在数字技术支撑下，游客在国家海洋博物馆“鲸奇物语”展区与虚拟海洋生物互动

文/冯伟民

编辑/胡艳芬

　　作为一种奇妙的自然现象，生物发光的起源一直是个谜。备受瞩目的是，近来美国和日本研究人员在英国《皇家学会生物学分会学报》上发表论文说，动物的生物发光特性最早出现于至少5.4亿年前，海洋无脊椎动物八放珊瑚当时已进化出这种能力。这一新研究将动物进化出生物发光特性的时间向前推了约2.7亿年，着实令人吃惊。

　　那么，科学家是如何追溯到5.4亿年前的发光生物的呢？发光生物又是如何演化而来？生物发光对人类又有何借鉴呢？

从2.67亿年上推至5.4亿年前

　　从萤火虫到发光蠕虫，从水藻到枪乌贼，许多生物都有一套魔法：它们能自己发光，这个过程就叫生物发光。从演化的视角看，生物通过化学反应产生光的能力非常强，在自然界中已经独立进化了近百次。

　　几十年来，科学家一直在寻找生物发光的化石证据。2019年，韩国古生物学家在朝鲜半岛的页岩中发现了11只白垩纪时期罕见的蜘蛛化石，其中有两只蜘蛛的眼睛在灯光的照射下闪闪发亮，令人不解。原来，那些闪亮的化石碎片是蜘蛛眼睛里的镜面结构，名为照膜，它会从眼睛后部的视网膜反射光线。由于这一区域的视网膜没有色素，所以反光很强烈。这是第一次在化石中发现照膜，惊动了整个古生物学界。

　　2022年，中国、捷克和英国古生物学者在英国《皇家学会生物学分会学报》上披露了新发现，他们在1亿年前生成的缅甸琥珀中，发现了一种原始萤火虫的祖先，即白垩光萤科昆虫。该雄虫标本体长约7毫米，前端长有一对长长的、有分支的触角。研究者推测，这种原始萤火虫的祖先与现在的萤火虫有所区别，其身体发光并非为了求偶，而是为了抵御蚂蚁、青蛙等捕食者的攻击。

　　长期以来，科学界一直认为最古老的生物发光实例来自某种隶属甲壳纲介形亚纲的小型海洋甲壳生物，它们生活在2.67亿年前，能点亮自己的身体。这一有关发光生物历史追溯问题的论断，一直持续到此次关于八放珊瑚的新研究发表。

　　这项新研究表明，八放珊瑚的发光能力可追溯到5.4亿年前，即寒武纪大爆发前，那时恰是生物类群爆发式增长、彼此发生相互作用的开始阶段。

物种长期演化的结果

　　科学家是如何探索发光生物的起源和演化的呢？诚然，化石是最直接的证据。然而，发光生物的化石记录相当少见，因为大多数发光生物的身体组织难以在化石中留存。

　　但确实也有存在过的发光生物的化石记录。除前文所举的例子外，科学家发现古代海洋中的某些发光生物可能会在一些矿石中留下微弱的发光痕迹，或者它们的硬体结构可能在某些情况下被保存下来。

　　磷光可能与一些远古生物有关。例如，研究者在一些远古鱼类的化石中发现了磷光，这可能是它们体内的磷化物在长时间埋藏后产生的效应。灯鳞鱼是一种远古鱼类，它们有可能具备发光的能力，并在化石中保存有与其发光器官相关的结构。

　　在琥珀中常发现远古时代的生物，其中有些生物会显示出发光特性。这可能是因为生物体内的发光器官被保留了下来，但也有可能是琥珀中的某些化学成分在特定条件下产生了发光效应。

　　科学家还利用遗传基因数据，并通过统计学方法来推测和追溯发光生物的历史渊源。近来报道的八放珊瑚，就是利用了近200种生物的遗传基因数据制作了详细的八放珊瑚进化树。八放珊瑚是已知最古老生物发光动物群体之一，它们体内有一种被称为萤火酶的酶,能够催化产生光的化学反应。现生（即现代生活中仍存在的）的八放珊瑚亚纲就存在许多具有发光特性的物种，它们通常是在受到碰撞或其他干扰时才发光。研究表明，现生八放珊瑚拥有很多发光物种，说明它们的祖先具有这种特征的可能性很高。

萤火虫在南京灵谷寺景区的树林中飞舞

　　在该项研究中，科学家团队将不同年代已知年龄的八放珊瑚化石添加到进化树上，用它们“锚定”进化树分裂成两个及更多分支的大致时间，以更好地阐明各物种间的亲缘关系。他们还绘制了以现生具有生物发光特性的八放珊瑚物种为特征的系统发育分支。然后，他们通过多种统计学进行分析，重建了八放珊瑚的祖先状态。最终科学家团队将生物发光的起源拨至5.4亿年前，认为所有八放珊瑚的共同祖先在那时可能就有了发光能力。

　　八放珊瑚的生物发光特性被保留数亿年的事实表明，这种特性可能赋予了物种某种进化上的优势。

　　光首先是一种语言，用于沟通交流。换句话说，生物发光以及一般光信号可能是生物间最古老的交流形式之一。于是，光语言作为一种生存的手段就在演化中被遗传了下来。

　　有趣的是，不同生物会发出不同颜色的光。比如植物在阳光照射后会发出一种很暗淡的红光，微生物一般会发出淡淡的蓝光或绿光，而某些昆虫会发黄光。

它们为何能发光？

　　发光生物一般指自身具有发光器官、细胞（包括发光的共生细菌），或具有能分泌发光物体腺体的生物。

　　自然界具有发光能力的生物种类繁多。科学家发现，生物发光可能最早在漆黑的深海中产生，几乎就在复杂动物诞生的时候，闪烁的生物之光就在这片黑暗中诞生了，甚至早于海月水母等发光生物的出现。

　　据南海海洋资源利用国家重点实验室披露的资料，全世界已发现能发光的生物约有30纲538属。其中24纲461属是海洋生物，约占85%，分别属于从海洋细菌到海洋鱼类的许多门类。但在甲藻以外的各类海藻和海洋动物中的扁虫类、帚虫类、腕足类、毛颚类、须腕类、爬行类、哺乳类等生物中，未发现发光种类。在陆生生物中，发光现象仅限于极少数类别。

　　海洋发光生物广泛分布于世界各海域，特别是温带和热带海域。一般认为，在水深超过700米的水层中，90%以上的动物都是能发光的。发光鱼类大都栖息在海洋深处，这些鱼的身体上有发光细胞或附着发光细菌。发光鱼的发光部位和器官各不相同，鲽鱼的发光器是它的一对眼睛，深海鲨鱼、星光鱼是腹部发光，灯笼鱼是身体侧面发光。

　　海洋发光生物可分为细胞内发光和细胞外发光两类。细胞内发光是细胞发光，较为普遍，夜光藻是最常见的代表。细胞外发光是由生物的腺体分泌排放出的内含物发光，海萤为最著名的代表。

　　生物发光，除自身发光即一次发光外，由寄生或共生现象产生的二次发光的例子也不少。有意思的是，细菌的发光是一种呼吸现象的连续发光，而其他生物一般都是受刺激后才发光。鱼类发光则是由于体内分布了发光器官，这种器官内的某些特殊物质在缓慢的氧化过程中会放出一种“冷光”。

各显神通的发光技能

　　萤火虫大概是人们在日常生活中最常见的发光生物，它们一闪一闪地在夜空中飞行，像森林中的小精灵。“银烛秋光冷画屏，轻罗小扇扑流萤。”杜牧描写的就是萤火虫。

　　在自然界，生物发光现象奇妙非凡，经历漫长且上百次的独立演化后，产生了数十种不同的用途——从迷惑、诱捕猎物到恐吓掠食者，再到向潜在配偶眉目传情，并参与包括伪装、交流和狩猎在内的大量行为。发光还可以帮助生物寻找伙伴，通知伙伴自己所处的位置。

　　生物发光时，不同生物表现出它们各异的功能。例如，生物发光是很多小型海洋动物的防卫机制，其中包括深海水母、无磷黑海蛾鱼、磷虾、鱿鱼以及浮游虫；雪茄鲛在海面游动时，腹部细胞发出冷光，以使其与周围海水融为一体，就像是隐身了一样，其他鱼类就很难发现它们；海萤发光的作用之一是求偶，一只雄海萤会沿着一条线吐出发光的粘液，雌性看到后，会顺着发光的粘液找到心仪的对象；蓝光虫身体发出蓝光，是为了引诱蚊子等小型昆虫；萤火虫发出荧光则是为了吸引雌性交配。

　　有些动物则利用身体释放的发光物质来吓跑或迷惑掠食者。例如，有些鱼类在受到攻击时会释放含有发光酶和底物的粘液，形成一团闪烁的云雾，从而逃脱掠食者的追捕。有些软体动物则会喷出含有发光颗粒的墨汁，使掠食者分心或失去方向。

　　有些鱼类在深海中以头部或胸鳍上的发光器官为诱饵，吸引其他小型鱼类或浮游生物靠近，然后张开大口将其吞噬。例如，安康鱼最突出的特征是，它们头顶上长着一个皮质穗，里面寄生着一些发光的细菌，像一只悬挂着小灯笼的钓鱼竿，生物学上叫“拟饵”。捕猎时，安康鱼埋伏在海底，随意转动诱饵，引诱小鱼过来。一旦有猎物靠近诱饵，安康鱼就会张开大嘴把它吞掉。

　　生物发光多是为了躲避天敌。灯眼鱼的发光器滋养了数以亿计的细菌，这种细菌会发出白、黄、蓝光。哪怕鱼死后，细菌还会发光一段时间。灯眼鱼发光是为了捕食，白天灯眼鱼会躲在阴暗处或洞穴里，夜里则通过发光来觅食。

　　显然，发光可以帮助动物在黑暗和复杂的环境中进行防御、捕食和交流等，这增加了动物的适应性、能动性和多样性。同时，这种发光现象也为人类提供了一种美丽而神秘的视觉享受，激发了人类对自然界奥妙的探索和想象。

生物发光为人类借鉴和利用

　　生物发光现象对人类大有启发，现在人类已在多个领域应用了生物发光原理。

　　工程应用方面，比如，人们制造了生物发光灯。这种灯使用生物发光细菌作为光源，具有节能、环保、寿命长等优点。与传统电灯相比，生物发光灯更适合于一些特殊场合，如海洋深处、洞穴内部等。

　　在医学上，利用生物发光现象进行疾病诊断。比如，在发光水晶水母体内发现的绿色荧光蛋白会让水母在焦躁不安时变成绿色，这一机制或许在未来可以应用在对抗癌症上。荧光素酶是一种具有催化活性的蛋白质，在生物体内能转化为激发态，并持续发出绿色荧光。在生物医学研究中，把荧光素酶的基因转入癌细胞中用来追踪癌细胞，这样即使不动手术，也能知道肿瘤在小鼠体内的位置与大小。

　　在化学、物理学等领域，研究者利用生物发光现象研究生物分子的相互作用和动力学过程等。科学家通过模拟发光效率极高而产热量极小的荧光现象，研制了新一代冷光源。

　　在农业领域，利用生物发光技术可以监测作物生长的环境，例如水分、pH值、养分等，以便经济高效地提高作物产量。

　　环境污染监测方面，由于某些微生物在污染的环境中会发出特定的光，人类可利用这种机制测量水中有毒有害物质的含量,比如重金属、有机物等；监测空气中微小颗粒、细菌、真菌等；以及监测土壤环境中的污染物质。这种方法具有快速、灵敏、非破坏性等优点。

　　生物安全方面，利用生物发光现象可以检测和监测有害生物和病原体的入侵。例如，利用特定的微生物或其产生的化学物质在受到攻击时发出的光，检测和监测农作物遇到的病虫害。

　　生物发光技术还可用于食品安全工作中，特别是用于检测食品中有无化学药剂残留，有无细菌、真菌等。

　　此外,在军事侦察上，通过观察海洋生物发光的突然爆发，可以更有效判别水下军事设施及其他各种敌对目标物。

　　在生物发光长达几亿年的演化过程中，越来越多的生物具有了发光功能，这使得一些生物在生存竞争中占得先机和优势。生物发光的现象和原理及展现出来的奇妙功能，也为人类的生活和社会发展带来很多启示和帮助。

　　（作者系中国科学院南京地质古生物研究所研究员）