法國科學(xué)家致敬“囊螢夜讀”

李和昌

向古籍學(xué)習(xí)，中為洋用

“囊螢夜讀”講的是大家耳熟能詳?shù)囊粋€故事：晉朝人車胤小時候家境貧寒，不能經(jīng)常得到油燈看書。夏天的夜晚，他就捉幾十個螢火蟲裝進(jìn)袋子，照著書本，夜以繼日地學(xué)習(xí)著，自此學(xué)識與日俱增。車胤長大后知識廣博，被任命為吏部尚書。

法國生物學(xué)家桑德拉讀到《晉書》上這段小故事，突發(fā)奇想，能不能直接用發(fā)光生物為城市提供夜間照明，代替電能點亮夜空。隨后，她在實驗室內(nèi)通過將螢火蟲的一個基因植入一種擬南芥體內(nèi)，成功使擬南芥發(fā)光，她本人也成為了法國生物發(fā)光領(lǐng)域先驅(qū)之一。

其實，很早以前南美洲的印第安人就開始使用能發(fā)光的昆蟲光叩甲照明了。生活在16世紀(jì)的西班牙歷史學(xué)家岡薩洛·費爾南德斯曾在著作中提及這些昆蟲，他記載當(dāng)?shù)厝税阉鼈冄b在籠子里，用于室內(nèi)照明。那么，為何等了6個世紀(jì)重新想到走生物照明的路呢？這是因為生物發(fā)光長久以來一直神秘莫測。人類很早便已記錄了這一現(xiàn)象，無論主角是昆蟲、細(xì)菌還是真菌。關(guān)于生物發(fā)光的化學(xué)解釋出現(xiàn)在1887年，法國生物學(xué)家拉法耶爾·迪布瓦這樣描述：存在于某些生物的細(xì)胞中或者直接存在于某些生物表皮中的一種分子（熒光素）在一種酶（熒光素酶）的作用下與氧結(jié)合釋放出光子，于是產(chǎn)生了光。但研究人員仍然無法從生物學(xué)角度給出解釋。為什么有些發(fā)光生物可以全天24小時發(fā)光而另外一些卻只在黑暗的環(huán)境下發(fā)光？為什么發(fā)光的強(qiáng)度會因為物種的不同而不同？所幸，對生物發(fā)光遺傳機(jī)制的研究，終于在最近20年取得了突破性進(jìn)展。相關(guān)部門開始認(rèn)真考慮大范圍使用發(fā)光生物進(jìn)行照明了。

發(fā)光基因，巧制“生物燈”

夜幕降臨、墨色彌漫，我們打開房里的燈，點亮我們城市的時候，是否該想想，怎樣才能有效地限制光污染，并避免能源浪費呢？目前，在城鎮(zhèn)中普遍的做法是使用低能耗的LED燈和可以根據(jù)時間及人流調(diào)整光照強(qiáng)度的智能燈。然而，對目前照明系統(tǒng)的改革完全可以走得更遠(yuǎn)！想象一下，灌木叢、隔離帶和道路兩旁的大樹都變成了生物燈，在一直發(fā)光……人間仙境！不過，還有最后一道難關(guān)需要攻克：目前研究的生物燈尚不足以用來照明，或只能在無法大規(guī)模復(fù)制的試驗環(huán)境下發(fā)光。這是因為大部分的發(fā)光物種是海生的，生活在海中90%的深海種群都可以發(fā)光。由于深海中陽光照射不到，成了黑暗的世界，發(fā)光是海洋生物必備的生存技能。在海洋的200米深處，就伸手不見五指了，到1 500米以下更是一片黑暗。但在海洋深處也生活著大量的海洋生物，水母搖動著透明的大傘，傘邊與觸手上的點點熒光，隨著身體冉冉游動；盾狀的翻車魚，在深黛的海幕上下翻滾，綠、黃、藍(lán)、白、紅的光點，輝映出團(tuán)團(tuán)的彩虹；大烏賊像一支支火箭，腹部一對銹紅的光柱，同腹部的青光、兩眼的藍(lán)光，閃爍成一個個火流星；金眼鯛打著電壓不足的“手電筒”，發(fā)出一道道黃光；乒乓球大小的夜光蟲，像一只只藍(lán)綠寶石，在海水中來回穿梭，它們是深海魚兒的美食；安康魚頂著有倒刺的“釣桿”，刺上變幻著檸檬、紅色、藍(lán)色或白色的光點，在海水中左右搖動，吸引貪食的魚兒上鉤；夜光螺在海底緩緩爬動，貝殼邊緣的綠光吸引著深海的小蟲；海水中忽明忽暗如降落的煙花，又如同被踩碎的螢火蟲尾巴，這是各種發(fā)光的細(xì)菌。發(fā)光是海洋生物的選擇性適應(yīng)，是大自然給海洋生物的獎賞，是海洋生物同深海水環(huán)境億萬年磨合的精巧。

針對生物燈的研發(fā)，眾多研究團(tuán)隊躍躍欲試，想要越過這最后一道難關(guān)。他們成竹在胸：合成生物學(xué)的出現(xiàn)讓我們能夠把某一物種的發(fā)光能力轉(zhuǎn)移到其他物種身上。美國紐約州立大學(xué)的研究人員采用并不發(fā)光但易于栽培的煙草屬植物（從最常見的煙草到花煙草）做實驗，在它們的動力工廠葉綠體中植入一段海生發(fā)光細(xì)菌的DNA序列。結(jié)果怎樣？成功獲得發(fā)光基因的植物可以24小時不間斷地自主發(fā)光，并持續(xù)數(shù)月。

但目前這類植物發(fā)出的光線仍然極其微弱：只有在黑暗中才能看見一星微光，亮度僅數(shù)流明，遠(yuǎn)不及一個40瓦白熾燈泡亮（400流明）！但這無妨科研人員積極調(diào)整方案，畢竟生物燈的原理已經(jīng)掌握明晰，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，實驗室所得植株的發(fā)光亮度也會越來越高。由于目前仍處于保密階段，外界所知甚少。但相信未來四到五年內(nèi)科學(xué)家將會培育出可用于照明的植物，甚至足夠照亮街道的大樹！雖然技術(shù)方面還存在挑戰(zhàn)，但科學(xué)家認(rèn)為在這方面沒有解決不了的問題，只是時間問題。如前文所述，法國生物學(xué)家桑德拉團(tuán)隊已經(jīng)通過將螢火蟲的一個基因植入一種擬南芥體內(nèi)，并成功使其發(fā)光。

10年之內(nèi)，取代傳統(tǒng)照明？

針對能在10年之內(nèi)研發(fā)出可以大范圍代替電力進(jìn)行照明的植物，科學(xué)界還持有懷疑態(tài)度。在使用生物發(fā)光進(jìn)行戶外照明這一點上科學(xué)家表現(xiàn)得十分謹(jǐn)慎，因為目前提升亮度的瓶頸還無法解決，但生物發(fā)光的確存在一定的商業(yè)前景。另有一條研發(fā)路線中期來看似乎是可行的，就是可以將這些植物用于需要長明光源但對照明亮度要求不高的地點或室內(nèi)。說白了，就是開發(fā)生物夜燈或其他基于生物發(fā)光的補(bǔ)充照明設(shè)備。這一思路啟發(fā)了兩支歐洲研究團(tuán)隊，其中一支主攻發(fā)光真菌，另一團(tuán)隊則致力于發(fā)光細(xì)菌的研究。前者從2011年起測試了多種真菌菌株（已知有60種天然真菌菌株可以發(fā)光），直至發(fā)現(xiàn)一種單株樣本能夠發(fā)出與一支蠟燭相當(dāng)?shù)牧凉?，這實在令人吃驚。法國里昂大學(xué)真菌學(xué)研究人員負(fù)責(zé)該項目，該團(tuán)隊已經(jīng)開始暢想未來幾年后，生物發(fā)光系統(tǒng)將可提供環(huán)保且無需供能的光。對于需要視物但不必?zé)艋疠x煌的照明場合，這應(yīng)當(dāng)是十分理想的選擇。

科學(xué)家目前還無法用生物發(fā)光代替所有路燈，因為亮度不夠。但在不遠(yuǎn)的將來，可用之點亮櫥窗、公交車站、廣場、樓梯扶手、人行道甚至警示牌。生物學(xué)家桑德拉已經(jīng)成功研發(fā)出一種貼片，將70張這種含有發(fā)光細(xì)菌的貼片粘在墻面上，能令一片漆黑的房間亮到足以視物。當(dāng)然，還有很多方面尚待改進(jìn)，尤其得大幅提高照明亮度，并延長生物燈的壽命，需以最優(yōu)的解決方案，令“飼養(yǎng)”的這些生物變得容易且可持續(xù)——還要拓寬它們能發(fā)出的色彩，畢竟當(dāng)下僅局限于綠色和藍(lán)色。而這個理念本身已經(jīng)讓眾多照明設(shè)計師激動萬分：沒有人能夠否認(rèn)在發(fā)光樹木照亮的小路上散步是一個相當(dāng)迷人的想法?？梢钥隙ǎ饩€柔和、簡單且壽命長的生物照明將會推廣開來。這不僅能營造出一派夢幻氛圍，還將進(jìn)一步降低能耗。未來，傳統(tǒng)路燈就要退場了，發(fā)光生物或?qū)⒑芸烊〈鷤鹘y(tǒng)路燈照亮街道。