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那些会发光的生物为啥会发光?

2019/5/15 17:55:01 美国国家地理

​​撰文:Lynne·Lee


  生物发光是指在生物体内,由于生命过程的变化,通过化学反应将化学能转化为光能而发光的现象。生物发光是一种发光的形式,被称做冷光源,因为仅有低于20%的光产生热辐射。此外,生物发光也不应与荧光(生物荧光)、磷光(生物磷光)或是光的折射相混淆。在生物界中说到发光,我们首先就会想到萤火虫,但除了这种昆虫外还有许多生物也能够发光,这也是动物的一种谋生手段。生物发光广泛存在于海洋脊椎动物和无脊椎动物中,以及真菌、微生物,另外包括一些发光细菌和陆生无脊椎动物。约90%的深海生物都会产生某种形式的光,大多数生物发出蓝或绿光光谱,这样更容易通过海水传播,而非海洋生物的发光生物分布并不那么广泛,它们之中某些昆虫会发黄光。亚里士多德和老普林尼都曾提到潮湿的木头有时会发出光芒,许多个世纪以后,罗伯特•波义尔(Robert Boyle)证实了氧气参与了这个过程,无论是木头还是萤火虫的光辉。直到19世纪末,人们才对生物发光进行了适当的研究。

生物发光的化学机制

  生物发光大致可分为两类,一类是被动发光,如植物发光;另一类是主动发光,光是一种能量,主动发光是对能量的消耗,生物的生存策略有一个最基本的共同点,就是在维持生命的正常活动中最大限度地节省能量,因此发光必定是主动发光生物生存的一个重要的环节。此外,有些动物本身并不会发光,但在共生的环境中它们会利用发光细菌的光为自己服务。

那些会发光的生物为啥会发光?


  生物发光是化学发光的一种形式,其中光能通过化学反应释放出来。这个反应包括发光色素、荧光素、荧光素酶及酶类物质。由于荧光素/荧光素酶组合的多样性,所以在化学机制上的共性极少。从目前的研究系统来看,唯一统一的是氧离子的作用。例如萤火虫荧光素/荧光素酶反应需要镁和三磷酸腺苷(ATP)并产生二氧化碳、单磷酸腺苷(AMP)和焦磷酸盐(PP)作为废产物。另外还有其他辅因子可能需要参与反应,如水母发光蛋白的钙离子,或萤火虫荧光素酶的镁离子和三磷酸腺苷(ATP)。维多利亚多管发光水母(Aequorea victoria)并没有使用荧光素酶,取而代之的是另一种叫做光蛋白的蛋白质,它是一种特殊的水母素。当钙离子增加时,快速的催化作用会产生短暂的闪光,这与荧光素酶所产生的持续发光不同。


  有生物发光现象的物种在整个进化过程中独立出现过四十多次。在这个进化过程中,荧光素往往变化趋势不大:特别是腔肠素,是动物界九个门的发光色素,包括放射虫亚门、丝足虫门、原生动物、栉水母、刺胞动物门(包括水母、珊瑚)、甲壳亚门、软体动物门、毛颚动物门和脊椎动物亚门(辐鳍鱼)。但并不是所有这些生物都能合成腔肠素:有些是要通过食物食获得的。相反地,荧光素酶有很大的差异,并且在每个物种间趋于不同。

生物发光的作用

  生物发光在不同的类群中具有多种功能。Steven Haddock等人将生物发光大致明确的功能列举如下。尽管仍然有些发光的意义还是未知的,例如像蚯蚓(寡毛纲)的三个科的物种一样,但可以肯定的是绝大多数主动发光生物的发光是有用途的。对研究人员来说,发现一个物种能够发光要比分析其化学机制或证明光的功能要容易许多。


那些会发光的生物为啥会发光?


对抗照明式伪装


  在深海动物中,某些种类的鱿鱼身上的发光菌可发出与上方照射光强相同的光使自身隐蔽,这种现象就是对抗照明。对于这些动物,感光囊用来控制对比光线以达到与周围环境优化匹配。通常情况下鱿鱼身上的细菌发光组织与感光组织分离。这些发光器官通常是从含有生物发光细菌的组织中分离出来的,光感受器可以控制发光以匹配背景的亮度。例如萤火鱿(Watasenia scintillans)的对抗照明式伪装原理。当捕食者从萤火鱿的下面看到它时,萤火鱿体内的发光器与感光器共同作用下,它可依照深度来调整自身的亮度和颜色与海面相匹配。

吸引猎物或配偶


  一种来自新西兰的蕈蚊——小真菌蚋(Orfelia fultoni)生活在没有天敌的洞穴环境中,它的幼虫会发出蓝绿色的光。小真菌蚋悬挂在丝线上,它们会发光以吸引飞虫,当猎物被缠住时,它们的钓丝就会随之摆动。另一种来自北美生活在河坡和悬岩下的蕈蚊幼虫的生物发光也有类似的功能。 Orfelia fultoni会织出有粘性的小网,并发出深蓝色的光。它有一个内置的生物钟,即使在完全黑暗的环境中,它也会按照昼夜节律开关它自身的光。


  萤火虫用光来吸引配偶,按物种分为两种系统;一种是雌性在交配季节腹部规律性的闪烁来吸引雄性;在另一种情况下,飞行的雄性会发出信号,而有时定栖的雌性会做出反应。叩头虫科在飞行时腹部会发出橙色的光,当它们受到干扰或在地面上移动时胸部会发出绿色的光。前者可能是一个性引诱剂,但后者可能是防御性的。


那些会发光的生物为啥会发光?(2)


  在海洋环境中,利用发光来吸引配偶的现象仅在一种介形亚纲的甲壳类动物身上确切地观察到过。科学研究表明性引诱剂适用于远程吸引异性,而生物发光适用于近距离呼唤对方。某些深海鱼类如发出光吸引猎物。这种鱼的头部伸出悬挂的发光器可将小型鱼类吸引到自身附近。有的鱼却反其道而行之。

防卫


  许多头足纲动物,包括至少70个属,都是生物性发光的。某些鱿鱼和小型甲壳亚门动物使用化学混合物或发光细菌浆,就像许多乌贼喷的墨水一样驱赶敌人,从而逃走。所有种类的萤火虫幼虫都能发出警示性的光来驱走捕食者。当动物逃到安全的地方时,一团发光的物质被排出去,以分散或击退潜在的捕食者。深海鱿鱼Octopoteuthis deletronmay会切除其发光的触腕,并且是能够继续抽搐和发光的部分,从而在动物逃离时分散捕食者的注意力。


  双鞭毛虫门可以利用生物发光来防御捕食者。当它们察觉到捕食者时,就会发出光芒,这可能会吸引更高营养水平的捕食者的注意,从而使它的捕食者本身更容易受到攻击。在深海掠食性鱼类中,发光的胃内容物的问题得到了解决(已证实了这一解释):它们的胃有一个黑色的内层,能够阻止任何生物性发光的猎物所发出的光不被发现。希氏弯喉海萤(Vargula hilgendorfii)是一种生活在沉积物中的小型甲壳类动物。在静止时,它会发出暗淡的光,但当它受到干扰时,它会迅速离开,留下一团微微发亮蓝的光,以迷惑捕食者。在第二次世界大战期间,它被收集起来晒干,供日本军方在秘密行动中作为光源使用。


那些会发光的生物为啥会发光?(3)


警告


  警告作用是生物发光一种广泛应用的功能,它能够将警告的信号发送出去,即此生物是有危险的。许多萤火虫幼虫发光以击退捕食者;有些倍足纲动物发光也是为了同样的目的。同样,一些海洋生物也因为类似的原因而发光。其中包括多鳞虫科、水母和蛇尾,但要充分确定其发光的功能还需要进一步的研究。如果软体刺胞动物门能够以这种方式阻止捕食,这种机制对它们来说尤其有利。Latia neritoides是已知的唯一能够发光的淡水腹足纲动物。它能产生绿色的发光粘液,可能具有反捕食者功能。海洋蜗牛Hinea brasiliana利用发光,能够阻止捕食者。蓝绿色的光通过半透明的外壳射出,这是一个有效的光散射器。

沟通与传播


  以群体感应形式进行的通信在许多细菌的发光调节中起着重要作用。这种作用会提升宿主的共生效应,并对菌丛聚集产生影响。虽然很多浮游生物都会发光,但火体虫(Pyrosomsa)的生物发光在其光彩和持续发光方面是不寻常的 。因为每个个体动物都会检测光线,然后发出光线,火体虫通常会在集群中来回传递光线。每个个体包含一对发光器官靠近外衣,这些器官充满了可能是细胞内生物发光细菌的发光细胞器。在集群内移动的生物发光波显然不是由神经元传播的,而是由光刺激过程传播。 闪烁的火体虫不仅通过发光刺激群体内的其他个体发光,而且邻近的火体虫群体也会响应进行生物发光。火体虫群体对机械刺激(接触)做出生物发光响应,正如同光的激发一样。



模仿


  生物发光被许多动物用来模仿其他物种。许多深海鱼类,如鮟鱇鱼,利用攻击拟态来吸引猎物。它们的头上有一个叫做皮瓣(也叫做皮质穗)的附加物,其中含有发光菌,能够产生一种鱼可以控制的持久发光。发光的皮瓣摇摆不定,以吸引小动物靠近。雪茄达摩鲨(Isistius brasiliensis)利用生物发光并通过反射光来伪装,不过其胸鳍附近的暗色小斑点在某些大型掠食性鱼类如吞拿鱼和鲭鱼看来就像它们捕食的小鱼。雪茄达摩鲨会借由腹部发光来引诱猎物,当它们接近这些“小鱼”时,雪茄达摩鲨就会用下颚那如锯齿般的锐利牙齿将其咬住,随即成为鲨鱼的美餐。

照明


  虽然大多数海洋生物发出的光是绿色到蓝色的,但某些深海巨口鱼科的奇巨口鱼属、厚巨口鱼属和柔骨鱼属能产生红光。这种适应性使它们能够看到红色的猎物。因为海水把红光滤掉,所以这些红鱼在深海环境中通常是不可见的。黑柔骨鱼(Malacosteus niger),也称作黑软颌鱼是能够产生红光的鱼类之一。然而,它的眼睛对这种波长并不敏感;它们有一种额外的视网膜色素,在被照亮时发出蓝绿色的荧光,这提醒了它注意猎物的存在。​​​​

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