發(fā)光生物：點綴夜空暗海美妙風景

圖/東方IC

蘑菇會發(fā)光？！沒錯，如此神奇而夢幻的場景，就出現在中國科學院西雙版納熱帶植物園（下稱“西雙版納熱帶植物園”）。近日，工作人員在園中發(fā)現并拍攝到了幾叢罕見的發(fā)光蘑菇，這些小精靈白天看上去就是“平平無奇”的乳白色小蘑菇，到了夜晚則會發(fā)出綠色的熒光，星星點點的亮光散布于樹干之上，時隱時現，時明時暗，令人稱奇。

面對這些發(fā)光的蘑菇，人們發(fā)出一連串追問：蘑菇為什么會發(fā)光？還有哪些生物會發(fā)光？發(fā)光生物可為未來科技帶來哪些暢想？……

發(fā)光蘑菇已知至少有97種

“這種拇指大小的菌菇，只會長在百竹園上一年被砍掉而腐爛的竹子根部，晚上會發(fā)出綠色的光。我們觀察發(fā)現，在最初的菌絲階段，以及末期階段子實體成熟階段，它的光特別亮?！蔽麟p版納熱帶植物園環(huán)境教育中心科普專家劉光裕表示，這是種菌暫定名為“東京膠孔菌”——這里的東京與日本無關，而與越南北部舊稱“東京”有關。它屬于孔菌類群，可分泌一種膠質的物質，螞蟻、蝸牛都愛吃它，其孢子也較常見的真菌更大。子實體在末期之所以會發(fā)出醒目的光，可能有利于吸引節(jié)肢動物代為傳播孢子。但到目前為止，人們對它的了解還很少，這是不是一個新種，也還沒有完全確定。

2018年，中國科學院昆明植物研究所木本資源發(fā)掘與農林復合系統構建團隊許建初研究組與印度科學家合作，在印度東北部開展了多次聯合考察。考察隊在梅加拉亞邦一處竹林枯死的竹莖上，也發(fā)現一種羅里多菌屬的發(fā)光真菌。

“發(fā)光真菌依靠螢光素酶而發(fā)光，螢光素在有氧的情況下，被螢光素酶催化而發(fā)生反應時，會從其子實體或菌絲發(fā)出光。”許建初介紹，由于在醫(yī)學、農業(yè)與生態(tài)環(huán)境傳感器等方面的廣泛應用，生物發(fā)光真菌一直受到人們的極大關注。

據2021年4月號《萬物》期刊報道，澳大利亞有一種被稱為“幽靈真菌”的螢光菌，同樣具有生物發(fā)光能力，它能產生螢光素的化學物質，在發(fā)生化學反應時，會以綠色熒光的形式釋放能量?！坝腥苏J為這種光可以吸引幫助真菌傳播孢子的昆蟲，不過目前未有定論。”

許建初表示，發(fā)光真菌的研究、利用潛力很大。近期，他的團隊不僅在繼續(xù)研究早期發(fā)現的發(fā)光真菌，同時還在云南省西雙版納州、麗江市等地相繼發(fā)現會發(fā)光的真菌，正等待發(fā)表。到目前，全球已知有97種生物發(fā)光真菌類群。

對發(fā)光生物的認識正逐漸加深

發(fā)光生物是自然界的奇妙創(chuàng)造，除了真菌和細菌，植物、動物都有一些發(fā)光的類群。一項研究顯示，蒙特利海灣研究所的研究人員在蒙特利灣4千米以上的水域中發(fā)現，3/4的動物都能自己產生光。會發(fā)光的海洋生物不僅僅局限于少部分深海魚類，還包括了水母、蠕蟲、魷魚以及各種各樣的動物。

與此同時，絕大多數的生物發(fā)光都是有用途的，是它們一種必備的“生存技能”——生物發(fā)光有的可以被同類識別，有的可以當作釣餌，有的作傳情的信號，有的用于迷惑“敵人”。

比如，在漆黑的海洋深處，時常出現游動的點點“燈火”，給寧靜的海底世界帶來生命的信息。在眾多發(fā)光的魚類中，燈籠魚只是其中的一種。它們身體上有能發(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、紫等各種顏色，遠遠望去，熒光閃閃。發(fā)出的光可用來誘捕食餌，迷惑天敵，引誘配偶，以利于集群生活。

“生物熒光是進化生物學最有趣的現象之一，主要用于警戒和求偶交流。因此，自達爾文時期甚至更早，具有生物熒光的類群就吸引著眾多生物學家?！敝袊茖W院昆明動物研究所實驗師董志巍說，螢火蟲是最著名的陸生發(fā)光生物，其中一些屬有限的地理分布和種群稀有性，使其分子系統發(fā)育關系仍有諸多不確定性，限制了對生物熒光起源與進化這一有趣現象的探討。

中外科學家聯合考察發(fā)現的發(fā)光真菌（圖/中國科學院昆明植物研究所許建初研究組）

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序，對昆明動物研究所自2002年以來收集的共計15個屬23種部分亞洲螢火蟲樣品進行測序，獲得線粒體基因組和核糖體DNA，其中11屬22種螢火蟲的線粒體基因組和核糖體DNA 均為首次報道。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發(fā)育研究，并為深入揭示全世界螢火蟲的系統發(fā)育關系提供了重要數據。

發(fā)光生物應用研究前景廣闊

生物發(fā)光作為一種自然現象，最先應用于海洋捕撈，漁民根據不同的“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。在早期，“?；稹边€可在軍事上被用于發(fā)現敵艦、判斷魚雷和潛艇走向。

生物發(fā)光的原理，還能用于新型光源的制造，如現在使用的熒光燈和各種節(jié)能燈。生物光不產生熱量，如果這種光源在易爆物質的貯存庫和充滿易燃易爆氣體的礦井里，在化學武器貯存庫和彈藥庫里應用，將是最安全的照明設施。如果用于戰(zhàn)場，隱蔽性好，不易暴露目標。生物光光源亟待開發(fā)成功。

此前，俄羅斯科研人員利用基因移植法，將發(fā)光蘑菇的幾個基因轉移到煙草的DNA 中，首次培育出在夜間可以發(fā)光的植物。有關專家指出，未來發(fā)光植物可用來裝飾房屋和公共場所，因此該項科研成果具有很好的商業(yè)用途。

此外，目前一些發(fā)光細菌已經被分離出來，正通過實驗室進行培養(yǎng)。因有毒的化學物質、重金屬離子、抗生素、化學治療劑、農藥等會影響細菌發(fā)光，所以科研人員了用發(fā)光細菌作為敏感指標物，來測定有毒有害物的含量。一些醫(yī)院的研究人員，也正在使用細菌生物光測量能安全有效殺死癌腫瘤的藥物劑量。

而借助熒光蛋白的發(fā)光屬性，自2018年起，北京大學李毓龍實驗室就開發(fā)了可基因編碼的一系列監(jiān)測神經遞質的熒光探針，即GRAB 探針系列，其中包括了多巴胺探針。李毓龍指出，他們所創(chuàng)新的方法，最重要、最有趣的是“讓細胞自己發(fā)光”。

最近，他們成功研發(fā)出經過優(yōu)化的第二代綠色熒光探針，熒光更亮，結合神經遞質后，信號變化更為顯著。此外，新型紅色熒光探針可實現對多巴胺的監(jiān)測，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與神經科學領域其他重要技術——如鈣成像、光遺傳學等結合使用。新型探針也為相關藥物篩選優(yōu)化提供了新的可能。