李和昌

向古籍學(xué)習(xí)，中為洋用

“囊螢夜讀”講的是大家耳熟能詳?shù)囊粋€(gè)故事：晉朝人車(chē)胤小時(shí)候家境貧寒，不能經(jīng)常得到油燈看書(shū)。夏天的夜晚，他就捉幾十個(gè)螢火蟲(chóng)裝進(jìn)袋子，照著書(shū)本，夜以繼日地學(xué)習(xí)著，自此學(xué)識(shí)與日俱增。車(chē)胤長(zhǎng)大后知識(shí)廣博，被任命為吏部尚書(shū)。

法國(guó)生物學(xué)家桑德拉讀到《晉書(shū)》上這段小故事，突發(fā)奇想，能不能直接用發(fā)光生物為城市提供夜間照明，代替電能點(diǎn)亮夜空。隨后，她在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過(guò)將螢火蟲(chóng)的一個(gè)基因植入一種擬南芥體內(nèi)，成功使擬南芥發(fā)光，她本人也成為了法國(guó)生物發(fā)光領(lǐng)域先驅(qū)之一。

其實(shí)，很早以前南美洲的印第安人就開(kāi)始使用能發(fā)光的昆蟲(chóng)光叩甲照明了。生活在16世紀(jì)的西班牙歷史學(xué)家岡薩洛·費(fèi)爾南德斯曾在著作中提及這些昆蟲(chóng)，他記載當(dāng)?shù)厝税阉鼈冄b在籠子里，用于室內(nèi)照明。那么，為何等了6個(gè)世紀(jì)重新想到走生物照明的路呢？這是因?yàn)樯锇l(fā)光長(zhǎng)久以來(lái)一直神秘莫測(cè)。人類(lèi)很早便已記錄了這一現(xiàn)象，無(wú)論主角是昆蟲(chóng)、細(xì)菌還是真菌。關(guān)于生物發(fā)光的化學(xué)解釋出現(xiàn)在1887年，法國(guó)生物學(xué)家拉法耶爾·迪布瓦這樣描述：存在于某些生物的細(xì)胞中或者直接存在于某些生物表皮中的一種分子（熒光素）在一種酶（熒光素酶）的作用下與氧結(jié)合釋放出光子，于是產(chǎn)生了光。但研究人員仍然無(wú)法從生物學(xué)角度給出解釋。為什么有些發(fā)光生物可以全天24小時(shí)發(fā)光而另外一些卻只在黑暗的環(huán)境下發(fā)光？為什么發(fā)光的強(qiáng)度會(huì)因?yàn)槲锓N的不同而不同？所幸，對(duì)生物發(fā)光遺傳機(jī)制的研究，終于在最近20年取得了突破性進(jìn)展。相關(guān)部門(mén)開(kāi)始認(rèn)真考慮大范圍使用發(fā)光生物進(jìn)行照明了。

發(fā)光基因，巧制“生物燈”

夜幕降臨、墨色彌漫，我們打開(kāi)房里的燈，點(diǎn)亮我們城市的時(shí)候，是否該想想，怎樣才能有效地限制光污染，并避免能源浪費(fèi)呢？目前，在城鎮(zhèn)中普遍的做法是使用低能耗的LED燈和可以根據(jù)時(shí)間及人流調(diào)整光照強(qiáng)度的智能燈。然而，對(duì)目前照明系統(tǒng)的改革完全可以走得更遠(yuǎn)！想象一下，灌木叢、隔離帶和道路兩旁的大樹(shù)都變成了生物燈，在一直發(fā)光……人間仙境！不過(guò)，還有最后一道難關(guān)需要攻克：目前研究的生物燈尚不足以用來(lái)照明，或只能在無(wú)法大規(guī)模復(fù)制的試驗(yàn)環(huán)境下發(fā)光。這是因?yàn)榇蟛糠值陌l(fā)光物種是海生的，生活在海中90%的深海種群都可以發(fā)光。由于深海中陽(yáng)光照射不到，成了黑暗的世界，發(fā)光是海洋生物必備的生存技能。在海洋的200米深處，就伸手不見(jiàn)五指了，到1 500米以下更是一片黑暗。但在海洋深處也生活著大量的海洋生物，水母搖動(dòng)著透明的大傘，傘邊與觸手上的點(diǎn)點(diǎn)熒光，隨著身體冉冉游動(dòng)；盾狀的翻車(chē)魚(yú)，在深黛的海幕上下翻滾，綠、黃、藍(lán)、白、紅的光點(diǎn)，輝映出團(tuán)團(tuán)的彩虹；大烏賊像一支支火箭，腹部一對(duì)銹紅的光柱，同腹部的青光、兩眼的藍(lán)光，閃爍成一個(gè)個(gè)火流星；金眼鯛打著電壓不足的“手電筒”，發(fā)出一道道黃光；乒乓球大小的夜光蟲(chóng)，像一只只藍(lán)綠寶石，在海水中來(lái)回穿梭，它們是深海魚(yú)兒的美食；安康魚(yú)頂著有倒刺的“釣桿”，刺上變幻著檸檬、紅色、藍(lán)色或白色的光點(diǎn)，在海水中左右搖動(dòng)，吸引貪食的魚(yú)兒上鉤；夜光螺在海底緩緩爬動(dòng)，貝殼邊緣的綠光吸引著深海的小蟲(chóng)；海水中忽明忽暗如降落的煙花，又如同被踩碎的螢火蟲(chóng)尾巴，這是各種發(fā)光的細(xì)菌。發(fā)光是海洋生物的選擇性適應(yīng)，是大自然給海洋生物的獎(jiǎng)賞，是海洋生物同深海水環(huán)境億萬(wàn)年磨合的精巧。

針對(duì)生物燈的研發(fā)，眾多研究團(tuán)隊(duì)躍躍欲試，想要越過(guò)這最后一道難關(guān)。他們成竹在胸：合成生物學(xué)的出現(xiàn)讓我們能夠把某一物種的發(fā)光能力轉(zhuǎn)移到其他物種身上。美國(guó)紐約州立大學(xué)的研究人員采用并不發(fā)光但易于栽培的煙草屬植物（從最常見(jiàn)的煙草到花煙草）做實(shí)驗(yàn)，在它們的動(dòng)力工廠葉綠體中植入一段海生發(fā)光細(xì)菌的DNA序列。結(jié)果怎樣？成功獲得發(fā)光基因的植物可以24小時(shí)不間斷地自主發(fā)光，并持續(xù)數(shù)月。

但目前這類(lèi)植物發(fā)出的光線仍然極其微弱：只有在黑暗中才能看見(jiàn)一星微光，亮度僅數(shù)流明，遠(yuǎn)不及一個(gè)40瓦白熾燈泡亮（400流明）！但這無(wú)妨科研人員積極調(diào)整方案，畢竟生物燈的原理已經(jīng)掌握明晰，隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室所得植株的發(fā)光亮度也會(huì)越來(lái)越高。由于目前仍處于保密階段，外界所知甚少。但相信未來(lái)四到五年內(nèi)科學(xué)家將會(huì)培育出可用于照明的植物，甚至足夠照亮街道的大樹(shù)！雖然技術(shù)方面還存在挑戰(zhàn)，但科學(xué)家認(rèn)為在這方面沒(méi)有解決不了的問(wèn)題，只是時(shí)間問(wèn)題。如前文所述，法國(guó)生物學(xué)家桑德拉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過(guò)將螢火蟲(chóng)的一個(gè)基因植入一種擬南芥體內(nèi)，并成功使其發(fā)光。

10年之內(nèi)，取代傳統(tǒng)照明？

針對(duì)能在10年之內(nèi)研發(fā)出可以大范圍代替電力進(jìn)行照明的植物，科學(xué)界還持有懷疑態(tài)度。在使用生物發(fā)光進(jìn)行戶外照明這一點(diǎn)上科學(xué)家表現(xiàn)得十分謹(jǐn)慎，因?yàn)槟壳疤嵘炼鹊钠款i還無(wú)法解決，但生物發(fā)光的確存在一定的商業(yè)前景。另有一條研發(fā)路線中期來(lái)看似乎是可行的，就是可以將這些植物用于需要長(zhǎng)明光源但對(duì)照明亮度要求不高的地點(diǎn)或室內(nèi)。說(shuō)白了，就是開(kāi)發(fā)生物夜燈或其他基于生物發(fā)光的補(bǔ)充照明設(shè)備。這一思路啟發(fā)了兩支歐洲研究團(tuán)隊(duì)，其中一支主攻發(fā)光真菌，另一團(tuán)隊(duì)則致力于發(fā)光細(xì)菌的研究。前者從2011年起測(cè)試了多種真菌菌株（已知有60種天然真菌菌株可以發(fā)光），直至發(fā)現(xiàn)一種單株樣本能夠發(fā)出與一支蠟燭相當(dāng)?shù)牧凉?，這實(shí)在令人吃驚。法國(guó)里昂大學(xué)真菌學(xué)研究人員負(fù)責(zé)該項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始暢想未來(lái)幾年后，生物發(fā)光系統(tǒng)將可提供環(huán)保且無(wú)需供能的光。對(duì)于需要視物但不必?zé)艋疠x煌的照明場(chǎng)合，這應(yīng)當(dāng)是十分理想的選擇。

科學(xué)家目前還無(wú)法用生物發(fā)光代替所有路燈，因?yàn)榱炼炔粔?。但在不遠(yuǎn)的將來(lái)，可用之點(diǎn)亮櫥窗、公交車(chē)站、廣場(chǎng)、樓梯扶手、人行道甚至警示牌。生物學(xué)家桑德拉已經(jīng)成功研發(fā)出一種貼片，將70張這種含有發(fā)光細(xì)菌的貼片粘在墻面上，能令一片漆黑的房間亮到足以視物。當(dāng)然，還有很多方面尚待改進(jìn)，尤其得大幅提高照明亮度，并延長(zhǎng)生物燈的壽命，需以最優(yōu)的解決方案，令“飼養(yǎng)”的這些生物變得容易且可持續(xù)——還要拓寬它們能發(fā)出的色彩，畢竟當(dāng)下僅局限于綠色和藍(lán)色。而這個(gè)理念本身已經(jīng)讓眾多照明設(shè)計(jì)師激動(dòng)萬(wàn)分：沒(méi)有人能夠否認(rèn)在發(fā)光樹(shù)木照亮的小路上散步是一個(gè)相當(dāng)迷人的想法?？梢钥隙ǎ饩€柔和、簡(jiǎn)單且壽命長(zhǎng)的生物照明將會(huì)推廣開(kāi)來(lái)。這不僅能營(yíng)造出一派夢(mèng)幻氛圍，還將進(jìn)一步降低能耗。未來(lái)，傳統(tǒng)路燈就要退場(chǎng)了，發(fā)光生物或?qū)⒑芸烊〈鷤鹘y(tǒng)路燈照亮街道。