閃爍在黑暗中的生物熒光

編譯 方陵生

適應(yīng)黑暗環(huán)境的一種生存機(jī)制

世界上有很多能發(fā)出生物熒光的生物，其中螢火蟲(chóng)是大家比較熟悉的一種。

螢火蟲(chóng)，在漆黑的暗夜里發(fā)出閃閃爍爍的黃綠色光芒

如果你是第一次看到螢火蟲(chóng)，想來(lái)一定會(huì)多看它兩眼。在漆黑的夜里看到閃爍的黃綠色光芒，讓人仿佛置身于一個(gè)奇妙無(wú)比的世界中。這種會(huì)發(fā)光的小蟲(chóng)似乎不屬于地球，倒像是來(lái)自天外的神奇生物。

事實(shí)上，從歐洲到亞洲，螢火蟲(chóng)都是一種比較常見(jiàn)的生物。螢火蟲(chóng)是屬于螢科的一種甲蟲(chóng)，有些雌蟲(chóng)沒(méi)有翅膀，看起來(lái)就像幼蟲(chóng)。雌蟲(chóng)白天躲藏在地底下，夜晚爬到地面植物的根莖上，從肚腹處發(fā)出熒光，吸引從旁經(jīng)過(guò)的雄蟲(chóng)。

在包括澳大利亞、新西蘭和鄰近的太平洋島嶼在內(nèi)的一片區(qū)域，“會(huì)發(fā)光的小蟲(chóng)”指的是一種以真菌為食的小真菌蚋的幼蟲(chóng)。其中一些小真菌蚋是食肉動(dòng)物，它們通過(guò)身體尾部的發(fā)光器官發(fā)出藍(lán)綠色光芒來(lái)引誘獵物。小真菌蚋幼蟲(chóng)的生物熒光構(gòu)成的奇特景觀吸引著世界各地的游客，如新西蘭的螢火蟲(chóng)洞穴就是觀賞這種生物熒光的一處著名景點(diǎn)。

無(wú)論是在黑夜里的陸地上，還是在陽(yáng)光難以穿透的深海區(qū)域，在黑暗處發(fā)出生物熒光是許多物種用來(lái)捕食或傳遞信息的一種非常重要的生存手段。世界上大多數(shù)發(fā)光生物都生活在海洋深處。據(jù)估計(jì)，發(fā)光生物中90%都生活在500～1000 米深的光線昏暗的海底?？茖W(xué)家認(rèn)為，生物發(fā)光在海洋中比在陸地上更為普遍，是因?yàn)楹Ｑ笪锓N比陸地物種進(jìn)化得更早。生物發(fā)光在淡水環(huán)境中較少見(jiàn)，可能是因?yàn)檫@些棲息地發(fā)展較晚，生物多樣性程度也較低。

縱觀整個(gè)生物進(jìn)化史，從螢火蟲(chóng)到真菌再到魚(yú)類(lèi)，生物熒光已經(jīng)進(jìn)化了很多次?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)：在深海環(huán)境中，絕大多數(shù)的物種都是發(fā)光生物，其中，深海區(qū)域中80%以上的魚(yú)類(lèi)物種會(huì)發(fā)出生物熒光。顯然，生物發(fā)光是海洋生物在進(jìn)化過(guò)程中為適應(yīng)黑暗的海底環(huán)境而進(jìn)化出的一種必不可少的生存適應(yīng)機(jī)制。

生物熒光是怎么產(chǎn)生的？

螢火魷通過(guò)身體上許多微小的發(fā)光器官發(fā)出生物熒光

螢火魷的發(fā)光器官中寄居著一種生物發(fā)光細(xì)菌——費(fèi)氏弧菌

生物發(fā)光是分子水平上的發(fā)光機(jī)制，是自然界最迷人的現(xiàn)象之一。

發(fā)光生物通過(guò)體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生冷光，其中的關(guān)鍵分子是一種叫作lucifer 的熒光素，lucifer 在拉丁語(yǔ)中的意思是“光明使者”。

“熒光素”一詞是在19 世紀(jì)由藥理學(xué)家拉法爾·杜布瓦發(fā)明的。當(dāng)時(shí)他在研究時(shí)鐘甲蟲(chóng)和雙殼類(lèi)軟體動(dòng)物。發(fā)光生物能夠發(fā)光，是因?yàn)闊晒馑卦跓晒馑孛富蚬獾鞍酌傅拇呋饔孟屡c氧發(fā)生反應(yīng)。在這種化學(xué)反應(yīng)中，電子被“激發(fā)”，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，當(dāng)熒光素放松到正常狀態(tài)時(shí)，它就會(huì)釋放光子而發(fā)光。不同的熒光生物體內(nèi)含有不同類(lèi)型的熒光素。

許多發(fā)光生物可以自己合成熒光素，如一種叫作“腰鞭毛蟲(chóng)”的微小海洋生物。每當(dāng)夜晚降臨，大群腰鞭毛蟲(chóng)就一起出現(xiàn)在海面上，海上就會(huì)亮起一大片忽明忽暗、閃爍的藍(lán)色熒光。其他一些發(fā)光生物，有的從食物中吸收熒光素，有的通過(guò)與其他生物的共生關(guān)系獲得熒光素。這些共生有機(jī)體之間在生物學(xué)上有十分密切的關(guān)系，它們通過(guò)這種共生關(guān)系或者雙方都能夠獲益；或者只有一方獲益，但對(duì)另一方無(wú)害；或者寄生的一方會(huì)給宿主造成傷害，但并不會(huì)置對(duì)方于死地。

例如，在夏威夷短尾烏賊的發(fā)光器官中寄居著一種生物發(fā)光細(xì)菌——費(fèi)氏弧菌。費(fèi)氏弧菌通過(guò)烏賊獲得營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，作為回報(bào)則幫助宿主隱蔽身影，使烏賊與月光下的大海融為一體，因而不會(huì)因?yàn)樵诤４采贤断律碛岸徊妒硠?dòng)物發(fā)現(xiàn)。

科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，一種被稱(chēng)為“清道夫”的小型熱帶魚(yú)進(jìn)化出了一種特殊的能力：它們通過(guò)進(jìn)食，從生物發(fā)光的介形動(dòng)物獵物中獲取化學(xué)物質(zhì)，然后將其輸送到自身的發(fā)光器官。這種特殊能力以前曾在蟾蜍魚(yú)身上發(fā)現(xiàn)過(guò)，與毒箭蛙從獵物中攝取和儲(chǔ)存毒素的能力和海蛞蝓攝取和儲(chǔ)存葉綠體的能力相似。

科學(xué)家指出，對(duì)這種特性進(jìn)化到底經(jīng)歷了多少中間步驟很難想象，但可以確定的是，生物熒光進(jìn)化在魚(yú)類(lèi)身上已發(fā)生過(guò)多次。

發(fā)光生物是如何利用生物熒光的？

發(fā)光生物不僅能發(fā)出生物熒光，而且能吸收生物熒光。發(fā)光生物能夠發(fā)出熒光是由于它們的皮膚或其他組織中的蛋白質(zhì)能夠從陽(yáng)光中吸收能量，然后發(fā)出不同顏色的熒光。

生活在海洋或沙灘上的一些生物，通過(guò)身體特定部位發(fā)出的熒光進(jìn)行捕食或交流。海洋深處的某些生物熒光可能沒(méi)有特定的功能，而只是身體組織中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)品。

綠色和藍(lán)色是海洋中最常見(jiàn)的生物熒光顏色，因?yàn)檫@些顏色的光波長(zhǎng)較短，在水中的傳播距離最遠(yuǎn)。許多海洋物種無(wú)法處理黃色、紅色或紫色，這是因?yàn)檫@些顏色的波長(zhǎng)較長(zhǎng)。紅色生物熒光在海洋世界中相對(duì)罕見(jiàn)，但有些魚(yú)正是利用了這一點(diǎn)給自己帶來(lái)益處。

深海龍魚(yú)就是一種能夠發(fā)出紅色生物熒光的海洋生物，這種特別的熒光可以幫助深海龍魚(yú)照亮并跟蹤獵物而又不被對(duì)方發(fā)現(xiàn)。深海龍魚(yú)利用自己巨大的顎，張開(kāi)大嘴，用鋒利的牙齒將獵物殺死。

紅色熒光對(duì)夜間出沒(méi)在陸地上的發(fā)光生物也很有用。一種叫作“蘋(píng)果實(shí)蠅”的甲蟲(chóng)，能夠在黑暗中發(fā)出紅色的生物熒光。這就好比給它們裝備了夜視鏡，讓它們能夠在夜晚的森林地面上潛行，伏擊毫無(wú)防備的獵物。

許多生物都會(huì)利用生物熒光來(lái)抵御捕食者。水母經(jīng)常會(huì)采用這種策略，比如：有些水母發(fā)出耀眼的生物熒光嚇跑捕食者；另一些水母將閃爍的發(fā)光粒子釋放到海里作為誘餌；還有一些水母在危急時(shí)刻甚至?xí)奚糇约荷眢w上發(fā)光的某個(gè)部分（如發(fā)出生物光的觸須），以分散捕食者的注意力，自己趁機(jī)逃離。有些生物甚至?xí)a(chǎn)生發(fā)光的黏液，粘在捕食動(dòng)物身上，使捕食者喪失攻擊力。

利用生物發(fā)光來(lái)逃避捕食者追捕的還有許多其他海洋生物，比如：鞭毛藻發(fā)光時(shí)，會(huì)引來(lái)捕食者的天敵，鞭毛藻就可借機(jī)逃離；一些鱗片蟲(chóng)、蛇尾海星和海參在面臨生死危機(jī)時(shí)，會(huì)放棄某個(gè)會(huì)發(fā)光的身體部件；某些種類(lèi)的蝦和魷魚(yú)在快速逃離時(shí)，會(huì)噴射出一團(tuán)發(fā)出微弱閃光的黑水，掩護(hù)自己逃跑。

櫛水母發(fā)出熒光來(lái)抵御捕食者

海底美麗的發(fā)光水母

一些深海生物，如海鰓，通過(guò)發(fā)出生物熒光來(lái)嚇退捕食動(dòng)物

會(huì)發(fā)出生物熒光的不僅是螢火蟲(chóng)和海洋生物，一些真菌也會(huì)利用生物熒光來(lái)吸引昆蟲(chóng)，其目的不是捕獵，而是利用昆蟲(chóng)將真菌孢子傳播到森林中更多隱蔽處的地面上。動(dòng)物王國(guó)中其他“散播種子”的方法還包括會(huì)發(fā)光的嘔吐物。

介形蟲(chóng)是微小的甲殼類(lèi)動(dòng)物，有一種通常被稱(chēng)為“夜光藻蝦”或“海螢”的，在世界各地的海洋和淡水環(huán)境中都能找到它們。雄性介形蟲(chóng)通過(guò)吐出一團(tuán)發(fā)光的黏液來(lái)吸引配偶。各種介形類(lèi)動(dòng)物會(huì)吐出形態(tài)各異的黏液，有的呈螺旋形，有的呈之字形等。

螢火蟲(chóng)是發(fā)光生物中最有名的，它們不屬于蠅類(lèi)，而是七鰓鰻科的一種甲蟲(chóng)，許多種類(lèi)的螢火蟲(chóng)都能產(chǎn)生生物熒光。生物學(xué)家認(rèn)為，它們是通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)入發(fā)光器官的氧氣量來(lái)控制從腹部發(fā)出的光線強(qiáng)弱的。每到夜晚，雄蟲(chóng)通過(guò)一閃一閃的熒光向雌蟲(chóng)發(fā)出求偶信號(hào)，雌蟲(chóng)也會(huì)適時(shí)發(fā)出一連串的閃光做出回應(yīng)。每只螢火蟲(chóng)的閃光模式都不同，所以它們通常不會(huì)找錯(cuò)對(duì)象。

然而，光污染正在破壞螢火蟲(chóng)的這種交配儀式。2019 年發(fā)表的一篇研究報(bào)告指出，螢火蟲(chóng)的生物發(fā)光求偶行為受到人造光的嚴(yán)重影響。所以，晚上請(qǐng)注意熄燈，不要打擾這些小生物的安寧。

目前，科學(xué)家使用生物熒光作為分子生物學(xué)的革命性工具。綠色熒光蛋白（GFP）天然存在于水晶水母體內(nèi)，科學(xué)家將這種發(fā)出亮綠色的綠色熒光蛋白的基因插入細(xì)胞，可應(yīng)用于各種生物醫(yī)學(xué)研究中。

黑暗中發(fā)光的哺乳動(dòng)物

哪些哺乳動(dòng)物可以發(fā)出熒光？

20 世紀(jì)80 年代，當(dāng)人們用紫外線照射博物館中北美負(fù)鼠的標(biāo)本時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們的腹部毛皮發(fā)出粉色光，這是生物熒光在哺乳動(dòng)物中的首次記錄。這些物種都在夜間活動(dòng)，因此它們的發(fā)光能力有可能與弱光下的交流或偽裝有關(guān)。2019 年，人們又在北美的三種夜行性飛鼠身上發(fā)現(xiàn)了發(fā)粉色光的現(xiàn)象。

我們還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多發(fā)光的哺乳動(dòng)物嗎？

2020 年10 月，美國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)，鴨嘴獸在紫外線下會(huì)發(fā)出藍(lán)綠色光。與之前一樣，學(xué)者們也是在檢查其皮膚標(biāo)本時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)的。緊接著，西澳大利亞博物館研究人員開(kāi)始檢查自己的收藏，結(jié)果發(fā)現(xiàn)袋熊在紫外線下也會(huì)發(fā)光。這不僅展示了博物館藏品的研究?jī)r(jià)值，也讓我們對(duì)發(fā)現(xiàn)更多能發(fā)出生物熒光的哺乳動(dòng)物充滿(mǎn)期待。

負(fù)鼠的腹部毛皮發(fā)出粉色光

鴨嘴獸在紫外線下會(huì)發(fā)出藍(lán)綠色光

袋熊在紫外線下也會(huì)發(fā)光