蘑菇發(fā)光不稀奇！我國已發(fā)現(xiàn)超97種發(fā)光蘑菇

你是否穿越到電影《阿凡達》的境地?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……

隨著在中國昆明舉辦的《生物多樣性公約》締約方大會第15次會議(COP15)會期臨近，以生物多樣性著稱的云南所特有的一些生物，也相繼被輪番“盤點”，其中中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園園內(nèi)的一種會發(fā)熒光真菌，成為“寵兒”。

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”……為此，科技日報記者采訪了相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家。

發(fā)光蘑菇，已知至少有97種!

泰勒·洛克伍德，是美國著名蘑菇攝影師。2013年8月，他怎么也沒想到自己在中國云南的西雙版納熱帶植物園參加“數(shù)碼技術(shù)監(jiān)測雨林動態(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，遇到了發(fā)光的蘑菇。其明顯特征是具有側(cè)柄和寬闊的球狀孔。”泰勒·洛克伍德說。

然而，直到在那年夏天之前，科學(xué)界顯然不知道這個屬的膠孔菌會發(fā)光。

“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(xiàn)，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。”西雙版納熱帶植物園環(huán)境教育中心科普專家劉光裕告訴記者，這是種菌暫定名為“東京膠孔菌”——這里的東京與日本無關(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)的物質(zhì)，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(xué)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)建團隊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。考察隊在梅加拉亞邦一處竹林枯死的竹莖上，也發(fā)現(xiàn)一種羅里多菌屬的發(fā)光真菌，2020年9月，他們在國際期刊《植物分類群》上，發(fā)表了這個新種。

“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(yīng)時，會從其子實體或菌絲就會發(fā)出光。”許建初研究員介紹，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。此前的研究認為，真菌發(fā)光特性是生態(tài)適應(yīng)的體現(xiàn)，主要是吸引昆蟲、保護自己免受食肉動物的侵害，在孢子散布機制方面比其他真菌更具優(yōu)勢。

據(jù)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(chǎn)生螢光素的化學(xué)物質(zhì)，在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，會以綠色熒光的形式釋放能量。“有人認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。”報道還指出，人類很久以前就已經(jīng)認識了熒光菌，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。

許建初告訴科技日報記者，發(fā)光真菌的研究、利用的潛力很大。近期，他的團隊不僅在繼續(xù)研究早期發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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。

由表及里，對發(fā)光生物的認識正逐漸深入

發(fā)光生物是自然界的奇妙創(chuàng)造，除了真菌和細菌，植物、動物都有一些發(fā)光的類群。從細菌到魚類，海洋中有好幾千種發(fā)光生物。海洋生物發(fā)光，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(dāng)作釣餌，有的作傳情的信號，有的用于迷惑“敵人”。

據(jù)文獻報道，在牙買加的牡蠣灣和波多黎各的一些地方，人們常會看到海上的“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，所發(fā)出的光則足以引人矚目。報道分析，甲藻是多種浮游小動物的餌料。聚集的甲藻在激蕩的海水中發(fā)光，會讓浮游小動物不能安心進食。因而可以減少甲藻被捕食的機會。此外，光痕也可暴露這些小動物的位置，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)光水母早已為人們所熟知，水母發(fā)光蛋白原理已見大量的科學(xué)報道。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，許多水母都能發(fā)光。不同于其他動物的發(fā)光系統(tǒng)，水母發(fā)光全仗一種叫埃奎林的蛋白質(zhì)，當(dāng)其遇到鈣離子就能發(fā)出較強的藍色光來。據(jù)稱，每只水母平均只含有50微克的埃奎林，但發(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謎。

在漆黑的海洋深處，時常出現(xiàn)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。

而陸地上“掛燈籠”的螢火蟲，是發(fā)光生物中的明星。

“生物熒光是進化生物學(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(xué)家。”中國科學(xué)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(tǒng)發(fā)育關(guān)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(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(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)。

前景可觀，發(fā)光生物的研究應(yīng)用

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。“海火”還可以為航海者指出暗礁、淺灘，避免海難事故。在早期，“海火”還可在軍事上被用于發(fā)現(xiàn)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(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)的貯存庫和充滿易燃易爆氣體的礦井里，在化學(xué)武器貯存庫和彈藥庫里應(yīng)用，將是最安全的照明設(shè)施。如果用于戰(zhàn)場，隱蔽性好，不易暴露目標(biāo)。生物光光源亟待開發(fā)成功。

另據(jù)本報記者董映璧2020年5月6日發(fā)自莫斯科的報道，俄羅斯科學(xué)院生物有機化學(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)光蘑菇的幾個基因轉(zhuǎn)移到煙草的DNA中，首次培育出在夜間可以發(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，俄科研人員一直試圖從螢火蟲、細菌中移植發(fā)光基因來培育發(fā)光植物，但久未獲得成功。此前，他們在研究蘑菇等生物發(fā)光時發(fā)現(xiàn)，發(fā)光是由極精微的反應(yīng)引起的，而在植物中可以找到發(fā)光所需的物質(zhì)。在后來的研究中，俄研究人員將發(fā)光蘑菇的幾個基因轉(zhuǎn)移到煙草DNA中，便培育出發(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，發(fā)出的光不斷變化，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)光的強度也會變化。他還稱，植物穩(wěn)定的發(fā)光不會產(chǎn)生有毒物質(zhì)，也不會影響植物正常生長和發(fā)育。

研究發(fā)現(xiàn)，在熄燈后，煙草的發(fā)光亮度會迅速增加。如果幾天內(nèi)燈光一直關(guān)閉，則植株的會根據(jù)自身的生物鐘持續(xù)發(fā)光。這表明，生物發(fā)光的機制反映了植物的代謝速率，也包括機械損傷方面的原因。如果用刀切割植株，用特殊方法可以發(fā)現(xiàn)傷口的位置怎樣開始發(fā)光，植物的“疼痛”信號迅速通過神經(jīng)開始傳播。“研究發(fā)光植物的機理，可以使我們發(fā)現(xiàn)意想不到的現(xiàn)象：如果傷害了植物，它就會像受傷的人一樣感到疼痛。”弗拉基米爾·丘布說。

有專家指出，如果把在煙草上取得的成果轉(zhuǎn)移到花卉上，能研發(fā)出許多可用來裝飾房屋和公共場所的發(fā)光植物，因此這項科研成果具有很好的商業(yè)前景。

此外，目前一些發(fā)光細菌已經(jīng)被分離出來，正通過實驗室進行培養(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(biāo)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(xué)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(jīng)遞質(zhì)的熒光探針，即GRAB探針系列，其中即包括多巴胺探針。李毓龍告訴科技日報記者，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(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，信號變化更為顯著。此外，新型紅色熒光探針可實現(xiàn)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(jīng)科學(xué)領(lǐng)域其他重要技術(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。(趙漢斌)