Bioluminescens utvecklades först i djur för minst 540 miljoner år sedan i en grupp marina ryggradslösa djur som kallas octocorals, enligt resultaten av en ny studie från forskare med Smithsonians National Museum of Natural History.
Resultaten, publicerade den 23 april, i Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences , skjuta tillbaka det tidigare rekordet för ljusegenskapens äldsta daterade uppkomst hos djur med nästan 300 miljoner år, och kunde en dag hjälpa forskare att avkoda varför förmågan att producera ljus utvecklades i första hand.
Bioluminescens – levande varelsers förmåga att producera ljus via kemiska reaktioner – har självständigt utvecklats minst 94 gånger i naturen och är involverad i ett stort antal beteenden inklusive kamouflage, uppvaktning, kommunikation och jakt. Hittills ansågs det tidigast daterade ursprunget för bioluminescens hos djur vara för omkring 267 miljoner år sedan i små marina kräftdjur som kallas ostracods.
Men för en egenskap som är bokstavligen belysande, har bioluminescens ursprung förblivit skuggigt.
"Ingen vet riktigt varför det först utvecklades i djur", säger Andrea Quattrini, museets curator för koraller och senior författare till studien.
Men för att Quattrini och huvudförfattaren Danielle DeLeo, en museiforskare och tidigare postdoktor, så småningom skulle kunna ta itu med den större frågan om varför bioluminescens utvecklades, behövde de veta när förmågan först dök upp hos djur.
På jakt efter egenskapens tidigaste ursprung bestämde sig forskarna för att titta tillbaka i oktokorals evolutionära historia, en evolutionärt uråldrig och ofta bioluminiscerande grupp av djur som inkluderar mjuka koraller, havsfläktar och havsfläckar.
Liksom hårda koraller är octocorals små koloniala polyper som utsöndrar ett ramverk som blir deras tillflyktsort, men till skillnad från deras steniga släktingar är den strukturen vanligtvis mjuk. Oktokoraller som lyser gör det vanligtvis bara när de stöts eller störs på annat sätt, vilket gör den exakta funktionen av deras förmåga att producera ljus lite mystisk.
"Vi ville ta reda på tidpunkten för ursprunget till bioluminescens, och octocorals är en av de äldsta grupperna av djur på planeten som är kända för att bioluminescera," sa DeLeo. "Så frågan var när utvecklade de den här förmågan?"
Inte en slump hade Quattrini och Catherine McFadden tillsammans med Harvey Mudd College färdigställt ett extremt detaljerat, väl underbyggt evolutionärt träd av oktokorallerna 2022. Quattrini och hennes medarbetare skapade denna karta över evolutionära relationer, eller fylogeni, med hjälp av genetiska data från 185 arter av oktokoraller .
Med detta evolutionära träd grundat på genetiska bevis, placerade DeLeo och Quattrini sedan två oktokorala fossiler av kända åldrar i trädet enligt deras fysiska egenskaper. Forskarna kunde använda fossilernas åldrar och deras respektive positioner i det oktokorala evolutionära trädet hittills för att räkna ut ungefär när oktokorala linjer delas isär för att bli två eller flera grenar.
Därefter kartlade teamet grenarna av fylogenin som innehöll levande självlysande arter.
Med det evolutionära trädet daterat och grenarna som innehöll lysande arter märkta, använde teamet sedan en serie statistiska tekniker för att utföra en analys som kallas återuppbyggnad av förfäders tillstånd.
"Om vi vet att dessa arter av octocorals som lever idag är bioluminescerande, kan vi använda statistik för att sluta sig till om deras förfäder var mycket sannolikt att vara bioluminescerande eller inte," sa Quattrini. "Ju fler levande arter med de delade egenskaperna, desto större är sannolikheten att när du flyttar tillbaka i tiden att dessa förfäder sannolikt också hade den egenskapen."
Forskarna använde många olika statistiska metoder för att återuppbygga sina förfäders tillstånd, men alla kom fram till samma resultat:För cirka 540 miljoner år sedan var den gemensamma förfadern till alla octocorals mycket troligt bioluminiscerande. Det är 273 miljoner år tidigare än de glödande ostracod-kräftdjuren som tidigare haft titeln som den tidigaste utvecklingen av bioluminescens hos djur.
DeLeo och Quattrini sa att octocorals tusentals levande representanter och relativt höga förekomst av bioluminescens tyder på att egenskapen har spelat en roll i gruppens evolutionära framgång. Även om detta väcker frågan om exakt vad oktokoraller använder bioluminescens till, sa forskarna att det faktum att det har behållits så länge visar hur viktig denna form av kommunikation har blivit för deras kondition och överlevnad.
Nu när forskarna vet att den gemensamma förfadern till alla oktokoraller sannolikt redan hade förmågan att producera sitt eget ljus, är de intresserade av en mer grundlig redovisning av vilka av gruppens mer än 3 000 levande arter som fortfarande kan lysa upp och vilka som har förlorat egenskapen . Detta kan hjälpa till att nollställa en uppsättning ekologiska omständigheter som korrelerar med förmågan att bioluminescera och potentiellt belysa dess funktion.
För detta ändamål sa DeLeo att hon och några av hennes medförfattare arbetar på att skapa ett genetiskt test för att avgöra om en octocoral art har funktionella kopior av generna som ligger bakom luciferas, ett enzym som är involverat i bioluminescens. För arter med okänd ljusstyrka skulle ett sådant test göra det möjligt för forskare att få svar på ett eller annat sätt snabbare och lättare.
Förutom att kasta ljus över ursprunget till bioluminescens, erbjuder denna studie också evolutionärt sammanhang och insikt som kan informera övervakning och hantering av dessa koraller idag. Octocorals hotas av klimatförändringar och resursutvinningsaktiviteter, särskilt fiske, olje- och gasutvinning och spill, och på senare tid av marin mineralbrytning.
Denna forskning stöder museets Ocean Science Center, som syftar till att främja och dela kunskap om havet med världen. DeLeo och Quattrini sa att det fortfarande finns mycket mer att lära sig innan forskare kan förstå varför förmågan att producera ljus först utvecklades, och även om deras resultat placerar sitt ursprung djupt i evolutionär tid, kvarstår möjligheten att framtida studier kommer att upptäcka att bioluminescens är ännu äldre. .
Denna studie inkluderar författare knutna till Florida International University, Monterey Bay Aquarium Research Institute, Nagoya University, Harvey Mudd College och University of California, Santa Cruz.
Mer information: Evolution av bioluminescens i Anthozoa med tonvikt på Octocorallia, Proceedings of the Royal Society B:Biological Sciences (2024). DOI:10.1098/rspb.2023.2626. royalsocietypublishing.org/doi … .1098/rspb.2023.2626
Journalinformation: Proceedings of the Royal Society B
Tillhandahålls av Smithsonian
