黑暗中的辉煌

1984年，深海生物学家伊迪丝·威德（Edith Widder）身穿一套巨大的黄色金属潜水服，配备脚控推进器，进行了她的首次深海潜水，沉入太平洋。当她的潜水服灯光亮起时，她看到虾、鱼和水母从覆盖她头部的透明气泡状圆顶旁升起。在人造光线无法触及的地方，大海漆黑一片。然后，在800英尺深处，她关掉了灯。

她说，当她的眼睛适应后，“小点像仙尘，水花像液体状的蓬松物，火花像营火中迸出的余烬”从黑暗中出现。“只是所有这些光都是蓝色的。这绝对令人着迷，我简直不敢相信有这么多。它们无处不在！”

威德观察到的是生物发光，这是海洋生物用来引诱猎物、吸引性伴侣和吓退捕食者的光。一些闪光没有特定的形状。另一些则勾勒出生物的轮廓，或以几乎迷幻般的点、闪光、脉冲、微光、膨胀的光环、稳定的光芒和光爆发阵列将其伪装起来。有些光很微弱：鞭毛虫的闪光只有百万分之一瓦，持续时间只有十分之一秒。相比之下，某些水母可以产生持续半分钟或更长时间的膨胀的蓝色光环。这是一种难以用语言形容的非凡现象。威德简单地说：“你必须亲眼所见。”一旦她看到了，“就再也回不去了。”

萤火虫、某些蚯蚓、真菌和细菌也能做到这一点，一片同步闪光的萤火虫田令人着迷。但海面之上的任何景象都无法与海面之下的光线展示相媲美。生物发光存在于每一个海洋、每一片海域，从海面到海底。伍兹霍尔海洋研究所的海洋生态学先驱劳伦斯·马丁（Laurence Madin）说，在海洋上层3200英尺处，多达90%的生物是生物发光的。地球上最丰富的脊椎动物，一种一英寸长的鱼，名为弯齿毛口鱼，就是生物发光的。另一种，毒蛇鱼，其发光看起来像是从其突出牙齿底部和鱼鳍上的光纤发出的。它的头部上方有一个弧形发光的诱饵，每只眼睛下方有一个灯帮助它看清，腹部有灯用于伪装，腹部和背部的粘液层中还有带色的发光器。所以当受到惊吓时，毒蛇鱼会展现出自己的轮廓，就像一家渔具店外面挂着的霓虹灯招牌。

尽管生物发光现象已被报道了几个世纪，但它仍然是海洋中的一大谜团，科学家们直到现在才开始提出重要问题。“哪些生物会发光，它们在哪里被发现？”英国南安普顿海洋中心海洋科学家、《深海生物学》一书的作者彼得·鲱鱼（Peter Herring）问道。这些发光的特征是什么，它们是如何实现的——最重要的是，对于生态学家来说，生物发光何时何地产生？鲱鱼说，我们对哪些生物会发光以及它们生活在哪里已经了解很多。但生物发光何时何地产生的问题很复杂，只能通过更多的实地观察来回答。“这最终是我们了解生物发光真正目的及其对拥有它的生物的重要性唯一途径，”鲱鱼说。“其内在魅力的一部分当然是我们人类无法做到这一点。”

所有的光都来自相同的物理过程：原子核周围惯常轨道上的电子被注入能量——通常是热能——并移动到更高的轨道。当它回到正常的低轨道时，它会以光子形式释放一些能量——一个光子。在白炽灯中，将电子推入更高轨道的触发因素是电通过真空中的碳丝产生的热量；在生物发光中，电子是由两种协同作用的化学物质推上去的。其中一种被称为荧光素酶，它刺激另一种被称为荧光素的物质，导致其氧化，将电子推入更高的轨道，这些轨道衰变并产生光。所产生的光通常在可见光的蓝绿色范围内。在范围的另一端，红光在海水中很快被吸收。

尽管大多数生物都进化到只产生蓝绿色光，但也有例外——有些动物能看到红色。龙鱼不仅能看到红色，还能从眼睛下方的一个器官发出红光，用来照亮猎物或与同类交流而不被察觉。“它就像一个手电筒和一个狙击镜，”杜克大学生物学助理教授孙克·约翰森（Sonke Johnsen）说，他曾作为博士后学生与威德合作过。“我们不知道光束能传多远，但它不会传很远。那里的所有东西都移动缓慢，寒冷，食物不多——这真是一种悲伤的小生活。你不想看到太远的东西，以免分心浪费时间和精力。”

一些水母似乎也利用了红色色素吸收蓝色光的能力：它们的胃是红色的，所以当它们吞下发光的蓝绿色猎物时，这顿饭似乎就消失了，隐藏在红色的墙后面。马丁说，这“可以防止它们的午餐暴露它们”。

那人情味

它们看起来就像普通的宠物鱼，是全国成千上万，甚至数百万家庭水族馆中常见的那种。至少在白天是这样。然而，打开黑光或紫外线灯，它们就会像霓虹灯一样发出明亮的红光。认识一下GloFish，世界上第一批基因工程宠物——热带斑马鱼，由于科学家们将其胚胎DNA中植入了一个基因，它们能够发出红光。今年早些时候投放市场后，GloFish一夜之间成为爱好者们的轰动之作。“每个人都对它们感到非常兴奋，”创造它们的德克萨斯州公司Yorktown Technologies的发言人诺艾尔·博伊德（Noelle Boyd）说。“我们从经销商那里听说，他们从未见过如此大的需求。”

并非所有人都对这种5美元的鱼给予好评。在最近由舆论研究公司进行的一项调查中，大约84%的美国成年人表示，不应允许公司将动物进行基因改造作为宠物出售。去年12月，加州渔猎委员会禁止了它们的销售，担心GloFish可能会为大量基因改造动物开辟道路。一个月后，食品安全中心和国际技术评估中心在华盛顿特区联合对食品药品监督管理局提起联邦诉讼，试图强制停止这种鱼的销售。“我们希望GloFish下架，”食品安全中心的克雷格·卡尔普（Craig Culp）说。“有各种尚未评估的人类健康担忧。”

FDA反对这项诉讼，认为GloFish对公众健康不构成风险，因为它们纯粹是观赏性的，不用于食用。此外，它表示，斑马鱼原产于热带地区，因此即使那些最终进入公共水道的斑马鱼也无法在寒冷的北美气候中生存。事实上，每年有数百万条（不发光的）斑马鱼被出售，但美国地质调查局尚未在北美水域发现它们的任何种群。该诉讼仍在审理中。

讽刺的是，GloFish是旨在帮助环境研究的产物。这些生物是由新加坡国立大学的科学家开发的，作为一项持续尝试的一部分，他们试图制造出在暴露于已知会导致人类癌症的化学毒素（如多氯联苯）时会发光的转基因鱼。一旦来自海珊瑚的发光基因被移植到鱼体内，它就会在余生中保持荧光，它的所有后代也是如此。斑马鱼因其体型小和繁殖速度快而非常适合这类研究。GloFish是一个早期原型，旨在证明这种想法是可行的。“你必须先发明灯泡，才能发明开关来打开它，”博伊德解释说。“他们必须首先弄清楚如何让鱼一直发光，然后才能弄清楚如何在存在毒素的情况下让它发光。”

—亚历克斯·斯通

那些坚持发出蓝绿色光的海洋生物也进化出了有用的技术。例如，一些海洋生物，如龙鱼，利用生物发光附肢作为诱饵来觅食。另一些则可能利用光来吸引配偶。雄性海萤，一种芝麻大小的甲壳类动物，会喷射出光，在水中形成一个亮点，然后向上快速移动，喷射出另一个又一个，留下一串像烟雾信号一样间隔开的亮点。这种间隔是物种特异性的；准备好交配的雌性可以前往亮点串的头部找到合适的雄性。“这真是令人惊叹，”威德说。“对于这些小家伙来说，这是一种相当复杂的行为。”

有些海洋生物将光用作武器。一种鱼，闪光管肩鱼，会像鱿鱼喷墨一样，从肩膀上的管子里将光直接喷射到敌人的脸上。一个从深海捕获并带到充满荧光的船上实验室的标本，闪光如此明亮，以至于研究人员都惊叹不已。“那绝对会使捕食者失明，”威德笑着说。

其他海洋生物则利用生物发光作为警告：“我有毒；别惹我。”威德记录了卡罗莱纳海岸竹珊瑚不寻常的展示。当被触碰时，珊瑚会像圣诞树一样发光，并排出厚厚的、堵塞鳃的粘液片。长而细的海笔也给威德带来了惊喜。在实验室测试中，当它被镊子夹住时，它会沿着细长的茎射出绿光。当光到达茎末端的羽状物时，它会变成蓝色。威德认为其目的是将捕食者的注意力吸引到较不脆弱的区域。但当她通过夹住茎的另一端来测试这个想法时，光改变方向并射回另一个方向。当她夹住中间时，光会同时向两个方向移动。她认为这就像一个防盗警报——引诱海笔附近的任何生物攻击它的攻击者。微小的双鞭毛虫似乎也以同样的效果使用它们的生物发光，威德说，“就像一声尖叫”。当捕食者试图吃它们时，双鞭毛虫会闪光，照亮海水。以双鞭毛虫为食的生物“不想被照亮并被”其他捕食者“吃掉”，她说。

还有一些生物利用光线进行伪装或“反照”。切饼鲨采用复杂的发光策略来吸引食物。从下方看，它的腹部发出蓝光，使其在来自海面的阳光背景下难以辨认——除了嘴附近的一条小黑带。对于从下方攻击的饥饿金枪鱼来说，这条黑带可能像一条小鱼。

这种伪装技术并非完美无缺。索克·约翰森发现，在清澈的水中，有些生物可以高度敏感地看到东西。“它们可以探测到我们能看到的光线水平低一百倍。但进化的权衡是它们牺牲了清晰度，”他说。“我们一直在研究它是如何平衡的，我们怀疑水会模糊它们的视力。但事实证明，在清澈的水中，它们确实能够辨别图案。很少有生物能均匀发光。在开阔的海洋中没有可躲藏的地方，”约翰森继续说，“但它们仍然必须躲藏，所以它们使出浑身解数来保持隐藏。但它们的捕食者也使出浑身解数来寻找它们。”

威德对所有这些巧妙之处惊叹不已。“我们生活在一个光线充足的世界里，”她说。“我们的汽车上有防盗警报，会发出噪音吸引注意力，吓跑窃贼或招来警察。但生物发光的世界却是一个雷区。任何动静都会将你暴露给捕食者。”

这就是美国海军资助威德一些研究的原因。水中的运动——潜水员、登陆艇、潜艇——会刺激浮游生物发光。1918年11月，第一次世界大战中最后一艘被击沉的德国U型潜艇，就是因为它在地中海搅起的生物发光而被发现的。第二次世界大战中，舰载航空兵有时在任务结束后，会循着航空母舰的生物发光尾迹找到自己的船只。而在海湾战争期间，海军海豹突击队不得不改变登陆地点，以避免可能暴露他们行踪的生物发光。现在，海军希望科学家们能够绘制全球生物发光的位置、数量和季节性波动图。在一个潜艇和夜间行动的世界里，这将是极其宝贵的情报。

作为佛罗里达州皮尔斯堡港口分所海洋学研究所生物发光部门的负责人，52岁的威德是这种神秘光线及其展示动物的主要研究员。她认为这是海洋中最重要的过程之一。“有如此多的生物发光能量被创造和利用，”她惊叹道，“而我们对此一无所知。在研究海洋生态时，忽视最重要的交流形式，就像在研究陆地生态时忽视动物视力一样。”

海洋中层区，即650至3200英尺深的广阔区域，是地球上最大的生态系统。“那里的动物比所有其他栖息地都多，”威德说。科学家们探索的还不到5%，而且到目前为止，威德说，他们使用的工具“令人尴尬地原始”。“我敢说你叫不出另一种依赖2000年历史技术的科学：拖网。拖网只能捕获那些行动迟缓、愚蠢、贪婪和坚不可摧的生物——然后它们会在罐子里腐烂。它们会破坏胶状动物，并且会错过大型玩家——那些能跑得比你快的大家伙。所以你对海洋生物的了解是片面的，而且对分布一无所知。这……太原始了！”

威德决心开发更精密的仪器。她从研究生阶段就开始了。1984年，海军请她的导师，生物学家詹姆斯·凯斯，寻找一种测量海洋光照度的方法，他招募了威德作为共同研究员。这是一个很好的组合。“海军想知道有多少光，而我想知道是谁制造了它并弄清楚生态，”威德说。“我想到一片海洋区域，然后说，‘哦，这里全是桡足类，’或者别的什么。”

但这并非易事。科学家们已经尝试过降低传感器和摄像头来测量生物发光，但由于测量装置随着母船的晃动而上下浮动，它们刺激了更多的生物发光。而且人们知道生物在检测到附近的测量装置时会改变其自然行为。因此，威德用研究船补给店的一些网格覆盖了一个环，并将其安装在深海漫游者潜水器上，摄像机聚焦在网格平面上。她称之为“飞溅相机”——用于空间浮游生物分析技术。当潜水器在水中移动时，动物撞到网格，它们就会受到刺激而发光，摄像机记录下这些事件。威德成为第一个计算海洋特定区域每立方米生物发光生物数量的科学家。

威德和凯斯随后建造了一个他们称之为“高进光量明确激发深海光度计”（Hidex-BP）。他们将其安装在一个框架上，并在水中拖曳。它每秒泵送20升（约5.3加仑）海水和浮游生物通过一个“密不透光”的收集室，该收集室足够大，甚至可以捕获快速游动的生物，并将它们长时间保留在里面，以便设备的光纤仪器能够以每升光子数记录和测量生物闪光的尺寸、持续时间和数量。

从她对双鞭毛虫的研究生学习中，威德知道动物的第一次闪光最亮，为了获得清晰的读数，生物必须受到刺激并被限制足够长的时间来测量所有发出的光。以前没有人能够系统地做到这一点，而这个设备成功了。海军的整个生物发光数据库都建立在该设备及其第二代版本上。

威德正在研发第三代设备，它将提供更好的光分布模式绘制。多年来，更好的仪器一直是威德研究的关键。“我通过为海洋探索设计玩具，将我所有的兴趣结合起来，”她说。

有时，科学家有幸能找到一种稀有而奇特的动物。1997年，威德就遇到了这样的情况。当时她乘坐“约翰逊-海链”号潜水器，潜入缅因湾乔治滩外海探险家峡谷2477英尺深处。她在那里看到了一只章鱼，这只章鱼在实验室里开始发光。当时，已知43种此类生物中只有两种会发光。现在又多了一种。“那是进化的现场捕捉，”她说。“章鱼的吸盘正在变成发光器官。”她认为这种生物曾经生活在浅水海底，然后迁徙到更深、更暗的环境中，在那里进化出了会发光的吸盘来吸引食物。“吸盘实际上会闪烁，它们看起来像桡足类赖以生存的双鞭毛虫，”威德说。“桡足类靠近，当章鱼慢慢合拢成我们所说的头巾姿态时，桡足类就会被困在章鱼嘴巴周围的粘液中。章鱼的肠道显示它们吃的就是桡足类。”

海底的启示是常态。“每次我下潜，我都会看到以前从未见过的东西，”威德说。“每隔四五次，我就会看到以前‘没人’见过的物种。”

量化生物发光是威德的一大突破，让她能够准确地将中海环境描述为一个雷区。然后，她可以继续利用生物发光作为工具，定位和绘制各种动物种群，并观察它们的重叠情况。

科学家们曾认为海洋是一个广阔的、无差别的汤，但威德的研究表明，它具有高度的组织和分层。例如，桡足类（一种微小甲壳类动物）倾向于在特定的盐度和温度水平聚集和觅食。当然，这些知识引发了更多的问题。其他鱼类也更可能在那里以桡足类为食吗？其他生物会避开高水平的生物发光吗，这可能会吸引捕食者？

威德很快意识到，她可以通过动物闪光的类型和持续时间来识别许多动物——例如，水母在黑暗中可能呈现为一个明亮的圆圈。这意味着生物发光可以告诉她哪些动物在哪里，它们与哪些其他动物相关联，它们如何互动，以及光照、盐度、温度和污染等变量如何影响它们的习性和分布。她可以研究行为和关系，极大地增加了科学界对海底生命的理解。

这个领域还很年轻，充满了惊喜。例如，在蒙特利湾水族馆研究所，海洋生物学家史蒂文·哈多克最近发现某些水母无法制造自己的荧光素，它们很可能是通过食用小型甲壳类动物获得的。然而，水母是地球上最古老的生物之一，人们可能会认为它们的生物发光很早就进化出来了。

但生物发光研究受到行动所在地的困难、危险和高昂成本的阻碍。“如果我们将与美国宇航局投入太空相同的资金投入海洋，结果将是十倍，”威德说。“来自海洋的药物只是一个例子——你永远无法从太空获得。”

如果威德有美国宇航局的预算，她将建造海底观测站，不引人注目地坐着观察生物，以寻找一个核心问题的答案：当人类不在场刺激生物发光产生时，生物发光的背景水平是多少？如果没有那个预算，她希望她的新发明，名为“海眼”，能有所帮助。该设备是一个红外和可见光相机，将放在海底的三脚架上，发射一种被认为对大多数海洋动物不可见的波长的光。这是一个棘手的设计问题：“海眼”必须稳定、防漏，并且能够像夜视镜一样放大合适波长的光。

威德为此工作了十年，没有获得资助，也很少有人帮助。两年前，她建造了一个原型，并使用一个遥控水下工具将其安装在加利福尼亚海岸蒙特利峡谷6400英尺深处。当她把它捞上来时，外壳进水了。“人生的成功取决于你如何处理B计划，”她说。“任何人都能处理A计划。”

B计划是修补漏洞，然后再试一次。这次她拍到了照片。起初，她很高兴。鱼在灯亮时没有受惊，她以为它们没有发现光。但当她更仔细地研究影片时，她看到灯亮时，鱼开始游开。所以今年她将转向C计划。她无意在忠实而隐蔽地捕捉“地球上最棒的灯光秀”方面失败。“我们对这些动物知之甚少，”她说。“我非常感兴趣地想看看这些奇特的展示是关于什么，这些我们还不完全理解的完全奇特的行为。”