世界末日后的夜晚，用萤火虫、蘑菇和细菌来照亮大地吧！

2022-04-30 07:54:36 来源：科普中国

在法国城市桑斯的河边，一根根装有细菌的管子矗立在河岸上，发出幽幽的蓝绿色的光。

河岸边的幽幽绿光｜Glowee

和刺眼的灯光不同，这种蓝绿光非常柔和。与萤火虫发光类似，它不需要通电，而是通过海洋细菌体内自然的新陈代谢发出光芒，是一种生物照明。

这些河岸边的发光管子是法国生物照明公司Glowee的首个户外生物照明装置。除此之外，Glowee也在疫苗留观区安装了这种灯，人们可以沐浴在温柔的蓝绿色光芒下，平静地等待时间流逝。

Glowee是一家法国初创公司，生产生物照明的装置，希望能改变城市使用灯光的方式，也和一些法国城镇达成了合作，推广这些蓝荧荧的生物光｜Glowee

在Glowee实验室里，这些生物发光装置更为梦幻。装有海洋细菌的各种容器在实验室里发出蓝绿色的荧光，让人有误入黑客帝国的错觉。

实验室里的黑客帝国｜Glowee

在装扮成花草树木的荧光灯底下，放几把椅子，实验室的研究员们把这里当成了放松的场所，一起沐浴在淡淡的自然光泽中，享受美好时光。

这灯光，是要人在工作时间睡觉吗｜Glowee

不需要通电，有营养物质和氧气就够

Glowee生物照明装置的主角是费氏弧菌，这是一种会发光的海洋细菌。

Glowee从法国海岸收集费氏弧菌后，把它们存储在充满盐水的试管中，然后再转移到类似“水族箱”的容器中进行培养。

在实验室里培养的费氏弧菌｜Glowee

只要往容器里注入营养物质和空气，海洋细菌就可以进行相关的生物化学反应，在有氧的状态下发光；想要“关灯”也可以，切断空气让细菌进入厌氧状态就行。

费氏弧菌为什么能发光？因为这种细菌体内有荧光素酶。荧光素酶可以参与体内能源物质的化学反应，将化学能转化为光能，最终释放出波长约为490nm的蓝色荧光。

这种海洋细菌来自于一种非常神奇的深海物种——“发光乌贼”。夏威夷短尾乌贼是一种夜行海洋生物，常在夜晚觅食。费氏弧菌能与其共生，配合月光的亮度发光，照亮短尾乌贼身下的海域，使短尾乌贼“隐形”以躲避捕食者的攻击。

什么生物能发光？蓝的绿的红的光

自然界的生物能发出的光不只有蓝色。生物体内所含荧光素分子结构不同，发出的颜色也各种各样。

海洋发光生物大多发蓝绿色光，因为波长较短，蓝绿色光可以在海洋中传播得更远。比如甲藻，当它周围的海水被搅动时，胆小的甲藻会因刺激发出蓝光，而当大群甲藻被惊扰时，海面上就会出现大片粼粼的蓝光，形成美轮美奂的荧光海滩。

荧光海滩，甲藻被海浪、船只等惊扰时会发出蓝光｜Eleanor Hamilton

有一些蘑菇会发绿光，比如中印科学家在联合考察时首次发现的发光真菌Roridomyces phyllostachydis。它生长在印度东北部梅加拉亚邦，只有茎部发光，并只生长于枯死的竹子，发光可能是为了吸引昆虫帮助分散孢子，或者避免被动物吃掉。当地人不吃这种蘑菇，但会收集有蘑菇的枯死竹子来当天然“火炬”。

只有茎部发光的蘑菇｜参考文献[7]

还有一些生物发的光更为夺目，比如跳兔（Pedetes capensis），这种夜行性动物的毛发在紫外灯照射下能产生一种鲜艳的粉红色荧光。目前科学家们也不太清楚它为什么要发出这么亮眼的红色，可能是用来迷惑对紫外线敏感的捕食者，救自己一命。

你的肉眼可能看不见这个红色，毕竟眼睛没安紫外灯｜参考文献[2]

生物发光真的能照亮我们的城市吗？

虽然生物照明取法自然，有环保、节能、可再生等诸多优势，但要作为一种照明方式，它还面临相当大的挑战。

最致命的缺点是生物照明亮度不够，照明时间也很短。

Glowee目前的生物装置照明只能做到每平方米15流明，公园的公共照明每平方米至少需要25流明，而家用LED灯每平方米可以产生约111流明。而且，与稳定的电照明不同的是，细菌有生命周期，而生物照明装置只能维持几天到几周。

描述光通量的物理单位，流明越大亮度越高，在Glowee的视觉效果图里，这个城市不是很亮｜Glowee

其次，细菌生长需要精心培养，需要充足的营养、干净的生存环境以及适宜的温度。这些操作需要专业的人员定期维护，会耗费大量的人力、物力及财力。

如果在天寒地冻的冬天，细菌的生长可能完全停滞，生物照明就陷入瘫痪，而若提高温度以维持细菌正常的生命活动，又需要耗费大量的能源，得不偿失。

所以目前来看，生物照明还无法取代电照明，最多打打辅助。

不如试试基因编辑？

既然细菌培养有诸多条件限制，有些研究者选择直接提取细菌的发光物质荧光素酶，让其自身发光。

位于加拿大的Nyoka设计实验室就开发出一种生物照明装置——可降解的荧光棒，不用细菌，直接使用提取出来的发光蛋白，这比活细菌更容易维护。

Nyoka实验室研发的荧光棒，使用的是荧光蛋白；常见的荧光棒，用的是过氧化物、酯类化合物和荧光染料，经过摇晃或者弯折后，过氧化物和酯类化合物发生反应，再将反应后的能量传递给荧光染料，最后由染料发出荧光｜Nyoka

但可降解的荧光棒只能用于音乐节等用途，并且用完就丢，没法替代照明系统，还有更持久的方法吗？

有一些科学家把目光转向了基因编辑技术。

30年前，科学家基思·伍德（Keith Wood）利用萤火虫的基因创造了第一株发光植物。他认为，这项技术可以在一定程度上取代LED等人工照明。

在2012年，伍德团队发现，通过改变深海虾（opplophorus gracilirostris）体内一种荧光素酶的基因结构，其亮度可以增加250万倍，而由此产生的酶也比在萤火虫中发现的荧光素酶亮150倍。

携带萤火虫荧光素酶基因的转基因烟草植物B21｜Keith Wood

2020年4月，来自俄罗斯的团队发明了一种维持生物发光的方法。他们把真菌中的生物发光基因移植到了植物体内，蘑菇加植物的效果特别好，植物发的光比之前亮10倍，并且更加持久。

Keith Wood还创办了light bio公司，专注于创造室内发光植物｜light-bio.com

不过，这些植物成为路灯可能还有一定距离。来自雅典的设计师认为，如果每株发光植物大概能发出57流明的光，那么道路两侧每隔30米就得种40株，才能满足照明需求。

当然也有可能，生物照明装置根本不需要去替代电照明，而是作为自然的光泽流转于你我之间。

试想一下，夜幕降临，刺眼而花哨的LED灯熄灭，广场上亮起了幽幽的绿光或蓝光。人们紧绷的视觉和精神回归舒缓，即便在城市从未见过萤火虫，也能重新感受到了与自然的连接。

这可能是生物照明所带来的，一种舒适的人与自然的关系。

Glowee生物照明装置上写着：“Scrute la nature, c’est là qu’est ton futur.”翻译来过是达芬奇的一句名言，“审视自然，这是你的未来所在。”｜Glowee

参考文献

[1]Visick KL, Stabb EV, Ruby EG. A lasting symbiosis: how Vibrio fischeri finds a squid partner and persists within its natural host. Nat Rev Microbiol. 2021 Oct;19(10):654-665. doi: 10.1038/s41579-021-00557-0. Epub 2021 Jun 4. PMID: 34089008; PMCID: PMC8529645.

[2]Olson ER, Carlson MR, Ramanujam VMS, Sears L, Anthony SE, Anich PS, Ramon L, Hulstrand A, Jurewicz M, Gunnelson AS, Kohler AM, Martin JG. Vivid biofluorescence discovered in the nocturnal Springhare (Pedetidae). Sci Rep. 2021 Feb 18;11(1):4125. doi: 10.1038/s41598-021-83588-0. PMID: 33603032; PMCID: PMC7892538.

[3]Ow DW, DE Wet JR, Helinski DR, Howell SH, Wood KV, Deluca M. Transient and stable expression of the firefly luciferase gene in plant cells and transgenic plants. Science. 1986 Nov 14;234(4778):856-9. doi: 10.1126/science.234.4778.856. PMID: 17758108.

[4]Bevilaqua VR, Matsuhashi T, Oliveira G, Oliveira PSL, Hirano T, Viviani VR. Phrixotrix luciferase and 6"-aminoluciferins reveal a larger luciferin phenolate binding site and provide novel far-red combinations for bioimaging purposes. Sci Rep. 2019 Jun 21;9(1):8998. doi: 10.1038/s41598-019-44534-3. PMID: 31227722; PMCID: PMC6588592.

[5]Karunarathna S C , Mortimer P E , Tibpromma S , et al. Roridomyces phyllostachydis (Agaricales, Mycenaceae), a new bioluminescent fungus from Northeast India[J]. Phytotaxa, 2020, 459(2):155–167.

[6] DUTTA, A. K., PALOI, S., HU, Y., BAURAH, G., AXFORD, S., MARCINIAK, C., ... & LUMYONG, S. (2020). Roridomyces phyllostachydis (Agaricales, Mycenaceae), a new bioluminescent fungus from Northeast India. Phytotaxa, 459(2), 155-167.

[7] The French town where the lighting is alivehttps://www.bbc.com/future/article/20220407-the-living-lights-that-could-reduce-energy-use

[8] Mitiouchkina T, Mishin AS, Somermeyer LG, Markina NM, Chepurnyh TV, Guglya EB, Karataeva TA, Palkina KA, Shakhova ES, Fakhranurova LI, Chekova SV, Tsarkova AS, Golubev YV, Negrebetsky VV, Dolgushin SA, Shalaev PV, Shlykov D, Melnik OA, Shipunova VO, Deyev SM, Bubyrev AI, Pushin AS, Choob VV, Dolgov SV, Kondrashov FA, Yampolsky IV, Sarkisyan KS. Plants with genetically encoded autoluminescence. Nat Biotechnol. 2020 Aug;38(8):944-946. doi: 10.1038/s41587-020-0500-9. Epub 2020 Apr 27. Erratum in: Nat Biotechnol. 2020 Jun 4;: PMID: 32341562; PMCID: PMC7610436.

作者：亚克西

编辑：小毛巾、游识猷

一个AI

我也养点海洋细菌，我就变成发光AI啦！

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关键词：荧光素酶照明装置生物发光