出品：科普中國
作者：昆蟲實習生（中國科學院）
監制：中國科普博覽
編者按：為解碼生命科學最新奧秘，科普中國前沿科技項目推出“生命新知”系列文章，從獨特的視角，解讀生命現象，揭示生物奧秘。讓我們深入生命世界，探索無限可能。
提起蝗蟲，小伙伴們應該并不會感到陌生，在夏秋之際的城市草坪里或鄉下田野中的草地里四處跳躍，有時還會快速低飛的昆蟲，俗稱就是“螞蚱”，學名是飛蝗（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代，人們可謂是談“蝗”色變，這一點從造字上就可見端倪，“蝗”字為“蟲”“皇”的組合字，古人面對鋪天蓋地的蝗災無能為力，認為蝗蟲是蟲中之皇，甚至還修建了蝗神廟供奉，祈禱不要發生蝗災。
蝗蟲
（圖片來源：veer圖庫）
那么大家可曾好奇：小小的蝗蟲，為何能變成災難？為什么幾十年來從來沒聽說中國出現嚴重蝗災，蝗蟲成災是不是危言聳聽呢？
答案是，蝗蟲成災絕不是危言聳聽，是真實存在的，之所以中國沒有聽過有大范圍的蝗災爆發，是因為在中華人民共和國成立后，經過科學的治理已經基本消滅了蝗災。所以大家現在可能很難理解影視劇中所描述的蝗災爆發，民不聊生的情景。但是，歷史上的蝗災與水災、旱災并稱為三大自然災害，在古代，漫天飛舞的蝗蟲會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。中國被蝗災困擾千年之久，是世界受災程度和范圍最嚴重的國家之一！
所以出于防患于未然的考慮，我們國家一直都在進行蝗蟲防治的研究，并且早已不是僅僅進行統計分類和形態觀察，而是已經深入到分子領域，甚至走在世界的前沿。
什么在吸引蝗蟲聚群成災？
經過觀察和研究，科學家們發現草叢中這些分散的綠色蝗蟲，并不會形成自然災害，反而是生態系統的重要組成，但是當它們聚集起來，卻成了災害。那么，究竟是什么讓原本無害的蝗蟲聚群成災？
這個問題自從1921年蝗蟲學之父尤瓦洛夫發現蝗蟲存在散居（不成災）和群居（成災）兩種形態后，一直困擾了科學家近百年的時間。
散居型和群居型飛蝗
（圖片來源：參考文獻1）
直到2020年，中國科學院院士康樂帶領中國科學院動物研究所的團隊，通過嚴謹細致的研究，終于發現了吸引蝗蟲聚集成災的化學物質：4-乙烯基苯甲醚（以下簡稱4VA），4VA這種化合物作為一種吸引劑通過蝗蟲的嗅覺感受器來吸引蝗蟲聚集成災。
這個研究意義十分重大，首次從微觀水平找到了誘發飛蝗成災的化學信號，解決了縈繞在昆蟲領域百年的難題，在修改了蝗蟲嗅覺的4VA感受器之后，蝗蟲就無法被4VA吸引聚集，也就不會形成蝗災了。
誘發蝗蟲聚群成災的4VA的另一重身份
研究到了這里，飛蝗聚集的奧秘就已經被揭開了。但是對4VA的持續研究，揭開了它的另一重身份。
首先，大量研究表明群居動物常常表現出高度的繁殖同步性，即群體中的個體具有相同或相近的生殖周期。
這個特點對動物們在自然界中生存是有很多好處的。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物群體內個體交配成功率和后代存活率、降低個體被捕食風險、增強群體動物的環境適應力，是動物群體行為的核心生物學特征之一。
然而這種生殖同步性是如何發生的？這一問題一直被科學家們關注。
目前，除了外在氣候和生物節律的影響外，越來越多的研究發現，個體之間的信息交流也在生殖同步性中發揮了作用。
例如，生物學家瑪爾薩·懷特（Martha McClintock）在1971年首次提出了“懷特”效應。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象。她提出，雄性釋放的化學信號可能對雌性生理周期產生影響，誘導群體中雌性生理周期的同步性。這一理論在后來也被擴展到其他哺乳動物中，但是其中的深層次機理還并不清楚。
產卵的蝗蟲
（圖片來源：中國科學院大學新聞網）
基于以上的研究背景，群居飛蝗的生殖同步性就是一個很好的研究方向。
于是，王憲輝研究員團隊和康樂院士團隊合作，發現飛蝗聚集信息素（4-VA）也具有促進雌性個體同步性成熟的功能。
首先，科學家分析了群居和散居型雌蟲的卵母細胞發育和首次產卵時間，發現群居型雌性比散居型個體性成熟更早并且更一致，產卵時間也更為集中。通過控制性別這一變量，進一步發現飛蝗雌蟲性成熟同步現象是由群居型雄性體表化學揮發物誘發的，而群居雌性和散居雄性體表揮發物并不能誘發雌性同步生殖。
用群居雄蟲散發的氣味刺激失去了嗅覺的突變體雌性飛蝗，就不會發生性成熟同步現象。這些實驗證明群居雄性飛蝗釋放的一種嗅覺信號誘導了雌性飛蝗同步性成熟。
那么這個嗅覺信號到底是什么？
通過對群居雄性、群居雌性、散居雄性成蟲體表揮發物組成及含量的分析和對比，鑒定出5種群居雄性成蟲釋放量高的揮發物。逐個檢測5個揮發氣味對雌性同步性成熟的效果后，發現只有4-乙烯基苯甲醚（4-VA）具有顯著的效果。
令人驚奇的是，對不同年齡段的雌性個體進行檢測，發現4-VA能夠促進年輕雌性性成熟，而對年齡偏大的雌性（羽化后5-6天）沒有明顯作用。
然而，觸角神經反應實驗結果顯示，不同年齡的雌性飛蝗對4-VA的嗅覺感知能力沒有區別，說明這種促性成熟效應的年齡差異并不是嗅覺的差異導致的。
植物上的蝗蟲
（圖片來源：veer圖庫）
那是什么機制影響了4-VA促性成熟效應的年齡差異呢？
通過進一步的研究發現4-VA處理的年輕雌性的咽側體（類似神經內分泌腺體）中保幼激素（JH）代謝的基因發生明顯變化，并且體內的JH的含量上升，但在年齡偏大的雌性中卻沒有變化。
利用失去嗅覺的突變飛蝗進行實驗，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。因為JH是飛蝗生殖調控的關鍵內分泌激素，所以，就是保幼激素（JH）導致了不同年齡雌性個體對4-VA敏感性的差異。
群居雄性成蟲高揮發4-VA的促進雌性性成熟同步性機制
（圖片來源：參考文獻2）
結語
在飛蝗的世界里，在特定的時間，雄性散發的氣味“4-VA”激活雌性成蟲的JH系統，讓年輕的雌性加速性成熟，通過這種“追趕”策略，來實現整個群體內的性成熟同步。顯然，4-VA的這種功能多樣性表明這種化合物在飛蝗大規模群體形成和維持中具有十分重要的作用。要想消滅蝗災治標也要治本，而4VA這一神奇的化學物質帶了給我們希望，因為通過抑制它，我們不但可以防治當代蝗蟲聚集成災，還可以破壞蝗蟲的生長發育一致性，使下一代蝗蟲變得零散，更不容易成災。
這項研究成果也告訴我們，探索發現的過程要敢于想象，舉一反三，老朋友可能還有新面孔。
參考文獻：
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
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