生物發(fā)光有5億多年了
在數(shù)字技術支撐下，游客在國家海洋博物館“鯨奇物語”展區(qū)與虛擬海洋生物互動
文/馮偉民
編輯/胡艷芬
作為一種奇妙的自然現(xiàn)象，生物發(fā)光的起源一直是個謎。備受矚目的是，近來美國和日本研究人員在英國《皇家學會生物學分會學報》上發(fā)表論文說，動物的生物發(fā)光特性最早出現(xiàn)于至少5.4億年前，海洋無脊椎動物八放珊瑚當時已進化出這種能力。這一新研究將動物進化出生物發(fā)光特性的時間向前推了約2.7億年，著實令人吃驚。
那么，科學家是如何追溯到5.4億年前的發(fā)光生物的呢？發(fā)光生物又是如何演化而來？生物發(fā)光對人類又有何借鑒呢？
從2.67億年上推至5.4億年前
從螢火蟲到發(fā)光蠕蟲，從水藻到槍烏賊，許多生物都有一套魔法：它們能自己發(fā)光，這個過程就叫生物發(fā)光。從演化的視角看，生物通過化學反應產(chǎn)生光的能力非常強，在自然界中已經(jīng)獨立進化了近百次。
幾十年來，科學家一直在尋找生物發(fā)光的化石證據(jù)。2019年，韓國古生物學家在朝鮮半島的頁巖中發(fā)現(xiàn)了11只白堊紀時期罕見的蜘蛛化石，其中有兩只蜘蛛的眼睛在燈光的照射下閃閃發(fā)亮，令人不解。原來，那些閃亮的化石碎片是蜘蛛眼睛里的鏡面結構，名為照膜，它會從眼睛后部的視網(wǎng)膜反射光線。由于這一區(qū)域的視網(wǎng)膜沒有色素，所以反光很強烈。這是第一次在化石中發(fā)現(xiàn)照膜，驚動了整個古生物學界。
2022年，中國、捷克和英國古生物學者在英國《皇家學會生物學分會學報》上披露了新發(fā)現(xiàn)，他們在1億年前生成的緬甸琥珀中，發(fā)現(xiàn)了一種原始螢火蟲的祖先，即白堊光螢科昆蟲。該雄蟲標本體長約7毫米，前端長有一對長長的、有分支的觸角。研究者推測，這種原始螢火蟲的祖先與現(xiàn)在的螢火蟲有所區(qū)別，其身體發(fā)光并非為了求偶，而是為了抵御螞蟻、青蛙等捕食者的攻擊。
長期以來，科學界一直認為最古老的生物發(fā)光實例來自某種隸屬甲殼綱介形亞綱的小型海洋甲殼生物，它們生活在2.67億年前，能點亮自己的身體。這一有關發(fā)光生物歷史追溯問題的論斷，一直持續(xù)到此次關于八放珊瑚的新研究發(fā)表。
這項新研究表明，八放珊瑚的發(fā)光能力可追溯到5.4億年前，即寒武紀大爆發(fā)前，那時恰是生物類群爆發(fā)式增長、彼此發(fā)生相互作用的開始階段。
物種長期演化的結果
科學家是如何探索發(fā)光生物的起源和演化的呢？誠然，化石是最直接的證據(jù)。然而，發(fā)光生物的化石記錄相當少見，因為大多數(shù)發(fā)光生物的身體組織難以在化石中留存。
但確實也有存在過的發(fā)光生物的化石記錄。除前文所舉的例子外，科學家發(fā)現(xiàn)古代海洋中的某些發(fā)光生物可能會在一些礦石中留下微弱的發(fā)光痕跡，或者它們的硬體結構可能在某些情況下被保存下來。
磷光可能與一些遠古生物有關。例如，研究者在一些遠古魚類的化石中發(fā)現(xiàn)了磷光，這可能是它們體內的磷化物在長時間埋藏后產(chǎn)生的效應。燈鱗魚是一種遠古魚類，它們有可能具備發(fā)光的能力，并在化石中保存有與其發(fā)光器官相關的結構。
在琥珀中常發(fā)現(xiàn)遠古時代的生物，其中有些生物會顯示出發(fā)光特性。這可能是因為生物體內的發(fā)光器官被保留了下來，但也有可能是琥珀中的某些化學成分在特定條件下產(chǎn)生了發(fā)光效應。
科學家還利用遺傳基因數(shù)據(jù)，并通過統(tǒng)計學方法來推測和追溯發(fā)光生物的歷史淵源。近來報道的八放珊瑚，就是利用了近200種生物的遺傳基因數(shù)據(jù)制作了詳細的八放珊瑚進化樹。八放珊瑚是已知最古老生物發(fā)光動物群體之一，它們體內有一種被稱為螢火酶的酶,能夠催化產(chǎn)生光的化學反應。現(xiàn)生（即現(xiàn)代生活中仍存在的）的八放珊瑚亞綱就存在許多具有發(fā)光特性的物種，它們通常是在受到碰撞或其他干擾時才發(fā)光。研究表明，現(xiàn)生八放珊瑚擁有很多發(fā)光物種，說明它們的祖先具有這種特征的可能性很高。
螢火蟲在南京靈谷寺景區(qū)的樹林中飛舞
在該項研究中，科學家團隊將不同年代已知年齡的八放珊瑚化石添加到進化樹上，用它們“錨定”進化樹分裂成兩個及更多分支的大致時間，以更好地闡明各物種間的親緣關系。他們還繪制了以現(xiàn)生具有生物發(fā)光特性的八放珊瑚物種為特征的系統(tǒng)發(fā)育分支。然后，他們通過多種統(tǒng)計學進行分析，重建了八放珊瑚的祖先狀態(tài)。最終科學家團隊將生物發(fā)光的起源撥至5.4億年前，認為所有八放珊瑚的共同祖先在那時可能就有了發(fā)光能力。
八放珊瑚的生物發(fā)光特性被保留數(shù)億年的事實表明，這種特性可能賦予了物種某種進化上的優(yōu)勢。
光首先是一種語言，用于溝通交流。換句話說，生物發(fā)光以及一般光信號可能是生物間最古老的交流形式之一。于是，光語言作為一種生存的手段就在演化中被遺傳了下來。
有趣的是，不同生物會發(fā)出不同顏色的光。比如植物在陽光照射后會發(fā)出一種很暗淡的紅光，微生物一般會發(fā)出淡淡的藍光或綠光，而某些昆蟲會發(fā)黃光。
它們?yōu)楹文馨l(fā)光？
發(fā)光生物一般指自身具有發(fā)光器官、細胞（包括發(fā)光的共生細菌），或具有能分泌發(fā)光物體腺體的生物。
自然界具有發(fā)光能力的生物種類繁多。科學家發(fā)現(xiàn)，生物發(fā)光可能最早在漆黑的深海中產(chǎn)生，幾乎就在復雜動物誕生的時候，閃爍的生物之光就在這片黑暗中誕生了，甚至早于海月水母等發(fā)光生物的出現(xiàn)。
據(jù)南海海洋資源利用國家重點實驗室披露的資料，全世界已發(fā)現(xiàn)能發(fā)光的生物約有30綱538屬。其中24綱461屬是海洋生物，約占85%，分別屬于從海洋細菌到海洋魚類的許多門類。但在甲藻以外的各類海藻和海洋動物中的扁蟲類、帚蟲類、腕足類、毛顎類、須腕類、爬行類、哺乳類等生物中，未發(fā)現(xiàn)發(fā)光種類。在陸生生物中，發(fā)光現(xiàn)象僅限于極少數(shù)類別。
海洋發(fā)光生物廣泛分布于世界各海域，特別是溫帶和熱帶海域。一般認為，在水深超過700米的水層中，90%以上的動物都是能發(fā)光的。發(fā)光魚類大都棲息在海洋深處，這些魚的身體上有發(fā)光細胞或附著發(fā)光細菌。發(fā)光魚的發(fā)光部位和器官各不相同，鰈魚的發(fā)光器是它的一對眼睛，深海鯊魚、星光魚是腹部發(fā)光，燈籠魚是身體側面發(fā)光。
海洋發(fā)光生物可分為細胞內發(fā)光和細胞外發(fā)光兩類。細胞內發(fā)光是細胞發(fā)光，較為普遍，夜光藻是最常見的代表。細胞外發(fā)光是由生物的腺體分泌排放出的內含物發(fā)光，海螢為最著名的代表。
生物發(fā)光，除自身發(fā)光即一次發(fā)光外，由寄生或共生現(xiàn)象產(chǎn)生的二次發(fā)光的例子也不少。有意思的是，細菌的發(fā)光是一種呼吸現(xiàn)象的連續(xù)發(fā)光，而其他生物一般都是受刺激后才發(fā)光。魚類發(fā)光則是由于體內分布了發(fā)光器官，這種器官內的某些特殊物質在緩慢的氧化過程中會放出一種“冷光”。
各顯神通的發(fā)光技能
螢火蟲大概是人們在日常生活中最常見的發(fā)光生物，它們一閃一閃地在夜空中飛行，像森林中的小精靈。“銀燭秋光冷畫屏，輕羅小扇撲流螢。”杜牧描寫的就是螢火蟲。
在自然界，生物發(fā)光現(xiàn)象奇妙非凡，經(jīng)歷漫長且上百次的獨立演化后，產(chǎn)生了數(shù)十種不同的用途——從迷惑、誘捕獵物到恐嚇掠食者，再到向潛在配偶眉目傳情，并參與包括偽裝、交流和狩獵在內的大量行為。發(fā)光還可以幫助生物尋找伙伴，通知伙伴自己所處的位置。
生物發(fā)光時，不同生物表現(xiàn)出它們各異的功能。例如，生物發(fā)光是很多小型海洋動物的防衛(wèi)機制，其中包括深海水母、無磷黑海蛾魚、磷蝦、魷魚以及浮游蟲；雪茄鮫在海面游動時，腹部細胞發(fā)出冷光，以使其與周圍海水融為一體，就像是隱身了一樣，其他魚類就很難發(fā)現(xiàn)它們；海螢發(fā)光的作用之一是求偶，一只雄海螢會沿著一條線吐出發(fā)光的粘液，雌性看到后，會順著發(fā)光的粘液找到心儀的對象；藍光蟲身體發(fā)出藍光，是為了引誘蚊子等小型昆蟲；螢火蟲發(fā)出熒光則是為了吸引雌性交配。
有些動物則利用身體釋放的發(fā)光物質來嚇跑或迷惑掠食者。例如，有些魚類在受到攻擊時會釋放含有發(fā)光酶和底物的粘液，形成一團閃爍的云霧，從而逃脫掠食者的追捕。有些軟體動物則會噴出含有發(fā)光顆粒的墨汁，使掠食者分心或失去方向。
有些魚類在深海中以頭部或胸鰭上的發(fā)光器官為誘餌，吸引其他小型魚類或浮游生物靠近，然后張開大口將其吞噬。例如，安康魚最突出的特征是，它們頭頂上長著一個皮質穗，里面寄生著一些發(fā)光的細菌，像一只懸掛著小燈籠的釣魚竿，生物學上叫“擬餌”。捕獵時，安康魚埋伏在海底，隨意轉動誘餌，引誘小魚過來。一旦有獵物靠近誘餌，安康魚就會張開大嘴把它吞掉。
生物發(fā)光多是為了躲避天敵。燈眼魚的發(fā)光器滋養(yǎng)了數(shù)以億計的細菌，這種細菌會發(fā)出白、黃、藍光。哪怕魚死后，細菌還會發(fā)光一段時間。燈眼魚發(fā)光是為了捕食，白天燈眼魚會躲在陰暗處或洞穴里，夜里則通過發(fā)光來覓食。
顯然，發(fā)光可以幫助動物在黑暗和復雜的環(huán)境中進行防御、捕食和交流等，這增加了動物的適應性、能動性和多樣性。同時，這種發(fā)光現(xiàn)象也為人類提供了一種美麗而神秘的視覺享受，激發(fā)了人類對自然界奧妙的探索和想象。
生物發(fā)光為人類借鑒和利用
生物發(fā)光現(xiàn)象對人類大有啟發(fā)，現(xiàn)在人類已在多個領域應用了生物發(fā)光原理。
工程應用方面，比如，人們制造了生物發(fā)光燈。這種燈使用生物發(fā)光細菌作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點。與傳統(tǒng)電燈相比，生物發(fā)光燈更適合于一些特殊場合，如海洋深處、洞穴內部等。
在醫(yī)學上，利用生物發(fā)光現(xiàn)象進行疾病診斷。比如，在發(fā)光水晶水母體內發(fā)現(xiàn)的綠色熒光蛋白會讓水母在焦躁不安時變成綠色，這一機制或許在未來可以應用在對抗癌癥上。熒光素酶是一種具有催化活性的蛋白質，在生物體內能轉化為激發(fā)態(tài)，并持續(xù)發(fā)出綠色熒光。在生物醫(yī)學研究中，把熒光素酶的基因轉入癌細胞中用來追蹤癌細胞，這樣即使不動手術，也能知道腫瘤在小鼠體內的位置與大小。
在化學、物理學等領域，研究者利用生物發(fā)光現(xiàn)象研究生物分子的相互作用和動力學過程等。科學家通過模擬發(fā)光效率極高而產(chǎn)熱量極小的熒光現(xiàn)象，研制了新一代冷光源。
在農(nóng)業(yè)領域，利用生物發(fā)光技術可以監(jiān)測作物生長的環(huán)境，例如水分、pH值、養(yǎng)分等，以便經(jīng)濟高效地提高作物產(chǎn)量。
環(huán)境污染監(jiān)測方面，由于某些微生物在污染的環(huán)境中會發(fā)出特定的光，人類可利用這種機制測量水中有毒有害物質的含量,比如重金屬、有機物等；監(jiān)測空氣中微小顆粒、細菌、真菌等；以及監(jiān)測土壤環(huán)境中的污染物質。這種方法具有快速、靈敏、非破壞性等優(yōu)點。
生物安全方面，利用生物發(fā)光現(xiàn)象可以檢測和監(jiān)測有害生物和病原體的入侵。例如，利用特定的微生物或其產(chǎn)生的化學物質在受到攻擊時發(fā)出的光，檢測和監(jiān)測農(nóng)作物遇到的病蟲害。
生物發(fā)光技術還可用于食品安全工作中，特別是用于檢測食品中有無化學藥劑殘留，有無細菌、真菌等。
此外,在軍事偵察上，通過觀察海洋生物發(fā)光的突然爆發(fā)，可以更有效判別水下軍事設施及其他各種敵對目標物。
在生物發(fā)光長達幾億年的演化過程中，越來越多的生物具有了發(fā)光功能，這使得一些生物在生存競爭中占得先機和優(yōu)勢。生物發(fā)光的現(xiàn)象和原理及展現(xiàn)出來的奇妙功能，也為人類的生活和社會發(fā)展帶來很多啟示和幫助。
（作者系中國科學院南京地質古生物研究所研究員）
