馬迪

從探究生物發(fā)光機(jī)理，到應(yīng)用到前所未有的領(lǐng)域，科學(xué)的腳步在一步步前進(jìn)，生命的秘密也在一點(diǎn)點(diǎn)被點(diǎn)亮，幫助我們把這個(gè)世界看得更加清楚。

所有能發(fā)光的東西都會(huì)天然地吸引人類的注意，尤其是會(huì)發(fā)光的活物，比如我們熟知的螢火蟲。無數(shù)的科幻文藝作品，比如電影《阿凡達(dá)》，都展示過各種動(dòng)植物閃閃發(fā)光的絢麗奇景。這讓人不禁想問：它們?yōu)槭裁磿?huì)發(fā)光？未來它們能夠照亮黑夜嗎？如果路邊種的都是會(huì)發(fā)光的樹，一束發(fā)光的花照亮著女孩的臉，這場景該多美妙??！

迷人的發(fā)光生物

在自然界中，有很多生物具有令人驚嘆的發(fā)光特性。事實(shí)上，所有的細(xì)胞都能向外輻射電磁波，因此從廣義上來說，細(xì)胞都會(huì)發(fā)“光”，只是大多數(shù)都是人眼不可見或無法察覺的，在此就不做討論了。

地球上有超過700個(gè)屬的生物包含發(fā)光的種類，幾乎遍布地球的各個(gè)區(qū)域，從極地到熱帶，從海面到海底。尤其在深海中，將近90%的生物都有發(fā)光的能力。非海洋生物的發(fā)光現(xiàn)象分布較窄，主要集中在以螢火蟲為代表的昆蟲和一些細(xì)菌、真菌中。

破解這個(gè)秘密的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在1887年。法國生物學(xué)家拉斐爾·杜布瓦通過一種甲蟲發(fā)現(xiàn)，生物發(fā)光反應(yīng)需要兩種化學(xué)物質(zhì)：一種被稱為熒光素（它像電池一樣，是會(huì)消耗掉的），另一種被稱為熒光素酶，這兩種化學(xué)物質(zhì)與氧氣一起經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生了熒光。

在后來的研究中，科學(xué)家們從水母中提取出水母素（熒光酶的一種）的同時(shí)，無意中分離出一種“綠色蛋白”，它在陽光下呈現(xiàn)綠色、鎢絲下呈現(xiàn)黃色、紫外光下發(fā)射強(qiáng)烈綠色。這便是大名鼎鼎的綠色熒光蛋白。這個(gè)在地球上沉睡了一億六千萬年的神奇蛋白質(zhì)如今被廣泛用于生物學(xué)研究中，因?yàn)樗鼈兡馨l(fā)光，且不會(huì)傷害其他細(xì)胞，常被用來做熒光標(biāo)記，以觀察蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的位置和運(yùn)動(dòng)軌跡。2008年，綠色熒光蛋白研究者獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，被評價(jià)為“照亮了生物學(xué)研究的未來”。

人造的發(fā)光植物

自然界中的生物發(fā)光現(xiàn)象幾乎都存在于動(dòng)物、真菌中，研究發(fā)光植物，可以先借鑒一下它們的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

早在20世紀(jì)80年代，科學(xué)家就嘗試將螢火蟲的螢光素酶導(dǎo)入到植物細(xì)胞中。他們發(fā)現(xiàn)通過培養(yǎng)基或者澆灌等方式向植物添加熒光素和三磷酸腺苷時(shí)，確實(shí)會(huì)讓它們發(fā)出螢火蟲般的光芒。但這種光非常微弱，且提取熒光素非常昂貴，這種方法顯然并不理想。

從螢火蟲和水母身上得到的經(jīng)驗(yàn)并不能完全適用于植物，科學(xué)家又向發(fā)光真菌“取經(jīng)”，終于在2020年取得了重要突破。來自美國和俄羅斯的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，發(fā)光真菌擁有4種關(guān)鍵的酶，能將咖啡酸轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物牛奶樹堿，再進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為熒光素，最后在螢光素酶的催化作用下氧化并釋放出光。由于咖啡酸是植物體內(nèi)非常常見的物質(zhì)，那么思路很簡單了—只要將這些酶轉(zhuǎn)移到植物中即可。

2023年5月，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院的都浩團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)制了發(fā)光顯著增強(qiáng)的自發(fā)光植物，比之前的發(fā)光亮度提高了五倍以上，多株植物一起發(fā)出的光芒可照亮黑暗的環(huán)境，足以讓人清晰地看見附近較大的字體。哪怕是離體的葉片，也同樣能持續(xù)發(fā)光三天之久。

從實(shí)際應(yīng)用角度來看，將植物作為照明具有一定的可行性和優(yōu)勢—植物通過光合作用吸收光、轉(zhuǎn)化為生物能，而發(fā)光則可以將這種生物能在此轉(zhuǎn)化為光能。這意味著植物可以作為一種更高效的可持續(xù)能源，成為無需電源的終極節(jié)能照明設(shè)備。目前，包括浙江大學(xué)在內(nèi)，世界上有多個(gè)團(tuán)隊(duì)都在以此為目標(biāo)，對常見的行道樹進(jìn)行遺傳轉(zhuǎn)化，希望有一天能創(chuàng)造出發(fā)光樹。

古人“囊螢照書”，用發(fā)光生物作為最原始的照明工具；今人發(fā)揚(yáng)光大，開發(fā)新的發(fā)光物種。從探究生物發(fā)光機(jī)理，到應(yīng)用到前所未有的領(lǐng)域，科學(xué)的腳步在一步步前進(jìn)，生命的秘密也在一點(diǎn)點(diǎn)被點(diǎn)亮，幫助我們把這個(gè)世界看得更加清楚。