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为什么海豚会发蓝光?

AJRPROJ / CC0

摄影师拍到的「发蓝光」海豚群是怎么回事?

苏澄宇,动物科学 / 动物营养 / 冷门问题收割者

你见过会发光的海豚?

这不是开玩笑,美国加利福尼亚州摄影师 Patrick Coyne 就看到了发光的海豚。夜里,几条发着幽幽蓝光的海豚在漆黑的海面下,穿行而过,就像梦里才有的场景一样。

你见过会发光的海豚吗? https://www.zhihu.com/video/1238835444772470784

这并不是经过后期特效处理的视频,而是大自然中一种罕见的生物发光现象。


甲藻引发的神奇现象

之所以海豚会发光,是因为海豚在游动的时候,穿过了一片有甲藻的浅海,扰动激发了甲藻的发光

甲藻(dinoflagellates),是一种大型的单细胞生物,直径在 0.2-2.0 毫米之间。下图是一种名为夜光藻(Noctiluca scintillans)的甲藻,顾名思义,是一种可以发出荧光的甲藻。

夜光藻 图源:Wikipedia

不过它的定位比较奇怪,虽然名字里有个藻字,但它却不是植物,介于动物和植物之间。因为它的繁殖方式和藻类很像,而生活习性又和原生动物很像,所以又叫双鞭毛虫

但并不是所有的甲藻都可以发光,只有少数的甲藻物种是具有发光能力的。比如上面说的夜光藻就是可以发光的。

经过科学家的研究,目前已确认的具有发光能力的甲藻总计 67 种。会发光的甲藻集中于亚历山大藻属(Alexandrium)、角藻属(Ceratium)、膝沟藻属(Gonyaulax)、原多甲藻属(Protoperidinium)和梨甲藻属(Pyrocystis)等。


甲藻是如何发光的?

甲藻的发光是由细胞内的闪光体(Scintillons)产生的,闪光体是甲藻细胞内的一种嵌套于细胞液泡膜上的细胞器, 直径约 0.5 μm。它的内部含有荧光素、荧光素酶以及荧光素结合蛋白。

闪光体 图源:Wikipedia

这个器官平时是不会发光的,只有在甲藻被扰动的时候,闪光体才会发光。

一旦出现扰动,就会使液泡膜和闪光体膜产生动作电位,动作电位的产生导致闪光体内的 pH 降低,从而激活了荧光素酶。

荧光素分子结构式 图源:Wikipedia

在荧光素酶的作用下,闪光体内的荧光素和氧气结合并氧化,最终产生波长为 474——476 nm 的电磁波,这个区间的电磁波是淡蓝色的可见光(见下图)。

400nm-480nm 之间为短波蓝光,可见光波长范围 图源:Wikipedia

当大片的甲藻因为物理扰动而发光的时候,神奇的现象就发生了。

因夜光藻发光而变成荧光海滩 图源:flickr
荧光海域 图源:Wikipedia commons

这种现象并不长久,一旦海域安静下来,少了扰动,荧光就会黯淡消失。

正是因为海豚游动的时候,扰动了甲藻,所以海豚游过的地方甲藻开始发光,而一旦游过了这个地方,甲藻就停止发光,持续时间大约 100 毫秒左右。

当海豚游动的速度变快起来,就像定格动画加速一样,海洋里甲藻发出的光变得动态起来,给人感觉像海豚自己在发光。

也正是因为这种美丽是短暂的,才让发光海豚变得如此罕见。


一些甲藻为什么要发光呢?

对于大多数生物来说,发光是一种大量消耗能量的行为,而且会吸引捕食它的动物,如此费力不讨好的事(这也是为什么大部分甲藻不会发光的原因),为什么一些甲藻偏偏就会发光呢?

科学家推测有两种因素促使一些甲藻进化出了发光的能力。

第一种认为:发光是报警行为。吃甲藻的一般都是低级的浮游生物,一旦浮游生物游到甲藻旁,扰动了甲藻,甲藻就开始发光报警。这种信号会传递给高级的捕食者,它们一看到光,就会顺着游过来,“帮”甲藻把那些浮游生物吃了。相关的发现佐证了这一揣测。比如,有科学家发现,当海洋中存在发光甲藻时,相对于仅有不发光甲藻的情况,硬骨鱼对糠虾的摄食效率大幅提升。

糠虾 图源:Wikipedia

第二种认为:发光是恐吓行为。发光可以把那些吃它们的浮游生物吓跑。当然,支持这一推测的研究也不少,比如有科学家发现,太平洋哲镖溞(Calanus pacificus,一种浮游生物)的摄食效率会随着甲藻物种发光能力的增强而降低。

太平洋哲镖溞 图源:scripps institution

具体是哪一种还有待进一步研究,也许两种推测都是对的呢,这也很难说。


美丽背后的危险

荧光海虽然给人如梦似幻的感觉,让人忍不住去寻找这样的地方去打卡,但其实却是一种环境污染的警报。因为甲藻不仅是海洋发光生物,也是沿岸水域中主要的赤潮生物之一。

赤潮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,引发一定范围和一段时间内水体变色现象。这往往是因为海洋中养分太多了(也被成为富营养化),吃的东西多了,自然繁殖得厉害了。

美国加州外海的赤潮 图源:Wikipedia

赤潮一旦出现,海水中高密度的赤潮生物覆盖或粘附在海洋动物的呼吸器官上,造成海洋动物呼吸困难和窒息死亡。同样,由于赤潮生物的呼吸作用,大量消耗海水中的溶解氧,使水体严重缺氧,导致海洋生物死亡。

如果海区出现富营养化状况,各类浮游植物类群如硅藻、甲藻生物量增加的同时,往往也伴随着一些发光甲藻物种生物量的增加。所以,如果发光甲藻多了,可视为一种赤潮前的预警。

另外,目前已知的发光甲藻物种中,很多是可以产生毒素的,也就是说一旦大量繁殖,形成赤潮,可不只是造成海洋生物窒息了,还会造成海洋生物中毒。

发光甲藻,真是一种美丽而危险的生物。

参考文献:

出品:科普中国

制作:苏澄宇

监制:中国科学院计算机网络信息中心