生物發(fā)光有5億多年了
在數(shù)字技術(shù)支撐下，游客在國(guó)家海洋博物館“鯨奇物語(yǔ)”展區(qū)與虛擬海洋生物互動(dòng)
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(gè)謎。備受矚目的是，近來(lái)美國(guó)和日本研究人員在英國(guó)《皇家學(xué)會(huì)生物學(xué)分會(huì)學(xué)報(bào)》上發(fā)表論文說(shuō)，動(dòng)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(wú)脊椎動(dòng)物八放珊瑚當(dāng)時(shí)已進(jìn)化出這種能力。這一新研究將動(dòng)物進(jìn)化出生物發(fā)光特性的時(shí)間向前推了約2.7億年，著實(shí)令人吃驚。
那么，科學(xué)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(lái)？生物發(fā)光對(duì)人類(lèi)又有何借鑒呢？
從2.67億年上推至5.4億年前
從螢火蟲(chóng)到發(fā)光蠕蟲(chóng)，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(gè)過(guò)程就叫生物發(fā)光。從演化的視角看，生物通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生光的能力非常強(qiáng)，在自然界中已經(jīng)獨(dú)立進(jìn)化了近百次。
幾十年來(lái)，科學(xué)家一直在尋找生物發(fā)光的化石證據(jù)。2019年，韓國(guó)古生物學(xué)家在朝鮮半島的頁(yè)巖中發(fā)現(xiàn)了11只白堊紀(jì)時(shí)期罕見(jiàn)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(lái)，那些閃亮的化石碎片是蜘蛛眼睛里的鏡面結(jié)構(gòu)，名為照膜，它會(huì)從眼睛后部的視網(wǎng)膜反射光線(xiàn)。由于這一區(qū)域的視網(wǎng)膜沒(méi)有色素，所以反光很強(qiáng)烈。這是第一次在化石中發(fā)現(xiàn)照膜，驚動(dòng)了整個(gè)古生物學(xué)界。
2022年，中國(guó)、捷克和英國(guó)古生物學(xué)者在英國(guó)《皇家學(xué)會(huì)生物學(xué)分會(huì)學(xué)報(bào)》上披露了新發(fā)現(xiàn)，他們?cè)?億年前生成的緬甸琥珀中，發(fā)現(xiàn)了一種原始螢火蟲(chóng)的祖先，即白堊光螢科昆蟲(chóng)。該雄蟲(chóng)標(biāo)本體長(zhǎng)約7毫米，前端長(zhǎng)有一對(duì)長(zhǎng)長(zhǎng)的、有分支的觸角。研究者推測(cè)，這種原始螢火蟲(chóng)的祖先與現(xiàn)在的螢火蟲(chóng)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(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)界一直認(rèn)為最古老的生物發(fā)光實(shí)例來(lái)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(diǎn)亮自己的身體。這一有關(guān)發(fā)光生物歷史追溯問(wèn)題的論斷，一直持續(xù)到此次關(guān)于八放珊瑚的新研究發(fā)表。
這項(xiàng)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(jì)大爆發(fā)前，那時(shí)恰是生物類(lèi)群爆發(fā)式增長(zhǎng)、彼此發(fā)生相互作用的開(kāi)始階段。
物種長(zhǎng)期演化的結(jié)果
科學(xué)家是如何探索發(fā)光生物的起源和演化的呢？誠(chéng)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(dāng)少見(jiàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)發(fā)光生物的身體組織難以在化石中留存。
但確實(shí)也有存在過(guò)的發(fā)光生物的化石記錄。除前文所舉的例子外，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)古代海洋中的某些發(fā)光生物可能會(huì)在一些礦石中留下微弱的發(fā)光痕跡，或者它們的硬體結(jié)構(gòu)可能在某些情況下被保存下來(lái)。
磷光可能與一些遠(yuǎn)古生物有關(guān)。例如，研究者在一些遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)的化石中發(fā)現(xiàn)了磷光，這可能是它們體內(nèi)的磷化物在長(zhǎng)時(shí)間埋藏后產(chǎn)生的效應(yīng)。燈鱗魚(yú)是一種遠(yuǎn)古魚(yú)類(lèi)，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(guān)的結(jié)構(gòu)。
在琥珀中常發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)古時(shí)代的生物，其中有些生物會(huì)顯示出發(fā)光特性。這可能是因?yàn)樯矬w內(nèi)的發(fā)光器官被保留了下來(lái)，但也有可能是琥珀中的某些化學(xué)成分在特定條件下產(chǎn)生了發(fā)光效應(yīng)。
科學(xué)家還利用遺傳基因數(shù)據(jù)，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)推測(cè)和追溯發(fā)光生物的歷史淵源。近來(lái)報(bào)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(xì)的八放珊瑚進(jìn)化樹(shù)。八放珊瑚是已知最古老生物發(fā)光動(dòng)物群體之一，它們體內(nèi)有一種被稱(chēng)為螢火酶的酶,能夠催化產(chǎn)生光的化學(xué)反應(yīng)?，F(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(shí)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(shuō)明它們的祖先具有這種特征的可能性很高。
螢火蟲(chóng)在南京靈谷寺景區(qū)的樹(shù)林中飛舞
在該項(xiàng)研究中，科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將不同年代已知年齡的八放珊瑚化石添加到進(jìn)化樹(shù)上，用它們“錨定”進(jìn)化樹(shù)分裂成兩個(gè)及更多分支的大致時(shí)間，以更好地闡明各物種間的親緣關(guān)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(guò)多種統(tǒng)計(jì)學(xué)進(jìn)行分析，重建了八放珊瑚的祖先狀態(tài)。最終科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將生物發(fā)光的起源撥至5.4億年前，認(rèn)為所有八放珊瑚的共同祖先在那時(shí)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(shí)表明，這種特性可能賦予了物種某種進(jìn)化上的優(yōu)勢(shì)。
光首先是一種語(yǔ)言，用于溝通交流。換句話(huà)說(shuō)，生物發(fā)光以及一般光信號(hào)可能是生物間最古老的交流形式之一。于是，光語(yǔ)言作為一種生存的手段就在演化中被遺傳了下來(lái)。
有趣的是，不同生物會(huì)發(fā)出不同顏色的光。比如植物在陽(yáng)光照射后會(huì)發(fā)出一種很暗淡的紅光，微生物一般會(huì)發(fā)出淡淡的藍(lán)光或綠光，而某些昆蟲(chóng)會(huì)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(xì)胞（包括發(fā)光的共生細(xì)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(lèi)繁多?？茖W(xué)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(fù)雜動(dòng)物誕生的時(shí)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)菌到海洋魚(yú)類(lèi)的許多門(mén)類(lèi)。但在甲藻以外的各類(lèi)海藻和海洋動(dòng)物中的扁蟲(chóng)類(lèi)、帚蟲(chóng)類(lèi)、腕足類(lèi)、毛顎類(lèi)、須腕類(lèi)、爬行類(lèi)、哺乳類(lèi)等生物中，未發(fā)現(xiàn)發(fā)光種類(lèi)。在陸生生物中，發(fā)光現(xiàn)象僅限于極少數(shù)類(lèi)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(rèn)為，在水深超過(guò)700米的水層中，90%以上的動(dòng)物都是能發(fā)光的。發(fā)光魚(yú)類(lèi)大都棲息在海洋深處，這些魚(yú)的身體上有發(fā)光細(xì)胞或附著發(fā)光細(xì)菌。發(fā)光魚(yú)的發(fā)光部位和器官各不相同，鰈魚(yú)的發(fā)光器是它的一對(duì)眼睛，深海鯊魚(yú)、星光魚(yú)是腹部發(fā)光，燈籠魚(yú)是身體側(cè)面發(fā)光。
海洋發(fā)光生物可分為細(xì)胞內(nèi)發(fā)光和細(xì)胞外發(fā)光兩類(lèi)。細(xì)胞內(nèi)發(fā)光是細(xì)胞發(fā)光，較為普遍，夜光藻是最常見(jiàn)的代表。細(xì)胞外發(fā)光是由生物的腺體分泌排放出的內(nèi)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(xì)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(yú)類(lèi)發(fā)光則是由于體內(nèi)分布了發(fā)光器官，這種器官內(nèi)的某些特殊物質(zhì)在緩慢的氧化過(guò)程中會(huì)放出一種“冷光”。
各顯神通的發(fā)光技能
螢火蟲(chóng)大概是人們?cè)谌粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)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?！般y燭秋光冷畫(huà)屏，輕羅小扇撲流螢?！倍拍撩鑼?xiě)的就是螢火蟲(chóng)。
在自然界，生物發(fā)光現(xiàn)象奇妙非凡，經(jīng)歷漫長(zhǎng)且上百次的獨(dú)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(nèi)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(shí)，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(dòng)物的防衛(wèi)機(jī)制，其中包括深海水母、無(wú)磷黑海蛾魚(yú)、磷蝦、魷魚(yú)以及浮游蟲(chóng)；雪茄鮫在海面游動(dòng)時(shí)，腹部細(xì)胞發(fā)出冷光，以使其與周?chē)Ｋ跒橐惑w，就像是隱身了一樣，其他魚(yú)類(lèi)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(huì)沿著一條線(xiàn)吐出發(fā)光的粘液，雌性看到后，會(huì)順著發(fā)光的粘液找到心儀的對(duì)象；藍(lán)光蟲(chóng)身體發(fā)出藍(lán)光，是為了引誘蚊子等小型昆蟲(chóng)；螢火蟲(chóng)發(fā)出熒光則是為了吸引雌性交配。
有些動(dòng)物則利用身體釋放的發(fā)光物質(zhì)來(lái)嚇跑或迷惑掠食者。例如，有些魚(yú)類(lèi)在受到攻擊時(shí)會(huì)釋放含有發(fā)光酶和底物的粘液，形成一團(tuán)閃爍的云霧，從而逃脫掠食者的追捕。有些軟體動(dòng)物則會(huì)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(yú)類(lèi)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(yú)類(lèi)或浮游生物靠近，然后張開(kāi)大口將其吞噬。例如，安康魚(yú)最突出的特征是，它們頭頂上長(zhǎng)著一個(gè)皮質(zhì)穗，里面寄生著一些發(fā)光的細(xì)菌，像一只懸掛著小燈籠的釣魚(yú)竿，生物學(xué)上叫“擬餌”。捕獵時(shí)，安康魚(yú)埋伏在海底，隨意轉(zhuǎn)動(dòng)誘餌，引誘小魚(yú)過(guò)來(lái)。一旦有獵物靠近誘餌，安康魚(yú)就會(huì)張開(kāi)大嘴把它吞掉。
生物發(fā)光多是為了躲避天敵。燈眼魚(yú)的發(fā)光器滋養(yǎng)了數(shù)以?xún)|計(jì)的細(xì)菌，這種細(xì)菌會(huì)發(fā)出白、黃、藍(lán)光。哪怕魚(yú)死后，細(xì)菌還會(huì)發(fā)光一段時(shí)間。燈眼魚(yú)發(fā)光是為了捕食，白天燈眼魚(yú)會(huì)躲在陰暗處或洞穴里，夜里則通過(guò)發(fā)光來(lái)覓食。
顯然，發(fā)光可以幫助動(dòng)物在黑暗和復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行防御、捕食和交流等，這增加了動(dòng)物的適應(yīng)性、能動(dòng)性和多樣性。同時(shí)，這種發(fā)光現(xiàn)象也為人類(lèi)提供了一種美麗而神秘的視覺(jué)享受，激發(fā)了人類(lèi)對(duì)自然界奧妙的探索和想象。
生物發(fā)光為人類(lèi)借鑒和利用
生物發(fā)光現(xiàn)象對(duì)人類(lèi)大有啟發(fā)，現(xiàn)在人類(lèi)已在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用了生物發(fā)光原理。
工程應(yīng)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(xì)菌作為光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)電燈相比，生物發(fā)光燈更適合于一些特殊場(chǎng)合，如海洋深處、洞穴內(nèi)部等。
在醫(yī)學(xué)上，利用生物發(fā)光現(xiàn)象進(jìn)行疾病診斷。比如，在發(fā)光水晶水母體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的綠色熒光蛋白會(huì)讓水母在焦躁不安時(shí)變成綠色，這一機(jī)制或許在未來(lái)可以應(yīng)用在對(duì)抗癌癥上。熒光素酶是一種具有催化活性的蛋白質(zhì)，在生物體內(nèi)能轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)，并持續(xù)發(fā)出綠色熒光。在生物醫(yī)學(xué)研究中，把熒光素酶的基因轉(zhuǎn)入癌細(xì)胞中用來(lái)追蹤癌細(xì)胞，這樣即使不動(dòng)手術(shù)，也能知道腫瘤在小鼠體內(nèi)的位置與大小。
在化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)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(dòng)力學(xué)過(guò)程等?？茖W(xué)家通過(guò)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(lǐng)域，利用生物發(fā)光技術(shù)可以監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)的環(huán)境，例如水分、pH值、養(yǎng)分等，以便經(jīng)濟(jì)高效地提高作物產(chǎn)量。
環(huán)境污染監(jiān)測(cè)方面，由于某些微生物在污染的環(huán)境中會(huì)發(fā)出特定的光，人類(lèi)可利用這種機(jī)制測(cè)量水中有毒有害物質(zhì)的含量,比如重金屬、有機(jī)物等；監(jiān)測(cè)空氣中微小顆粒、細(xì)菌、真菌等；以及監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境中的污染物質(zhì)。這種方法具有快速、靈敏、非破壞性等優(yōu)點(diǎn)。
生物安全方面，利用生物發(fā)光現(xiàn)象可以檢測(cè)和監(jiān)測(cè)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(xué)物質(zhì)在受到攻擊時(shí)發(fā)出的光，檢測(cè)和監(jiān)測(cè)農(nóng)作物遇到的病蟲(chóng)害。
生物發(fā)光技術(shù)還可用于食品安全工作中，特別是用于檢測(cè)食品中有無(wú)化學(xué)藥劑殘留，有無(wú)細(xì)菌、真菌等。
此外,在軍事偵察上，通過(guò)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(shè)施及其他各種敵對(duì)目標(biāo)物。
在生物發(fā)光長(zhǎng)達(dá)幾億年的演化過(guò)程中，越來(lái)越多的生物具有了發(fā)光功能，這使得一些生物在生存競(jìng)爭(zhēng)中占得先機(jī)和優(yōu)勢(shì)。生物發(fā)光的現(xiàn)象和原理及展現(xiàn)出來(lái)的奇妙功能，也為人類(lèi)的生活和社會(huì)發(fā)展帶來(lái)很多啟示和幫助。
?。ㄗ髡呦抵袊?guó)科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所研究員）
