螢火蟲的“光”從何而來？

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水殿清風玉戶開，飛光千點去還來……從古至今，當一群群閃爍著微光的螢火蟲出現在夜晚的草叢時，總會形成一道亮眼的風景線，引發關注。

螢火蟲發出的“光”又稱為生物熒光，是自然界中最奇特的生命現象之一。那么，這些“光”從何而來？為什么有些蟲發光、有些蟲不發光？會發光的蟲到底有多少種……

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螢火蟲 李學燕供圖

中國科學院昆明動物研究所（以下簡稱昆明動物所）進化基因組學與基因起源課題組副研究員李學燕帶領的一支研究團隊，自2002年開始專注于螢火蟲等發光甲蟲的物種多樣性和生物熒光起源的研究。

近日，李學燕團隊通過研究揭示了甲蟲生物熒光的平行起源和發光體系的功能進化，相關研究成果發表于《分子生物學與進化》（Molecular Biology and Evolution）。

困惑已久的進化之謎

已有研究發現，發光生物廣泛分布于生物世界，涵蓋了從細菌、真菌到動物中的很多類群，但最常見的發光生物還是昆蟲。會發光的昆蟲主要集中在鞘翅目, 這些發光鞘翅目昆蟲統稱為發光甲蟲。

發光甲蟲是生活在陸地上發光生物的一個代表性類群，也是李學燕團隊的主要研究對象。她介紹：“盡管甲蟲是昆蟲綱中種類最多的一個目，發光甲蟲也僅分布于叩甲總科中的五個科，即螢科、凹眼螢科、光螢科、華螢叩甲科、叩甲科部分物種。”

螢火蟲是最常見的發光甲蟲。研究顯示，螢火蟲的幼蟲都可以發光, 但成蟲有些發光、有些不發光，發光器官多數在腹部后端, 雄性通常2節, 雌性通常1節。螢火蟲發光的原理是熒光素在熒光酶和三磷酸腺苷（ATP）催化下發生了氧化還原反應，并伴隨著化學能轉變為光能。

至今圍繞發光甲蟲的研究還有一些未解之謎，比如為什么發光器官的形態和位置各異，為什么發光行為千差萬別……

“這也是困惑達爾文及其后來很多生物學家的進化之謎，至今仍沒有找到答案。”李學燕指出，關于甲蟲生物熒光的起源問題，雖然已經有一些相關的研究報道，但受限于缺乏關鍵代表性物種特別是基因組數據，這類問題一直沒有定論。

圍繞甲蟲生物熒光起源問題，李學燕團隊從基因組數據入手研究，解析了代表性發光甲蟲及其近緣非發光甲蟲共6個科的6個物種的參考基因組，重構了發光甲蟲及其近緣支系穩固的系統發育框架，通過比較基因組學和生化功能實驗驗證，發現發光顏色在叩甲總科祖先到現存科呈現藍移（波長縮減）的進化趨勢，且在發光的各科進一步分化。

“雖然我們取得了一些研究進展，但還是沒有能夠回答長期困惑的進化之謎。”李學燕告訴《中國科學報》，“這也是我們要努力探尋解決的問題。”

探尋生物起源和進化

2019年，李學燕團隊取得一項重要進展——發現亞洲首例會發光的叩甲科昆蟲。

李學燕介紹，叩甲科屬于昆蟲綱鞘翅目叩甲總科，分布于全世界各大洲，大約有1萬多種。已報道的發光叩甲約有200多種，主要分布于拉丁美洲和大洋洲。長期以來，學術界一直好奇拉丁美洲和大洋洲之外的地區是否也有發光叩甲分布。

在2017年對中國云南西部的一次科學考察中，李學燕團隊的研究人員發現了一種發光叩甲平時不發光，僅在起飛的時候發光，進一步研究證明該種代表叩甲科一個新的亞科，研究人員將這一新屬新種發光甲蟲命名為華螢叩甲。

李學燕表示，該發現打破了發光叩甲僅分布在拉丁美洲和大洋洲的觀點，也為探討生物熒光的起源與進化提供了一個重要的研究系統。

2021年，李學燕團隊再次收獲發光甲蟲的重要成果——在云南發現3個新種以及4個中國新記錄種，這次發現的主角是長期以來靜靜地居住于東喜馬拉雅山及周邊國家和地區的扁螢。

李學燕介紹，扁螢屬是一類僅分布在亞洲喜馬拉雅山脈周邊國家及東南亞國家的螢火蟲。它們雌雄二型，雄成蟲有黑色的鞘翅，復眼很大，可持續發出較弱的綠色光；雌成蟲無翅為幼蟲狀，全身乳白色，可持續發出較強的綠色光。

扁螢也是一類依然生活在城市及周邊易被大眾所觀察到的螢火蟲，在昆明的公園和一些住宅小區內都能遇到它們的身影，因此扁螢屬的中國不同種群通常都被稱為云南扁螢。

李學燕帶領的螢火蟲研究團隊以云南扁螢作為代表種，先后測定了該種及其同屬近緣種的基因組大小，解析了其線粒體基因組并以此探討了該屬的系統發育地位，克隆分析了其熒光酶特征，并完成該種的參考基因組解析。

談及最新的這項研究成果，李學燕表示：“雖然這次我們沒有發現新種，但研究主要基于我們此前發現的華螢叩甲和解析的兩個兩個螢科代表性物種高質量基因組，也是我們研究發光甲蟲生物起源和進化取得的成果，有助于進一步探討物種的多樣性。”

長時間的關注和等待

昆蟲是地球上物種多樣性最豐富的類群，理解紛繁復雜的昆蟲學種類及其適應進化關系，是人類理解生命進化的關鍵主題之一，是為人類的生活生產提供重要的理論基礎和實踐依據的前提。

這也是李學燕自2002年加入昆明動物研究所以來，一直致力于以螢火蟲和蝴蝶等昆蟲為研究對象的動力所在。

“最開始的研究發光甲蟲也是希望知道為什么有些甲蟲會發光，有些甲蟲不會發光，但當時國內并沒有這個方向的研究。”李學燕告訴《中國科學報》，“我們從分類研究入手，搭建并完善了中國發光甲蟲系統分類框，探討了螢火蟲等發光甲蟲的系統發育和演化，并結合基因組學和遺傳操作技術等各種研究手段，探討發光甲蟲及生物熒光起源與進化。”

這些年來，李學燕團隊前后發現了10多個發光甲蟲的新種。她表示，研究一直在緩慢進行，分類研究就是這樣，需要很長時間地關注和等待，一些小類群的分類還面臨沒人做的現狀，仍有很多尚未解開的困惑。

近年來，生物熒光已在生物醫學、制藥業、環境監測等諸多領域得到了廣泛應用，這些應用的突破離不開大量基礎研究的支撐。

“新種的發現固然很讓人振奮，但更多的研究是圍繞物種多樣性展開一點點探索和尋找答案。”在李學燕眼中，這個類似抽絲剝繭的過程很漫長又很重要。 

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/molbev/msad287