细菌说:新的一年要有光。

2023-01-29 星期日



早在古希腊时期,人们就已经发现腐臭的鱼会在黑暗中发出幽灵般的荧光,先哲亚里士多德在《De Anima》一书中就记录了这种情形。

宋代沈括所著的《异事异疾附》中也记载了臭鸭蛋发光的现象:“予昔年在海州,曾夜煮盐鸭卵,其间一卵烂然,通明如玉,荧荧然屋中尽明;置之器中十余日,臭腐几尽,愈明不已。”

由于科学发展所限,人们只能对这些现象进行描述,甚至认为是恶魔降临、神明下凡。而实际上,根据资料记载可推断,这些都是发光细菌造成的。

发光的臭鸭蛋,来源:郎石


发光菌的发光机制可以简单分为两步:
第一步,发光菌通过正常代谢合成细菌荧光酶长链脂肪醛(RCHO)和还原型黄素单核苷酸(FMNH2)。
第二步,长链脂肪醛(RCHO)、还原型黄素单核苷酸(FMNH2)和氧气在细菌荧光酶催化下,发生氧化反应产生了和其他产物(第二步可简单理解为第一步三种产物和氧气相互作用,形成光和其他产物,这个氧化反应几乎不产热,主要产生光能)。
其中,还原型黄素单核苷酸(FMNH2)除了会参与上述氧化反应,还是发光菌最主要的呼吸作用参与底物,与细菌的能量产生有直接关系。
同时发光菌的细菌荧光酶一般最适温度是18℃左右,超过37℃即会失活。因此,发光菌整个生命过程中对于外界不利因素非常敏感,在培养过程中也需要尽量避免与操作人员的直接接触。

如果将化学工程师、艺术家和科学家放在一起会得到什么?答案简单又出人意料——奇幻的科学艺术。

Hunter Cole 发光细菌艺术品,来源:biofilm-montana-edu

虽然大多数艺术家绘画是为了模仿自然,但少数艺术家已经找到了一种在自然帮助下的创作方法。

生物发光艺术是科学与创造力的结合。在自然与设计的奇妙搭配里,生物发光艺术使用自然发光的细菌来创造复杂而深思熟虑的结构,当然,只有在灯光熄灭时才能看到。

Betsey Pitts发光细菌艺术品“生物岩画”,来源:biofilm-montana-edu
由美国研究员Betsey Pitts领导的团队同样运用生物发光细菌的发光潜力制作艺术品。
他们将四种海洋发光细菌中的其中一种细菌溶液“涂”到培养皿上,用琼脂填充培养皿,然后使菌落形成。
生物发光艺术的不同之处还在于它需要从头到尾进行维护。培养皿中装满了人造海水琼脂和大量氧气,温度保持在21摄氏度以下。

Betsey Pitts发光细菌艺术品“生物岩画”,来源:biofilm-montana-edu

“这一切都是在一个下午完成的,第二天早上,当展览开始时,这些生物体已经长大并在黑暗中发光。”Betsey Pitts说。
随着时间的推移,营养物质耗尽,光的产生变慢,直至熄灭代表展览的停止。
Betsey Pitts发光细菌艺术品“生物岩画”,来源:biofilm-montana-edu
美国艺术家兼遗传学家Hunter Cole以“生与死”的概念为灵感,绘制了另一组生物发光细菌,名为“活的图画” 。
这位艺术家还在创作一个名为“生命之光”的系列。在这个系列中,她仅拍摄细菌发出的光,利用发光细菌在整条绘图线上的亮度相等的优势,细菌生长最多的区域死亡最快,因为海藻营养琼脂中的营养资源有限。随着细菌死亡,图中的光发生变化并慢慢消失在完全黑暗中。
Hunter Cole发光细菌艺术品“生命素描”,来源:huntercole-org
美国艺术家Miya Ando和摄影师L. Young将1,000 片菩提叶放入池塘中,叶子上涂有无毒的发光磷光颜料生物发光海栖细菌Aliivibrio fischeri,作品的灵感来源于古老的盂兰盆节
Miya Ando、L. Young发光细菌艺术品“OBON”,来源:miyaando.com
白天,树叶会“充电”,而在晚上,它会散发出幽灵般的、飘渺的光芒,就像萤火虫的光芒。这个名为 Obon 的装置的灵感来自同名的日本佛教节日,该节日旨在纪念祖先的灵魂。
“人们相信,在这个为期三天的仪式中,一个人逝去的家人和祖先的灵魂会回到家中,与他们所爱的人团聚。”Miya Ando说“盂兰盆节有一种美丽的、非宗派的尊重、相互联系、历史和记忆的概念。”

Miya Ando、L. Young发光细菌艺术品“OBON”,来源:miyaando.com


说到“海洋发光现象”,你是否会联想到下图这种“荧光海滩”的浪漫画面呢?导致“荧光海滩”的可发光海洋生物有多种,包括夜光藻多边舌甲藻等。虽然看起来美丽梦幻,但是以夜光藻为代表的各类甲藻可是臭名昭著的赤潮的“真凶”。

荧光海滩,来源:leoni williams
除甲藻之外,海洋发光细菌是指能在正常生理条件下发出肉眼可见荧光的细菌,目前发现有4个属11种。
它们一部分自由生活在海水中,一部分与海洋动物共生,成为其发光器官,而大多数的海洋发光细菌寄生海洋生物体表。见诸报端的“发光鱿鱼”与“鱿鱼被不法商贩用福尔马林浸泡”无关,而跟与鱿鱼共生寄生海洋发光细菌有关。
那么光是如何产生的呢?海洋发光细菌的发光反应是由胞内荧光酶催化,在分子氧作用下,将还原态黄素单核苷酸及长链脂肪醛氧化为黄素单核苷酸及长链脂肪酸, 同时释放出了蓝绿光
海洋发光细菌,来源:知乎
可别小看这些会发光的细菌,它们在水下通信探测水色遥感环境污染监测抗菌素浓度测定等方面可是有着广泛的应用前景。
比如通过监测潜艇航行时激发的生物发光勾画出潜艇涡动的光尾流而达到跟踪/探测潜艇的目的,利用发光细菌的发光强度与水中毒物的浓度、毒性的关系检测污染物质,等等。
那么如何拥有一瓶属于自己的海洋发光细菌呢?操作步骤在此!
1、选取新鲜的鲳鱼、乌贼或小虾(刚捕获的海鲜最佳;市场出售的鱼虾可能因捕获时间太长,腐生细菌大量繁殖而无法得到发光细菌)。
2、先去除表面污物,再将鱼/虾放入干净培养皿中,从其上方倒下灭菌海水,放于20~25 ℃温箱中培养1~2天,可以在黑暗中看到鱼/虾表面的微弱亮点,那便是发光细菌。
3、此时用接种棒及时挑取亮斑,在固体培养基平板中划线,20~28 ℃温箱中培养1~2天,即可在培养基上看到发光细菌菌落。
固体培养基配方为甘油3mL、酵母膏5g、胰蛋白胨5g、碳酸钙1g、琼脂20g、陈海水1000 mL,pH调至7.8~8.0,121℃灭菌20min。
液体培养基不加琼脂,其余条件与固体培养基配方一致。没有这些材料的,可以用更简单的家庭版培养基配方:比目鱼剁碎、煮汤、过滤,将滤汁作为培养基。
长有海洋发光细菌的培养皿,来源:知乎


Reference:
海洋发光细菌的发光及其应用[J]. 发光学报, 2007, 28: 167–172.
ocean.si.edu/ecosystems/deep-sea/when-art-meets-science-exhibition-inspired-bioluminescence
https://www.britannica.com/science/bioluminescence
https://www.theyellowsparrow.com/bioluminescent-art/

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