摄影：gettyimaes
- 瞄准诺贝尔奖！
事实上，“发光生物”之谜充满了谜团
- 它发光是因为它还没有进化！ ？
这是一个实验室参观合作系列，讲谈社 Bluebacks 编辑部将参观 AIST 的研究地点，并报告那里有什么样的研究人员以及那里正在做什么。
什么样的科学正在此时诞生？在论文和书籍中发表的研究成果的幕后发生了什么？我们将关注参与研究的每个人。 （*与讲谈社Bluebacks网站同时发布。）
包括萤火虫在内的发光生物的存在长期以来一直引起人们的兴趣。最近一段时间，有关深海生物的视频引起了人们的关注。
从发出微弱光芒的物体到闪烁着鲜艳色彩的乌贼和海星。我再一次对世界上如此多样化的发光生物感到惊讶。它们为什么会发光？为什么你会获得发光的能力？
有一个简单的问题，产业技术综合研究所生物医学研究部我参观了一个房间。等待我们的是大宫胜宏和三谷康夫。他们两人都是研究人员，正在揭开生物发光的奥秘并将其特性应用于工业。
发布于 2019 年 1 月 31 日
中川隆雄的采访和文字
生物发光的目的是什么
人类没有像萤火虫一样发光的机制。这就是为什么萤火虫看起来具有复杂的机制而发光，并且很难想象水母和深海鱿鱼也具有复杂的机制。它们为什么会发光？
“例如，人们认为萤火虫发光主要是为了求偶展示。这是因为雄性会吸引雌性的注意。安康鱼利用发光细菌制造出灯笼般的光，悬挂在其鼻子尖端。它们利用光来吸引食物并吃掉食物。换句话说，深海中有许多鱼的腹部会发光。还有小到 40 厘米的鲨鱼会发光。”
先生大宫
光照强度根据栖息地而变化
你的胃发光意味着什么？
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“到达不同深度的光量因海洋深度而异，因此光量会根据栖息地的深度而变化。在 200 米左右，光量约为水面的 1/100。这就是为什么最好有薄薄的辉光。” （大宫先生）
乌鸦鲨的整个身体（上）及其发光的腹部 ©AIST
充分利用光线的生存策略
它作为一种保护手段而闪闪发光。然而，深海中的生物似乎会过度发光。
一位研究富山萤火乌贼的人说，如果你打开灯，你可以看到敌人，但如果你把灯关掉，你就再也看不到敌人了。他们故意打开和关闭灯然后逃跑。换句话说，这是一种干扰策略。此外，就萤火乌贼而言，他们通过向敌人喷光来威胁敌人。”（大宫先生）
团子花照片由 Adobe Stock 拍摄
据说还有发光生物，例如海萤，它们会像章鱼的吹墨器一样喷出发光的分泌物来吸引人们的注意，然后在这段时间内逃跑。
“光被用作求偶、交流、捕食、失明等策略。”（大宫先生）
发光的一面和见光的一面。两者的存在意味着生物的发光是随着视觉的发展而进化的。
“这可能不是真的，”大宫桑否认道。
通过发光氧化去除氧气
“清道夫理论是目前世界上最流行的发光原因。”
清道夫通常用来表示吃腐肉或清理垃圾，但在这里它的含义似乎略有不同。似乎是“去掉不必要的东西”的意思。
“氧气对生物来说是有毒的。像人类这样的高等生物有其他去除氧气的机制，但是发光生物通过氧化来清除（去除）氧气。换句话说，它们发光来燃烧危险的氧气。通过发光，氧气的毒害消失了。” （大宫先生）
发光=底物的氧化
哺乳动物、两栖动物、爬行动物和鸟类没有发光生物。据说，只有处于系统发育早期的生物体，从发光细菌到鱼类，才有发光的能力。三谷先生进行了详细的说明。
“光发光需要底物（一般称为荧光素）。发光是由于底物的氧化反应而产生的。酶（荧光素酶）的作用是有效地进行氧化反应。酶作为催化剂辅助反应。没有酶，我们就看不到光。”
这意味着我们将生物体中荧光素的氧化视为“美丽”。
三谷桑
深海中的主要发光生物
“大约有 700 个属存在发光生物，据说超过 80% 的深海生物会发光。”
大宫先生说。也就是说，在深海中不发光的人是少数。人们可能会问为什么人类不发光。
照明机制似乎出奇的简单。然而，效果是巨大的。哪怕是人类，在漆黑的黑暗中只要有一丝一毫的光亮，都会被它吸引。
不发热的光=冷光
“自从生活在公元前的哲学家亚里士多德时代起，人们就对发光生物很感兴趣。他称这种不散发热量的光=冷光。他们看到的其中一个东西是地中海贝类。它可能是一只海鸥，但显然在罗马时代，每个人都非常流行将贝类滴下的发光液体蘸在面包上吃。”
“《日本书纪》是日本第一本书，书中描述了一位发光的神在森林中嗡嗡作响。那一定是萤火虫。” （大宫先生）
先生大宫说，人们自古以来就对发光生物感兴趣
发光研究取得进展
与今天我们被人造光包围不同，过去，火焰是唯一照亮夜晚的东西。当年如果有一种不发热而发光的生物该有多神秘？从那时起，包括本杰明·富兰克林、罗伯特·波义耳（波义耳定律的作者）和路易斯·巴斯德在内的许多科学家都试图解开这种发光生物的谜团。
19 世纪末，法国生物学家 Raphael Dubois 发现两种物质混合在一起时会发光。它是底物和酶的组合。现在，随着更多研究的进展，我们开始理解它发光的原因。
“据说，当一个分子被氧化时，有30%到40%转化为光能，几乎不散发热量。这与白炽灯泡不同，灯泡将大部分转化为热能。这就是为什么发光生物可以如此有效地发光。” （三谷先生）
由于化学反应而非物理反应而产生光
它比 LED 灯泡更高效吗？我问大宫先生，大宫先生回答说：“LED灯是物理反应。”这是一个化学反应，因此很难进行统一比较。''
无论如何，这么小的机身之所以能发出如此强的光，是因为它的光转换效率高，这是有道理的。
“但是……”大宫先生继续说道。
我明白了光的原理！但…？
“发光生物的发光机制各不相同。由于每个生物体的底物和酶都不同，因此很难确定发光的具体机制。目前，已知的发光机制大约有10种，其中底物和酶（蛋白质）是精确已知的，而实际应用的只有大约四种：细菌、萤火虫、海洋萤火虫和 Renilla（水母）。”
“如果你从进化树的角度思考，所有发光生物体并不在同一个分支上，但每种生物体都获得了自己独特的发光机制。”
每个人都以不同的方式闪耀！？是这样吗？
发光的生物各不相同，这太棒了！
``它们由现成的材料发光。这就是为什么它们发光的机制不同。换句话说，通过清除氧气而发光的生物体一直存活到现在。可以说，他们活了下来。即使我们了解了萤火虫发光的机制，也不意味着我们可以了解其他生物发光的机制。这就是研究的困难部分，也是研究的真正乐趣。”（大宫先生）
2008年诺贝尔化学奖获得者下村修也阐明了水母水母的光机制，并发现了绿色荧光蛋白（GFP）。据说，为了研究目的，已经捕获了数十万只水母水母。从几十吨水母中只能提取几毫克的成分。
“水母水母每天都可以捕获，但三谷先生目前捕获的沙蚕一年只能捕获一周。在这段时间里，所有研究人员都会去富山湾。” （大宫先生）
每年一周您都有机会钓到一条！
``与下村修的时代相比，分析技术已经先进，所以不需要做那么多，但在富山湾捕捉沙蚕的机会只有十月初的一周左右。我们将光线照射到海中，然后将靠近的沙蚕捞起来。''
“它们仅在这段时间内浮到水面进行繁殖行为。当雌性在海面发光并绕圈时，雄性会闪烁灯光接近，释放精子和卵子，并发生受精。这就是我们攻击的地方（笑）”（三谷桑）
先生三谷用手势解释沙蚕
沙蚕是1-2厘米的环节动物，常被用作海钓的鱼饵。据说，在富山湾、美国西海岸和加勒比海都发现了闪光沙蚕。在加勒比地区，沙蚕在满月后两天出现高峰，但在富山湾，它们每年只出现一次。据说，它与潮汐涨落无关，只是根据一年中的时间浮上来。
“漂浮了20到30分钟，然后突然结束。结局很明显，所以这是下班后出去喝酒的完美研究对象（笑）”（大宫先生）
多种发光颜色创造新技术
即使尝试一周，最多也只能收获几克。这是一个艰苦的过程，需要 400 到 500 只动物。而且，沙蚕看起来有点恶心。三谷先生和他的同事专注于光的颜色。
“发光的沙蚕发出蓝绿色的光。这种颜色以前从未见过。陆地上的许多发光生物发出绿光。海洋通常是蓝色的。”（三谷先生）
沙蚕收获场景（上图）和收集到的沙蚕。发光蓝绿色
为什么我们需要颜色变化？大宫先生解释道。
“我们正在阐明发光生物体的机制，并将其应用于寻找药物和感知毒物等应用。例如，在寻找针对癌细胞的药物时，我们可以一次获得多种信息，例如药物的功效和毒性。这称为多基因表达分析，10年前已商业化，目前正在使用。”
有些萤火虫发出绿光，而另一些则发出橙色或红色的光。我们将分析这些萤火虫的基因并确定使它们发光的蛋白质。例如，如果我们改变其基因序列，使其即使在哺乳动物体内也会发光，我们就可以将其插入癌细胞并使它们发光，从而可以追踪它们的去向。通过颜色编码和跟踪，您可以一次获取多条信息。
发光生物学研究成果已投入使用！
事实上，我们已经开发了细胞来评估化妆品材料等化学物质对皮肤的影响，并于 2017 年被用作 OECD 指南之一。
“从基础研究到应用和实际使用。最后，我们的立场是制定指南。研究生物发光生物的乐趣不仅在于阐明发光机制，还在于将其应用于医学和医学。我们之所以要从基础研究开始，是因为实地工作也很重要。这也很有趣（笑）。
发光颜色受生态系统影响
萤火虫的多彩光芒被认为是由于多种萤火虫活跃的生态环境所致。在巴西，有一种叫做铁路虫的萤火虫家族，会发出红光，据说一个地方有20到30种萤火虫在飞翔。为了区分同一物种，必须有多种颜色。
先生三谷怀疑发光的沙蚕也有蓝绿色，这使得它们在浅水中更加引人注目。人类正在利用发光生物发展出来的智慧来生存。
“光是一种地标，因此可以用来标记生物现象。我前几天访问的以色列研究人员正在尝试利用发光生物来寻找地面上的火药。这是日本人没有的想法。” （大宫先生）
先生大宫将以色列研究人员旨在利用发光生物发现火药的努力描述为“日本人没有的想法”
神秘的发光生物！
发光生物的世界仍然充满了谜团。例如，萤火虫鱿鱼。虽然它是日本人熟悉的生物，并且被用作冲泡等清酒的佐料，但据说甚至连充当催化剂的酶都还没有被鉴定出来。
``我们可以捕获大量的萤火虫鱿鱼，但即使是全世界的人也无法识别它们。论文有很多，但当我们复制它们时，会发现细微的差别。”（三谷先生）
“萤火虫乌贼是发光生物世界中最大的谜团”（大宫先生）
海萤，萤乌贼，萤火虫。日本是许多迷人的发光生物的家园，即使您不必潜入海洋深处。其中一个例子是“夜光藻”，它使海洋在夜间发光。
持续让人类着迷的“发光”现象
``这也很有趣。库克船长在航行中发现它时感到惊讶并说道：“燃烧的海洋。”这是一种夜光昆虫。它是浮游动物的一种，其正式名称是甲藻。我认为它是通过吃浮游植物的发光甲藻来发光的。''
“这种甲藻是一种完全独立的发光生物，白天进行光合作用，晚上发光（笑）。当用于光合作用的叶绿素被代谢时，它会变成一种叫做荧光素的底物。它是一种通过光合作用发光的特殊生物。夜光昆虫由于波的刺激而发光，当这种情况大量发生时，它是一种赤潮的成因。”
我只能想到当人类看到发光的夜光昆虫时会有某种感觉。这可能是一种发光原因不明的生物。
夜光昆虫的光芒将海滩染成蓝色。照片由 Adobe Stock 拍摄
发光生物的“光”会成为人类的路标吗？
有很多事情我不明白，但我今天了解到的是，发光生物的价值比它看上去的要大。
研究人员最初被美丽所吸引，并被这种神秘的现象所吸引。通过与他们长期合作10年或20年，他们发现他们的能力可以带来尖端的“传感技术”。即使天不黑，光也能起到指引作用。
现在不是观看深海发光生物并为自然光如何舒缓眼睛而兴奋的时候。我想说，发光生物其实很神奇。
最后我想介绍一下大宫先生的这句话。
“除了下村修的化学奖之外，绿色荧光蛋白（GFP）还为发明超分辨率显微镜的科学家赢得了诺贝尔奖。发光水母据说是获得过两次诺贝尔奖的发光生物。Lucerase（一种发光酶）还有机会获得该奖，所以我的目标是第三次。”