Science聚焦海洋中的生物发光

　　

从细菌到鱼类，一大群海洋生物依靠生物发光来寻找食物，吸引同类以及躲避天敌。这些生物的栖息范围很广，从极地到热带，从地表水域到海底。不同的生物化学系统和多样的系统发育分布模式突出了生物发光的生态学优势，而遗传学分析为其进化机理提供了新见解。然而，有些生物发光系统的来源和功能仍不清楚。

在最新一期（5月7日）的《Science》杂志上，美国海洋研究与保护协会的E.A. Widder回顾了海洋中生物发光的最新进展，总结了生物发光的功能和生化可变性，并讨论了导致生物发光的进化过程。

生物发光的颜色各异，如同彩虹一般，且绚丽夺目。由于大部分生物发光是在开放海域中进化的，所以发射光谱主要是蓝色，波长在475 nm附近。其次是绿色，主要在深海和沿海物种中发现，这可能是因为水中混浊度的增加，散射了蓝光，并支持了更长波长的传播。紫色、黄色、橙色和红色都很稀少，而且它们的功能仍是一个谜。

（图片来自原作者）

生物发光有哪些功能？作者认为，了解生物发光在特定物种中的功能有助于了解环境施加了哪些选择压力。生物发光的许多功能反映了生物进化时所处的视觉环境的独特性质。开放海域是一个无处可藏的地方，阳光直射下来，穿过海水，每75米强度减弱约10倍，直至1000米以下一片漆黑。为了躲藏，许多动物在白天垂直向下迁移，只有在夜幕降临时才冒险进入食物丰富的地表水域。

这种迁移的结果是，大部分开放水域的栖息者在昏暗的光线或黑暗处生活，而生物发光通过三种途径帮助它们生存下来。首先，它帮助定位食物；其次，它凭借物种特异的空间或时间发光模式，来吸引同类；再次，它还能作为防御天敌的武器。最后一点颇为常见，比如乌贼和水母，在遇到危险时，会向水中释放发光的化学物质，让敌人分心或看不见。

生物发光中的化学反应必须是能量充足的，以产生单重激发态分子，当单重激发态分子回到基态时，就产生可见光子。包含分子氧的氧化反应适合这一原则，这也解释了生物发光反应中的主要机制包括了过氧化氢键的断裂。通常将发光反应称为萤光素酶与萤光素之间的反应，即酶与底物的作用，但实际上这种反应也分为好几类。人们熟知的萤光素就有四种，分别为细菌萤光素、腰鞭毛虫萤光素、腔肠萤光素和Cypridina萤光素。

生物发光究竟是如何形成的呢？作者探究了几种进化适应。在深海琵琶鱼（Linophryne coronata）中，头部的生物发光是细菌来源的，而下巴触须的发光却不清楚。在章鱼中，它的吸盘是发光器官。在被囊动物中，发光来自假定的细菌共生体。

作者还认为，随着原位传感器技术及其它观测平台的改善，此领域会有一些新发现，再加上实验室的基因组学和生物学研究的深入，能更好地理解海洋中生物发光的生态学重要性及适应值。（生物通 薄荷）

原文摘要：

Bioluminescence in the Ocean: Origins of Biological, Chemical, and Ecological Diversity

Science 7 May 2010: Vol. 328. no. 5979, pp. 704 - 708

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