海には点々と光が浮かび、船の航跡も、わずかに乳白色を帯びた均一な光に包まれていた。水を瓶に入れると、火花のような光を放った……
これは、チャールズ・ダーウィンが1832年1月6日、テネリフェ島沖を航行するビーグル号に乗船中に記した、動物学ノートの最初の記述です。ダーウィンが目にしたのは、生物発光する海の生き物でした。物理的な刺激に反応して、光が明滅していたのです。
生物が光を生み出し放つ現象である生物発光は、ダーウィンにとって悩みの種となりました。この現象が、なぜ一見無作為に見える形で別々の種に現れるのか、彼には説明できませんでした。しかし現在では、生物発光は独立して進化し、陸上と海中で少なくとも40回生じたことが分かっています。
生物発光に初めて言及したのはダーウィンではありません。ギリシャの哲学者アリストテレスは紀元前350年頃、生物発光は熱を生み出さないという意味で「冷たい」光の一種だと述べました。その後、研究者たちは、この種の化学発光では、ルシフェラーゼという酵素が、ルシフェリン（「光をもたらすもの」）と呼ばれる化合物を酸化することで、青緑色の光が生じることを明らかにしました。
深海生物の75％以上は、自ら光を生み出すと推定されています。たとえばアンコウは、釣り竿のような形をした生物発光する誘引器を使って、獲物を大きな口元へおびき寄せます。興味深いことに、アンコウの光を実際に生み出しているのはフォトバクテリウムです。この細菌は、エスカ（誘引器）の内部で魚と共生しています。
夜行性のハワイマダコ（Euprymna scolopes）は浅瀬に生息し、生物発光細菌とも共生関係にあります。その細菌はAliivibrio fischeriです。夜になると細菌が発光し、イカはその光を利用して夜空を背景に自らの姿を隠します。このカウンターイルミネーション戦略は、透明マントのようなものです。
夜明けになると、イカは発光器官から光る細菌のおよそ95％を排出し、残りの5％には一日かけて増殖するのに十分な栄養を与えます。夕暮れまでに再び必要な数に達すると、光がともります。
この細菌の研究が、微生物学上の現象である「クオラムセンシング」の発見につながりました。この「化学言語」は、Aliivibrio fischeriが周囲の仲間の数を数えるために使います。これにより、イカの発光器官に十分な数の細胞（通常、1ミリリットルあたり約1,000万個）が集まる前に生物発光遺伝子を働かせ、エネルギーを無駄にすることを防いでいます。
海面に近い場所では、「シースパークル（海のきらめき）」として知られるプランクトン、Noctiluca scintillansが生物発光を生み出すことがよくあります。この微小な生物は、波が岸に打ち寄せるときや、群生域に石が投げ込まれたときなど、物理的な刺激に反応して閃光を放ちます。刺激に反応して起こる生物発光は、「盗難警報」効果と呼ばれます。捕食者に襲われると、集団で放つ光が相手を驚かせ、その位置を明らかにするため、さらに上位の捕食者に居場所を知らせることになります。
生物発光と人間
人間は歴史を通じて、生物発光を巧みに活用する方法を考案してきました。たとえば、部族が光る菌類を使って、うっそうとしたジャングルの中で道を照らしたり、ホタルが鉱山労働者に使われ、初期の安全灯の役割を果たしたりしました。こうした用途に着想を得たのか、研究者たちは今、生物発光をグリーンエネルギーの潜在的な形態として再び研究しています。それほど遠くない将来、従来の街灯が、光る木々や建物に置き換わるかもしれません。
現在、Aliivibrio fischeriの生物発光は、水の毒性を監視するために利用されています。汚染物質にさらされると、細菌培養液の発光量が減少し、汚染物質の存在の可能性を示します。
生物発光は戦争にも関わってきました。生物発光生物は、1918年11月の第一次世界大戦中、最後のドイツ軍Uボートの撃沈を助けました。その潜水艦は生物発光プランクトンの群生域を通過し、光る航跡を残したため、連合国軍に追跡されたと伝えられています。
生物発光には、身を守る役割もありました。南北戦争で最も血なまぐさい戦闘の一つが終わった後、シャイローの戦いで負傷した兵士の一部の傷が光り始めました。光る傷はより早く、きれいに治り、この現象は「エンジェルズ・グロー」として知られるようになりました。その光はおそらく次の細菌によって生み出されました： Photorhabdus luminescens。土壌に生息するこの細菌は抗菌化合物を放出し、兵士たちを感染から守りました。
生物発光の用途のうち、最も大きな期待を集めているのは医療分野かもしれません。2008年、ノーベル化学賞は、緑色蛍光タンパク質（GFP）の発見と開発に対して授与されました。GFPは、オワンクラゲAequorea victoriaに天然に存在します。これまでに述べた生物発光の仕組みとは異なり、GFPは蛍光を発します。つまり、このタンパク質は、特徴的な緑色の光を放つ前に青色光で励起される必要があります。発見以来、GFPはさまざまな細胞種や動物にまで遺伝子導入され、細胞生物学や疾患の動態に関する重要な側面に光を当てるために使われてきました。
生物発光に至った進化の過程には何百万年もかかったかもしれませんが、その科学的応用は現代社会を変革し続けています。次に海がきらめくのを見たときには、このことを思い出してください。
