本文最初发表于 Knowable Magazine.
在红海北端亚喀巴湾的夜晚，汤姆·什莱辛格正准备下潜。白天，海底生机勃勃、色彩斑斓；夜晚，则显得更加怪异。什莱辛格在等待一年一次的现象，许多珊瑚种类都会在满月后的几个夜晚发生这种现象。
在手电筒的指引下，他发现了它：珊瑚释放出紧密包裹在一起的彩色卵子和精子束。“你看着它，它就开始流向水面，”什莱辛格说。“然后你抬起头，环顾四周，你会意识到：同一物种的所有珊瑚都在此刻发生着这一切。”
一些珊瑚种类释放出粉紫色束，其他则释放出黄色、绿色、白色或其他各种色泽的束。“这是一种相当美好、充满美感的体验，”什莱辛格说。他是一位在以色列埃拉特特拉维夫大学和海洋科学大学学院工作的海洋生态学家，多年潜水经历让他目睹过多次这样的景象。珊瑚通常在傍晚和夜晚，在一个 10 分钟到半小时的狭窄时间窗口内进行繁殖。“时间如此精确，你可以根据它发生的时间来校准你的手表，”什莱辛格说。
数个世纪以来，人们就已经观察到海洋生物月相控制的节律。例如，据估计，1492 年哥伦布遇到的那种进行月相计时交配舞蹈的海洋蠕虫，就像“时而升起时而降低的小烛光”。人们认为，各种动物，如贻贝、珊瑚、多毛类蠕虫和某些鱼类，都通过月相来同步它们的繁殖行为。关键原因在于，这些动物——例如，澳大利亚大堡礁的一百多种珊瑚——会在受精前释放它们的卵子，同步繁殖可以最大限度地提高卵子和精子相遇的几率。
它是如何工作的？这长期以来一直是个谜，但研究人员正越来越接近理解。至少在 15 年前，他们就已经知道珊瑚和其他许多物种一样，含有称为隐花色素的光敏蛋白。最近，他们报道称，在石珊瑚 *Dipsastraea speciosa* 中，日落和月升之间的一段黑暗时期似乎是触发几天后繁殖的关键。
现在，借助海沙蚕（marine bristle worm）*Platynereis dumerilii* 的帮助，研究人员开始解析分子机制，从而了解许多海洋物种如何能够感知月球的周期。
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海沙蚕最初来自那不勒斯湾，但自 20 世纪 50 年代以来一直在实验室中饲养。维也纳大学的生物钟学家 Kristin Tessmar-Raible 说，它特别适合这类研究。在其繁殖季节，它们会在满月后的几天内繁殖：成虫成群地在黑暗时段升至水面，进行求偶舞蹈并释放配子。繁殖后，这些蠕虫会破裂死亡。
Tessmar-Raible 说，生物体用于如此精确的时间控制——精确到月份中的某天，再精确到一天中的某小时——所需要的工具，类似于我们安排会议所需的工具。“我们整合了不同类型的时间系统：手表，日历。” 在蠕虫的情况下，必需的时间系统是每日（昼夜）时钟以及另一个用于每月计算的昼月时钟。
为了探索蠕虫的时间感知，Tessmar-Raible 的团队开始对蠕虫中负责制造隐花色素的基因进行实验。该团队特别关注海沙蚕中的一种隐花色素，称为 L-Cry。为了弄清楚它在同步繁殖中的作用，他们使用了基因技巧来使 *l-cry* 基因失活，并观察蠕虫的月相时钟会发生什么。他们还进行了实验来分析 L-Cry 蛋白。
尽管这个故事远未完成，但科学家们已经有了证据表明，这种蛋白质在一件非常重要的事情中起着关键作用：区分日光和月光。Tessmar-Raible 和合著者在《海洋科学年度评论》2023 年的海洋生物节律概述中写道，L-Cry 实际上是“一种天然的光解释义者”。
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这种作用至关重要，因为为了同步并在同一个夜晚繁殖，生物体需要能够跟上月球大约 29.5 天周期的模式——从月光明亮的满月，到月亮盈亏期间较暗、持续时间较短的光照。
科学家们发现，当 L-Cry 缺失时，蠕虫就无法适当地分辨。这些动物会在实验室的人工月相光暗周期中紧密同步——在这种周期中，“日光”比真太阳更暗，“月光”比真月亮更亮。换句话说，没有 L-Cry 的蠕虫会依附于不真实的光照周期。相比之下，仍然制造 L-Cry 蛋白的正常蠕虫则更具辨别力，在夜晚的光照更接近海沙蚕自然环境时，它们能更好地同步它们的月相时钟。
研究人员还收集了其他证据，表明 L-Cry 在月相计时中发挥着重要作用，帮助区分日光和月光。他们纯化了 L-Cry 蛋白，发现它由两条结合在一起的蛋白质链组成，每半条都含有一个称为黄素的光吸收结构。每种黄素对光的敏感性差异很大。因此，L-Cry 可以响应像日光一样强的光，以及相当于月光一样的暗光——光强度跨越五个数量级——但后果截然不同。
“我发现能描述一个可以测量月相的蛋白质，这非常令人兴奋。”
Eva Wolf
例如，经过四个小时的昏暗“月光”照射后，蛋白质中发生了光诱导的化学反应——光还原——在连续“月光”照射六小时后达到最大值。科学家们指出，六小时很重要，因为蠕虫只有在满月时才能遇到六小时的月光。因此，这可以使生物体与每月的月相周期同步，并选择正确的夜晚进行繁殖。“我发现能描述一个可以测量月相的蛋白质，这非常令人兴奋，”位于美因茨的 IMB 和约翰内斯·古腾堡大学美因茨大学的结构生物学家 Eva Wolf 说，她是 Tessmar-Raible 的合作者。
然而，蠕虫如何知道它感知的是月光而不是日光呢？科学家们发现，在月光条件下，只有两种黄素中的一种被光还原。相比之下，在明亮的光线下，两种黄素都被光还原，而且速度非常快。此外，这两种 L-Cry 最终位于蠕虫细胞的不同部分：完全光还原的蛋白质位于细胞质中，在那里被迅速破坏；部分光还原的 L-Cry 蛋白位于细胞核中。
总而言之，作者在 2022 年发表的一份报告中总结道，这种情况就像拥有“一个非常灵敏的‘低光传感器’用于月光检测，以及一个灵敏度低得多的‘高光传感器’用于日光检测”。
当然，仍然有许多谜团。例如，尽管可以推测 L-Cry 分子的两种不同命运在蠕虫体内传递着不同的生物信号，但研究人员尚不清楚它们是什么。科学家们说，尽管 L-Cry 蛋白在区分日光和月光方面起着关键作用，但肯定还有其他感光分子参与其中。
致谢：M. ZURL *ET AL / PNAS* 2022
在另一项独立的研究中，研究人员使用实验室中的摄像机记录了蠕虫准备繁殖时爆发的游泳活动（蠕虫的“求偶舞”），并随后进行了基因实验。他们证实，在指定的繁殖之夜，另一种分子对于蠕虫在每天日落到月升之间的一到两个小时的黑暗时段进行繁殖至关重要。
科学家们发现，一种称为 r-Opsin 的分子对光非常敏感，比普通人类眼睛中的视黑素（melanopsin）敏感约一百倍。研究人员推测，它通过充当月升传感器来调节蠕虫的每日时钟（月亮每天升起的时间越来越晚）。其原理是，将 r-Opsin 传感器的信号与 L-Cry 关于光线类型的信号相结合，可以让蠕虫在繁殖之夜选择正确的时间升到水面并释放其配子。
本地居民的计时员
随着生物学家逐渐揭示许多海洋生物同步活动所需的计时器，新的问题也随之涌现。这些计时器究竟位于何处？在生物钟已被充分研究的物种中，例如果蝇和老鼠，其核心计时器位于大脑中。在海沙蚕中，其大脑前部和躯干的周围组织中都存在时钟。但其他生物，如珊瑚和海葵，甚至没有大脑。伍兹霍尔海洋研究所的海洋生物学家 Ann Tarrant 正在研究海葵 *Nematostella vectensis* 的生物钟，她说：“是否存在一个神经元群体充当中央时钟，还是它更加分散？我们真的不知道。”
科学家们还对可能与海洋生物共生的微生物所扮演的角色感兴趣。例如，珊瑚 *Acropora* 的细胞内通常共生着藻类。“我们知道这类藻类也有昼夜节律，”Tarrant 说。“所以当你拥有珊瑚和藻类在一起时，很难知道它们是如何协同工作的。”
研究人员还担心，在光污染严重的世界中，像珊瑚同步繁殖这样的壮观景象的命运。如果珊瑚的时钟机制与海沙蚕相似，生物体将如何能够正确地感知天然的满月？2021 年，研究人员报道的实验室研究表明，光污染会扰乱印度洋-太平洋地区两种珊瑚 *Acropora millepora* 和 *Acropora digitifera* 的繁殖同步。
什莱辛格和他的同事 Yossi Loya 在红海的野生种群中也观察到了类似的情况。在 2019 年的一篇报道中，科学家们将四年的繁殖观察数据与 30 年前同一地点的同期数据进行了比较。他们研究的五种珊瑚中有三种显示出繁殖不同步，导致珊瑚礁上出现更少甚至没有新的幼珊瑚。
什莱辛格认为，除了人造光之外，可能还有其他罪魁祸首，例如内分泌干扰化学污染物。他正在努力了解这一点——以及为什么有些物种不受影响。
根据他迄今为止的水下观察，什莱辛格认为，在他研究的 50 多个物种中，约有 10 个物种可能在红海出现不同步现象。红海北部被认为是珊瑚的气候避难所，并未经历大规模的珊瑚白化事件。“我怀疑，”他说，“我们会在世界其他地方、更多的物种中听到更多这类问题。”
本文最初发表于Knowable Magazine，这是来自 Annual Reviews 的一项独立新闻报道。注册新闻通讯。
