法國科學家致敬“囊螢夜讀”

李和昌

向古籍學習，中為洋用

“囊螢夜讀”講的是大家耳熟能詳的一個故事：晉朝人車胤小時候家境貧寒，不能經常得到油燈看書。夏天的夜晚，他就捉幾十個螢火蟲裝進袋子，照著書本，夜以繼日地學習著，自此學識與日俱增。車胤長大后知識廣博，被任命為吏部尚書。

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

其實，很早以前南美洲的印第安人就開始使用能發光的昆蟲光叩甲照明了。生活在16世紀的西班牙歷史學家岡薩洛·費爾南德斯曾在著作中提及這些昆蟲，他記載當地人把它們裝在籠子里，用于室內照明。那么，為何等了6個世紀重新想到走生物照明的路呢？這是因為生物發光長久以來一直神秘莫測。人類很早便已記錄了這一現象，無論主角是昆蟲、細菌還是真菌。關于生物發光的化學解釋出現在1887年，法國生物學家拉法耶爾·迪布瓦這樣描述：存在于某些生物的細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）的作用下與氧結合釋放出光子，于是產生了光。但研究人員仍然無法從生物學角度給出解釋。為什么有些發光生物可以全天24小時發光而另外一些卻只在黑暗的環境下發光？為什么發光的強度會因為物種的不同而不同？所幸，對生物發光遺傳機制的研究，終于在最近20年取得了突破性進展。相關部門開始認真考慮大范圍使用發光生物進行照明了。

發光基因，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，在城鎮中普遍的做法是使用低能耗的LED燈和可以根據時間及人流調整光照強度的智能燈。然而，對目前照明系統的改革完全可以走得更遠！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，在一直發光……人間仙境！不過，還有最后一道難關需要攻克：目前研究的生物燈尚不足以用來照明，或只能在無法大規模復制的試驗環境下發光。這是因為大部分的發光物種是海生的，生活在海中90%的深海種群都可以發光。由于深海中陽光照射不到，成了黑暗的世界，發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、白、紅的光點，輝映出團團的彩虹；大烏賊像一支支火箭，腹部一對銹紅的光柱，同腹部的青光、兩眼的藍光，閃爍成一個個火流星；金眼鯛打著電壓不足的“手電筒”，發出一道道黃光；乒乓球大小的夜光蟲，像一只只藍綠寶石，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，這是各種發光的細菌。發光是海洋生物的選擇性適應，是大自然給海洋生物的獎賞，是海洋生物同深海水環境億萬年磨合的精巧。

針對生物燈的研發，眾多研究團隊躍躍欲試，想要越過這最后一道難關。他們成竹在胸：合成生物學的出現讓我們能夠把某一物種的發光能力轉移到其他物種身上。美國紐約州立大學的研究人員采用并不發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光細菌的DNA序列。結果怎樣？成功獲得發光基因的植物可以24小時不間斷地自主發光，并持續數月。

但目前這類植物發出的光線仍然極其微弱：只有在黑暗中才能看見一星微光，亮度僅數流明，遠不及一個40瓦白熾燈泡亮（400流明）！但這無妨科研人員積極調整方案，畢竟生物燈的原理已經掌握明晰，隨著科學的不斷進步，實驗室所得植株的發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科學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！雖然技術方面還存在挑戰，但科學家認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，法國生物學家桑德拉團隊已經通過將螢火蟲的一個基因植入一種擬南芥體內，并成功使其發光。

10年之內，取代傳統照明？

針對能在10年之內研發出可以大范圍代替電力進行照明的植物，科學界還持有懷疑態度。在使用生物發光進行戶外照明這一點上科學家表現得十分謹慎，因為目前提升亮度的瓶頸還無法解決，但生物發光的確存在一定的商業前景。另有一條研發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。說白了，就是開發生物夜燈或其他基于生物發光的補充照明設備。這一思路啟發了兩支歐洲研究團隊，其中一支主攻發光真菌，另一團隊則致力于發光細菌的研究。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光），直至發現一種單株樣本能夠發出與一支蠟燭相當的亮光，這實在令人吃驚。法國里昂大學真菌學研究人員負責該項目，該團隊已經開始暢想未來幾年后，生物發光系統將可提供環保且無需供能的光。對于需要視物但不必燈火輝煌的照明場合，這應當是十分理想的選擇。

科學家目前還無法用生物發光代替所有路燈，因為亮度不夠。但在不遠的將來，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。生物學家桑德拉已經成功研發出一種貼片，將70張這種含有發光細菌的貼片粘在墻面上，能令一片漆黑的房間亮到足以視物。當然，還有很多方面尚待改進，尤其得大幅提高照明亮度，并延長生物燈的壽命，需以最優的解決方案，令“飼養”的這些生物變得容易且可持續——還要拓寬它們能發出的色彩，畢竟當下僅局限于綠色和藍色。而這個理念本身已經讓眾多照明設計師激動萬分：沒有人能夠否認在發光樹木照亮的小路上散步是一個相當迷人的想法。可以肯定，光線柔和、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，還將進一步降低能耗。未來，傳統路燈就要退場了，發光生物或將很快取代傳統路燈照亮街道。