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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