荧光海的出现证明海域环境好还是糟糕？

检验之星

荧光海的出现证明海域环境好还是糟糕？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/65543958

长长的路

我们赞誉LED的成像技术，惊叹《少年Pi的奇幻漂流》（Life of Pi）对于大海的奇幻想象。
其实星辰融入大海的盛景，就在自然之中。



Javis Bay-杰维斯湾，位于澳大利亚东南部

神秘、美丽，让人震撼，有对自然充满畏惧。这种现象就做荧光海（bioluminescent waves）。
世界上最大的荧光海位于Puerto Rican bay （波多黎各湾），把手伸进水里再拿出来时，满手荧光闪闪，像点缀满了星星。



捧水的手

海的蓝色荧光是由鞭毛藻、海萤等海洋发光微生物所产生。鞭毛藻收到外界刺激时，就会释放出光亮，如同萤火虫，这种光能释放是它的自卫防御功能。波多黎各湾的东南部--蚊子湾 (Mosquito Bay) ，拥有吉尼斯世界纪录登记在册的世界最亮生物发光环境，它也是鞭毛藻浓度的世界之最。海萤是一种生活在沙子中的浮游生物，体内有一种叫发光腺的奇特构造，受海浪拍打等刺激时，也会产生浅蓝色的光。
海水扰动愈猛烈，光亮愈显著。


荧光海滩的形成，对地理位置和水质有要求。1）浅湾：容易汇集发光生物；2）水质清洁：发光生物对水质的要求较高。
有些时候我们看到的荧光海并不是由以上无害发光生物构成的，而是夜光藻这个赤潮的主要推手，而造就的，某种程度上是一种人造物。


夜光藻是一种耐污生物，繁殖在富营养化的海区内（富营养化是一种氮、磷等植物 营养物质 含量过多所引起的水质污染现象）。它具发光能力，和鞭毛藻一样，受到刺激就可发出绚丽的蓝色荧光。夜晚，船只划过水面时，船桨会泛起火星，船尾则拖着长长的光带，美不胜收。但是它繁殖过盛，密集在一起，就可形成赤潮，美丽的荧光海持续几天后就是接踵而至的灾害，海洋生物的大量死亡以及产生腐烂恶臭，让大海一片死亡的景象，真的很遗憾。

检验医师

哇塞！蓝色荧光海好梦幻！可这确是环境遭到破坏的预兆

卡卡

正常最好，不正常的东西的出现本身就预示着不正常

检验医师

糟糕，而且会让海域变得更糟糕。
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。
有人认为：夜光藻对污染很敏感，它们生活在清洁的水体环境中，因此荧光海现象只会出现在污染较少的海湾。



图1 图片来源于某摄影公众号截图

但其实，虽然夜光藻本身不具有毒性，但是它的出现正代表了海洋环境的恶化。



图2-1 很美，但是……



图2-2 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，而在光学显微镜下的夜光藻是胖嘟嘟的（图3）。



图3 显微镜下的夜光藻

海水富营养化，使得夜光藻作为食物的细菌、蓝细菌和单细胞藻类数量增加，有可能造成夜光藻的爆发性增长，从而形成赤潮。（赤潮，又叫红潮，是一种水华现象。它是海洋灾害的一种，是指海洋水体中某些微小的浮游植物、原生动物或细菌，在一定的环境条件下突发性增殖和聚集。）

• 夜光藻赤潮对海洋生态有着巨大的负面影响
  

夜光藻赤潮暴发时，大量细胞黏附在鱼的鳃部，导致鱼类因窒息而大量死亡，而死亡鱼类的降解过程大量消耗溶解氧、并释放硫化氢等有毒物质，对水体环境造成破坏。
有毒物质在鱼、贝类体内积累，人食用之后可能引起中毒或死亡；同时，夜光藻会摄食鱼卵，造成渔业产量下降。
夜光藻增加还会改变浮游植物群落结构，它们对硅藻和桡足类粪便的摄食，阻止了硅藻和桡足类粪便的沉降，不利于被固定的有机碳最终被储存在相对稳定的碳储库中（如埋藏在海底，变成不易降解的形式等）。



图4 赤潮爆发时大量鱼类死亡（来源于网络）

• 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 触发发光蛋白机制。夜光藻的发光机制属于前者。
（1） 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）

（2）由 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， 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 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）

最后，希望这种“美景”越来越少。



送你一个小心心，以后别来了，好吧……

作者：木一
单位：中国科学院大连化学物理研究所
出品：科学大院
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