地球上已知生物的发光机制主要分为两类:荧光与自发光。荧光依赖体内荧光蛋白吸收特定光波后释放另一波段光波,无需消耗自身能量;自发光则是生物将化学能直接转化为光能,需消耗自身能量。萤火虫的发光便属于后者,其腹部末端的发光器中,荧光素与荧光素酶两种物质是关键。
当氧气进入发光器,在荧光素酶催化下,荧光素与氧气、能量分子ATP发生反应,释放出可见光。由于反应几乎不产热,这种光被称为“冷光”。但萤火虫的奇特之处,并非其发光机制本身,而是自发光生物在海陆环境中的分布差异——非海洋区域此类生物极为稀少,海洋中却繁盛得惊人。研究显示,已知海洋生物中逾半数能自发光,深海生物的这一比例更是高达90%左右。
这种巨大差异引出了核心疑问:为何自发光生物在海洋中昌盛,在其他环境却罕见?科学家提出过多种解释,却均存在局限。
最直观的观点认为,海洋尤其是深海终年无光,黑暗环境让自发光成为生存优势:可突然发光惊吓捕食者,用特定闪光模式吸引同类求偶,或以此为诱饵捕捉猎物。但黑暗并非海洋独有,陆地洞穴、高纬度极夜及动物夜间活动时段,均具备类似黑暗条件,却未演化出大量自发光生物,该解释难以立足。
另有解释指出,现代海洋生物起源早于非海洋生物,拥有约两亿年演化先发优势,为自发光机制的发展提供了充足时间。但研究发现,自发光能力的演化耗时远超预期,仅辐鳍鱼类在1.5亿年内,就独立演化出至少27次自发光能力,说明非海洋生物也应有足够时间演化出该特性,此观点亦不成立。
还有观点认为,自发光涉及的复杂化学反应会产生有害物质,海水可帮助稀释清除,非海洋生物无此条件,故难以演化出该能力。但贝加尔湖等深水湖泊的深处环境与深海相似,却极少甚至没有自发光生物,这一解释也面临挑战。
此外,有人认为陆地障碍物阻碍光传播,降低发光信号利用率;也有人提出海水中盐分对自发光有特殊作用,但这些说法都存在各自局限,未获普遍认同。
萤火虫带来的这一谜题,至今仍是未解之谜,困扰着众多科学家。目前相关研究仍在持续推进,期待未来能有突破性发现,揭开自发光生物海陆分布差异的神秘面纱。