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是一种甲藻门夜光藻科的单细胞微生物,中国香港海岸出现蓝色荧光海滩

发布时间:2019-12-27 04:54    浏览次数:

“荧光海滩”又称“火星潮”,由发光浮游生物形成,这一现象是在马尔代夫蜜月旅行的Will Ho意外在海边发现的。

初夏的夜晚,漫步在海滩之上,习习海风拂动着浪花,如果你不够细心,可能都不会发现浪花之中有点点蓝光闪烁,直到遇见这些荧光连片出现。此时,如果你踏着浪花走过水面,就会发现下足之处蓝光泛起,就好似漫步在星河之上。

原标题:浪花里的“萤火虫”

2015年1月22日,中国香港海岸出现蓝色荧光海滩,景象壮观。

这样梦幻的场景并非想象——最近在大连海域就出现了灿若星河般的“荧光海滩”景象。当然,这并非真的是天上的星星坠入凡间,而是海洋中一些能够发光的生物聚集在一起,让平凡的海滩带上了不平凡的色彩。

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近年来,“荧光海滩”现象成为热议,全世界有7个地方先后报道出现这种奇特现象,其中3个在波多黎各、2个在澳大利亚、1个在马尔代夫、另外1个就是我国大连的大黑石村浴场。

bet9九州入口九州最新 2微博上流传的大连海域“荧光海滩”的照片。图片来源见水印

近几年每到初夏时节,很多海域都出现了荧光海的美景。美轮美奂的荧光海滩也成为旅游必去的打卡景点,吸引了不少市民和游客。当海浪泛起阵阵涟漪时,荧光海看上去好似一群萤火虫在浪花里舞蹈。萤火虫不会游泳,这么壮观的亮化工程主角到底是谁呢?

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甲藻和荧光湖

在“荧光海滩”的制造工程中,甲藻类可以算是最为常见的“荧光造型师”了。甲藻是一类非常原始的单细胞藻类,它的很多特征介于属于原核生物的细菌和属于真核生物的原生生物之间,所以目前对其分类地位的讨论还很激烈。它的重要特征是躯体通常被纤维素质的甲板覆盖,在甲板间形成的沟里有2-3条鞭毛,依靠这些鞭毛甲藻得以在水中游动和摄取食物。

甲藻中最为著名的发光者,可以算是夜光虫(Noctiluca scintillans)了。之所以以“虫”命名,是因为夜光虫是甲藻中的异类:它没有甲板,通常缺乏叶绿体,而且体型也够大——直径最大可以达到2毫米,看上去就像是一个个小气球似的漂浮在水中。所以很长时间以来人们将它归为一种鞭毛虫,直到最近才将它归为广义的甲藻类群之中。夜光虫的得名来自于其能够发光的特性——当它周围海水被搅动时,它就会由于刺激而发出蓝光,当大群夜光虫被惊扰之时,海面上就出现大片粼粼的蓝光,因此也有“海火”之称。

bet9九州入口九州最新 4显微镜下的夜光虫。图片来源:www.redmap.org.au

夜光虫广泛分布在世界各地,尤其是温带沿海地区。大连这次“荧光海滩”美景,十有八九也是夜光虫所为。除了我国,世界其他地区也常有夜光虫造成的荧光现象。例如位于澳大利亚东南沿海的吉普斯兰湖(Gippsland Lakes)就因为含有大量夜光虫,从而有了“荧光湖”的美称,一度吸引了大量游客前去游览。

bet9九州入口九州最新 5夜光虫在吉普斯兰湖形成的“荧光海岸”。图片来源:philhart.com

除了夜光虫, 甲藻中还有许多其他成员也能形成荧光现象。例如位于加勒比海的波多黎各,就有一处著名的游览胜地“蚊子湾”(Mosquito Bay),该海湾中生长着大量同样能发光的梨甲藻(Pyrodinium spp.),让其具有了“荧光湾”的美称。而在旅游胜地马尔代夫,以及美国加利福尼亚海滩形成荧光的,则大多是舌甲藻类(Lingulodinium spp.)。

bet9九州入口九州最新 6舌甲藻外观以及它在加州沿海形成的蓝色波浪。图片来源:idw-online.de/WikiCommons

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海洋生物学者普遍认为“荧光海滩”其实是由无数散发着幽蓝光芒的浮游生物随着浪花冲集在海滩上形成的壮观场景。

少年Pi的幻境——发光水母

在《少年Pi的奇幻漂流》中,那发着幽蓝荧光的海水可以说是片中最为梦幻的镜头之一。如果仔细观察可以看到,除了救生船和木筏周边激起的荧光外,还有很多荧光来自于水中游动着的生物们,它们大多是发光水母。

bet9九州入口九州最新 8《少年Pi的奇幻漂流》中的画面。

发光水母中最为有名的莫过于维多利亚多管发光水母(Aequorea victoria)了。它的伞盖不大,其下一百余条放射状的辐管让它有了“多管”之名。而发光之名,则是来源于在受到碰触之后,会在伞缘发出暗绿色荧光的特点。

bet9九州入口九州最新 ,会发光并非让它出名的原因。毕竟还有像夜光游水母(Pelagia noctiluca)之类体型更大、群体数量更多的发光水母。维多利亚多管发光水母之所以名声赫赫,其实是沾了分子生物学家的光——2008年,生物化学家钱永健、下村脩因和马丁•查尔菲三人所获得的诺贝尔化学奖,就是因为对来自于维多利亚多管发光水母的绿色荧光蛋白进行的研究而授予的。而这种蛋白质,现在成为了生物和医药行业应用最多的荧光标记之一。

bet9九州入口九州最新 9白光下和黑暗中正在发光的维多利亚多管发光水母。图片来源:WikiCommons/aquablog.ca

这两种水母大多数时间都飘荡在海水的中上层。在大发生之时如果被冲上海滩,那的确也是一大美景。如果愿意向深海进发,那里则是多种会发光的栉水母的天下。栉水母虽然也带了“水母”二字,但是它相比我们通常所见的水母结构更复杂,形态也更多样,有樽形、钟形甚至带型的。它们的共同特点是身体表面有若干条带纤毛的条带,“栉”正是形容这一特征的。大多数栉水母都会发光,而且这些光芒会沿着身体有规则的移动和变化。遗憾的是栉水母大多独来独往,不形成大的集群,而且很少会游动到沿岸地区,因此很难在海滩上看到它们形成的大片荧光了。

bet9九州入口九州最新 10各式各样的栉水母。图片来源:gatech.edu

谁“藻”成了荧光海?

目前的“荧光海滩”的色彩分为两种,一种是占多数的成片蓝色光斑,另一种是持续闪烁的绿色光点,相比之下,蓝色光点更加漂亮和耀眼,夜幕下,蜿蜒的海滩星海辉映,恋人们牵手散步,浪漫至极,但是此等美景却难以长时间持续,在安静的环境中很快就会黯淡下来,必须用搅动海水或者投入石块才会再次闪亮。

美丽和美味共存——萤乌贼

在日本西部沿海,一个不可错过的美景,是在初夏的夜晚欣赏萤乌贼在海滩上形成的星星点点的荧光。萤乌贼(Watasenia scintillans)是一种小型的头足类动物,不过虽然名叫乌贼,其实它和鱿鱼等关系更近,都属于枪形目(Idiosepiida)。萤乌贼的个头虽然才7、8厘米,但躯干上分布着上千个点状的发光器,而在它的第4对腕足末端,还有3个特别大的发光器。因此夜幕降临,萤火鱿通身都变得荧光点点。而到了初夏繁殖期,大量的萤乌贼从深海聚集到海面,进行热闹的繁殖活动,而在交配完成后,很多会被海浪冲上海滩,那场面真是让天上的星空都黯然失色。

bet9九州入口九州最新 11日本富山县海岸萤乌贼冲上岸的景象。图片来源:yukison.com

日本人很早就发现了萤乌贼的美味,所以它们也成为了日本沿海传统的捕捞对象。每年约有5000吨左右的萤乌贼被捕捞。传统上萤乌贼都是加工或烹饪后食用,近年来也开始时兴起作为刺身生吃。不过由于可能被海兽胃线虫感染,所以要品尝这一美味的话,最好还是冷冻一段时间再吃。

bet9九州入口九州最新 12发光的萤乌贼和烹制的食物。图片来源:cool3c.com

当然,除了萤乌贼,在头足类大家族中还有很多能够发光的种类,例如帆乌贼(Histioteuthis sp.)、火乌贼(Pyroteuthis sp.)、栉鳍乌贼 (Chtenopteryx sicula)、灯乌贼(Lampadioteuthis megaleia)等。不过这些鱿鱼要么群体较小,要么多在深海活动,和萤乌贼的浩荡群体比起来真是小巫见大巫了。有趣的是,我们常吃的鱿鱼也能发出微弱的荧光,当然这是由于在鱿鱼等大型头足类皮肤中有发光细菌共生所致。所以有时候看到“鱿鱼发光”的新闻,也就不值得奇怪了。

原来荧光海滩是由生物发光所致。很多荧光海事件的主角是夜光藻(Noctiluca scintillans),是一种甲藻门夜光藻科的单细胞微生物。它的藻体很小,小到人们用肉眼很难看到它,直径只有150-2000微米。在显微镜下夜光藻像一个透明的气球,有一条长触手。夜光藻的分布很广,世界各大海域均有分布,它们喜欢聚集在浅湾处。

荧光海滩的形成原因

海中的萤火虫

在海洋发光生物中,还有一个类群不能被忽视,那就是各种甲壳动物。在大洋中常见的是磷虾类。磷虾是甲壳动物软甲纲(Malacostraca)磷虾目(Euphausiacea)一大类小型的甲壳动物的统称。虽说叫虾,但和通常意义上的虾(属十足目Decapoda)区别不小。磷虾的一大特点,就是在它的眼柄以及足的基部存在若干对发光器,能够发出荧光。磷虾的“磷”字,正是来自于这些发光器发出的点点磷火。有趣的是,一些种类磷虾在受到惊扰后还能将发光物质的小囊“抛射”出去,以此来扰乱捕食者的视线,自己趁机逃脱。

bet9九州入口九州最新 13正在抛出发光物质的磷虾。图片来源:biologyeducation.net

磷虾在世界大洋均有分布,而南极磷虾(Euphausia superba)最为出名。它们数量庞大,总储量估计高达数亿吨,对于南大洋海洋生态系统起到了至关重要的作用,并且被视为重要的海洋蛋白质来源。目前每年南极磷虾的捕捞量达十余万吨。

在近海海域,另一类更为常见的发光甲壳类动物是属于介形纲(Branchiopoda)海萤科(Cypridinidae)的成员,它们被统称为海萤。顾名思义,它们就像海中的萤火虫那样,在受到惊扰后能发出荧光。海萤的分布十分广泛,我国沿海就很多。由于很多海萤喜欢在夜间来到浅海沿岸地带摄食沙粒上附着的有机物颗粒,因此经常能看到它们的身影。不过由于密度较低,它们的荧光不及上面那些生物强烈罢了。

夜光藻只是“藻”成荧光现象的主角之一,还包括很多其它的鞭毛藻。鞭毛藻是介于动物和植物之间的一类海洋微生物,是甲藻门、今藻门、裸藻门、隐藻门等具有鞭毛藻类的统称。它们有一个共同的特点是都有“小尾巴”,通过鞭毛来运动,以浮游生物、硅藻、细菌,甚至鱼卵为食。

荧光海实际上是一种生物发光现象。所谓生物发光现象,是指生物通过体内的一定化学反应,将化学能转化为光能而释放的过程。

为什么要发光?

这些生物的发光现象,被统称为生物发光(Bioluminescence)。这些奇妙的现象一直是人们所好奇的对象。现在,生物发光的秘密已经逐渐被揭开了。

这些生物们最常用的发光方式,就是荧光素-荧光素酶系统。荧光素是一类小分子物质,它们能在荧光素酶的催化下释放出可见光。而控制发光的方式,则是通常是将荧光素和荧光素酶分别存放,或者让荧光素酶处于没有活性的状态。在受到刺激或需要发光时让二者相遇或者激活荧光素酶,从而发光。

bet9九州入口九州最新 14夜光虫发光原理。图片来源:sciencedaily.com

通常荧光素-荧光素酶发出的光大多是蓝色的,而维多利亚多管发光水母则更多一步,它通过荧光蛋白吸收荧光素-荧光素酶产生的蓝色光,转变成为绿色光再发出,这就是为什么它能够产生绿色荧光的原因。

生物发光对于生物本身有着重要的作用。对于像甲藻、发光水母、海萤这类受到扰动后发光的物种来说,发光更多的是一种保护行为。有理论认为当受到捕食者惊扰后,发光可以吸引更高级的掠食动物,从而保护自己。而对于能够主动发光的栉水母、萤乌贼、磷虾等,它们的发光则可能是一种交流和捕食的手段。例如有理论认为头足类身上的发光器能让它和夜空融为一体,方便它从上方向猎物发动攻击。

最后值得指出的是,虽然生物发光看上去美轮美奂,但并非所有生物发光都意味着美景。对于夜光虫等为代表的甲藻类造成的荧光现象来说尤为如此。甲藻是赤潮生物的主要类群,如果其大量发生,往往意味着水体中出现了大量营养物质,成为形成赤潮的前兆。例如前面说到的吉普斯兰湖,就是由于2006年的山火和2007年的洪水将大量有机物冲入了湖中,使得湖水中的藻类大量繁殖,从而诱发夜光虫爆发性生长,形成“荧光湖”的景象。而对于一些通常很少发生“荧光海滩”现象的地区,如果突然出现这一现象,那么对于水质就要提高警惕,做好监测了。

bet9九州入口九州最新 15海域水体富营养化导致的赤潮。图片来源:carleton.edu

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海水中能够发光的生物种类相当多样,从单细胞的甲藻类,到腔肠动物诸如发光水母、环节动物如海生多毛类、软体动物如各种发光头足类、以至于节肢动物的磷虾和海萤等。

除了单细胞藻类外,还有很多微生物在正常生理条件下能够发出可见荧光,发光细菌就是主力军。它们大多生活在海洋里,必须有一定浓度的钠离子才能够生长并发光。除了在海水中飘摇外,发光细菌还生活在海洋生物体上。很多会发光的海洋生物大多是与发光细菌合作。

从大连这次“荧光海滩”现象来看,可以排除体型较大水母和头足类,而海萤等节肢动物无法产生如此强烈的荧光,因此最有可能的是甲藻类单细胞生物繁殖所致。

除了大海故乡以外,还有少数几种发光细菌生活在淡水环境里,青海弧菌(Vibrio qinghaiensis)就是其中一种。它生活在青海湖盛产的裸鲤身上,这种鱼没有鳞片。青海弧菌是一种罕见的非致病淡水型发光细菌,是难得的水质检测好材料。

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微生物发光为哪般?

甲藻是一类非常原始的单细胞藻类,它的很多特征介于属于原核生物的细菌和属于真核生物的原生生物之间,目前普遍将其归为双鞭毛藻类。

在平静的海水中,夜光藻等并无异样,当它们受到海浪或外力刺激时,便会发出蓝光,而且当它受到外界刺激越大,荧光越强。神奇的小东西究竟为何会突然发光?原来发光是一种自我保护方式,它们的天敌是桡足类等动物,突然发光不仅可以吓退眼前的天敌,还能把“天敌的天敌”吸引来,帮助它们化解眼前的危机。

甲藻是躯体通常被纤维素质的甲板覆盖,在甲板间形成的沟里具有2-3条鞭毛,藻体依靠这些鞭毛得以在水中游动和摄食。

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甲藻中的许多种类可以发光,我国沿海最为常见的是夜光虫(Noctiluca scintillans),也包括其他如膝沟藻等种类。

发光细菌中最有名的要数费氏弧菌(Vibrio fischeri)啦,它和夏威夷短尾乌贼(Euprymna scolopes)是一对好拍档。在乌贼出生一两天后,费氏弧菌就会随着乌贼发出的讯号集中住到乌贼的发光器里,群聚并发出光芒。夏威夷短尾乌贼是夜行性生物,夜晚出来觅食容易受到攻击。费氏弧菌在夜晚发光,与乌贼活动的时间一致,能够发出跟月光一样的光线,让乌贼下方游动的猎食者看不清乌贼,帮助它们逃过一劫。

夜光虫是甲藻中形态较为特殊的一类,其藻体没有甲板包被,藻体较大,通常缺乏叶绿体,多依靠其鞭毛摄食原核生物或其他藻类为食。

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对于甲藻来说,这种生物发光现象可能是一种防御措施。当被以它为食的浮游动物等捕食者扰动时,发出的荧光能够吸引感官更敏锐的鱼类等更高营养级捕食者,从而驱离其直接捕食者。

夏威夷短尾乌贼

而对于人类来说,甲藻类形成的“荧光海滩”景色虽具有观赏价值,但它背后所隐藏的信息值得人们提高警惕。这是由于以夜光虫为代表的甲藻类大量繁殖,以至于出现很强的荧光现象,表明这一地区海水内诸如磷、钾、铁等营养因子含量上升,使得甲藻作为食物的细菌、蓝细菌和单细胞藻类数量增加。

(Euprymna scolopes)

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这是海水富营养化的先兆之一。如果进一步发展,有可能造成甲藻的爆发性增长,从而形成赤潮。甲藻类是我国近海赤潮最主要的藻类组成。

费氏弧菌

其大量的繁殖、死亡和分解,会大量消耗水体中的氧气,造成其他海洋生物窒息死亡,严重威胁海水养殖产业。

(Vibrio fischeri)

同时,甲藻等在生长过程中会合成多种毒素如短裸甲藻毒素等,这些毒素可通过富集作用累积在贝类等海产体内,造成食品安全风险增加。

发光本领是如何炼成的?

荧光素是一类小分子物质,它能作为底物和荧光素酶结合,结合后荧光素酶则使用ATP使得荧光素释放荧光,完成化学能向光能的转化。

这些发光微生物种类虽然不同,但发光机理是相同的。它们的发光机制是荧光素-荧光素酶体系。当受到外界刺激时,细胞膜会产生信号分子传导到细胞内,细胞内的荧光素在荧光酶催化下,与氧气结合,发生氧化反应,同时发出荧光。这也是为什么它们能像萤火虫一样发光的原因啦。

近年来的研究显示,夜光虫的发光机理,在于受到外界刺激后,藻体内液泡膜上可产生类似动物神经细胞膜动作电位的电化学变化,这种变化使得液泡膜上对电压敏感的质子通道开放,使液泡内的质子可以进入液泡膜上称为闪光体的小囊内,激活其中含有的荧光素酶,从而产生荧光。其他类型的甲藻也可能具有类似的发光机制。

但是对于发光细菌来说,它们会因为中毒而丧失发光的本领。环境中的污染物就是导致发光细菌中毒的元凶,它们能够破坏荧光素酶的活性,抑制与发光反应有关的代谢过程。彼之砒霜,吾之蜜糖。发光细菌的中毒灾难,对我们人类来说却是一种非常好的环境水质检测方法。简单地说,当发光细菌与有毒物质接触后,发光程度会随着毒性浓度的变化而变化,毒物浓度与细菌发光强度成反比,用发光度来表征所在环境的毒性,从而进行环境检测。

因此,对于“荧光海滩”的出现,相关部门应加强水质监测,查明发生原因,并对可能出现的环境风险做好相应准备夜光虫得名于其受刺激后能够发光的特性。夜光虫发光源于其细胞内的荧光素-荧光素酶反应。

赤潮的“锅”该谁来背?

很多小伙伴会说既然夜光藻等能够形成如此梦幻般的美景,岂不是越多越好。实则不然,它们是海洋赤潮主要发生藻。虽然它们的个体很小,但是繁殖速度非常快,若海水中富营养物质过多,便会大量繁殖并聚集在一起,最终形成赤潮。赤潮时,大量的赤潮生物聚集于鱼虾等动物的鳃部,使其窒息而死;藻体死后分解时会消耗氧气,导致水体缺氧,水质败坏,影响海洋生态系统;甚至有些藻类还会分泌毒素,通过食物链,使海洋生物富集毒素,进而危害人类健康。

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表面上看赤潮的形成,貌似是夜光藻的过错,但真正的原因,是人类向海洋排放过多工业和生活污水,导致海洋的富营养化而造成的。荧光海滩的出现其实是海洋被污染的一种信号。荧光海美则美矣,但还是少见的好。

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