生物发光的进化时间可能比科学家此前认为的早了 3 亿年

许多海洋生物（包括海虫、一些水母、海泡菜等）都可以通过一种称为生物发光的过程发出空灵的光芒。这种发光的进化起源仍然是个谜，但一个国际科学家小组发现，生物发光可能最早在至少 5.4 亿年前的一种名为八放珊瑚的海洋无脊椎动物中进化而来——比他们之前认为的早了近 3 亿年。这个新的时间表可以帮助科学家解开生物发光的起源故事。4 月 23 日发表在《皇家学会学报 B》上的一项研究中详细介绍了这一发现。

什么是生物发光？

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进化了 94 次。生物发光与多种动物行为有关，包括交流、求爱、伪装和狩猎。萤火虫、萤火虫，甚至陆地上的某些真菌物种也被认为是发光生物。

“没有人确切知道它为何首先在动物中进化，”研究报告的共同作者、史密森尼自然历史博物馆珊瑚馆长安德里亚·夸特里尼 (Andrea Quattrini) 在一份声明中说道。

人们曾认为，动物中最早出现生物发光的例子是大约 2.67 亿年前的小型海洋甲壳类动物，这种动物以充满粘液的同步交配舞蹈而闻名，被称为介形虫，直到这项新研究才使时光倒流。

八放珊瑚进化树

在这项研究中，研究小组回顾了八放珊瑚的进化史，以寻找这种现象首次出现在动物身上的线索。八放珊瑚是一种古老且经常发光的生物群落，包括海扇、海笔和软珊瑚。就像硬珊瑚一样，八放珊瑚是构成珊瑚礁结构的微小群体息肉，但它们主要是软体而不是石质。发光的八放珊瑚通常在受到撞击或其他干扰时会发光。据该团队称，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，八放珊瑚是地球上已知的最古老的生物发光动物群之一，”研究合著者、史密森尼国家自然历史博物馆博士后学者丹尼尔·德利奥在一份声明中说。“那么，问题是它们什么时候发展出这种能力的？”

他们转向了 2022 年构建的八放珊瑚详细进化树。这张进化关系图（或系统发育图）使用了 185 种不同八放珊瑚物种的基因数据。然后，该团队根据其物理特征将两块已知年龄的八放珊瑚化石放入进化树中。他们能够利用化石的年龄及其在进化树中的各自位置大致确定八放珊瑚谱系何时分裂成两个或更多分支。该团队最终绘制出了所有已知的现存发光生物物种的进化关系。

利用这棵进化树和包含标记的生物发光物种的分支，研究小组使用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。

“如果我们知道现存的八放珊瑚物种具有生物发光性，我们就可以利用统计数据推断它们的祖先是否具有生物发光性，”夸特里尼说。“具有共同特征的现存物种越多，随着时间的推移，这些祖先也具有这种特征的可能性就越大。”

多种统计方法都得出了相同的结论，大约 5.4 亿年前，所有八放珊瑚的共同祖先很可能都具有生物发光性，这比之前被认为是动物界最早生物发光进化例子的介形虫类甲壳动物早了约 2.73 亿年。

研究小组称，八放珊瑚有数千种现存物种，而且生物发光的发生率相对较高，这表明发光在该群体的进化成功中发挥了一定作用。虽然这并不能准确解释八放珊瑚使用生物发光的原因，但这种现象已经存在了很长时间，这表明这种交流方式对它们的生存有多么重要。

保护意义

现在，研究小组知道所有八放珊瑚的共同祖先可能已经能够发出自己的内部光亮，他们有兴趣更彻底地统计该群体中已知的 3,000 多种生物中哪些仍然具有生物发光性，哪些随着时间的推移失去了这种特性。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。

该团队还在开发一种基因测试，以确定八放珊瑚物种是否具有荧光素酶基因的功能性副本——荧光素酶是一种与生物发光有关的酶。未来的研究甚至可能表明，生物发光甚至更古老，并深深植根于珊瑚的进化史中。

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这项研究还指出了进化方面的见解，有助于监测和管理当今海洋中的八放珊瑚。它们目前受到矿产开采、捕鱼、石油和天然气开采和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) 最近证实，由于海洋温度不断升高导致的热应力，地球目前正在经历有记录以来的第四次全球珊瑚白化事件，也是过去 10 年中的第二次。八放珊瑚在极端温度下会像硬珊瑚一样白化。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。更好地了解它们的基因和生存所需的条件也可以为这些海洋生物制定更好的保护政策。