萤火虫最初为什么发光？西湖大学研究：或不是为了说“我有毒”

很多人都喜欢萤火虫，它的出现，往往意味着良好的生态环境，以及浪漫的氛围。

萤火虫 受访者 供图

它是为数不多的能发光的陆生生物。经过漫长的进化，萤火虫发光的“用途”已包括求偶行为，迷惑、诱捕猎物，恐吓猎食者等。

但萤火虫最初为什么要发光，最初为什么要演化出这种能力？

此前，学术界广泛认可的一种理论是萤科的祖先最初演化的生物萤光是作为体内毒素的警戒信号，告诉捕食者：我有毒！

不过，近日，西湖大学生命科学学院研究员、博士生导师甄莹团队最新发表的一项研究，通过重构萤火虫体内毒素的演化历史，推翻了上述理论。

相关论文在线发表在美国国家科学院院刊姐妹刊PNAS Nexus上，标题是《萤火虫毒素的演化起源晚于生物荧光》（Firefly toxin lucibufagins evolved after the origin of bioluminescence）。

8月4日，甄莹研究员和该论文第一作者、博士后朱诚棋接受了澎湃新闻的采访。

萤火虫最初发光不是为了用作毒素警戒信号？

强心甾类化合物LBGs毒素是唯一一种在多个属萤火虫中都存在的毒素。

“我们基于现今萤火虫8个亚科中的6个亚科的萤火虫毒素进行检测，并且整合了前人的数据，发现能自主合成LBGs毒素的萤火虫，只局限在一个单独的亚科中。”朱诚棋告诉澎湃新闻。

虽然北美有些萤火虫体内也存在这种毒素，但这是它们吃了其他含LBGs毒素的萤火虫导致的。

换句话说，只有一个亚科的萤火虫会自主合成LBGs毒素。

那么，萤火虫演化出发光能力是为了表明“我有毒”，这个理论还成立吗？

通过比对全基因组上基因序列的相似性，研究人员通过高置信度的系统发育树来确定萤火虫毒素的出现时间要晚于荧光出现的时间。

他们研究发现，能自主合成LBGs的萤火虫最早只能追溯到萤亚科（Lampyridae）的共同祖先，远远晚于萤科（Lampyridae）中萤光最初出现的时间。

由此可见，即使“我有毒”发光信号理论成立，也不是萤火虫最初演化出发光能力的原因。

2024年7月20日，湖北随州，位于豫鄂两省交界的桐柏山脉、淮河源头的抱朴谷景区迎来萤火虫观赏期，夜幕降临后，成千上万只萤火虫在草丛和林间闪烁飞舞，装点现实版仲夏夜之梦，吸引不少游客前来打卡赏萤。视觉中国 资料图

那么，最初发光的原因是什么？甄莹团队探究了萤科生物荧光演化的历史环境背景。

甄莹团队根据分子钟理论和三个化石校准点，估计萤光和LBGs毒素演化的时间。“想估算绝对的历史时间，就需要用有时间信息的化石来校准。”甄莹告诉澎湃新闻，化石证据能作为较好的时间刻度尺，结合物种树就可以用来估算历史事件发生的时间。

通过研究，他们推算萤火虫所属的支系萤光出现的时间约为距今1.8亿年前的侏罗纪时期。

在这一时期，与大洋缺氧事件（Toarcian Oceanic Anoxic Event）息息相关的生物大灭绝事件“翻篇”后，大气中的氧气含量从一个历史最低点持续上升。

同时萤光反应的底物萤光素（luciferin）已经被证实可以作为一种抗氧化剂。

因此，甄莹团队提出新的假说：萤火虫祖先最初之所以演化出发光能力，可能是为了应对日益增加的氧气含量造成的氧化应激压力和炎热干燥的环境。它们演化出荧光素这种抗氧化剂，“点燃”消耗掉过量的氧自由基，消除过量的活性氧对细胞的毒害作用，而发萤光可能最初只是一个副产物。

这个假说仍然需要更多的证据来验证。

萤火虫为什么不会被自己体内毒素毒死？

为什么体内有毒素的萤火虫不会被自身毒素毒死？

甄莹团队通过分子动力学模拟和钠钾泵酶活实验比对发现，能自主合成LBGs毒素的萤火虫，其自身的ATPα蛋白累积了突变，影响了毒素与它们的结合。这让它们对LBGs毒素有一定的耐受性。

但可能还存在其他机制，来帮助萤火虫“制衡”体内的毒素。这也是甄莹团队未来想要解答的问题之一。

甄莹告诉澎湃新闻，萤火虫毒素属于强心类固醇毒素，这类化合物可以影响心脏收缩和血压，有较大的医药价值。其中包括市场已经出现的药物地高辛，目前这类化合物多通过化学合成或者生物提取，它们的生物合成途径还没有得到完全解析。

而通过生物合成可以减少环境影响，降低成本，甚至提高药物的质量和安全性。

“我们也对解析萤火虫毒素的生物合成途径比较感兴趣。”甄莹说。