许多海洋生物——包括海蠕虫、一些水母、海瓜以及更多——可以通过一种称为生物发光的现象发出空灵的光芒。这种发光的进化起源仍然是一个谜，但一个国际科学家团队发现，生物发光可能最早在 5.4 亿年前就出现在一种称为海扇珊瑚的海洋无脊椎动物群中——这比他们之前认为的早了近 3 亿年。这个新时间表可以帮助科学家解开生物发光的起源故事。研究结果发表在 4 月 23 日的《英国皇家学会学报 B 卷》上。
什么是生物发光？
生物发光生物通过化学反应产生光。这种能力在自然界中至少独立演化了 94 次。生物发光涉及多种动物行为，包括交流、求偶、伪装和捕猎。陆地上的萤火虫、蠕虫，甚至一些真菌也被认为是生物发光生物。
“没人确切知道它最初为什么会在动物身上演化出来，”该研究的合著者、史密森尼尼自然历史博物馆珊瑚馆长 Andrea Quattrini 在一份声明中说。
直到这项新研究将时间向前推移，动物身上生物发光最早的日期估计是大约 2.67 亿年前，出现在一种小型海洋甲壳类动物身上，它们以一种粘液填充的同步交配舞——介形虫而闻名。
海扇珊瑚进化树
在该研究中，研究小组回顾了海扇珊瑚的进化史，寻找它们首次出现在动物身上的线索。海扇珊瑚是一类古老且经常具有生物发光的现存动物群，包括海扇、海笔和软珊瑚。与硬珊瑚一样，海扇珊瑚是构成珊瑚礁结构的小型群体息肉，但它们主要是软体，而非石质。发光的海扇珊瑚通常在受到撞击或干扰时发光。据研究小组称，这使得它们发光能力的确切功能有点令人费解。
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“我们想弄清楚生物发光的起源时间，而海扇珊瑚是地球上已知会发光的古老动物群之一，”该研究的合著者、史密森尼尼国家自然历史博物馆的博士后学者 Danielle DeLeo 在一份声明中说。“所以，问题是它们是什么时候发展出这种能力的？”
他们查阅了 2022 年建立的详细海扇珊瑚进化树。这张进化关系图——或称系统发育树——使用了 185 种不同海扇珊瑚的基因数据。然后，研究小组根据其物理特征，将两个已知年代的海扇珊瑚化石置于树中。他们能够利用化石的年代及其在进化树中的相应位置，大致确定海扇珊瑚谱系何时分裂成两个或更多分支。研究小组最终绘制出了包含当今所有已知生物发光物种的进化关系图。
有了这张进化树和标记了生物发光物种的分支，研究小组使用了一种称为祖先状态重建的统计技术来分析物种之间的关系。
“如果我们知道当今存在的这些海扇珊瑚物种具有生物发光，我们可以利用统计学来推断它们的祖先是否很有可能具有生物发光，”Quattrini 说。“具有共享性状的现存物种越多，随着时间推移回到过去，那些祖先很可能也具有该性状的可能性就越高。”
多种不同的统计方法都得出了相同的结果。大约 5.4 亿年前，所有海扇珊瑚的共同祖先很有可能具有生物发光。这比之前被认为是动物生物发光最早进化例子的介形虫甲壳类动物早了约 2.73 亿年。
据研究小组称，海扇珊瑚数千个现存物种和相对较高的生物发光发生率表明，发光在它们进化成功中发挥了作用。虽然这并没有确切回答海扇珊瑚用生物发光做什么，但它得以长期保留的事实表明，这种交流形式对它们的生存变得多么重要。
保护意义
现在，研究小组知道所有海扇珊瑚的共同祖先可能已经能够产生自身的光芒，他们有兴趣更彻底地统计一下该群体中 3,000 多种已知现存物种中，哪些仍然具有生物发光，哪些随着时间的推移已经失去了这种性状。这可能会让他们确定一组与生物发光相关的生态环境，并可能揭示其功能。
研究小组还在开发一种基因检测方法，以确定海扇珊瑚物种是否具有参与生物发光的酶——荧光素酶——的功能性基因拷贝。未来的研究甚至可能表明，生物发光在珊瑚的进化历史中更为古老和根深蒂固。
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这项研究还提供了进化见解，有助于监测和管理当今海洋中的海扇珊瑚。它们目前受到矿产开采、渔业、石油和天然气开采及泄漏，以及人为气候变化的威胁。
美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 最近确认，由于日益变暖的海洋造成的温度压力，地球目前正经历有记录以来的第四次全球珊瑚白化事件，这是十年来第二次。在极端温度下，海扇珊瑚也会发生白化。更多地了解它们如何使用生物发光，可以帮助科学家更好地识别它们的栖息地并监测它们的行为。对其基因以及它们生存所需条件的了解，也可以为这些海洋生物制定更有效的保护政策提供依据。
