神奇的发光生物

无奇不有的大自然总能造就让我们眼前一亮的生物，发光生物就是其中之一。这些种类繁多的发光生物犹如点点繁星点缀着我们身边的夜空、大海和森林……给地球增添了别样美丽的风景。

自然界中有哪些生物会发光？它们为什么能发光？下面就让我们认识一下这些发光生物。

发光昆虫

提起发光生物，人们首先想到的就是夏夜草丛中飞舞的“小星星”—萤火虫。萤火虫是人类最早发现的发光生物，古时候就有车胤囊萤夜读的故事。萤火虫（拉丁学名为Lampyridaee）属鞘翅目萤科，其中能发光的约有2200种，它们的幼虫腹部下方有专门的发光器官，当氧气进入发光器官后，会与其内的荧光素作用，从而发出不同频率的光。

研究人员发现，不同的萤火虫发光的目的各不相同：端黑萤通过发光，可以干扰、警示天敌；妖扫萤属的萤火虫可以通过发光设置诱捕猎物的陷阱，从而提高捕食的效率；不过，大多数萤火虫是通过发光行为将附近的个体聚集起来联欢，以便增加交配的机会。例如，雄性蓝光萤火虫在夜幕降临后的16～27分钟开始发光，每次发光0.2秒，间隔2.7秒后重复发光。此时，如果有哪只雌性蓝光萤火虫对这只“帅哥”感兴趣，便会在雄虫发光1.5秒后做出相同回应，之后，雄虫会很快飞过来与雌虫“牵手”，并进一步“交往”。

萤火虫究竟是怎样发光的呢？原来，萤火虫尾部的发光细胞中含有荧光素和荧光素酶，在酶的作用下，荧光素和氧气被催化成氧合荧光素，氧合荧光素会发出不同波长的光，于是，自然界中就出现了有的萤火虫发绿光、有的发橙光、有的发黄光的情况。2024年2月，华中农业大学付新华教授公布了一项关于萤火虫成虫发光器发育及发光调控的分子机制的研究成果。他发现荧光素酶由Homeobox家族基因控制，其中最关键的两个转录因子基因为A1Adb-B和A1unc-4。两个转录因子通过基因互作，启动并调控荧光素酶，也就是发光蛋白的表达。让其中任何一个转录因子“沉默”，都会导致萤火虫不再发光甚至“黑化”。

此外，萤火虫发光还需要一种叫ATP（三磷酸腺苷）的物质提供能量。与传统的白炽灯泡的发光机制不同，萤火虫发出的光被称为冷光源，它们可以将超过90%的能量用于发光，剩下的不足10%的能量会转化为热量。受到萤火虫的启发，科学家通过人工方式合成荧光素，再加入从发光细胞里分离出的荧光素酶制成人工冷光源，以提高物体的发光效率。现实中，有些化妆品中就添加了经过人工改造的荧光素类似物，以利用其发光效应，让使用者的皮肤看起来更有光泽、更通透。

除了萤火虫外，昆虫家族中还有双翅目蕈蚊、弹尾目跳虫、鞘翅目的叩头虫和半翅目的蜡蝉能够发光，其发光原理也与萤火虫类似。

发光蘑菇

早在2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德就记录过自己在迈锡尼看到夜晚的草地上出现点点“星光”。亚里士多德将这些“星光”称为“冷火”，它们来自一种发光真菌。17世纪，一位荷兰医生注意到印度尼西亚居民走夜路时会把能发出蓝色光的蘑菇作为“手电筒”。2009年，生物学家丹尼斯·德斯贾尔丁在中美洲的热带雨林中一次性发现了7种可以发光的蘑菇。2013年的一个夜晚，来自美国的蘑菇摄影师泰勒·洛克伍德在我国云南西双版纳的丛林中散步时，不经意地看到眼前的草地上俨然铺了一层发光的“绿毯子”。洛克伍德走近观察，才发现草丛中星星点点的蘑菇正发出柔和的绿色荧光。这些蘑菇比成人的指甲盖稍大，外表布满密密麻麻的球状孔，学名胶孔菌。2014年，人们在日本的九州岛也发现过类似的发光真菌，当地人给它们起了个可爱的名字—“绿色佩佩”，并且建立了一个以发光蘑菇为主题的公园吸引游客。

目前，全世界有记载的发光真菌大约有97种，且发光原理与昆虫类似，也是通过氧化荧光素产生冷光源。令科学家不解的是，蘑菇为什么要发光？会发光的蘑菇难道不是更容易招致昆虫或爬行动物的捕食吗？没错，这种发光现象的确更容易引来捕食者，但捕食行为同样加快了其孢子的传播，促使它们繁殖下一代。

可爱的发光蘑菇也没有逃过分子生物学家的法眼。2020年，欧洲科学家就克隆出蘑菇中的发光基因，并将该基因通过质粒载体导入到烟草的叶肉细胞中，得到了可以发光的烟草。假以时日，我们的生活中或许会诞生发光玫瑰、夜光蔷薇等新型观赏植物。

夜光菌

非洲草原上生长着一种“妖魔树”：这种树在白天与其他植物没什么区别，但到了夜晚，它的树干、树枝就会发出闪烁的荧光，将四周照亮。起初，当地人以为这种树之所以会发光，是由于神灵降世，纷纷跑到树周围跪拜祈祷。后来，植物学家通过研究发现，这种树发光的原因并非源自植物本身，而是由寄生在树上的一种细菌—假蜜环菌所致，这种微生物以树木的纤维素和木质素为营养来源，同时合成荧光素，到了夜晚，在荧光素酶和氧气的共同作用下，假蜜环菌就会发出蓝绿色荧光。

如果说人们只能在陆地上偶尔看到发光生物，那么作为生命起源地的海洋则是各种发光生物的聚集地。初夏时节的黄昏，人们时常能在海边看到波浪将一条时明时暗的蓝色光带缓缓推向海滩。站在高处观察，这条光带仿佛给大海戴上了蓝色的珍珠项链。将大海装饰得如此美丽的蓝光究竟是如何产生的呢？原来，这些蓝光是由一种叫夜光藻的单细胞生物发出的。夜光藻是蓝细菌的一种，广泛分布在世界各海域，它们通常含有叶绿素和荧光素，白天在阳光下进行光合作用产生氧气，供自身和其他生物呼吸；夜晚，剩余的氧气会将荧光素氧化，发出蓝色或浅绿色的光，给海滨增添了一抹梦幻色彩。当海浪拍打沙滩、岩石的时候，蜿蜒的蓝色光带仿佛一串串泪痕，人们形象地称之为“蓝眼泪”。

对于游客来说，“蓝眼泪”是难得一见的美景；对于海洋来说，“蓝眼泪”的出现却未必是件好事。如果这些夜光藻繁殖过快，会急剧消耗海水中的氧气，导致鱼虾和浮游生物大量死亡。生物学家发现，夜光藻类发光的颜色和光质取决于海洋中的氧气、镁离子和钙离子等的浓度。而今，人们常将夜光藻应用于环保领域，进行水质检测。检测人员根据水体发光的颜色、光质和波长等信息，可以快速判断出受其污染的程度。

发光水母

1962年，生物学家下村修（Osamu Shimomura）在旧金山湾浅水区偶然看到一个发着绿光的小生物，捕捉上来才发现那是一种名为维多利亚多管发光水母（拉丁学名为Aequorea victoria）的腔肠动物。起初，下村修断定该水母体内必定有一种和其他生物相似的荧光素类物质，所以才会发光；可是，下村修进行了多次提取分离实验后，居然一无所获。为了探究水母发光的真相，下村修多次冒着生命危险下海捕捞这种水母，并进行分离实验。功夫不负有心人，1974年，下村修分离出这种珍贵的物质—绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，简称GFP）。通过测序分析，下村修发现这种蛋白是由绿色荧光蛋白基因控制编码的，它由238个氨基酸缩合成一条长链并折叠成圆筒状，其中第65～67位的丝氨酸、酪氨酸和甘氨酸经过脱氢环化后形成发光基团，在蓝光或紫外光的刺激下就可以发出绿色荧光。1994年，科学家马丁创造性地将GFP基因进行“移植”，得到了可以发光的大肠杆菌和秀丽隐杆线虫。一年后，华裔科学家钱永健对野生型的荧光蛋白进行人工改造，得到了发光效果更好的GFP。为了表彰下村修、马丁和钱永健3位学者在绿色荧光蛋白研究方面的突出贡献，诺贝尔委员会将2008年诺贝尔奖的化学奖授予3人。

今天，绿色荧光蛋白及基因被广泛用于医学和分子生物学研究领域。比如，以前通常采用蓝白斑筛选法进行质粒载体转化受体细胞的实验，但这种方法错误率高；现在将GFP基因克隆到专门的Litmus28载体上再进行转化，接着将细胞放到紫外光下观察，如果细胞发出绿色荧光，则说明载体上的目的基因连同GFP基因转化成功，如果细胞未发光，则说明转化失败。科学家还可以将绿色荧光蛋白导入发育的组织或肿瘤，以便精准地观察组织细胞发育（或癌变）过程中细胞的分化和迁移情况。

自然界中会发光的生物远不止上文提到的这些，其发光原理不同、用途各异。随着研究的深入，未来，这些发光生物将给我们的生活和世界带来更多的可能。

【责任编辑】赵 菲