螢火蟲最初為什么發光？西湖大學研究：或不是為了說“我有毒”

很多人都喜歡螢火蟲，它的出現，往往意味著良好的生態環境，以及浪漫的氛圍。

螢火蟲受訪者供圖

它是為數不多的能發光的陸生生物。經過漫長的進化，螢火蟲發光的“用途”已包括求偶行為，迷惑、誘捕獵物，恐嚇獵食者等。

但螢火蟲最初為什么要發光，最初為什么要演化出這種能力？

此前，學術界廣泛認可的一種理論是螢科的祖先最初演化的生物螢光是作為體內毒素的警戒信號，告訴捕食者：我有毒！

不過，近日，西湖大學生命科學學院研究員、博士生導師甄瑩團隊最新發表的一項研究，通過重構螢火蟲體內毒素的演化歷史，推翻了上述理論。

相關論文在線發表在美國國家科學院院刊姐妹刊PNAS Nexus上，標題是《螢火蟲毒素的演化起源晚于生物熒光》（Firefly toxin lucibufagins evolved after the origin of bioluminescence）。

8月4日，甄瑩研究員和該論文第一作者、博士后朱誠棋接受了澎湃新聞的采訪。

螢火蟲最初發光不是為了用作毒素警戒信號？

強心甾類化合物LBGs毒素是唯一一種在多個屬螢火蟲中都存在的毒素。

“我們基于現今螢火蟲8個亞科中的6個亞科的螢火蟲毒素進行檢測，并且整合了前人的數據，發現能自主合成LBGs毒素的螢火蟲，只局限在一個單獨的亞科中。”朱誠棋告訴澎湃新聞。

雖然北美有些螢火蟲體內也存在這種毒素，但這是它們吃了其他含LBGs毒素的螢火蟲導致的。

換句話說，只有一個亞科的螢火蟲會自主合成LBGs毒素。

那么，螢火蟲演化出發光能力是為了表明“我有毒”，這個理論還成立嗎？

通過比對全基因組上基因序列的相似性，研究人員通過高置信度的系統發育樹來確定螢火蟲毒素的出現時間要晚于熒光出現的時間。

他們研究發現，能自主合成LBGs的螢火蟲最早只能追溯到螢亞科（Lampyridae）的共同祖先，遠遠晚于螢科（Lampyridae）中螢光最初出現的時間。

由此可見，即使“我有毒”發光信號理論成立，也不是螢火蟲最初演化出發光能力的原因。

那么，最初發光的原因是什么？甄瑩團隊探究了螢科生物熒光演化的歷史環境背景。

甄瑩團隊根據分子鐘理論和三個化石校準點，估計螢光和LBGs毒素演化的時間。“想估算絕對的歷史時間，就需要用有時間信息的化石來校準。”甄瑩告訴澎湃新聞，化石證據能作為較好的時間刻度尺，結合物種樹就可以用來估算歷史事件發生的時間。

通過研究，他們推算螢火蟲所屬的支系螢光出現的時間約為距今1.8億年前的侏羅紀時期。

在這一時期，與大洋缺氧事件（Toarcian Oceanic Anoxic Event）息息相關的生物大滅絕事件“翻篇”后，大氣中的氧氣含量從一個歷史最低點持續上升。

同時螢光反應的底物螢光素（luciferin）已經被證實可以作為一種抗氧化劑。

因此，甄瑩團隊提出新的假說：螢火蟲祖先最初之所以演化出發光能力，可能是為了應對日益增加的氧氣含量造成的氧化應激壓力和炎熱干燥的環境。它們演化出熒光素這種抗氧化劑，“點燃”消耗掉過量的氧自由基，消除過量的活性氧對細胞的毒害作用，而發螢光可能最初只是一個副產物。

這個假說仍然需要更多的證據來驗證。

螢火蟲為什么不會被自己體內毒素毒死？

為什么體內有毒素的螢火蟲不會被自身毒素毒死？

甄瑩團隊通過分子動力學模擬和鈉鉀泵酶活實驗比對發現，能自主合成LBGs毒素的螢火蟲，其自身的ATPα蛋白累積了突變，影響了毒素與它們的結合。這讓它們對LBGs毒素有一定的耐受性。

但可能還存在其他機制，來幫助螢火蟲“制衡”體內的毒素。這也是甄瑩團隊未來想要解答的問題之一。

甄瑩告訴澎湃新聞，螢火蟲毒素屬于強心類固醇毒素，這類化合物可以影響心臟收縮和血壓，有較大的醫藥價值。其中包括市場已經出現的藥物地高辛，目前這類化合物多通過化學合成或者生物提取，它們的生物合成途徑還沒有得到完全解析。

而通過生物合成可以減少環境影響，降低成本，甚至提高藥物的質量和安全性。

“我們也對解析螢火蟲毒素的生物合成途徑比較感興趣。”甄瑩說。螢火蟲受訪者供圖