海洋裡的點點螢光

 

珊瑚在藍光照射下 ，其綠色螢光會格外的明亮！

文、圖 |  海生館科學教育組助理研究員 吳曜如

水族店生物色彩繽紛的秘密

你喜歡養魚嗎？你曾經參觀過水族店嗎？不同於展示海洋生物的水族館，專門販賣水族用具或水族生物的商店，通常被稱為「水族店」。在臺北市松山區，沿著民權西路從松山機場往內湖方向，到民權大橋附近，有一段被稱為臺北水族街的道路，聚集了約20間以上的水族店，受到水族愛好者們的青睞。這裡販售各種淡水和海水生物與相關飼養用品，並提供客製化魚缸的服務。因為工作和實驗所需，筆者之前常造訪此處。大多數水族店可以簡單區分為賣淡水生物跟海水生物兩類，不知道讀者們有沒有發現，面對不同環境的生物，店家也會有不同裝飾，箇中奧妙將在此篇文章細說。

走進專賣淡水生物的店家，會發現其魚缸通常看起來比較樸素，生物缸的上方基本上都配有白色照明，而缸中的生物除了魚類和蝦類以外，也都會放置一些水草，除了孔雀魚跟鬥魚以外，淡水生物的色彩都較不鮮豔。相較之下，販賣海水生物用品的店家氛圍完全不同。其入口通常會有大型水缸，那些缸內的布置既豐富又美觀，除了各種海水魚以外，通常還會添上一些漂亮的珊瑚或海葵，營造出海底世界的景象。其中最大的不同之處就是缸子上方的燈具，不同於淡水生物缸以白燈為主，海水生物缸多數搭配藍色或紫色的光源，使魚缸呈現出蔚藍海水的感覺。

為什麼兩種店的陳設會有這麼大的差異呢？是海水生物比較喜歡藍光嗎？還是還是想用燈光模擬海水顏色呢？其實都不是。最主要的原因是為了讓魚缸裡的生物看起來更繽紛，以吸引顧客的注意力。水族店中使用的藍色照明，能凸顯生物發出的螢光，進而增加人們想要買回去飼養的衝動。不過，為什麼這些海洋生物會有生物螢光呢？而生物螢光又是什麼呢？

尼羅紅染劑也是一種生物螢光的應用。尼羅紅原本是一種藻類的色素蛋白質，其原理在於其親脂的特性可讓它容易吸附在脂類物質上，後來被發現會吸附在塑膠類物質上，且可在螢光顯微鏡下發出螢光。尼龍與PP材質的塑膠在尼羅紅染色後可發出紅色跟綠色螢光，目前常被應用於觀察微塑膠的存在。（羅昀暄攝，本照片有通過濾鏡拍攝）

生物螢光的發光機制

人們常混淆「生物螢光」和「生物發光」。為了更明確區分兩者，需要理解它們的基本區別。生物發光是一種主動的過程，通常由生物體內的化學反應引發。常見的例子像是藍眼淚，或是身上有的發光器的魚類，如燈籠魚。當藍眼淚的渦鞭毛藻在潮水漲退或是被其他生物碰觸或攪動時，就會引發物理性的刺激，進而發出光線。相比之下，生物螢光是一種較為被動的現象，通常始於吸收外部光線帶來的能量，然後重新釋放出光線。這一現象在許多領域都被應用，其中最常見的應用之一是手機的LED螢幕上。LED原本發出藍光，但是為了呈現多種色彩，科學家便添加一層螢光物質塗層，塗層的作用可吸收LED發出的藍光，並重新釋放為接近橙色的光，這些不同顏色的光組合在一起後，將網路上五彩繽紛的世界呈現在我們眼前。

刺絲胞生物是最早期被發現且證明有螢光蛋白的生物，主要有綠色和紅色，在藍光或其他更短波長的光線激發下，可以看到五顏六色的表現。

生物發出螢光的能力源自它們體內含有的特殊螢光蛋白。螢光蛋白能夠吸收較短波長的光，如紫外光和藍光，一旦吸收了光線帶來的能量，它們將進行一系列化學反應，進入一種叫作「激發態」的狀態。這種狀態因為充滿了能量，所以相對來說較為不穩定，最終導致能量以光的形式重新釋放，且釋放的光波長較長，如紅光和綠光。就像是我們需要經消化與排泄才能吃下更多東西一樣，螢光蛋白也需要適時將吸收到的能量釋放，才能再吸收新能量。然而，需注意螢光蛋白在吸收能量後，通常會經歷一個極為短暫的激發態，然後才會以光的形式釋放能量，並回到穩定態。這個過程中可能會有能量損失，因此釋放出的光的能量稍微減少。

由於從穩定態到激發態需要累積一定程度的能量才會被釋放，因此不同螢光蛋白對特定範圍波長的光才會有明顯地反應。通常主要吸收較短波長的光（能量），但在累積一段時間後，釋放出來的能量（光）的波長相對會較長。因此，我們通常看到的生物螢光主要呈現綠光到紅光這些波長比較長的光線。

儘管進入激發態需要一段時間，不過實際上這種螢光產生的過程相對於人眼感知的時間極短，所以就我們的肉眼來說，似乎就是一瞬間的事，這些現象賦予了海洋生物獨特的色彩和魅力。不過生物上的螢光通常都需要外界光線的刺激，所以在沒有光線的地方，通常看不到生物的螢光。

螢光蛋白有大用

就如前文所描述，水族店的海水生物缸通常使用藍色或紫色照明，是因為這種燈光可以營造出蔚藍海水的效果，同時使珊瑚和海葵展現出美麗的生物螢光。牠們體內的螢光蛋白在特定波長的光線下被激發，進而產生螢光。特別是藍色的光能夠高度激活這些蛋白質，使它們發出明亮而繽紛的光芒，增加海洋生物的視覺吸引力。這種螢光蛋白在許多海洋生物體內都能發現，令人讚嘆其獨特的生物螢光表現。

生物發出螢光對於生物來說，不只是看起來酷炫而已。目前科學家已發現生物螢光可以幫助生物減少強光造成的傷害，像是紫外光之類的短波長光線，這類光線通常伴隨著較高的能量，如果直接照射到生物體表面，可能會導致細胞受損，但是刺絲胞動物們利用螢光蛋白，直接吸收了有害光線的能量，再把這些多餘的能量以波長較長的光線釋放。如此一來不只降低短波長光線對自身的危害，甚至生物體可以利用這些光線帶來的能量，製造一些對體內有幫助的物質。

前文提到生物的螢光基本上是依靠螢光蛋白的作用產生，而近年來科學家利用生物科技技術，對生物螢光的研究進展迅速，找到了不同種類的螢光蛋白，並且對其潛在的生物醫學應用進行廣泛地探索。其中，科學家更解碼了生物用來製作這些蛋白質的DNA序列，有了這些序列，就像是掌握生命組成的一部分藍圖，可以延伸運用到其他研究的領域之中，對於生物醫學發展是一大躍進。

很多生物螢光目前並不知道其存在原因，但是有越來越多不同的螢光物質被找到，其中一個很特殊的例子就是血清素螢光。血清素是生物體內很重要的內分泌物質，通常與情緒變化極為相關，故利用血清素螢光，通常以紫光激發，可以觀察到綠光與藍光，藉此看到生物個體活著時在情緒上的變化。利用此技術，可以觀察一些生物，例如圖中的海天使，海天使是一種翼翅目的海蛞蝓，在海中獵捕其它動物為食，研究發現，牠在捕食獵物時，身體的血清素會有變化。利用血清素的螢光可以清楚看到牠在覓食過程中，體內的血清素的改變。

其中，最有名的例子應該就是水母的綠色螢光蛋白（Green Fluorescent Protein，縮寫為GFP），在進行各種基因轉殖的實驗時，用以觀察目標DNA序列是否成功接（轉殖）入實驗生物的細胞之中。簡單的說，就像是我們有了DNA專用的剪刀跟膠水，可以剪貼DNA序列，由此，我們就能設計並且製作出我們想要的特製DNA，而新接上的螢光蛋白DNA序列，其發光的部分可以協助判斷實驗是否成功。其作法分幾個階段：首先把一段目標蛋白質的DNA序列──例如在肝臟發育過程中會大量產生的蛋白質，先將其接上會產生螢光蛋白的DNA序列。這時候產生的特製DNA序列會在肝臟發育過程中大量產生目標蛋白質的同時，也產生螢光蛋白。第二階段再利用一些特定的方式把這段我們特製的DNA序列，放入可以轉殖基因用的載體（例如病毒或是一些特殊物質）。第三階段則是把載體注入到剛受精的生物細胞中，就可以期待載體把特製DNA序列接入生物細胞的染色體中。於是在生物細胞進行細胞分裂之後，觀察目標器官發育過程，像是這邊舉例的肝臟，觀察是否可激發出螢光，有的話就表示特製DNA序列有接入生物的細胞中，沒有的話就表示失敗。如此一來，只要使用螢光顯微鏡，就可快速檢驗特製DNA序列是否有成功轉殖進入生物體內，並且進行篩選。目前，一些生物螢光蛋白質更已經被應用於生物標記、藥物篩選、腫瘤標記和基因轉殖技術等領域。這些應用對於生物醫學研究和治療具有重要意義，為科學家和醫學界帶來了許多新的研究和治療途徑。

做DNA電泳時，DNA片段會被染劑染色，經過紫外線照射後，可以看到綠色螢光反應，配合兩側的標準長度DNA片段，可以用來判斷目標DNA片段的長度。左右兩側為標準長度的DNA片段，最下方往上開始分別是100 對鹼基對 （base pairs，縮寫為 bps）、200 bps、300 bps，所以可以看到中間的目標片段大約在200 bps至250 bps之間。

螢光蛋白的用處如此之大，可喜的是近年也發現生物螢光現象其實並不單純只存在於刺絲胞生物上，海中很多珊瑚礁魚類其實只要用特定波長的光照射時，也都會發出類似的螢光。也有人發現一些甲殼類，像是目前主要生活在金門、正在被復育中的三棘鱟，其甲殼上也發現有螢光物質的反應，但是生物身上帶有這些物質，其確切的功能是什麼，很多都還是未知的狀態。但可以確定的是，有螢光物質的生物，應該比我們想像的還要多很多！

總的來說，生物螢光是一個令人著迷的自然現象，它不僅豐富了生物多樣性，而且在科學研究和應用中更具有廣泛的潛力。通過研究生物螢光蛋白的結構和功能，科學家們可以更好地理解生物螢光的形成過程以及其在生物體內的作用機制，並將其應用於生物學研究中。生物螢光也在醫學影像、生物標記和生物技術領域發揮著重要作用。未來，我們可以預見更多有趣的發現和應用，並持續揭示自然界的奧秘，為人類帶來更多偉大的突破和創新。