萤火虫的求偶信号

48 D I S C O V E R Y O F N AT U R E 动 物 求偶信号 编译 张新华 随着阳光从夏日的天空中消退，一大群雄性萤火虫便从白天的蛰伏状态苏醒 过来，一个挨着一个地爬上草叶。等到夜色完全降临时，它们便像一架架微型直 升飞机腾空而起，遁入茫茫夜空……这些飞行者去干什么呢？不是去进行军事征 服，它们的目的其实很简单——传宗接代。萤火虫的成年期非常短暂，必须抓紧 时间 , 利用每一个夜晚去寻找自己的“意中人”。它们用闪光信号将自己的寻偶意 图广而告之，然后通过雌性萤火虫发回的应答信号寻找配偶。 萤火虫的 49大自然探索 的 识别同类 萤火虫的英文意思是“发光的苍蝇”，但实 际上它们是甲虫，属于萤科，与苍蝇没有任何 关系。迄今为止，昆虫学家正式在案的萤 火虫大约有 2000 种。萤科昆虫中还有一些不发 光的种类，它们主要通过信息素寻找配偶。此 外，也有一些虽然发光但并不闪烁的种类。在 北美地区，发光萤火虫主要有三个属：红萤属、 扁萤属和窗萤属。 从外表看，萤火虫与其他甲虫一样，生有 翅鞘。前翅非常坚硬，在后翅上面形成一个保 护壳。后翅像扇面，平时折叠在前翅下，只在 飞行时才伸展开。北美萤火虫的三个属的成虫 长得非常相似，都有带黄边的黑翅和类似防护 罩的头罩，头罩上面有红斑纹。昆虫学家根据 它们在颜色、雄性生殖器形状和发光模式等形 态学上的细微差异对它们进行区别。 那么，萤火虫又怎么知道别的萤火虫是不 是自己的同类呢？它们根据对方的发光模式来 确定其身分。以红萤属为例，雄虫飞行时靠近 地面，每 6 秒钟发一次光，发光时间持续约半 秒钟，发光时以“J”字型向上飞行。地面上的 雌虫看到了雄虫的求偶舞蹈，如果中意，就会 在两秒钟后发出持续时间约半秒钟的闪光作为 回应。不同种类的萤火虫的发光模式不同，有 的每 2~3 秒钟发出持续时间长达 2~3 秒钟的光， 有的每 3~4 秒钟快速闪光 3 次，有的则类似于 莫尔斯电码中的“点 - 划”结构，先快速闪光 1 次， 然后是 1 次持续时间较长的闪光。 如果读懂了萤火虫的发光密码，你就可以 用笔形手电筒模拟某种雄虫发光，或许你还能 将那个种类的雌虫吸引来和你“对话”。 生育竞赛 萤火虫的成虫期只占其生命周期的很小一部 分，比如北美萤火虫的成虫期大多只有数周。因此， 一到成年，萤火虫就会不失时机地展开生育竞赛。 当雌虫将卵产在潮湿土壤或苔藓里时，新 生命的生命周期便宣告开始了。大约两周后， 卵开始孵化，幼虫瞬间便破壳而出。萤火虫幼 虫生活在地下或杂草中，以蚯蚓、蜗牛、蛞蝓 和软体昆虫幼虫为食。萤火虫幼虫有一种特殊 的进食本领：咬住蜗牛，用上腭向蜗牛体内注 射一种类似麻醉剂的液体，这种液体能使蜗牛 瘫痪，并让其肉变得软烂，然后它再钻进去吞食。 在美国北部地区，萤火虫的幼虫期为 1 到 3 年，而在南部地区，幼虫孵化后只需数月便 50 D I S C O V E R Y O F N AT U R E 动 物 一旦进入成年期，萤火虫的生育竞赛便开始了。（赵力摄） 果。萤火虫的发光器由数千个发光细胞，以及反 射层细胞、神经与表皮等组成。在发光细胞中有 两种化学物质：虫荧光素和荧光素酶。在发光细 胞四周还密密麻麻地排列着很多线粒体（线粒体 相当于能量工厂，消耗氧气并为细胞提供能量）。 科学家发现，萤火虫的神经系统并不直接控制发 光细胞，而是用神经信号触发发光细胞周围的不 发光细胞，启动这些细胞产生一氧化氮。 一氧化氮具有十分重要的生物作用。在人 体内，一氧化氮控制血压和阴茎勃起，调节学 习和记忆能力。在萤火虫的发光器内，一氧化氮 可以短暂地停止发光细胞周围的线粒体的耗氧作 用，让氧气深入发光细胞内，促使虫荧光素与荧 光素酶发生化学反应，从而产生光。简单地说， 一氧化氮关闭“发电厂”线粒体，点亮了萤火虫 的亮光。随着一氧化氮的迅速消失和线粒体耗氧 功能的恢复，萤火虫的亮光也就随之消失了。 萤火虫的发光效率非常高，几乎能将全部 化学能转化为可见光，是现代电光源效率的几 倍到几十倍。由于只有 2% ～ 10% 的能量转化 为热能，当萤火虫落在我们的手上时，我们不 会被它们的光烫伤，萤火虫发出的光也因此被 称为“冷光”。 进入成年期。幼虫在拱形的地下巢室里化蛹， 数周后便成形。化蛹季节大多在晚春时节。 一旦进入成年期，萤火虫的生育竞赛便开 始了。大部分红萤属萤火虫在进入成年期后便 不再进食，而将整个成年期都投入到生育竞赛 中去。随着黄昏来临，雄虫腾空而起，在离草 1~2 米的空中缓缓飞行，并通过有规律的闪光 来宣布自己的求偶之意。雌虫大多不会飞行， 只在低矮的草叶上用闪光回应雄虫。看到雌虫 的回应信号后，雄虫立刻从空中降落到草叶上， 一边继续发信号一边寻找“意中人”。它们之间 的“对话”往往要持续一个小时以上。这种“对 话”对其他雄虫来说犹如磁铁，它们纷至沓来， 以至每次求偶飞行结束后，都可以发现有许多 雄虫在草叶上爬上爬下地寻找雌虫。 发光之谜 科学家一直想弄明白萤火虫精确的定时闪 光是如何产生的。不久前，一个科学家小组详细 研究萤火虫的发光原理，终于破解了其中的奥秘。 实际上，萤火虫发光是一种化学反应的结 51大自然探索 萤火虫的发光信 号美丽而迷人，但 作为一种高清晰 度 信 号， 容 易 被 食肉动物所截获。 萤火虫的英文意思是“发光的苍蝇”，但实际上它们是甲虫。 仿红萤属雄虫的闪光信号——两次间隔 2 秒的 快闪，隔 4~7 秒再重复一次。很快，他便得到 了闪光回应。待他走近看时，却发现回应者是 一只个头很大的扁萤属雌虫。洛伊德花了半个 小时观察这只雌虫，发现它总共吸引了 12 只红 萤属雄虫的注意，最后有 1 只红萤属雄虫在和 它交换了几次信号后落在它的身旁。十几秒后， 当洛伊德再次打开手电筒时，发现扁萤属雌虫 正在啃吃那只倒霉的红萤属雄虫。 扁萤属雌虫非常贪婪，一只雌虫在一个晚 上就能吞食好几只红萤属雄虫，而且它们得到 的不只是一顿营养丰富的美餐——扁萤属萤火 虫自身并不产生防身毒素，但在吃了红萤属雄 虫后，后者体内的毒素就转移到它们的身上了。 难逃天敌 萤火虫的发光信号美丽而迷人，但作为一 种高清晰度信号，容易被食肉动物所截获，从而 使萤火虫的求爱舞蹈成为一种极其危险的活动。 为了保护自己，一些种类的萤火虫进化出 了有毒化合物，其毒性非常大，能有效地吓阻 蜘蛛、鸟、蜥蜴和蚂蚁等食肉动物。这些萤火 虫的闪光信号含有警告意义，相当于在说：“我 有毒，别吃我！” 然而，即使受到有毒化学物质的保护，有 时萤火虫也难逃天敌的捕食，尤其是那些个头 比它们大、飞得比它们快的其他种类的萤火虫 的捕食。 扁萤属雌萤火虫，被称为昆虫世界中“最 狡猾的女巫”。这是一种高度特化的掠食动物， 喜欢躲在暗处偷窥红萤属萤火虫的求偶舞蹈， 然后模仿红萤属雌虫向雄虫发射回应信号，而 这种足以乱真的信号常常诱使求偶心切的红萤 属雄虫误入它们早已布好的陷阱。 这一秘密是在上世纪 60 年代被昆虫学家洛 伊德发现的。当时，他用微型手电筒发光来模 52 D I S C O V E R Y O F N AT U R E 动 物 人类的活动，如滥用杀虫剂、城市扩张以及光污染等都对萤火虫构成了严重的威胁。（赵力摄） 人类威胁 除了自然天敌外，人类的活动，比如滥用 杀虫剂和城市扩张，也对萤火虫构成威胁。很 多种类的萤火虫不喜迁徙，年复一年地在同一 个栖息地聚集、交配，一旦该地区遭到破坏， 别指望它们会迁到别处去。几乎可以肯定，它 们将遭到毁灭性的打击。 在美国，一些医药公司为了获取虫荧光素 和荧光素酶，出价购买萤火虫，导致人们大肆 捕捉萤火虫。这是造成萤火虫种群数量下降的 另一个重要原因。 在日本，萤火虫同样面临灭绝危险。日本 萤火虫幼虫栖居于水中，上世纪 60 年代的工业 污染和城市扩张破坏了河道，致使萤火虫幼虫的 生存率直线下降。为了拯救这种可爱的小动物， 许多社团响应政府号召，开始了萤火虫栖息地的 恢复工程，并取得了巨大的成功。现在，萤火虫 已经成为日本环境保护的标志。 光污染更是严重地威胁到萤火虫的生存。萤 火虫的求偶信号只有在低光背景下才能被看到， 但现在城市通宵达旦的明亮的灯光盖过了萤火 虫微弱的求偶闪光，从而使它们的繁殖机会大 大减少。 人类应该反思：在享受现代科技带来的种 种便利时，我们是否想到了与我们共居于同一个 地球的其他动物的需要，是否干扰了它们宁静的 生活，是否影响了它们的生存，我们是否应该尽 可能地采取一些补救措施将这些负面影响减少到 最小。 53大自然探索 “性选择”这个词，是达尔文最早提出的，意指：在同一种类中，雄性成功吸引雌 性的能力差异。根据达尔文的观点，那些能战胜竞争对手或能更有效吸引雌性的雄性 将获得生育优势。后来，生物学家进一步认识到，仅有交配行为并不足以保证雄性能 生育成功，因为在许多动物种类中，雌性往往会与多个雄性交配，雄性精子之间的竞争， 雌性对雄性精子的选择，都能让雄性在其产生的后代数量上出现差异。 就萤火虫来说，雄虫能否生育成功不仅取决于其求偶能力，还取决于交配后让其 配偶卵子受精的能力。 研究发现，红萤属雄萤火虫的闪光频率越快，雌虫的回应信号就越频繁，说明雌 虫通过评估雄虫的闪光模式来选择配偶。对雄虫来说，雌虫的回应信号至关重要。雄 虫在求偶期间引来的雌虫回应信号越多，就越有可能交配成功。 一旦交配开始，萤火虫的闪光“对话”就结束了。红萤属萤火虫的交配时间长达 数小时，如此长的交配活动使得雌雄虫一晚上只能交配一次。交配活动长的一个重要 原因是，雄虫一直忙于给“新娘”赠送“结婚礼物”——一个形态优美的螺旋状精子包， 也叫精囊，里面含有精子。 由于红萤属萤火虫进入成年期后不再进食，雄虫的“结婚礼物”就成为雌虫重要 的营养补充，尤其是卵子的发育完全依赖于雄虫精囊提供的蛋白质。与多只雄虫交配 的雌虫在其一生中生育的后代，差不多是只与一只雄虫交配的雌虫的两倍。科学家发 现，有些种类的雄虫的求偶信号持续时间越长，其精囊个头就越大，由此推断，雄虫 的求偶闪光很可能是发给雌虫的一种有意显示其“结婚礼物”尺寸大小的信号。果真 如此的话，那么雌虫在挑选求偶对象时应该会选择那些闪光持续时间长的雄虫，因为 这样能让它们生育更多的后代。 不过，雄虫的“结婚礼物”即使被雌虫接受，也不能保证其基因就能够成功传播， 因为雌虫一般会与多只雄虫进行交配，雄虫面临着激烈的精子竞争。 性选择理论认为，雄性的精子相对较小，生产代价较低，它们只要有机会便会 交配；雌性则相反，它们的卵子相对较大，生产成本也较高，它们选择配偶比雄性挑 剔得多。因此，为了得到雌虫的青睐，雄虫在求偶时往往争得你死我活，而雌虫只有 在对雄虫产生好感时才会向其发射回应信号。不过，由于萤火虫成年后不再进食，雄 虫一生中产生的精囊数量非常有限，随着精囊数量的减少，雄虫在挑选配偶时会变得 越来越挑剔。 相关链接： 萤火虫的性选择