曼哈顿海滩出现原由网的蓝色波浪（图源：cosmosmagazine.com）
- 程江华 编译
2020年4月，加利福尼亚州曼哈顿海滩附近出现了蓝色波浪，引起了很大轰动。这片海滩怎么会发出蓝色的荧光呢？神秘“蓝光”究竟来自哪里呢？
海浪发光的原因
简单来说，海浪发出蓝色荧光的原因是生物发光（Bioluminescence），生物体内发生化学反应从而产生光的过程称为生物发光。
对于海洋生物来说，生物发光是一种非常重要的交流方式，为了解捕食者与猎物之间的相互作用，科学家对生物发光进行了广泛的研究。
生物发光现象（图源：scienceabc.com）
诸如水母、虾类、蠕虫、甲壳类动物和鱼类等很多海洋生物都能发出光亮，究竟是什么生物使这片海浪散发出蓝色的荧光呢？
科学家们对海水进行研究后发现，海域出现的蓝光现象是由一些具有发光能力的鞭毛藻（Dinoflagellate）以及一些海洋中的无害细菌造成的。
一种鞭毛藻细胞（图源：eurekalert.org）
这里所说的鞭毛藻是一种介于动物和植物之间的单细胞生物，生长在海水或淡水中。鞭毛藻仅有50微米，通过肉眼是看不到的。它们经常聚集在一起，受到外界干扰时，就会像萤火虫一样释放出光亮。
独特的蓝色荧光基因
美国哈佛大学海洋生物学家伍德兰德哈斯廷斯（Woodland Hastings）等人在《美国国家科学院院刊》上发表文章称，他们通过实验发现鞭毛藻体内有独特的蓝色荧光基因。
鞭毛藻在海面上漂浮时，会受到周围海水通过流动产生的机械刺激，电脉冲会绕着鞭毛藻的液泡膜传播。由于液泡内含有大量的质子（带正电的粒子），这些电脉冲会打开液泡膜上对电压敏感的质子通道。
质子通道能够将质子从液泡导入到液泡膜上称为“闪光体”（Scintillons）的小囊中，质子进入“闪光体”后，会激活储存在“闪光体”中的蛋白质——萤光素酶，从而产生荧光。
鞭毛藻发光过程图（图源：livescience.com）
鞭毛藻并非时时都发光，它们只有在受到外界干扰时，才会像萤火虫那样发光。因此，往往在夜晚涨潮的时候才能看到成片鞭毛藻发出的蓝色荧光，风浪越大荧光越强。而在风平浪静的海面上，是很难看到荧光海浪的。
鞭毛藻的“粘弹性”反应
2020年7月6日，发表在《Physical Review Letters》上的一项新研究中，研究人员确定了导致鞭毛藻发光的物理原理。
为了在单细胞水平上观察光的产//www.58yuanyou.com生，剑桥大学领导的国际研究团队开发了基于显微操作和高速成像的独特实验工具。他们展示了Pyrocystis原由网 lunula（一种鞭毛藻）的细胞壁在外力作用下发生变形时，这种单细胞原由网生物是如何发光的。
研究人员发现，鞭毛藻发光的亮度不仅与细胞壁变形的幅度有关，而且与细胞壁变形的速率有关，这种现象称为“粘弹性”（viscoelastic）反应。
单细胞生物Pyrocystis lunula（图源：journals.aps.org）
研究人员将鞭毛藻细胞保存在两个反向平行的微量移液器中，并保证鞭毛藻细胞在接受刺激前保持数小时不受干扰。在第一个微量移液器上吸液时，细胞通常会发生一次闪光。
第二个移液器采用两个方案进行外力刺激：第一个方案是将一束浸入水中的生长介质喷射到细胞上，并使用粒子图像测速仪（PIV）和粒子追踪剂进行性质鉴定；第二个方案是使细胞保持在两个移液器之间，第二个移液器对细胞进行挤压引起细胞壁变形。
（图源：journals.aps.org）
鞭毛藻在两种方案的外力刺激下产生的光。(a)方案一：通过流体流动进行刺激；彩色图的上半部分显示流速，下半部分是粒子追踪剂的图像。(b)粒子追踪到的细胞表面附近的流线。(c)-(f)由于流动使细胞变形从而产生的光。(g)、(h)方案二：细胞在第二个移液器的直接接触下发生变形。(i)-(l)外力刺激下产生的光。所示时间与开始发光的时间有关。
研究表明，当细胞壁变形的幅度较小时，无论外力挤压的速度多快，光强都较小；当细胞壁变形的幅度较大，但施加外力的速度很缓慢时，光强也较小；只有当挤压的幅度和速率都很大时，光强才能达到最大值。
鞭毛藻发光的目的
鞭毛藻发光的目的是什么呢？对此，科学家给出了三种解释：
- 警告潜在的天敌，属于“我有毒，离我远点”的信号；
- 鞭毛藻发出的闪光类似于爆炸时产生的光，能够震慑天敌，刺激天敌逃逸，有时也能使天敌迷失方向，最终使鞭毛藻成功脱险； 原由网
- 吸引其它大鱼的注意，帮助鱼类追踪并吃掉潜藏在其周围的天敌。
归根结底，鞭毛藻发光是为了保护自己以防被天敌吃掉。看来，每一种生物都有一套独特的自卫防御方法，大自然是如此神奇！
参考文献：
- https://www.pnas.org/content/108/44/18162
- https://www.livescience.com/16604-ocean-glow-dinoflagellates-bioluminesence.html
- https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uoc-fbw070220.php
- https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982219305548?via%3Dihub
科学媒介中心（SMC）微信公众号欢迎赐稿！稿件内容以新近发布的国内外科研成果和科技动态、国内社会热点及相关科技话题、日常科普知识等内容为主。欢迎投稿！愿科学媒介中心公众号能够成为媒体从业者和广大公众了解前沿科技和身边科学的一扇窗。原创稿件一经采用，我们将奉上稿酬！投稿邮箱：kpsmjzx@163.com
