這么美麗的熒光海，居然是赤潮的罪魁禍?zhǔn)祝浚?

作者：木一（中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所）

文章來源于科學(xué)大院公眾號(hào)（ID：kexuedayuan）

大連海邊出現(xiàn)了神奇的熒光海，很多小伙伴都跑去海邊欣賞，海浪拍打在岸邊沙灘上，化成一道藍(lán)色海岸線，海浪拍打在礁石上，藍(lán)色的星星點(diǎn)點(diǎn)像是繁星落到大海中。不過，這夢(mèng)幻般的景象是怎么形成的呢？

圖1 藍(lán)色海岸線

圖2 發(fā)光的礁石

熒光海中夜光藻

熒光海中最常見的發(fā)光生物是夜光藻（Noctiluca scintillans），它是浮游甲藻的一種，主要分布在溫帶和亞熱帶近岸水域，屬于常見藻類。

我國(guó)所見的夜光藻種類是紅色夜光藻，有紅色夜光藻海域，在白天看上去會(huì)泛淡紅色，這是它的伴生藻類引起的顏色。其實(shí)紅色夜光藻沒有色素體，它是一種異養(yǎng)生物（非光合作用），通過吞噬浮游生物、硅藻、其他甲藻、魚卵和細(xì)菌為生。

圖3 礁石周圍的夜光藻

單反相機(jī)長(zhǎng)曝光拍出來的熒光海是夢(mèng)幻的（圖3），而在光學(xué)顯微鏡下的夜光藻是胖嘟嘟的（圖4）。

圖4 顯微鏡下的夜光藻

夜光藻長(zhǎng)著圓球形的身體，高度囊泡化，有一個(gè)能輕微活動(dòng)的觸手，能將外界小型浮游植物或有機(jī)顆粒送入胞口內(nèi)，在細(xì)胞內(nèi)形成食物泡進(jìn)行消化。其原生質(zhì)集聚于胞口附近，原生質(zhì)中有一個(gè)核。它們個(gè)頭較小，其細(xì)胞直徑為0.15至2毫米，在白天人們用肉眼也能發(fā)現(xiàn)它們的存在。

夜光藻為什么能發(fā)光？

夜光藻發(fā)光其實(shí)是一種保護(hù)機(jī)制，它的天敵是橈足類節(jié)肢動(dòng)物，突然發(fā)光可以嚇退它們，或者用光線把更大的動(dòng)物引來，先把橈足類動(dòng)物吃掉。

目前已知的生物發(fā)光體系的發(fā)光機(jī)理分為兩大類，一類是熒光素—熒光素酶體系，另一類是由Ca2+觸發(fā)發(fā)光蛋白機(jī)制。夜光藻的發(fā)光機(jī)制屬于前者。

● 在熒光素-熒光素酶體系中，發(fā)光底物熒光素（Luciferin）和熒光素酶（Luciferase）是分開的。當(dāng)夜光藻表面受到外界壓力刺激，會(huì)產(chǎn)生一系列的信號(hào)分子，使得熒光素在熒光素酶的作用下，被氧氣氧化產(chǎn)生高能量的含氧熒光素，接下來釋放能量，變成氧化熒光素，在此過程中大部分能量轉(zhuǎn)化為光（圖5），在這個(gè)過程中熒光素酶是可以反復(fù)利用的，只會(huì)消耗熒光素底物。陸地上的昆蟲、蠕蟲、細(xì)菌和海洋中的軟體動(dòng)物、細(xì)菌、魚類等發(fā)光生物的發(fā)光機(jī)理都是這樣的。

圖5 熒光素酶體系發(fā)光機(jī)理（Tsarkova A S et al., 2016）

● 由Ca2+觸發(fā)發(fā)光蛋白機(jī)制，它主要特征是在發(fā)光前底物和發(fā)光蛋白是不分離的。例如，發(fā)光水母在有氧和無氧的條件下均能發(fā)光，是因?yàn)樗阁w內(nèi)存在水母發(fā)光蛋白（aequorin）。發(fā)光蛋白復(fù)合體是由輔基蛋白和腔腸素（coelenterazine）分子通過過氧鍵鏈接形成的，Ca2+與發(fā)光蛋白復(fù)合體上的輔基蛋白（protein）結(jié)合后，發(fā)光蛋白復(fù)合體分解成脫輔基蛋白（apoprotein）和含有二氧雜環(huán)丁酮（dioxetanone）結(jié)構(gòu)的腔腸素分子，在釋放CO2后，形成酰胺腔腸素（coelenteramide）并伴有發(fā)光。脫輔基蛋白在完成這一系列反應(yīng)后還可以繼續(xù)與腔腸素結(jié)合形成發(fā)光蛋白復(fù)合體，輔基蛋白是可以重復(fù)使用的。

圖6 光蛋白酶體系發(fā)光機(jī)理（Tsarkova A S et al., 2016）

什么時(shí)候能看到熒光海？

夜光藻種群動(dòng)態(tài)受到水文要素（溫度、鹽度等）、生物要素（中型浮游動(dòng)物等）和氣象要素（風(fēng)速、風(fēng)向等）等的影響。食物對(duì)紅色夜光藻的生長(zhǎng)尤為重要，但在不同水域其影響有較大的差異。下面以大連為例，看看什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)熒光?，F(xiàn)象：

水溫：紅色夜光藻適溫范圍為10-25℃，在大連四月底至五月初是觀看熒光海的最佳時(shí)期。入夏之后隨著氣溫的升高，大量夜光藻會(huì)死亡。

風(fēng)向：要有往陸地方向刮的風(fēng)。大連的大黑石和小黑石海域?qū)儆诓澈?，因此在刮北風(fēng)時(shí)候，北風(fēng)將夜光藻吹到岸邊區(qū)域，觀察到熒光海的幾率會(huì)增加；而大連黑石礁海域?qū)儆邳S海，所以刮南風(fēng)時(shí)候在黑石礁出現(xiàn)熒光海的概率大一些（圖7）。

圖7 大連觀看熒光海的地點(diǎn)（來源：百度地圖）

地點(diǎn)：一般會(huì)出現(xiàn)在海灣。海灣更利于熒光藻的聚集和繁殖，一片三面環(huán)陸的海洋是觀看熒光海的最佳地點(diǎn)。

潮汐：漲潮的時(shí)候熒光現(xiàn)象更明顯。由于夜光藻發(fā)出熒光需要外界的擾動(dòng)，在漲潮的時(shí)候海浪較大的擾動(dòng)會(huì)使夜光藻發(fā)光。而退潮的時(shí)候，大量近海的夜光藻會(huì)遺留在沙灘上，這時(shí)候在沙岸上散步會(huì)留下夢(mèng)幻的藍(lán)色腳印。也可以利用夜光藻在沙灘上“作畫”（圖8）。

圖8 用手在沙灘上畫出的“熒光心形”

圖9 海中的夜光藻

鹽度：下過大雨之后不宜觀看熒光海。夜光藻的最適鹽度應(yīng)在29-33之間，種群主要分布于海水表層，下過暴雨或梅雨季節(jié)表層水體鹽度急降，這對(duì)夜光藻種群具有巨大的破壞力。

熒光海=赤潮？

有人認(rèn)為：夜光藻對(duì)污染很敏感，它們生活在清潔的水體環(huán)境中，因此熒光海現(xiàn)象只會(huì)出現(xiàn)在污染較少的海灣。

圖10（來源：某攝影公眾號(hào)截圖）

其實(shí)事實(shí)恰恰相反！

雖然夜光藻本身不具有毒性，但是它的出現(xiàn)正代表了海洋環(huán)境的惡化！海水富營(yíng)養(yǎng)化，使得夜光藻作為食物的細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌和單細(xì)胞藻類數(shù)量增加，有可能造成夜光藻的爆發(fā)性增長(zhǎng)，從而形成赤潮。

赤潮，又叫紅潮，是一種水華現(xiàn)象。它是海洋災(zāi)害的一種，是指海洋水體中某些微小的浮游植物、原生動(dòng)物或細(xì)菌，在一定的環(huán)境條件下突發(fā)性增殖和聚集。

圖11 赤潮爆發(fā)時(shí)大量魚類死亡（來源于網(wǎng)絡(luò)）

夜光藻赤潮對(duì)海洋生態(tài)有著巨大的負(fù)面影響。

● 夜光藻赤潮暴發(fā)時(shí)，大量細(xì)胞黏附在魚的鰓部，導(dǎo)致魚類因窒息而大量死亡，而死亡魚類的降解過程大量消耗溶解氧、并釋放硫化氫等有毒物質(zhì)，對(duì)水體環(huán)境造成破壞。

● 有毒物質(zhì)在魚、貝類體內(nèi)積累，人食用之后可能引起中毒或死亡

● 夜光藻會(huì)攝食魚卵，造成漁業(yè)產(chǎn)量下降。

● 夜光藻增加還會(huì)改變浮游植物群落結(jié)構(gòu)，它們對(duì)硅藻和橈足類糞便的攝食，阻止了硅藻和橈足類糞便的沉降，不利于被固定的有機(jī)碳最終被儲(chǔ)存在相對(duì)穩(wěn)定的碳儲(chǔ)庫(kù)中（如埋藏在海底，變成不易降解的形式等）。

看來，熒光海雖然美麗，卻是人類不愿意看到的景色呢！

（本文夜光藻的照片皆為作者拍攝，請(qǐng)勿盜用）

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