发现动物巧妙的御敌策略 调配体色,释放毒素——蝗虫竟懂得“三原色”和“下毒”

发现动物巧妙的御敌策略 调配体色,释放毒素——蝗虫竟懂得“三原色”和“下毒”

来源:羊城晚报 日期:2019-02-18



体色也是蝗虫分辨同类的方式之一(资料图片)


散居型蝗虫体色是单纯的绿色,而群居型蝗虫却会改变体色(中科院动物所供图)


  近日,中科院动物研究所康乐院士率领的飞蝗研究团队公布了系列关于蝗虫的研究结果,其中一篇论文称,他们发现飞蝗体色的变化契合物理学三原色规则;另一篇则表示,发现蝗虫会释放一种化合物警告天敌,并能将其进一步转化为剧毒物质,进而达到有效抵抗天敌捕食的作用。他们还发现,蝗虫的群居与散居也会产生不同的后果。

  蝗虫竟如此“聪明”,不仅懂“配色”,还会给天敌“下毒”。当然,无论是变体色,还是释放有毒物质,它们的目的都是为了防御外敌。但它们尤其懂得:团结就是力量——它们的这些特殊变化在聚众时会表现得更为明显。

  A 蝗虫到底是什么颜色?

  如果稍加留意,我们会发现,同样是蝗虫,有的身体是青绿色的,有些则是青黄相间或麻黄相间,还有的竟是全黑色的。然而颜色的不同并不是因为它们个体的成熟程度,或者黑色素的沉淀而导致的。研究人员发现,蝗虫体色并不是固定的,它们原本的确是青绿色的,但当群居到一起形成蝗灾时,它们的体色就会呈现出黑色背板和棕色腹面。所以人们形容蝗灾时的蝗群来袭时,总是爱说“黑压压的一片”。

  但之前人们发现了蝗虫会随着生活密度而改变体色,却一直不清楚导致这种变化的分子机制。中国科学院康乐研究组的研究,首次揭示了蝗虫体内一种新的“调色板效应”机制,发现了蝗虫是如何通过改变身体颜色来适应不同环境的。这种机制恰好表现出物理学上的三原色配色规则在蝗虫的体色变化中得到了完美的诠释。

  换一种说法,就是飞蝗在散居和群居个体之间表现出体色多型性。散居型飞蝗呈现均匀的绿色,这种绿色是由于黄色素和蓝色素组合形成,有助于它们在绿色植物背景中隐藏,免受捕食者的侵害;群居型飞蝗则呈现黑色背板和棕色腹面,但群居型蝗虫的黑色体色并不是黑色素造成的,而是一种携带红色素的蛋白形成复合体(β胡萝卜素结合蛋白),在扮演“开关”角色来协调昆虫“绿色和黑色”的转变。也就是说,群居型的黑色体色是在散居型绿色基础上,增加了一种红色而形成的。

  蝗虫从绿色变成黑色其实是种群密度依赖的适应性反映。群居型蝗虫的黑色背板或棕色腹面呈现“警戒色”,既可以使同种相互识别并形成更庞大的种群,又可以对天敌发出警戒信号以抵御捕食。研究还发现,这两种体色可以在野外根据密度变化实现互变。这种灵活的体色变化对蝗虫的生存具有重要意义。

  研究人员认为,这种体色适应的进化机制可能在其他昆虫和动物中也存在。

  该研究的意义还在于可以合理地推测,动物斑斓的体色都是三原色的组合实现的。该研究结果已于2019年1月在《eLife》专业期刊上在线发表。《eLife》还对此文进行了专文评述。该研究论文的第一作者是动物研究所杨美玲副研究员。

  B 蝗虫到底好不好吃?

  你是否吃过油炸蝗虫?在我国某些地方,这是一种特色小吃。据说有增强记忆力、止咳平喘的作用,对百日咳、支气管炎甚至有较好的疗效。

  但你真的觉得蝗虫好吃吗?你是否想过蝗虫为何会成灾?它们就没有天敌吗?为何用群居蝗虫饲喂家禽,有时也会导致家禽产生不适反应?

  中科院动物研究所康乐院士率领的飞蝗研究团队结合生物化学、分子生物学和行为生态学的研究方法,对群居飞蝗防御天敌的机制进行了深入研究。研究团队发现,群居型飞蝗其实会大量释放一种挥发物性化合物苯乙腈。苯乙腈是苯丙氨酸代谢途径的一个中间化合物,最终会生物合成一种剧毒化合化氢氰酸。但散居型蝗虫却几乎不会合成苯乙腈。所以它是这两种类型飞蝗差别最大的信息化合物。

  在一项关于沙漠蝗(一种分布在非洲和亚洲沙漠地区的昆虫)的研究中,苯乙腈曾被认为是种内交流的聚集素或性信息素。但此说法长期以来存在很大争议。中科院动物研究所的科学家通过行为测定,并没有发现飞蝗对不同浓度苯乙腈表现出趋化性,因此否认了苯乙腈在飞蝗群内是聚集信息素的可能性。他们提出另一种科学假说:苯乙腈可能是一种嗅觉警戒化合物,可进一步合成氢氰酸达到防御天敌的目的。

  研究中发现,该化合物对种群密度变化响应十分灵敏:群居散居化处理后,其释放量会大幅下降;而散居群居化处理后,又会急剧产生苯乙腈。所以说“群居的蝗虫难吃”是有道理的。为此,研究者利用警告研究的模式,开展了飞蝗与天敌(假设为食虫鸟之一大山雀)互相作用的研究。在双选择实验中,大山雀显著攻击和取食散居型飞蝗,而不喜欢群居中的个体。为了明确是否苯乙腈是大山雀不喜欢群居飞蝗主要原因,他们通过在散居飞蝗身体上添加苯乙腈、在群居飞蝗群中干扰苯乙腈合成酶等一系列实验,最终证明了群居飞蝗不好吃,的确是因其含有苯乙腈引起的。

  研究还发现,健康的飞蝗并不释放氢氰酸,但受到鸟攻击后的群居型飞蝗则释放大量氢氰酸。当给散居飞蝗补充苯乙腈后,受扰动的散居型飞蝗也可以产生氢氰酸。这些结果充分证明,蝗虫好吃,但是味道难闻,如果鸟类执意要吃,蝗虫会立即将苯乙腈转化为毒物氢氰酸。蝗虫在没有天敌威胁的情况下,其体内的苯乙腈就不会转化为毒物氢氰酸。

  苯乙腈作为嗅觉警告信号,的确可以提示捕食者“飞蝗潜在含有的剧毒物质氢氰酸”的风险性。因此,捕食者可能也进化出了回避氢氰酸风险,而对苯乙腈的味道产生了天生的拒避反应。

  C 聚集行为更利于防御?

  动物聚集在自然界十分普遍。这种聚集行为的利弊和得失一直以来是进化生物学家和生态学家争议的焦点。特别是聚集后如何有效防御天敌的捕食,以及它们采取什么样的防御策略?

  人们发现,群居动物个体从形态、颜色和行为等方面表现得更加容易暴露自己,比如具有更鲜亮的色彩等。这种现象被称为“警告”信号。颜色、气味、味道和声音等警告信号往往与它们含有某种有毒物质关联,诱发捕食者学习回避特定信号的行为,甚至有些捕食者进化出天生就会回避某些警告信号的行为。比如蝗虫有很多天敌,同时也是人类喜食的昆虫种类,但人们观察到蝗灾大发生时却很少有天敌喜欢捕食群居型蝗虫。用群居蝗虫饲喂家禽也会导致家禽的不适反应。

  但群居动物是如何获得警告信号、警告信号与毒物如何相互协调来防御天敌捕食呢?这是人们还在探讨的问题。人们发现,蝗灾暴发的最关键原因是蝗虫从散居型到群居型的转变,其中也包括它们长期进化出来的防御策略的转变。

  无论是飞蝗在群居时会改变体色,还是大量产生苯乙腈,中科院动物研究所的飞蝗研究团队的研究都是针对动物聚集后共同御敌的行动。而关于苯乙腈的研究还在国际上首次报道了动物巧妙的化学防御策略。相关研究成果已于2019年1月24日3时在线发表于国际著名学术出版社美国科学促进会AAAS的旗舰杂志《Science Advances》上。中国科学院动物研究所魏佳宁副研究员为论文第一作者、康乐院士和王宪辉研究员为论文的通讯作者。他们发现的这种机制,代表了飞蝗在自然界中应对多种天敌和捕食者的普遍防御策略,这可能也是飞蝗成灾的一个重要原因。苯乙腈关键合成酶也将成为良好的遗传防治该害虫的靶点,同时为降低飞蝗食品有毒物质含量提供了解决途径。


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