发布时间：2024-05-21 16:35:55 栏目：精选知识
根据史密森国家自然历史博物馆科学家的一项新研究结果，至少5.4 亿年前，生物发光首先在一种称为八珊瑚的海洋无脊椎动物中进化出来。
4 月 23 日今天发表在《英国皇家学会学报 B》上的研究结果，将动物身上发光特征最古老出现时间的记录向后推了近 3 亿年，有一天可能会帮助科学家解释为什么能够产生发光特征。光最初是进化出来的。
生物发光——生物体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，并涉及多种行为，包括伪装、求偶、交流和狩猎。到目前为止，动物体内生物发光的最早起源被认为是在大约 2.67 亿年前，在称为介形类的小型海洋甲壳类动物中。
但对于一个真正具有启发意义的特征来说，生物发光的起源仍然是个谜。
“没有人确切知道为什么它首先在动物中进化，”博物馆的珊瑚馆长兼研究资深作者安德里亚·夸特里尼 (Andrea Quattrini)说。
但对于夸特里尼和主要作者、博物馆研究员、前博士后研究员丹妮尔·德莱奥来说，为了最终解决生物发光为何进化这一更大的问题，他们需要知道这种能力何时首次出现在动物身上。
为了寻找这种特征的最早起源，研究人员决定回顾八珊瑚的进化史，八珊瑚是一种进化古老且经常发光的动物群，包括软珊瑚、海扇和海笔。和硬珊瑚一样，八珊瑚是微小的群居水螅体，它们分泌出一个框架来作为它们的避难所，但与它们的石质亲戚不同的是，这个结构通常是软的。八珊瑚通常只有在受到碰撞或其他干扰时才会发光，因此它们发光能力的精确功能有点神秘。
“我们想弄清楚生物发光的起源时间，八珊瑚是地球上已知的最古老的生物发光动物群体之一，”德莱奥说。 “那么，问题是他们什么时候培养出这种能力的?”
并非巧合的是，夸特里尼和哈维穆德学院的凯瑟琳·麦克法登于 2022 年完成了一幅极其详细、有充分证据支持的八放珊瑚进化树。夸特里尼和她的同事利用 185 种八放珊瑚的基因数据绘制了这幅进化关系图，即系统发育图。
有了这棵以遗传证据为基础的进化树，德莱奥和夸特里尼根据物理特征将两块已知年龄的八珊瑚化石放置在树内。科学家们能够利用化石的年龄和它们在八珊瑚进化树中各自的位置来粗略地弄清楚八珊瑚谱系何时分裂成两个或更多分支。接下来，研究小组绘制了以活生物发光物种为特征的系统发育分支。
在确定了进化树的年代并标记了包含发光物种的分支后，研究小组使用了一系列统计技术来进行一项名为“祖先状态重建”的分析。
夸特里尼说：“如果我们知道今天生活的这些八珊瑚物种具有生物发光能力，我们就可以利用统计数据来推断它们的祖先是否很可能具有生物发光能力。” “具有共同特征的现存物种越多，当你回到过去时，那些祖先也具有这种特征的可能性就越高。”
研究人员使用了多种不同的统计方法来重建他们的祖先状态，但都得出了相同的结果：大约 5.4 亿年前，所有八珊瑚的共同祖先很可能是生物发光的。这比发光介形类甲壳类动物早了 2.73 亿年，后者曾被认为是动物中最早进化出生物发光的动物。
德莱奥和夸特里尼说，八珊瑚的数千个现存代表和相对较高的生物发光发生率表明，这种特征在该群体的进化成功中发挥了作用。虽然这进一步引发了八珊瑚使用生物发光的确切目的的问题，但研究人员表示，生物发光被保留了这么长时间，这一事实凸显了这种交流形式对于它们的健康和生存有多么重要。
既然研究人员知道所有八珊瑚的共同祖先可能已经具备了自己发光的能力，他们有兴趣更彻底地了解该群体 3000 多个现存物种中哪些物种仍然可以发光，哪些已经失去了这种特性。这可能有助于将一系列与生物发光能力相关的生态环境归零，并可能阐明其功能。
为此，德莱奥说，她和她的一些合著者正在致力于创建一种基因测试，以确定八珊瑚物种是否具有荧光素酶基因的功能副本，荧光素酶是一种参与生物发光的酶。对于光度未知的物种，这样的测试将使研究人员能够更快、更容易地以某种方式获得答案。
除了揭示生物发光的起源之外，这项研究还提供了进化背景和见解，可以为当今对这些珊瑚的监测和管理提供信息。八珊瑚受到气候变化和资源开采活动的威胁，特别是捕鱼、石油和天然气开采和泄漏，以及最近的海洋矿物开采。
这项研究支持博物馆的海洋科学中心，该中心旨在推进和与世界分享海洋知识。德莱奥和夸特里尼表示，在科学家们能够理解为什么产生光的能力首先进化出来之前，还有很多东西需要了解，尽管他们的结果将其起源追溯到进化时代，但未来的研究仍然有可能发现生物发光甚至更加古老。
这项研究的作者包括来自佛罗里达国际大学、蒙特利湾水族馆研究所、名古屋大学、哈维穆德学院和加州大学圣克鲁斯分校的作者。
该研究得到了史密森尼学会、大卫和露西尔·帕卡德基金会、日本科学技术振兴机构和美国国家科学基金会的支持。
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