使生物发光

我曾经认为有一种叫做荧光素的小分子能发出生物发光的光。我没说错，但荧光素不只一种。有很多，看看它们的分子结构，你就有理由得出结论，它们彼此之间没有任何共同之处。

最著名的是萤火虫荧光素，它是两个噻唑衍生物的二聚体:也就是说，是两个含有硫和氮的五元杂环。还有细菌荧光素，它是维生素B的衍生物₂(核黄素)。一些真菌发光是因为它们含有组氨酸的衍生物，组氨酸是一种基于吡喃酮的共轭分子。一些被称为鞭毛藻的单细胞海洋生物体内含有一种令人印象深刻的与叶绿素有关的荧光素，其中的卟啉环一度被打开。

正如荧光素的多样性所证明的那样，生物发光并不是很久以前在进化史上学会的技巧，然后在整个生命之树中传递。它独立出现了很多次(也许超过50次)，这一事实在与荧光素反应产生发光的酶中也很明显。这些蛋白质被称为荧光素酶，它们的结构非常不同:编码它们的基因彼此之间并不是密切相关的类似物，但似乎有独立的起源。一些生物发光系统还涉及修饰荧光素发射波长的辅助蛋白。

然而，所有这些系统都使用相同的基本机制:酶利用分子氧将荧光素氧化成电子激发的产物，通过释放光子来释放多余的能量。在这方面，生物发光是趋同进化的一个经典例子:自然选择“发现”了这一过程，多次产生光，在每种情况下都找到了相同的潜在化学物质。

千篇一律的鲨鱼使用一种极其聪明的捕猎策略

更引人注目的是生物发光的作用完全不同的角色在不同的生物体中。¹例如，一些甲壳类动物和鱼类利用光线向未来的配偶发出信号。还有一些人用它来引诱猎物，比如深海琵琶鱼(从鱼头突出的杆子顶部的灯泡发出的光实际上是由共生的生物发光细菌产生的)。一模一样的鲨鱼使用了一种极其聪明的捕猎策略:底部的绿色生物发光隐藏了它的轮廓，不让下面的潜在猎物看到，同时在喉咙上留下一条锥形的黑色带，被认为是通过模仿小鱼的形状来吸引猎物(如海豚、鲸鱼和海豹)。

许多海洋物种利用生物发光来警告或躲避，用它们的光来迷惑或恐吓潜在的捕食者。这似乎也是鞭毛藻发光的功能，它们可能把它当作一种“防盗报警器”:如果捕食者触发了它，它就会提醒更大的捕食者去对付入侵者。当压力使这些单细胞原生生物的细胞壁变形时，机械敏感的离子通道就会打开。这就产生了钙离子通量，改变了跨膜电势，并触发了质子通道的打开。pH值的改变刺激荧光素酶蛋白质发挥作用，将生物的荧光素在包围细胞核的囊泡内转化，并产生蓝绿色辐射。雷蒙德·戈尔茨坦英国剑桥大学教授和他的同事进行了研究最近测量个体的发光强度如何Pyrocystis甲半月鞭毛藻与它们细胞壁的变形程度有关，使用玻璃微管直接挤压细胞并向它们喷射水。²

这是夜晚在热带和亚热带海洋中可以看到的幽灵般的辉光的主要来源:海浪或船的尾迹中水流产生的剪切力足以触发微生物的发射。查尔斯·达尔文写道，他在泰坦尼克号的船头看到了“两股液态磷的波涛”小猎犬号．

不同物种的独立进化意味着化学发光的技巧并不难学

生物发光是一种自然过程，似乎设计得如此精巧，令人困惑的是，自然选择是如何偶然发现它的。尽管如此，它在不同物种中的独立进化意味着化学发光的技巧其实并不难学。一个潜在的解决方案这一明显的矛盾之处在于，它们共同的氧化化学反应最初是为了一个完全不同但无处不在的重要目的而产生的:吸收活性氧，否则可能会破坏脆弱的生物分子。^1、3

从这个角度来看，荧光素酶最初是一种蛋白质，它会将这些氧物种倾倒到一些方便的下沉分子上:一些荧光素酶和荧光素确实具有抗氧化特性。如果这个想法是正确的，它将使生物发光成为进化过程的一个例子，在这个过程中，为一个目的进化的特征开始为另一个目的服务。它提醒我们，大自然是一个机会主义者，它会在任何能找到机会的地方发展自己的策略。