萤火鱿（Watasenia scintillans）根据社会环境调节发光器表达：双色生物发光在深海种内社会通讯中的潜在作用

《Marine Biology》：Firefly squid modulate photophore expression in relation to their social environment

　　

萤火鱿（Watasenia scintillans）拥有独特的蓝色和绿色生物发光发光器（photophore）。由于该物种拥有三种视觉活性色素（这在以单色视觉系统为主导的深海中是一种极为罕见的特征），研究人员推测萤火鱿可能利用两种不同颜色的发光器进行私密的种内通讯。在本研究中，研究人员将萤火鱿暴露于一系列社会处理条件下，并记录其发光器反应。研究发现，绿色发光器的表达在社会环境中比在独居环境中更强。每个个体活跃发光器的空间分布无法用于将其与其他个体区分开来，这表明发光器不太可能在该物种中促进个体识别。最后，个体根据其感知到的社会邻居的发光器动画，调整自身蓝色和绿色发光器的表达。遵循这些交互规则的模拟萤火鱿种群被发现会同步提高其绿色与蓝色发光器的比例，这表明绿色发光器可能在协调同步群体活动（如上升到水面产卵）中发挥作用。未来的研究若能厘清该物种蓝色和绿色发光器分别提供的色调和亮度信息，将为了解该物种的三色视蛋白系统（trichromatic opsin system）是否确实转化为颜色视觉的行为学证据提供关键见解。

论文解读

一、研究背景与科学问题

生物发光在海洋中极为普遍，据估计约76%的海洋类群具有不同程度的生物发光能力。生物发光的功能因类群而异，从伪装到繁殖，通常通过专门的发光器官（photophore）或生物发光液体喷射来实现。其中，反照明（counterillumination）是海洋生物发光的一种广泛功能，即动物利用腹部发光器匹配下行光的各种属性（强度、角度分布、颜色），以避免被下方的捕食者发现。然而，生物发光用于通讯的功能在海洋系统中研究较少。在陆地甲虫中，萤火虫利用其闪光的时序特性来区分同种和异种个体，避免跨物种交配，这种生物发光通讯已被充分记录。但在海洋系统中，同种个体间的生物发光通讯仅在单一物种——闪光鱼（Anomalops katoptron）——中被记录，该物种利用生物发光闪光促进夜间群游行为。

萤火鱿（Watasenia scintillans）是头足类和其他深海生物中不同寻常的存在，因为其腹部表面拥有两种不同发射光颜色的发光器：短波长蓝色和中波长绿色。该物种拥有三种主要类别的发光器分布于全身：1）散布于整个腹部表面的小型皮肤发光器，2）聚集在眼睛周围的大型发光器，3）聚集在第四对腕末端的大型明亮发光器。其生物发光反应已被充分表征，涉及荧光素-荧光素酶反应，需要分子氧、ATP和Mg2?产生氧化荧光素这一发光化合物。每个发光器仅产生蓝色或绿色光，单个发光器不会在颜色之间动态切换。

更为特殊的是，萤火鱿拥有三种视觉活性光色素（A1色素λ_max = 484 nm；A2色素λ_max = 500 nm；A4色素λ_max = 470 nm），而大多数深海生物仅拥有单一视觉色素。含有各光色素的感光细胞类型在眼睛中具有不同的空间分布，A1细胞广泛分布于视网膜但缺失于腹侧区域，而A2和A4细胞仅存在于视网膜腹侧区域。由于A2和A4同时存在于视网膜腹侧部分，萤火鱿可能在其视野对应的背侧部分具备颜色辨别能力。因此，萤火鱿成为未来研究提供头足类颜色视觉首个行为学证据的有力候选物种。

基于以上背景，本研究提出以下科学问题：萤火鱿是否利用其双色发光器进行社会通讯？研究人员预期个体可能根据社会邻居的存在和行为（就发光器表达而言）调节其蓝色和绿色发光器的相对表达。鉴于萤火鱿每年进行大规模群体产卵，生物发光社会信号可能为促进和协调重要的群体活动提供关键的通讯手段。

二、研究设计与主要技术方法

本研究采用多种实验和模拟手段相结合的方法。实验用萤火鱿由日本富山湾渔民于2022年和2023年3月使用定置网和抄网采集，所有个体均为野生且实验前未经过训练，所有个体被假定为接近寿命末期（约1年）的雌性，因为雄性在富山湾渔获中极为罕见。

研究涉及以下主要技术方法：1）初步观察（Preliminary Observations）：与BBC自然历史部合作，利用2022年拍摄的录像，从215分钟、6段视频中筛选出30张合格截图（15个个体，每只2张），通过ImageJ软件进行锐化和颜色阈值分割（Li阈值法），数字化重建个体活跃腹部发光器的空间分布（称为发光器星座，photophore constellation），并量化各身体部位蓝色和绿色发光器的数量、位置和面积。2）实验一（Experiment 1）：将萤火鱿暴露于两种社会环境处理中——独居处理（1只个体）和社会处理（10只个体），从下方拍摄10分钟，重建发光器星座，使用线性混合效应模型（LMMs）和广义线性混合效应模型（GLMMs）分析社会处理对六项发光器参数的影响。3）实验二（Experiment 2）：向独居个体展示具有不同蓝绿发光器比例的动画鱿鱼（纯蓝、纯绿、混合三种处理），使用分光光度计（Ocean HDX UV-VIS）表征两种色调在LCD屏幕上相对于萤火鱿三种视觉色素吸收光谱的相对亮度，分析个体在动画暴露前后的发光器表达变化。4）模拟（Simulation）：基于实验二的结果建立局部交互规则，在Python v3.12.7中模拟人工萤火鱿种群，个体根据最近邻居的绿色发光器比例（P_G）调整自身蓝绿发光器数量，模拟不同种群规模和邻居半径（NR）组合下的群体颜色动态。

三、研究结果

实验一：社会环境对发光器表达的影响

研究发现，与独居个体相比，社会个体拥有更少的绿色发光器（GLMM z = ?2.215, p = 0.027）和更小的绿色发光器总面积覆盖（LMM t = ?2.379, p = 0.028）。蓝色发光器的数量（GLMM z = ?0.040, p = 0.968）和总面积覆盖（LMM t = 0.524, p = 0.608）在两种处理间无显著差异。绿色发光器比例（P_G）在独居（13.8 ± 5.7%）和社会（23.9 ± 4.3%）个体间无显著差异。

随时间变化方面，独居个体的绿色发光器数量随时间减少（GLMM z = ?2.728, p < 0.001），蓝色发光器数量不变。社会个体的绿色（GLMM z = ?13.660, p < 0.001）和蓝色（GLMM z = ?5.704, p < 0.001）发光器数量均随时间减少。但两种处理下绿色发光器比例均不随时间显著变化。

在个体识别方面，无论仅考虑绿色发光器（LMM t = 0.594, p = 0.533）、仅考虑蓝色发光器（LMM t = 1.480, p = 0.139）还是同时考虑两者（LMM t = 1.014, p = 0.310），发光器星座在个体内不同时间点的相似度均不高于个体间的相似度，表明发光器的空间分布不能用于个体识别。

实验二：对动画鱿鱼的反应

暴露于蓝色动画后，个体绿色发光器数量增加（GLMM z = 4.709, p < 0.001），蓝色发光器数量增加（GLMM z = 7.479, p < 0.001）。暴露于混合动画后，绿色发光器数量增加（GLMM z = 4.728, p < 0.001），蓝色发光器数量增加（GLMM z = 6.063, p < 0.001），蓝色发光器总面积覆盖增加（LMM t = 2.442, p = 0.018）。暴露于绿色动画后，绿色发光器数量不变（GLMM z = 1.457, p = 0.145），蓝色发光器数量减少（GLMM z = ?4.739, p < 0.001）。各处理下绿色发光器比例均无显著变化。

动画呈现顺序对发光器表达有影响：动画较晚呈现时，绿色发光器数量（LMM z = 7.190, p < 0.001）和总面积覆盖（LMM t = 2.188, p = 0.033）更高，但动画顺序对蓝色发光器无显著影响。

模拟：局部交互规则是否导致模拟萤火鱿的涌现动态

当个体能够观察并对至少一个其他个体的发光器做出响应时，无论种群规模或邻居半径如何，种群的平均绿色发光器比例（P_G）均随时间增加并渐近于100%。当个体无法交互时，种群平均P_G不变。在可交互的模拟中，平均P_G梯度为每轮+0.526 ± 0.0005%，渐近P_G为100.00 ± 0.00%；在不可交互的模拟中，渐近P_G为13.68 ± 0.62%。当排除不可交互的模拟后，种群规模对P_G梯度无显著影响（LM t = ?0.509, p = 0.611），而邻居半径对P_G梯度有显著负效应（LM t = ?3.001, p = 0.003）。

四、讨论与结论

本研究表明，萤火鱿根据其社会环境调节自身的发光器表达。具体而言，绿色而非蓝色发光器的表达受个体独居或社会环境的影响，这可能暗示绿色发光器在社会互动中的作用。此外，个体根据动画鱿鱼的发光器调整自身的发光器表达。当模拟人工萤火鱿种群遵循这些局部交互规则时，群体水平的颜色变化涌现动态明显可见。

社会个体比独居个体表达更多绿色发光器，而蓝色发光器数量在两种环境中相似。这种社会环境中绿色发光器表达的上调可能暗示绿色发光器在社会互动中的作用。蓝色光在水中穿透距离比绿色光更远，蓝色发光器可能作为同类聚集的线索。一旦个体聚集，下调蓝色发光器表达以避免捕食者的不必要注意可能是有利的。

关于个体识别，研究未发现萤火鱿能利用活跃蓝色或绿色发光器的空间分布进行个体识别的证据。发光器星座在个体内不同时间点的相似度不高于个体间的相似度，表明发光器星座提供的关于个体身份的任何线索都不会随时间保持稳健。然而，仅使用最近邻距离（NND）一种方法量化星座差异，且鱿鱼皮肤的伸缩性和身体旋转偏差引入了比较噪声，深度学习方法可能为发光器星座的个体识别或其他社会功能提供替代见解。

实验二的结果表明，当暴露于纯蓝或蓝绿混合的动画鱿鱼时，个体增加自身蓝色和绿色发光器的表达；当暴露于纯绿动画鱿鱼时，个体维持绿色发光器表达但减少蓝色发光器表达。然而，由于两种发光器类型在亮度和色调上均存在差异，本研究无法单独区分这些反应究竟源于颜色差异、亮度差异，还是两者组合信号的差异。未来使用等亮度但不同色调的刺激物呈现给鱿鱼，对于厘清亮度和色调对发光器表达的相对贡献至关重要。

模拟结果表明，在所有个体能够交互的模拟中，种群平均绿色发光器比例随时间增加并渐近于100%。这种同步的绿色比例增加可能表明绿色发光器（或蓝绿发光器相对比例）可能促进协调的群体行为，如大规模产卵。然而，即使在仅有两个个体的种群中也观察到同步的绿色比例增加，因此任何绿色发光器可能提供的群体协调信号可能需要结合周围同类的颜色和该颜色信号的总亮度，只有大群体且高绿色比例才能超过协调群体行为的激活阈值。

研究结论：个体的社会环境影响其发光器表达，这可能暗示发光器在该物种社会互动中的作用。未来测试萤火鱿颜色视觉行为学证据的研究，不仅将提供头足类中罕见的颜色视觉案例，还将为本文提出的叙事提供关键见解。