這種能誘發(fā)蝗蟲(chóng)聚集成災(zāi)的物質(zhì)，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了它的新作用

出品：科普中國(guó)

作者：昆蟲(chóng)實(shí)習(xí)生（中國(guó)科學(xué)院）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為解碼生命科學(xué)最新奧秘，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“生命新知”系列文章，從獨(dú)特的視角，解讀生命現(xiàn)象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無(wú)限可能。

提起蝗蟲(chóng)，小伙伴們應(yīng)該并不會(huì)感到陌生，在夏秋之際的城市草坪里或鄉(xiāng)下田野中的草地里四處跳躍，有時(shí)還會(huì)快速低飛的昆蟲(chóng)，俗稱就是“螞蚱”，學(xué)名是飛蝗（螞蚱有很多種，飛蝗只是其中一種）。

然而在早些年，我們的父輩祖輩生活的時(shí)代，人們可謂是談“蝗”色變，這一點(diǎn)從造字上就可見(jiàn)端倪，“蝗”字為“蟲(chóng)”“皇”的組合字，古人面對(duì)鋪天蓋地的蝗災(zāi)無(wú)能為力，認(rèn)為蝗蟲(chóng)是蟲(chóng)中之皇，甚至還修建了蝗神廟供奉，祈禱不要發(fā)生蝗災(zāi)。

蝗蟲(chóng)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

那么大家可曾好奇：小小的蝗蟲(chóng)，為何能變成災(zāi)難？為什么幾十年來(lái)從來(lái)沒(méi)聽(tīng)說(shuō)中國(guó)出現(xiàn)嚴(yán)重蝗災(zāi)，蝗蟲(chóng)成災(zāi)是不是危言聳聽(tīng)呢？

答案是，蝗蟲(chóng)成災(zāi)絕不是危言聳聽(tīng)，是真實(shí)存在的，之所以中國(guó)沒(méi)有聽(tīng)過(guò)有大范圍的蝗災(zāi)爆發(fā)，是因?yàn)樵谥腥A人民共和國(guó)成立后，經(jīng)過(guò)科學(xué)的治理已經(jīng)基本消滅了蝗災(zāi)。所以大家現(xiàn)在可能很難理解影視劇中所描述的蝗災(zāi)爆發(fā)，民不聊生的情景。但是，歷史上的蝗災(zāi)與水災(zāi)、旱災(zāi)并稱為三大自然災(zāi)害，在古代，漫天飛舞的蝗蟲(chóng)會(huì)將百姓一年的收成啃食干凈，甚至所有綠葉植物都不能幸免。中國(guó)被蝗災(zāi)困擾千年之久，是世界受災(zāi)程度和范圍最嚴(yán)重的國(guó)家之一！

所以出于防患于未然的考慮，我們國(guó)家一直都在進(jìn)行蝗蟲(chóng)防治的研究，并且早已不是僅僅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類和形態(tài)觀察，而是已經(jīng)深入到分子領(lǐng)域，甚至走在世界的前沿。

什么在吸引蝗蟲(chóng)聚群成災(zāi)？

經(jīng)過(guò)觀察和研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)草叢中這些分散的綠色蝗蟲(chóng)，并不會(huì)形成自然災(zāi)害，反而是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，但是當(dāng)它們聚集起來(lái)，卻成了災(zāi)害。那么，究竟是什么讓原本無(wú)害的蝗蟲(chóng)聚群成災(zāi)？

這個(gè)問(wèn)題自從1921年蝗蟲(chóng)學(xué)之父尤瓦洛夫發(fā)現(xiàn)蝗蟲(chóng)存在散居（不成災(zāi)）和群居（成災(zāi)）兩種形態(tài)后，一直困擾了科學(xué)家近百年的時(shí)間。

散居型和群居型飛蝗

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）

直到2020年，中國(guó)科學(xué)院院士康樂(lè)帶領(lǐng)中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的研究，終于發(fā)現(xiàn)了吸引蝗蟲(chóng)聚集成災(zāi)的化學(xué)物質(zhì)：4-乙烯基苯甲醚（以下簡(jiǎn)稱4VA），4VA這種化合物作為一種吸引劑通過(guò)蝗蟲(chóng)的嗅覺(jué)感受器來(lái)吸引蝗蟲(chóng)聚集成災(zāi)。

這個(gè)研究意義十分重大，首次從微觀水平找到了誘發(fā)飛蝗成災(zāi)的化學(xué)信號(hào)，解決了縈繞在昆蟲(chóng)領(lǐng)域百年的難題，在修改了蝗蟲(chóng)嗅覺(jué)的4VA感受器之后，蝗蟲(chóng)就無(wú)法被4VA吸引聚集，也就不會(huì)形成蝗災(zāi)了。

誘發(fā)蝗蟲(chóng)聚群成災(zāi)的4VA的另一重身份

研究到了這里，飛蝗聚集的奧秘就已經(jīng)被揭開(kāi)了。但是對(duì)4VA的持續(xù)研究，揭開(kāi)了它的另一重身份。

首先，大量研究表明群居動(dòng)物常常表現(xiàn)出高度的繁殖同步性，即群體中的個(gè)體具有相同或相近的生殖周期。

這個(gè)特點(diǎn)對(duì)動(dòng)物們?cè)谧匀唤缰猩媸怯泻芏嗪锰幍?。同步的性成熟和生殖周期有利于群體的維持和集體遷徙。同步繁育可以極大地提高動(dòng)物群體內(nèi)個(gè)體交配成功率和后代存活率、降低個(gè)體被捕食風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)群體動(dòng)物的環(huán)境適應(yīng)力，是動(dòng)物群體行為的核心生物學(xué)特征之一。

然而這種生殖同步性是如何發(fā)生的？這一問(wèn)題一直被科學(xué)家們關(guān)注。

目前，除了外在氣候和生物節(jié)律的影響外，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)體之間的信息交流也在生殖同步性中發(fā)揮了作用。

例如，生物學(xué)家瑪爾薩·懷特（Martha McClintock）在1971年首次提出了“懷特”效應(yīng)。她的研究主要是觀察和分析雌性鼠類之間的生理周期同步現(xiàn)象。她提出，雄性釋放的化學(xué)信號(hào)可能對(duì)雌性生理周期產(chǎn)生影響，誘導(dǎo)群體中雌性生理周期的同步性。這一理論在后來(lái)也被擴(kuò)展到其他哺乳動(dòng)物中，但是其中的深層次機(jī)理還并不清楚。

產(chǎn)卵的蝗蟲(chóng)

（圖片來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)新聞網(wǎng)）

基于以上的研究背景，群居飛蝗的生殖同步性就是一個(gè)很好的研究方向。

于是，王憲輝研究員團(tuán)隊(duì)和康樂(lè)院士團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)飛蝗聚集信息素（4-VA）也具有促進(jìn)雌性個(gè)體同步性成熟的功能。

首先，科學(xué)家分析了群居和散居型雌蟲(chóng)的卵母細(xì)胞發(fā)育和首次產(chǎn)卵時(shí)間，發(fā)現(xiàn)群居型雌性比散居型個(gè)體性成熟更早并且更一致，產(chǎn)卵時(shí)間也更為集中。通過(guò)控制性別這一變量，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)飛蝗雌蟲(chóng)性成熟同步現(xiàn)象是由群居型雄性體表化學(xué)揮發(fā)物誘發(fā)的，而群居雌性和散居雄性體表?yè)]發(fā)物并不能誘發(fā)雌性同步生殖。

用群居雄蟲(chóng)散發(fā)的氣味刺激失去了嗅覺(jué)的突變體雌性飛蝗，就不會(huì)發(fā)生性成熟同步現(xiàn)象。這些實(shí)驗(yàn)證明群居雄性飛蝗釋放的一種嗅覺(jué)信號(hào)誘導(dǎo)了雌性飛蝗同步性成熟。

那么這個(gè)嗅覺(jué)信號(hào)到底是什么？

通過(guò)對(duì)群居雄性、群居雌性、散居雄性成蟲(chóng)體表?yè)]發(fā)物組成及含量的分析和對(duì)比，鑒定出5種群居雄性成蟲(chóng)釋放量高的揮發(fā)物。逐個(gè)檢測(cè)5個(gè)揮發(fā)氣味對(duì)雌性同步性成熟的效果后，發(fā)現(xiàn)只有4-乙烯基苯甲醚（4-VA）具有顯著的效果。

令人驚奇的是，對(duì)不同年齡段的雌性個(gè)體進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)4-VA能夠促進(jìn)年輕雌性性成熟，而對(duì)年齡偏大的雌性（羽化后5-6天）沒(méi)有明顯作用。

然而，觸角神經(jīng)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同年齡的雌性飛蝗對(duì)4-VA的嗅覺(jué)感知能力沒(méi)有區(qū)別，說(shuō)明這種促性成熟效應(yīng)的年齡差異并不是嗅覺(jué)的差異導(dǎo)致的。

植物上的蝗蟲(chóng)

（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）

那是什么機(jī)制影響了4-VA促性成熟效應(yīng)的年齡差異呢？

通過(guò)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)4-VA處理的年輕雌性的咽側(cè)體（類似神經(jīng)內(nèi)分泌腺體）中保幼激素（JH）代謝的基因發(fā)生明顯變化，并且體內(nèi)的JH的含量上升，但在年齡偏大的雌性中卻沒(méi)有變化。

利用失去嗅覺(jué)的突變飛蝗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在羽化后3-4天為其人工注射JH，突變體雌性的性成熟同步性得到了提升。因?yàn)镴H是飛蝗生殖調(diào)控的關(guān)鍵內(nèi)分泌激素，所以，就是保幼激素（JH）導(dǎo)致了不同年齡雌性個(gè)體對(duì)4-VA敏感性的差異。

群居雄性成蟲(chóng)高揮發(fā)4-VA的促進(jìn)雌性性成熟同步性機(jī)制

（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)2）

結(jié)語(yǔ)

在飛蝗的世界里，在特定的時(shí)間，雄性散發(fā)的氣味“4-VA”激活雌性成蟲(chóng)的JH系統(tǒng)，讓年輕的雌性加速性成熟，通過(guò)這種“追趕”策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)群體內(nèi)的性成熟同步。顯然，4-VA的這種功能多樣性表明這種化合物在飛蝗大規(guī)模群體形成和維持中具有十分重要的作用。要想消滅蝗災(zāi)治標(biāo)也要治本，而4VA這一神奇的化學(xué)物質(zhì)帶了給我們希望，因?yàn)橥ㄟ^(guò)抑制它，我們不但可以防治當(dāng)代蝗蟲(chóng)聚集成災(zāi)，還可以破壞蝗蟲(chóng)的生長(zhǎng)發(fā)育一致性，使下一代蝗蟲(chóng)變得零散，更不容易成災(zāi)。

這項(xiàng)研究成果也告訴我們，探索發(fā)現(xiàn)的過(guò)程要敢于想象，舉一反三，老朋友可能還有新面孔。

參考文獻(xiàn)：

1、Guo, X., Yu, Q., Chen, D. et al. 4-Vinylanisole is an aggregation pheromone in locusts. Nature 584, 584–588 (2020).

2、Dafeng Chen, Li Hou, Jianing Wei, Siyuan Guo, Weichan Cui, Pengcheng Yang, Le Kang, Xianhui Wang (2022) Aggregation pheromone 4-vinylanisole promotes the synchrony of sexual maturation in female locusts eLife 11:e74581