趙漢斌

你是否想象過穿越到電影《阿凡達(dá)》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(huì)發(fā)光的新聞引來(lái)眾多網(wǎng)友的圍觀。這種來(lái)自中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園的蘑菇，白天看上去就是平平無(wú)奇的乳白色，到了夜晚，則會(huì)發(fā)出綠色的熒光，就如同進(jìn)入了神奇的阿凡達(dá)世界。人們不禁發(fā)出一連串追問：“蘑菇為什么會(huì)發(fā)光？”“還有哪些生物會(huì)發(fā)光？”“發(fā)光生物可以為科技發(fā)展帶來(lái)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(guó)著名的蘑菇攝影師。他怎么也沒想到，2013年8月，自己在中國(guó)云南的西雙版納熱帶植物園參加“數(shù)碼技術(shù)監(jiān)測(cè)雨林動(dòng)態(tài)培訓(xùn)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(shí)，遇到了發(fā)光的蘑菇。它的明顯特征是具有側(cè)柄和寬闊的球狀孔?！碧├铡ぢ蹇宋榈抡f。然而，直到那年夏天之前，科學(xué)界顯然還不知道這個(gè)屬的膠孔菌會(huì)發(fā)光。

“這種拇指大小的菌菇，只會(huì)長(zhǎng)在百竹園上一年被砍掉而腐爛的竹子根部，晚上會(huì)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(shí)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(wú)關(guān)，而與越南北部舊稱“東京”有關(guān)。它屬于孔菌類群，可分泌一種膠質(zhì)，螞蟻、蝸牛都愛吃，它的孢子也比常見的真菌大。子實(shí)體之所以會(huì)在末期發(fā)出醒目的光，可能是為了吸引節(jié)肢動(dòng)物代為傳播孢子。但到目前為止，人們對(duì)它的了解還很少，這是不是一個(gè)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(fù)合系統(tǒng)構(gòu)建團(tuán)隊(duì)的許建初研究組與印度科學(xué)家合作，在印度東北部開展了多次聯(lián)合考察。考察隊(duì)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(yīng)時(shí)，真菌的子實(shí)體或菌絲就會(huì)發(fā)光。

由于在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境傳感器等方面的廣泛應(yīng)用，生物發(fā)光真菌一直受到人們的極大關(guān)注。此前的研究認(rèn)為，真菌的發(fā)光特性是生態(tài)適應(yīng)的體現(xiàn)，主要是為了吸引昆蟲，保護(hù)自己免受食肉動(dòng)物的侵害，并在孢子散布機(jī)制方面比其他真菌擁有更大優(yōu)勢(shì)。

據(jù)報(bào)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(xué)物質(zhì)，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，會(huì)以綠色熒光的形式釋放能量。“有人認(rèn)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?bào)道還指出，人類很久以前就已經(jīng)認(rèn)識(shí)了發(fā)光真菌，早在2000多年前，古希臘哲學(xué)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(tuán)隊(duì)不僅在繼續(xù)研究早期發(fā)現(xiàn)的發(fā)光真菌，同時(shí)還在云南的西雙版納、麗江等地相繼發(fā)現(xiàn)會(huì)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(duì)發(fā)光生物的認(rèn)識(shí)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(xì)菌，植物、動(dòng)物中都有一些會(huì)發(fā)光的類群。從細(xì)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(shí)別，有的可以作為釣餌，有的則是傳情的信號(hào)，有的用于迷惑“敵人”。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在牙買加的牡蠣灣和波多黎各的一些地方，人們常會(huì)看到海上的磷光現(xiàn)象，這是發(fā)光植物甲藻聚集的結(jié)果。在海水的擾動(dòng)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(bào)道分析，甲藻是多種浮游小動(dòng)物的餌料，聚集的甲藻在激蕩的海水中發(fā)光，會(huì)讓浮游小動(dòng)物不能安心進(jìn)食，因而可以減少甲藻被捕食的機(jī)會(huì)。此外，光痕也可以暴露這些小動(dòng)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(xué)報(bào)道?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多水母都能發(fā)光。不同于其他動(dòng)物的發(fā)光系統(tǒng)，水母發(fā)光全仗一種叫?？值牡鞍踪|(zhì)，當(dāng)其遇到鈣離子時(shí)，就能發(fā)出較強(qiáng)的藍(lán)色光。據(jù)稱，每只水母平均只含有50微克的?？郑l(fā)出的光能卻相當(dāng)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(gè)謎。

在漆黑的海洋深處，時(shí)常出現(xiàn)游動(dòng)的點(diǎn)點(diǎn)“燈火”，給寧?kù)o的海底世界帶來(lái)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(lán)、紫等各種顏色，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，熒光閃閃。燈籠魚發(fā)出的光可用來(lái)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(jìn)化生物學(xué)最有趣的現(xiàn)象之一，主要用于警戒和求偶交流，因此，自達(dá)爾文時(shí)期甚至更早，具有生物熒光的類群就吸引著眾多生物學(xué)家?！敝袊?guó)科學(xué)院昆明動(dòng)物研究所實(shí)驗(yàn)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(guān)系仍有諸多不確定性，限制了人們對(duì)生物熒光起源與進(jìn)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(cè)序，對(duì)昆明動(dòng)物研究所自2002年以來(lái)收集的共計(jì)15個(gè)屬23種的部分亞洲螢火蟲樣品進(jìn)行測(cè)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(bào)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(guān)系提供了重要數(shù)據(jù)。

發(fā)光生物的應(yīng)用研究前景廣闊

生物發(fā)光作為一種自然現(xiàn)象，最先應(yīng)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(zhì)的貯存庫(kù)和充滿易燃易爆氣體的礦井里，是最安全的照明設(shè)施。生物光光源的可應(yīng)用場(chǎng)景還有很多很多，亟待開發(fā)成功。

另?yè)?jù)2020年5月6日的一則報(bào)道稱，俄羅斯科學(xué)院生物有機(jī)化學(xué)研究所和莫斯科大學(xué)生物系的科研人員利用基因移植法，將發(fā)光蘑菇的幾個(gè)基因轉(zhuǎn)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(xué)生物學(xué)植物園經(jīng)理弗拉基米爾·丘布教授稱，多年來(lái)，俄科研人員一直試圖從螢火蟲、細(xì)菌中移植發(fā)光基因來(lái)培育發(fā)光植物，但久未獲得成功。此前，他們?cè)谘芯磕⒐降劝l(fā)光生物時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物發(fā)光是由極精微的反應(yīng)引起的，而在植物中可以找到這種發(fā)光所需的物質(zhì)。在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，俄研究人員將發(fā)光蘑菇的幾個(gè)基因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qiáng)度也會(huì)變化。他還稱，植物穩(wěn)定發(fā)光不會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，也不會(huì)影響植物正常生長(zhǎng)和發(fā)育。

研究發(fā)現(xiàn)，在熄燈后，煙草的發(fā)光亮度會(huì)迅速增加。如果幾天內(nèi)燈光一直關(guān)閉，植株則會(huì)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(jī)制反映了植物的代謝速率，也包括植物對(duì)機(jī)械損傷方面的反應(yīng)。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(hào)迅速通過神經(jīng)開始傳播。“研究發(fā)光植物的機(jī)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(huì)像受傷的人一樣感到疼痛。”弗拉基米爾·丘布說。

有專家指出，如果把在煙草植物上取得的成果轉(zhuǎn)移到花卉上，能研發(fā)出許多可用來(lái)裝飾房屋和公共場(chǎng)所的發(fā)光植物，因此這項(xiàng)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(xì)菌，正通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行培養(yǎng)。因有毒的化學(xué)物質(zhì)、重金屬離子、抗生素、化學(xué)治療劑、農(nóng)藥等會(huì)影響細(xì)菌發(fā)光，所以科研人員用發(fā)光細(xì)菌作為敏感指標(biāo)物，來(lái)測(cè)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(xì)菌生物光測(cè)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(xué)李毓龍實(shí)驗(yàn)室就開發(fā)了可基因編碼的一系列監(jiān)測(cè)神經(jīng)遞質(zhì)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(xì)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(jié)合神經(jīng)遞質(zhì)后，信號(hào)變化更為顯著。此外，新型紅色熒光探針可實(shí)現(xiàn)對(duì)多巴胺的監(jiān)測(cè)，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(xué)領(lǐng)域的其他重要技術(shù)——如鈣成像、光遺傳學(xué)等結(jié)合使用。新型探針也為相關(guān)藥物篩選優(yōu)化提供了新的可能。

本文內(nèi)容來(lái)自《科技日?qǐng)?bào)》2021年8月27日