一只水母触发的科学光亮

来源 | 科学艺术研究中心（ID：Art_And_Science）

作者 | sheep

荧光海滩 | sofunsd.com

六月，当你漫步于圣地亚哥La Jolla Cove海滩上，在月亮和星星的凝视下，你会看到柔和的蓝色光线如丝绸般沿着潮汐滑行，沙滩上充满了神秘的光彩。法国小说家Jules Verne在《海底两万里》中曾这样描述：“整个夜空虽然被星光照亮，但却在闪闪发光的海水前黯然失色。”

这种蓝色发光的现象是由海中的浮游生物引起的，它们身体内部的荧光素发出柔和美丽的蓝光。这些位于食物链的底部的生物看起来微不足道，却以数量优势在海洋中占据主导地位。自然界生物发光的现象神秘且迷人，李白曾作诗“雨打灯难灭，风吹色更明。若飞天上去，定做月边星。”来赞美萤火虫。那么，科学家们是如何探索这些令人着迷的生物发光现象呢？

由水母发起的科学革命

在过往的十几年，绿色荧光蛋白一直在生物学、药理学、化学及其他科学领域中扮演着灯塔的角色。它被发现的故事始于第二次世界大战结束的日本，下村修被名古屋大学的Yashimasa Hirata教授聘为助理，在获得博士学位后，又到美国普林斯顿大学的实验室继续研究。经历了横跨太平洋和美国大陆的漫长旅途，1961年的夏天，下村修在北美西海岸的福来德港湾收集水母时，发现了一种被称为Aequorea victoria的水母。经过提取分离后，下村修发现，水母身体中的一种蛋白质，在被紫外线照射时，会散发出灿烂而丰富的绿色光芒。下村修将其命名为绿色荧光蛋白（green fluorescent protein,以下简称为 GFP）。

(a) 名为Aequorea victoria的水母生长于北美西岸海边，(b) (c) 这种水母发光的组织在其”伞”缘

大部份能够发出萤光的蛋白质，通常需要其他分子的协助。例如萤火虫体内的萤光酵素必须催化萤光素与氧气结合，再由高能分子ATP提供能量，才会发出萤光。而绿色荧光蛋白(GFP)的特殊之处在于，它既不需要能量分子，也不必与其他分子结合，只是受到紫外光照射就会发光。自GFP被发现之后，就彻底改变了生物学。

查尔菲有一个好主意

1988年，在纽约哥伦比亚大学举办的学术演讲中，美国科学家马丁·查尔菲(Martin Chalfie)听说有一种会发光的蛋白质后非常高兴，他萌生了个不错的主意。

人体由数十亿的细胞所组成，追踪细胞的运作绝非易事，研究细胞内的化学步骤也更加的困难。细胞的化学运作通常是透过蛋白质来控制，研究者可以通过追踪并观察某个细胞中的蛋白质，以此观察细胞本身的活动。

查尔菲的主意是将这个绿色的“信号灯”——无害的绿色荧光蛋白 (GFP)连接到生物细胞内选定的蛋白质上，这样，科学家们就可以追踪一个单独细胞内的运作，看到之前不可见的细胞活动。

于是，GFP成为了科学家们一个强大的工具。将其用于可视化活细胞及生物体结构组织和动态过程的主意，成就了绿色荧光蛋白（GFP）在生物科学中革命性运用的基础。

GFP彩虹万花筒

在绿色荧光蛋白GFP革命中，第三位做出伟大贡献的华裔化学家钱永健登场了。他深入探索绿色荧光蛋白的发色作用原理，着手改变GFP上的一些氨基酸，让改造后的GFP能够吸收不同波长的光，并能发出更强、更持久、不同颜色的光。

这些颜色中有青绿色、蓝色和黄色等，让研究者用来标示不同的细胞，扩展了GFP的实用价值。钱永建延伸了研究工作者的“调色盘”，提供了许多新的“颜料”，延长了GFP的“表现时间”并增强了它的“创作能力”。另外，钱永健还改造了从珊瑚中找到的红色萤光蛋白，使得萤光蛋白的家族成员更加丰富多彩。

也就是说，在下村修第一次发现那个会发光的蛋白质46年之后，科学界拥有了一个闪耀着像彩虹般、由GFP组成的“调色盘”。现如今，GFP已成为全世界上千研究工作者的必备工具，而下村修、马丁·查尔菲(Martin Chalfie)和钱永健也因为对GFP研究的贡献，于2018年共同荣获诺贝尔化学奖。

荧光蛋白的艺术

一提到与荧光蛋白相关的艺术品，我们最为熟悉的是巴西籍艺术家爱德华·卡茨（Eduardo Kac）在2000年推出了的“GFP Bunny”展览，向公众展示了基因作品《Abla》，就是后来众所周知的“荧光兔”。那是一只白毛、红眼睛的普通兔子。卡茨在法国实验室的协助下，将绿色荧光蛋白进行基因改良，再植入兔子的受精卵中培养出Alda。在特定蓝光照射下，Abla会发出明亮的绿光。

荧光兔Abla | wikipedia.org

那时大多数人并不知道绿色荧光蛋白，而突然出现一只会发萤光的兔子，这看起来的确有些令人不安。而在2000年这一特殊年份诞生，恰逢人们对千禧年的到来充满着恐慌情绪，Abla的出现激起了轩然大波，作品和艺术家都饱受争议。Abla作为世界上第一只以艺术为目的而创造出来的转基因哺乳动物，引发了公众关于基因工程安全性和伦理性的热烈讨论。而卡茨成为Bio Art（生物艺术）一词的创造者，生物艺术也由此开端。

当荧光蛋白推动科学和艺术的边界不断重叠时，科学家埃里克·罗德里格斯( Erik Rodriguez )分享了GFP的另一用途——艺术品的颜料。

他的荧光蛋白乌龟画在领先的化学贸易期刊《化学与工程新闻》(C&EN) 上被转载。

荧光蛋白乌龟画 | columbian college of arts & science

在实验之间的休息时间，罗德里格斯以表达荧光蛋白的细菌做颜料，在培养皿上绘制青色海龟和橘色独角兽的肖像（上图）。罗德里格斯说，他的艺术不仅是打破实验室单调乏味工作的有趣方式，更旨在激发人们对科学的兴趣。

《生命的光》在紫外线下（a），普通灯箱上（b），正常光线下（c）

在琼脂艺术中，荧光蛋白也有大作用。这幅名为《生命的光》的细菌艺术作品，由植入了绿色荧光蛋白的大肠埃希氏菌和玫瑰色考克氏菌画成，在紫外线下（a图）、普通灯箱上（b图）和正常光线下（c图）显现出不同的颜色。

《纽约市生物群落地》 | asm，org

纽约城市生物群落地图是由创意城市新博物馆、Genspace NYC、DNA 学习中心(DNALC)、冷泉港实验室 (CSHL)组织的公民科学家和艺术家之间的合作项目，旨在让无形的事物变得可见，并以有趣的方式提高公众对城市微生物群落的认识。实验室邀请超过 50 名参与者加入到这个项目中。

一个个小的方形培养皿被拟作为纽约市的街道网格，参与者通过使用无害的、植入彩色荧光蛋白的大肠杆菌作为颜料，在培养皿上涂成图案。经过短暂的孵化后，完成创作的培养皿被重新组合，拼出一幅永恒的纽约微生物地图。这幅作品获得了2015年ASM琼脂艺术的二等奖。

当目前的艺术表达语言已经不足以能够表达一些观点的时候，科学与艺术相结合的跨学科手段就提供了一些可能性。一只水母在科学界掀起“轩然大波”后，我们期待GFP在艺术界也能焕发无限光彩。

参考文献

Reference:http://julietteyuan.net/zh/archives/922https://sa.ylib.com/MagArticle.aspx?id=3717https://www.sbs.com.au/topics/science/nature/article/2016/03/17/painting-bacteria-art-meets-glow-dark-microbeshttps://en.wikipedia.org/wiki/Green_fluorescent_protein#Arthttps://en.wikipedia.org/wiki/Osamu_Shimomurahttps://columbian.gwu.edu/living-art-when-chemistry-lab-doubles-art-studio

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