生物發光有5億多年了
在數字技術支撐下，游客在國家海洋博物館“鯨奇物語”展區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象，生物發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》上發表論文說，動物的生物發光特性最早出現于至少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5.4億年前的發光生物的呢？發光生物又是如何演化而來？生物發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：它們能自己發光，這個過程就叫生物發光。從演化的視角看，生物通過化學反應產生光的能力非常強，在自然界中已經獨立進化了近百次。
幾十年來，科學家一直在尋找生物發光的化石證據。2019年，韓國古生物學家在朝鮮半島的頁巖中發現了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膜反射光線。由于這一區域的視網膜沒有色素，所以反光很強烈。這是第一次在化石中發現照膜，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》上披露了新發現，他們在1億年前生成的緬甸琥珀中，發現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在的螢火蟲有所區別，其身體發光并非為了求偶，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。這一有關發光生物歷史追溯問題的論斷，一直持續到此次關于八放珊瑚的新研究發表。
這項新研究表明，八放珊瑚的發光能力可追溯到5.4億年前，即寒武紀大爆發前，那時恰是生物類群爆發式增長、彼此發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光生物的起源和演化的呢？誠然，化石是最直接的證據。然而，發光生物的化石記錄相當少見，因為大多數發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光生物的化石記錄。除前文所舉的例子外，科學家發現古代海洋中的某些發光生物可能會在一些礦石中留下微弱的發光痕跡，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現了磷光，這可能是它們體內的磷化物在長時間埋藏后產生的效應。燈鱗魚是一種遠古魚類，它們有可能具備發光的能力，并在化石中保存有與其發光器官相關的結構。
在琥珀中常發現遠古時代的生物，其中有些生物會顯示出發光特性。這可能是因為生物體內的發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生了發光效應。
科學家還利用遺傳基因數據，并通過統計學方法來推測和追溯發光生物的歷史淵源。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據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,能夠催化產生光的化學反應。現生（即現代生活中仍存在的）的八放珊瑚亞綱就存在許多具有發光特性的物種，它們通常是在受到碰撞或其他干擾時才發光。研究表明，現生八放珊瑚擁有很多發光物種，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。他們還繪制了以現生具有生物發光特性的八放珊瑚物種為特征的系統發育分支。然后，他們通過多種統計學進行分析，重建了八放珊瑚的祖先狀態。最終科學家團隊將生物發光的起源撥至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光能力。
八放珊瑚的生物發光特性被保留數億年的事實表明，這種特性可能賦予了物種某種進化上的優勢。
光首先是一種語言，用于溝通交流。換句話說，生物發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，不同生物會發出不同顏色的光。比如植物在陽光照射后會發出一種很暗淡的紅光，微生物一般會發出淡淡的藍光或綠光，而某些昆蟲會發黃光。
它們為何能發光？
發光生物一般指自身具有發光器官、細胞（包括發光的共生細菌），或具有能分泌發光物體腺體的生物。
自然界具有發光能力的生物種類繁多。科學家發現，生物發光可能最早在漆黑的深海中產生，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光生物的出現。
據南海海洋資源利用國家重點實驗室披露的資料，全世界已發現能發光的生物約有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，未發現發光種類。在陸生生物中，發光現象僅限于極少數類別。
海洋發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光的。發光魚類大都棲息在海洋深處，這些魚的身體上有發光細胞或附著發光細菌。發光魚的發光部位和器官各不相同，鰈魚的發光器是它的一對眼睛，深海鯊魚、星光魚是腹部發光，燈籠魚是身體側面發光。
海洋發光生物可分為細胞內發光和細胞外發光兩類。細胞內發光是細胞發光，較為普遍，夜光藻是最常見的代表。細胞外發光是由生物的腺體分泌排放出的內含物發光，海螢為最著名的代表。
生物發光，除自身發光即一次發光外，由寄生或共生現象產生的二次發光的例子也不少。有意思的是，細菌的發光是一種呼吸現象的連續發光，而其他生物一般都是受刺激后才發光。魚類發光則是由于體內分布了發光器官，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”。
各顯神通的發光技能
螢火蟲大概是人們在日常生活中最常見的發光生物，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，生物發光現象奇妙非凡，經歷漫長且上百次的獨立演化后，產生了數十種不同的用途——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。
生物發光時，不同生物表現出它們各異的功能。例如，生物發光是很多小型海洋動物的防衛機制，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，其他魚類就很難發現它們；海螢發光的作用之一是求偶，一只雄海螢會沿著一條線吐出發光的粘液，雌性看到后，會順著發光的粘液找到心儀的對象；藍光蟲身體發出藍光，是為了引誘蚊子等小型昆蟲；螢火蟲發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。
生物發光多是為了躲避天敵。燈眼魚的發光器滋養了數以億計的細菌，這種細菌會發出白、黃、藍光。哪怕魚死后，細菌還會發光一段時間。燈眼魚發光是為了捕食，白天燈眼魚會躲在陰暗處或洞穴里，夜里則通過發光來覓食。
顯然，發光可以幫助動物在黑暗和復雜的環境中進行防御、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，這種發光現象也為人類提供了一種美麗而神秘的視覺享受，激發了人類對自然界奧妙的探索和想象。
生物發光為人類借鑒和利用
生物發光現象對人類大有啟發，現在人類已在多個領域應用了生物發光原理。
工程應用方面，比如，人們制造了生物發光燈。這種燈使用生物發光細菌作為光源，具有節能、環保、壽命長等優點。與傳統電燈相比，生物發光燈更適合于一些特殊場合，如海洋深處、洞穴內部等。
在醫學上，利用生物發光現象進行疾病診斷。比如，在發光水晶水母體內發現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態，并持續發出綠色熒光。在生物醫學研究中，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，研究者利用生物發光現象研究生物分子的相互作用和動力學過程等。科學家通過模擬發光效率極高而產熱量極小的熒光現象，研制了新一代冷光源。
在農業領域，利用生物發光技術可以監測作物生長的環境，例如水分、pH值、養分等，以便經濟高效地提高作物產量。
環境污染監測方面，由于某些微生物在污染的環境中會發出特定的光，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；監測空氣中微小顆粒、細菌、真菌等；以及監測土壤環境中的污染物質。這種方法具有快速、靈敏、非破壞性等優點。
生物安全方面，利用生物發光現象可以檢測和監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生的化學物質在受到攻擊時發出的光，檢測和監測農作物遇到的病蟲害。
生物發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光的突然爆發，可以更有效判別水下軍事設施及其他各種敵對目標物。
在生物發光長達幾億年的演化過程中，越來越多的生物具有了發光功能，這使得一些生物在生存競爭中占得先機和優勢。生物發光的現象和原理及展現出來的奇妙功能，也為人類的生活和社會發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）
