学的一个实验室的研究,负责从介形类中提取有机化合物荧光素,并拟确定其精确的分子结构。他从此开始了最终将改变生物发光生物学领域的研究。今天,科学家们已经知道海洋中许多发光生物体内有一种酶,叫作荧光素酶,可促进荧光素和氧之间的化学反应,从而产生生物荧光。但在当时,科学家还没有完全理解它是如何发生的,这还是一个未知的谜。10个月后在一次实验中,下村修成为了成功分离出荧光素晶体的第一人,迈出了研究其结构的关键一步。

20世纪60年代,下村修在普林斯顿大学继续生物荧光的研究,在那里开始对一种叫作“维多利亚的多管发光水母”进行了研究。下村修和他的同事收集了大量维多利亚水母标本,提取了少量纯净的发光物质。在这些闪亮的液体中,他们发现了一种发光蛋白质,将其命名为“水母蛋白(水母素)”,这种水母蛋白即使在没有氧气的情况下,在与钙结合时也会释放出蓝色的光。水母中的另一种蛋白质叫作“绿色荧光蛋白(GFP)”。这种蛋白有时会吸收蓝光释放出绿色的冷光。

1978年,在收集研究了近100万个水母之后,下村修已彻底揭示了水母发光蛋白的结构及维多利亚水母独特的发光反应机制。水母蛋白和绿色荧光蛋白以及后者的基因编码,如今都已成为生物学和医学研究中不可或缺的工具。科学家们现在可以它们来标记和观察活细胞,从而看到以前所看不到的细胞中基因和蛋白质的复杂“舞蹈”。2008年,下村修和另外两位研究荧光蛋白的科学家一起,因在绿色荧光蛋白(GFP)研究中取得的成就荣获诺贝尔化学奖。

获诺贝尔奖化学家、海洋生物学家下村修确认了水晶果冻水母(学名为维多利亚多管发光水母)的发光性质。

开发利用

如今生物荧光除了作为实验室里有用的工具之外,还有了商业化的用途。例如,美国加州的一家公司开发了一种“自己动手做(DIY)”的基因改造工具,客户可自己在家培育出发光拟南芥植物。加利福尼亚卡尔斯巴德一家生物公司开发的一种能够发光的叫作“海猴子”的新奇小宠物深受孩子们喜爱。实际上它们可不是什么“海里的猴子”,而是一种叫作“鞭毛藻类”的海洋浮游生物。白天,这种浮游生物进行光合作用,晚上关掉灯,用力晃动一下养着这种浮游生物的玻璃瓶子,这些浮游生物就会发出蓝绿色的幽幽荧光,就像很久以前海上航行的水手们搅动海水时观察到的奇景一样。但是这样的晃动一晚上最多只能做三次,如果对它们太过粗暴鲁莽,就有可能会伤害或杀死这些微小脆弱的浮游生物。

可以想象,这些被困在方寸之地里的小小“游泳明星”有多可怜。每到夜晚,当调皮而好奇的孩子们动手摇晃时,就会给孩子们带来欢娱。孩子们这片刻的欢娱,对于这些小生物来说,好似“巨手”在它们的“海洋”里搅动起一片漩涡,无异于灾难来临。孩子们玩够了,将它们的这整个“海洋”收拾好放在一边时,就像关上音乐盒的盖子一样简单,而它们,这些会发光的弱小海洋生物,只是为了这个床边魔术而孤独地苟活着。

装在瓶子里的发光生物让我们有幸一睹这种难得一见的自然现象,但事实上,生物发光现象在我们这个星球上是很普遍的,尤其是在海洋上。科学家估计,目前发现并已分类编目的数千种发光生物只是地球上实际拥有总和的一小部分。发光生物的绝大多数可能都是深海生物,它们生活在阳光无法抵达的地方,于是它们就自己发光(有时也会借助微生物来发光)。它们的这些天生发光能力主要用于互相之间的交流,起着警告和恐吓、躲藏和觅食、诱惑和欺骗等多种作用。生物发光是地球生物最古老和最普遍流行的“语言”之一,但却是我们人类无缘拥有的一种“语言”。自古以来,人类对生物荧光充满了奇妙的幻想,围绕着神奇的生物荧光产生了许多美丽的神话故事,但事实是,生物发光现象并非是一种超自然现象,它们是无数自然现象的一部分,遗憾的是我们人类天生无法拥有这种特殊“天赋”。

幸运的是,人类拥有远超其他生物的智慧,因此,我们具有可以开发利用发光生物这种无与伦比的天赋。我们借助于它们发出的光来揭示我们自身的生物学秘密,如果没有这种生物荧光,我们也许永远无法发现细胞里的隐秘活动。我们不能成为它们,但我们可以借用它们的“天赋”来为我们做一些事情。就像早期人类为太阳之光与海洋之光融为一体而迷醉一样,我们也因醉心于神秘的生物荧光而让它们离我们的生活越来越近,我们将它们捧在手心里,收集在瓶子里,放在我们的床头边,欣赏它们美丽的幽光,惊叹大自然造化之力的神奇,满足我们对探索生命奥秘永无止境的渴望。

发光生物的绝大多数可能都是深海生物。生物发光是地球生物最古老和最普遍流行的“语言”之一,但遗憾的是,我们人类无缘拥有这种“语言”。

战争期间可为海上航行的士兵查看地图照明,仪器失灵时可为飞机安全飞行导航,在生物学研究中能让基因和蛋白质发光……它们就是发光生物发出的一种自然光——生物荧光。它们正在为人类提供更多的帮助。

(编译 方陵生  责任编辑 张虹)

文章来源微信公众号:自然科学探索发现

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