生物学家通过珊瑚追查海洋生物发光的古老起源

根据史密森尼国家自然历史博物馆科学家的一项新研究，生物发光至少起源于 5.4 亿年前的一类海洋无脊椎动物 - 八射珊瑚。发表在《英国皇家学会院刊 B》上的这一研究成果，将动物发光特性的最古老出现时间记录向后推了近 3 亿年，有朝一日可以帮助科学家破解为什么产生光的能力会在最初就得到进化。

生物发光--生物通过化学反应产生光的能力--在自然界中已经独立进化了至少94次，并参与了包括伪装、求偶、交流和狩猎在内的大量行为。到目前为止，最早的动物生物发光起源被认为是在大约 2.67 亿年前，在被称为"介形纲"的小型海洋甲壳类动物身上。但是，对于这种能发光的特性，生物发光的起源却一直很模糊。

2009 年在巴哈马群岛展示生物荧光的八射珊瑚 Isidella sp.图片来源：Sönke Johnsen

博物馆的珊瑚馆馆长、该研究的资深作者 Andrea Quattrini 说："没有人知道为什么动物中会首次出现这种进化。"

但是，对于夸特里尼和主要作者、博物馆研究助理、前博士后丹尼尔-德里奥说，要最终解决生物发光进化的原因这个更大的问题，他们需要知道这种能力是什么时候首次出现在动物身上的。

为了寻找这种特性的最早起源，研究人员决定回溯八射珊瑚的进化史。八射珊瑚是一种进化古老、经常发出生物光的动物，包括软珊瑚、海扇和海笔。与硬珊瑚一样，八射珊瑚也是一种微小的群体性珊瑚虫，它们分泌的框架成为它们的避难所，但与它们的石质亲戚不同的是，这种结构通常是柔软的。会发光的八射珊瑚通常只有在受到碰撞或其他干扰时才会发光，因此它们发光的确切功能还有点神秘。

德里奥说："我们想弄清生物发光的起源时间，而八射珊瑚是地球上已知会发出生物发光的最古老的动物群体之一。所以，问题是它们是什么时候发展出这种能力的？"

无独有偶，夸特里尼和哈维-马德学院的凯瑟琳-麦克法登在2022 年完成了一棵极为详细、证据确凿的八射珊瑚进化树。夸特里尼和她的合作者利用来自185种八射珊瑚的遗传数据绘制了这幅进化关系图，即系统发生图。

有了这棵以基因证据为基础的进化树，德里奥和 Quattrini 便根据两块已知年龄的八射珊瑚的物理特征，将它们放入进化树中。科学家们利用这些化石的年龄和它们各自在章鱼进化树中的位置，大致推算出了章鱼支系分裂成两个或多个分支的时间。接下来，研究小组绘制出了系统进化树中具有生物发光物种的分支。

在确定了进化树的日期并标注了包含发光物种的分支之后，研究小组利用一系列统计技术进行了一项名为"祖先状态重建"的分析。

Quattrini说："如果我们知道今天生活的这些章鱼物种具有生物发光特性，我们就可以利用统计学推断出它们的祖先是否极有可能具有生物发光特性。具有共同特征的现存物种越多，随着时间的推移，这些祖先也可能具有这种特征的概率就越高。"

研究人员在重建祖先状态时使用了许多不同的统计方法，但都得出了相同的结果：大约 5.4 亿年前，所有八射珊瑚的共同祖先很可能是生物发光体。这比之前被称为最早进化出生物荧光的发光甲壳动物早了 2.73 亿年。

八射珊瑚有数千种生活代表，而且生物发光的发生率相对较高，这表明这种特性在八射珊瑚的进化成功中发挥了作用。研究人员说，虽然这进一步引出了八射珊瑚使用生物发光到底是为了什么的问题，但生物发光被保留了如此之久这一事实凸显了这种交流方式对于它们的适应和生存是多么重要。

既然研究人员已经知道所有八射珊瑚的共同祖先很可能已经具备了自身发光的能力，那么他们就有兴趣更彻底地研究一下，在八射珊瑚类的 3000 多个现存物种中，哪些物种还能发光，哪些物种已经失去了这种特性。这将有助于找到与生物发光能力相关的一系列生态环境，并有可能阐明其功能。

为此，德里奥说，她和她的一些合著者正在努力创造一种基因测试，以确定这些物种是否具有荧光素酶（一种参与生物发光的酶）基因的功能拷贝。对于光度未知的物种，这种测试将使研究人员能够更快、更容易地得到答案。

除了揭示生物发光的起源，这项研究还提供了进化背景和见解，为今天监测和管理这些珊瑚提供了参考。珊瑚普遍受到气候变化和资源开采活动的威胁，尤其是捕鱼、石油和天然气开采和泄漏，以及最近的海洋矿物开采。

这项研究为博物馆的海洋科学中心提供了支持，该中心旨在推动并与世界分享海洋知识。德里奥和Quattrini说，在科学家们弄清发光能力最初进化的原因之前，还有很多东西需要学习，尽管他们的研究结果将发光能力的起源置于进化时间的深处，但未来的研究仍有可能发现生物发光的历史更为久远。

编译来源：ScitechDaily