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这么美丽的荧光海 居然是赤潮的罪魁祸首?!

2018-07-06分享 科技前沿

  来源:科学大院微信公众号

  最近大连海边又双叒叕出现了神奇的荧光海,很多小伙伴都跑去海边欣赏,海浪拍打在岸边沙滩上,化成一道蓝色海岸线,海浪拍打在礁石上,蓝色的星星点点像是繁星落到大海中。不过,这梦幻般的景象是怎么形成的呢?

图1 蓝色海岸线

图1 蓝色海岸线

图2 发光的礁石

图2 发光的礁石

  荧光海中夜光藻

  荧光海中最常见的发光生物是夜光藻(Noctiluca scintillans),它是浮游甲藻的一种,主要分布在温带和亚热带近岸水域,属于常见藻类。

  我国所见的夜光藻种类是红色夜光藻,有红色夜光藻海域,在白天看上去会泛淡红色,这是它的伴生藻类引起的颜色。其实红色夜光藻没有色素体,它是一种异养生物(非光合作用),通过吞噬浮游生物、硅藻、其他甲藻、鱼卵和细菌为生。

图3 礁石周围的夜光藻

图3 礁石周围的夜光藻

  单反相机长曝光拍出来的荧光海是梦幻的(图3),而在光学显微镜下的夜光藻是胖嘟嘟的(图4)。

图4 显微镜下的夜光藻

图4 显微镜下的夜光藻

  夜光藻长着圆球形的身体,高度囊泡化,有一个能轻微活动的触手,能将外界小型浮游植物或有机颗粒送入胞口内,在细胞内形成食物泡进行消化。其原生质集聚于胞口附近,原生质中有一个核。它们个头较小,其细胞直径为0.15至2毫米,在白天人们用肉眼也能发现它们的存在。

  夜光藻为什么能发光?

  夜光藻发光其实是一种保护机制,它的天敌是桡足类节肢动物,突然发光可以吓退它们,或者用光线把更大的动物引来,先把桡足类动物吃掉。

  目前已知的生物发光体系的发光机理分为两大类,一类是荧光素—荧光素酶体系,另一类是由Ca2+触发发光蛋白机制。夜光藻的发光机制属于前者。

  在荧光素-荧光素酶体系中,发光底物荧光素(Luciferin)和荧光素酶(Luciferase)是分开的。当夜光藻表面受到外界压力刺激,会产生一系列的信号分子,使得荧光素在荧光素酶的作用下,被氧气氧化产生高能量的含氧荧光素,接下来释放能量,变成氧化荧光素,在此过程中大部分能量转化为光(图5),在这个过程中荧光素酶是可以反复利用的,只会消耗荧光素底物。陆地上的昆虫、蠕虫、细菌和海洋中的软体动物、细菌、鱼类等发光生物的发光机理都是这样的。

图5 荧光素酶体系发光机理(Tsarkova A S et al。, 2016)

图5 荧光素酶体系发光机理(Tsarkova A S et al。, 2016)

  由Ca2+触发发光蛋白机制,它主要特征是在发光前底物和发光蛋白是不分离的。例如,发光水母在有氧和无氧的条件下均能发光,是因为水母体内存在水母发光蛋白(aequorin)。发光蛋白复合体是由辅基蛋白和腔肠素(coelenterazine)分子通过过氧键链接形成的,Ca2+与发光蛋白复合体上的辅基蛋白(protein)结合后,发光蛋白复合体分解成脱辅基蛋白(apoprotein)和含有二氧杂环丁酮(dioxetanone)结构的腔肠素分子,在释放CO2后,形成酰胺腔肠素(coelenteramide)并伴有发光。脱辅基蛋白在完成这一系列反应后还可以继续与腔肠素结合形成发光蛋白复合体,辅基蛋白是可以重复使用的。

图6 光蛋白酶体系发光机理(Tsarkova A S et al。, 2016)

图6 光蛋白酶体系发光机理(Tsarkova A S et al。, 2016)

  什么时候能看到荧光海?

  夜光藻种群动态受到水文要素(温度、盐度等)、生物要素(中型浮游动物等)和气象要素(风速、风向等)等的影响。食物对红色夜光藻的生长尤为重要,但在不同水域其影响有较大的差异。下面以大连为例,看看什么时候会出现荧光海现象:

  水温:红色夜光藻适温范围为10-25℃,在大连四月底至五月初是观看荧光海的最佳时期。入夏之后随着气温的升高,大量夜光藻会死亡。

  风向:要有往陆地方向刮的风。大连的大黑石和小黑石海域属于渤海,因此在刮北风时候,北风将夜光藻吹到岸边区域,观察到荧光海的几率会增加;而大连黑石礁海域属于黄海,所以刮南风时候在黑石礁出现荧光海的概率大一些(图7)。

图7 大连观看荧光海的地点(来源:百度地图)

图7 大连观看荧光海的地点(来源:百度地图)

  地点:一般会出现在海湾。海湾更利于荧光藻的聚集和繁殖,一片三面环陆的海洋是观看荧光海的最佳地点。

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