《科学画报》
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发光植物照亮回家的路
2012-03-02 09:51:04文/何 佳
如果道路两边的树木到了夜晚都能发出亮光，代替路灯为行人照明；如果足球场上种满会发光的草，夜晚不用灯光照亮，球员可以照常踢球，那该有多棒。世界上真的有会发光的植物吗？科学家的实验告诉我们，神奇的发光植物可能很快就会走入我们的生活。
运用基因技术培育发光植物
还记得电影《阿凡达》中那些会发光的植物吗？形如发光水母的“希望树”种子、类似含羞草的发着粉红光芒的“蘑菇”、留着长长“胡须”在救人时发光的“鬼面树”……创造出了一片璀璨的奇异景象。其实，这些发光植物都是根据现实中的植物创造出来的，而现实中人们也在试着通过人工手段使植物发光。
那么，怎样才能让植物发光呢？目前，较常见的使植物发光的方法有两种：一种是“转基因生物发光”，利用我们熟悉的萤火虫的发光原理，让植物模拟萤火虫发光；另一种是“纳米荧光发光”，借助人造纳米粒子的物理特性，激发植物自身的叶绿素发光。
利用转基因技术使植物发光需要两种特殊的物质——荧光素和荧光素酶。荧光的产生来自于荧光素的氧化，在没有荧光素酶的情况下，荧光素与氧气反应的速率非常慢。荧光素在荧光素酶的作用下氧化，同时放出能量，这种能量以光的形式表现出来，就是我们看到的生物光。
荧光素和荧光素酶不是特定的分子，而是对所有能够产生荧光的物质和其对应的酶的统称。不同的发光生物体用不同的荧光素酶来催化不同的发光反应。最为人熟知的发光生物是萤火虫，其所采用的荧光素酶与其他发光生物如荧光菇或许多海洋荧光生物都不相同。早在1983年，美国加利福尼亚大学生物系的研究人员就提出了一个大胆的设想。他们计划把萤火虫的发光基因植入烟草，让烟草发出荧光。他们在了解了萤火虫的发光机理后，找到了萤火虫细胞内的荧光素酶基因，又找到了一种能直接感染烟草的细菌，用它来做移植的“载体”。研究人员先用一种内切割酶将萤火虫细胞核内的荧光素酶基因“剪”下来，再用一种连接酶把它“缝合”到作为“载体”的细菌上。研究人员培养细菌一段时间后，让它感染烟草植物。这样，萤火虫的荧光素酶基因就被移植到烟草的细胞里了。这些具有荧光素酶基因的烟草长大后，就可以在体内产生荧光素酶。将这些烟草在荧光素溶液中浸泡，就成了一株株地道的发光植物。
然而，由于早期的研究还未发现荧光素基因，所以只能用荧光素浸泡或喷洒移植了荧光素酶的植物，让这些物质吸附于活体植物的表面。这虽然能达到发光效果，但是植物随时都要与外界进行能量和气体交换，浸泡或喷洒了荧光素的植物表面的气孔被堵塞，会危害整个植株的代谢和造成局部的伤害。近年来，科学家发现了一些荧光素基因，并将荧光素基因同荧光素酶基因一起移植到植物体内，从而实现了不用人工涂荧光素的真正的发光植物。美国一家名为“生物发光”的公司还对此技术申请了专利。这种发光植物使发光成为植物生命周期的固有组成部分，而不依赖任何外部物质或外部光源。
巧用纳米荧光让植物发光
除了通过转基因技术培育发光植物，纳米技术也可以使植物发光。众所周知，植物体内的叶绿素会吸收特定波长的光，进行光合作用。但是，在特殊环境下，如在被紫光照射时，叶绿素自身也能发光。当接触波长大约是400纳米的紫光时，绿色的叶绿素会发出红光。然而，要得到紫光并不容易，尤其是在夜晚。科学家需要一个紫光源，最终他们在金纳米粒子里发现了它。当人眼看不见的波长更短的紫外线接触到金纳米粒子时，它们会在紫外线激发下发出紫光。紫光撞上附近的叶绿素分子，会激发叶绿素产生红光。值得注意的是，让金纳米粒子发光的285纳米的紫外线直接照射叶绿素并不会让叶绿素发光。金纳米粒子在这里起到的是转换器的作用，把看不见的紫外线转换成可以诱导叶绿素发红光的紫色光源。
然而，如果观察单个金纳米粒子，其在紫外线激发下并不是一直发光，而是一会儿亮一会儿暗，科学家称之为“眨眼”。当金纳米粒子里的电子和空穴复合时以发光的形式释放能量，我们可以观察到金纳米粒子发出的紫光；当金纳米粒子里的电子和空穴复合时以热的形式释放能量，我们就看不到紫光。如果这种不发光的复合概率较大，金纳米粒子就很难激发植物中的叶绿素发光。为此，科学家对金纳米粒子的形状进行了改进，制造了一种海胆形状的金纳米粒子。这种形状可以通过表面等离子共振效应来抑制金纳米粒子不发光的概率，从而提高金纳米粒子的发光效果。研究人员把植物叶片在这样的金纳米粒子溶液中浸泡几天后，用紫外线照射植物叶片。叶片中的叶绿素可以吸收金纳米粒子发出的强烈紫光，从而发出红色光，最终产生出发红光的植物。
发光植物有望成为环保路灯
无论是转基因生物发光植物还是纳米荧光发光植物，都可以作为有潜力的照明工具加以开发利用。不过，它们与我们日常生活中接触最多的灯光是有区别的。通常，物体被加热到500摄氏度以上时就开始发出暗红色的光，温度进一步升高，物体会发出更强的光，爱迪生就是以此发明了电灯，而白炽灯的灯丝温度高达2000摄氏度以上。可想而知，这样的光源要伴随着大量的热量散发，大约只有10%的能量被转化为光，而大部分能量随着这些热效应浪费掉了。
生物发光和纳米荧光并不像灯泡这一类光源那样产生热效应，所以又称为冷光。显而易见，冷光的能量利用效率远远大于伴随着热效应的发光。不仅能量转换效率高，而且摆脱了传统照明对电能的依赖，只要有太阳的地方，夜晚就可以靠植物发光照明。此外，利用光源让植物发光如同把植物当成了荧光体。荧光体可以变换光的波长，从而产生不同颜色的光，其实质不是发光而是转换光的波长，日光灯、节能灯灯管上涂的荧光体就起到这个作用。现在我们在照明上常用的化学荧光体普遍都有剧毒，而用植物做荧光体就更安全环保。如果我们在城市路边种上转基因的发光植物，白天吸收太阳光，晚上发出生物光，那么可在一定程度上替代电照明路灯，实现真正的绿色照明。
目前，科学家正在考虑如何利用基因技术来实现让植物的特定部位发光，比如叶子。同时，科学家还希望可以调控发光的时间，比如选择在晚上发光，白天不发光。相比之下，纳米荧光发光植物目前还不具备这些优势，这些植物发光仍然需要额外的紫外线提供能量。不过，纳米荧光发光植物也有特别之处，就是这些植物在夜间发光时仍然能够依靠金纳米粒子发出的紫光进行光合作用，吸收二氧化碳和排出氧气，既节能又环保。而且，植物的这种发光过程与目前使用的一些荧光LED节能灯的发光过程非常相似，它们都是利用紫外线激发荧光物质发出可见光。也就是说，这些纳米荧光发光植物其实可以看作是植物LED灯，其荧光物质就是植物中的叶绿素。因此，金纳米粒子激发树叶发光过程中不存在像LED荧光粉之类的有毒化学物质。如果能将这种植物LED灯的发光亮度提高到一定程度，并且可以产生不同种类的颜色，或许真的可以成为下一代环保路灯。
