來(lái)源:科學(xué)大院微信公眾號(hào)
最近大連海邊又雙叒叕出現(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(xiàn),,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(guò),,這夢(mèng)幻般的景象是怎么形成的呢?
圖1藍(lán)色海岸線(xiàn)
圖2發(fā)光的礁石
熒光海中夜光藻
熒光海中最常見(jiàn)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(jiàn)藻類(lèi),。
我國(guó)所見(jiàn)的夜光藻種類(lèi)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(lèi)引起的顏色,。其實(shí)紅色夜光藻沒(méi)有色素體,,它是一種異養(yǎng)生物(非光合作用),通過(guò)吞噬浮游生物,、硅藻,、其他甲藻、魚(yú)卵和細(xì)菌為生,。
圖3礁石周?chē)囊构庠?/p>
單反相機(jī)長(zhǎng)曝光拍出來(lái)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(lèi)節(jié)肢動(dòng)物,,突然發(fā)光可以嚇退它們,或者用光線(xiàn)把更大的動(dòng)物引來(lái),,先把橈足類(lèi)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(lèi),,一類(lèi)是熒光素—熒光素酶體系,,另一類(lèi)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(kāi)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(lái)釋放能量,,變成氧化熒光素,在此過(guò)程中大部分能量轉(zhuǎn)化為光(圖5),,在這個(gè)過(guò)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(chóng)、蠕蟲(chóng),、細(xì)菌和海洋中的軟體動(dòng)物,、細(xì)菌、魚(yú)類(lèi)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(wú)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(guò)過(guò)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)熒光海現(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(guān)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(guān)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(guān)看熒光海的地點(diǎn)(來(lái)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(guān)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(huà)”(圖8)。
圖8用手在沙灘上畫(huà)出的“熒光心形”
圖9海中的夜光藻
鹽度:下過(guò)大雨之后不宜觀(guān)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(guò)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(lái)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(lèi)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(yú)類(lèi)死亡(來(lái)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(yú)的鰓部,導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)因窒息而大量死亡,,而死亡魚(yú)類(lèi)的降解過(guò)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(yú),、貝類(lèi)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(yú)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(lèi)糞便的攝食,,阻止了硅藻和橈足類(lèi)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(lái),,熒光海雖然美麗,卻是人類(lèi)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)
參考文獻(xiàn):
1、 Tsarkova A S,, Kaskova Z M,, Yampolsky I V。 A Tale Of Two Luciferins: Fungal and Earthworm New Bioluminescent Systems[J],。 Accounts of Chemical Research,, 2016, 49(11):2372-2380,。
2,、 Harrison P J, Furuya K,, Glibert P M,, et al。 Geographical distribution of red and green Noctiluca scintillans[J]。 Chinese Journal of Oceanology and Limnology,, 2011,, 29(4):807-831。
3,、 Miyaguchi H,, Fujiki T, Kikuchi T,, et al,。 Relationship between the bloom of Noctiluca scintillans and environmental factors in the coastal waters of Sagami Bay, Japan[J],。 Journal of Plankton Research,, 2006, 28(3):313-324,。
4,、楊穎,張逢春,。熒光素酶的分類(lèi),、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[J]。北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然),,2006,,7(5):411-415,。
5,、宋書(shū)群,,李才文,,孫軍。夜光藻有性繁殖研究進(jìn)展[J],。生態(tài)學(xué)報(bào),,2016,,36(9):2451-2459。
6,、 Lapointe M,, Morse D。 Reassessing the role of a 3‘-UTR-binding translational inhibitor in regulation of circadian bioluminescence rhythm in the dinoflagellate Gonyaulax,。[J],。 Biological Chemistry, 2008,, 389(1):13,。
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