蝗蟲如何聚群成災？臭味相投！
經濟日報·中國經濟網記者 沈 慧
當黑壓壓的蝗蟲鋪天蓋地般襲來，到底有多可怕？根據聯合國糧農組織的判斷，1平方公里蝗群1天能吃掉3.5萬人的口糧。這些“吃糧不眨眼”的蝗蟲是如何聚群成災的？一起聽聽專家怎么說。
近日，中國科學院動物研究所康樂院士團隊在國際頂級期刊《自然》發表研究成果，揭示了飛蝗“群體作惡”的奧秘：從三三兩兩散居的飛蝗到成千上萬只大規模聚集的蝗群，習慣獨處的飛蝗之所以放棄“自由生活”，是因為一種來自群居型飛蝗特異性揮發的氣味。這種氣味中含有一種釋放量低但生物活性非常高的化合物，名為4-vinylanisole(4VA，4-乙烯基苯甲醚)，它能夠響應飛蝗種群密度變化，隨著種群密度增加而增加。受其“蠱惑”，“欲罷不能”的飛蝗開始成群結隊聚集，最終釀成毀滅性蝗災。
“這些發現使我們第一次真正認識到蝗蟲的群聚信息素。這不僅可以被應用到基礎研究中，也非常有希望應用于野外蝗蟲治理。”德國馬普化學生態研究所所長比爾漢森表示。
不可忽視的蝗災危害
小小蝗蟲雖其貌不揚，若數以億計聚到一起，破壞力卻是災難性的。蝗災、旱災、洪災是我國歷史上三大自然災害。近2000多年歷史記載顯示，我國發生過大規模蝗災800多次。
與主要襲擾我國的飛蝗不同，沙漠蝗雖然僅僅分布在非洲、中東、南歐與南亞地區，但有關其危害的記載可追溯到5000多年前。2019年到2020年6月，沙漠蝗的爆發從非洲之角蔓延到20多個國家和地區。聯合國糧農組織判斷，沙漠蝗蝗災波及區域達26萬多公頃，規模為25年一遇，沿途1190萬人的糧食供應受到直接威脅。
蝗災與人類發展歷史長期相伴，然而，我們對蝗災成因的科學認識不足百年。國際著名昆蟲學家和蝗蟲學之父尤瓦洛夫發現，飛蝗之所以成災，是因為蝗蟲能從低密度散居型轉變為高密度群居型——因在蝗蟲研究方面的杰出貢獻，他被英國皇家授予爵士頭銜。而在尤瓦洛夫提出蝗蟲型變理論之前，人們一度認為散居型和群居型蝗蟲是兩個不同物種。散居型蝗蟲因密度較低，不發生遷飛，一般認為無害；群居型蝗蟲一旦形成，則會導致蝗災發生。
可是，喜歡獨居的蝗蟲是如何形成蝗群的，這其中發揮關鍵作用的又是什么？近80年來，科學家們對此提出了許多假說，比如食物、繁殖地、性成熟、群集信息素、氣候等。但是，究竟是哪一個因素起主要作用，其中的奧秘和機理又是什么？無人知曉。
向著未知前進。上世紀70年代，科學家們逐步認識到群聚信息素可能是蝗蟲聚集的最關鍵因素。此后，經過科學家們50多年不斷努力，有幾種化合物被認為可能是蝗蟲的群聚信息素，被命名為蝗醇、蝗酚等。然而，這些化合物中沒有一個能符合群聚信息素所有標準，比如有的在實驗室有效，但在野外種群驗證時無效；有的對雌性蝗蟲有效，但對雄性蝗蟲無效。
“一個合格的群聚信息素應當沒有性別偏好、不分大小和年齡。”康樂強調。
鑒定發現蝗災“罪魁禍首”
那么，蝗蟲們群聚成災的真相是什么？2004年，康樂團隊開始了蝗蟲型變基因表達調控與表觀遺傳調控的分子機理研究。如今，研究團隊發現了一種誘惑蝗蟲破壞性集群的關鍵化學物質。
通過分析群居型飛蝗與散居型飛蝗體表和糞便揮發物，研究團隊在35種化合物中鑒定到一種化學信息素——4-乙烯基苯甲醚，并通過一系列行為實驗確定其無論對群居型飛蝗還是散居型飛蝗、雌性飛蝗還是雄性飛蝗、飛蝗幼蟲還是飛蝗成蟲，均具有很強吸引力，且能夠響應蝗蟲種群密度變化，隨著種群密度增加而增加。
更有趣的是，科學家們還發現，僅需4只至5只散居飛蝗聚集，這種群聚信息素便可產生和釋放，繼而促進形成巨大蝗蟲群。
在上述研究基礎上，研究人員在飛蝗觸角上的4種主要感器類型中，發現了4VA特異引起錐形感器的反應。在蝗蟲上百個嗅覺受體中，定位在錐形感器中的嗅覺受體OR35是4VA特異性受體。當使用基因編輯技術敲除OR35后，飛蝗突變體觸角與錐形感器神經電生理反應顯著降低，突變體也對4VA的響應行為和吸引力喪失。
那么，4VA在戶外和自然環境中能吸引與聚集蝗蟲嗎？研究人員通過室外草地雙選與誘捕實驗證明，4VA對實驗室種群在戶外具有很強吸引力。進而，他們在天津北大港大范圍實驗，再一次證明4VA不僅能吸引野外種群，且不受自然環境中蝗蟲背景密度影響。
“本研究首次從化學分析、行為驗證、神經電生理記錄、嗅覺受體鑒定、基因敲除和野外驗證等多層面，對飛蝗群居信息素開展全面充分鑒定和驗證，發現和確立了4VA才是飛蝗群聚信息素。”在康樂看來，本研究將化學生態學研究提高到一個新階段，是昆蟲學研究的一個重要突破。
綠色可持續防控成為可能
長期以來，人們對蝗災的防治主要依賴化學殺蟲劑大規模噴施，會對食品安全、生態系統和人類健康產生巨大負面影響。這項最新研究不僅揭示蝗蟲群居的奧秘，更重要的是，使蝗蟲綠色、可持續防控成為可能。
康樂認為，這項研究將從多方面改變人們控制蝗災的理念和方法，比如利用人工合成信息素可在田間長期監測蝗蟲種群動態，為預測預報服務；利用人工合成信息素可設計誘集帶誘集蝗蟲，并在誘集帶集中使用化學農藥或生物制劑將其消滅，從而極大減少化學農藥使用；根據4VA的結構設計拮抗劑，阻止蝗蟲聚集；嗅覺受體OR35的發現，為使用基因編輯技術建立4VA反應缺失突變體成為可能。一旦這種突變體長期釋放到野外，就可能在重災區建立起無法群居的蝗蟲種群，既維持了蝗蟲一定數量，又可持續控制，將環境保護與害蟲控制有機結合起來。
“因此，4VA與其受體的發現，將極大改變防治蝗蟲對策和技術。”康樂表示。
“這項工作做出了令人興奮的發現，找到了一個人們長期尋找的蝗蟲群聚信息素分子，文章包含了令人吃驚的多個層次研究。”美國洛克菲勒大學教授萊斯莉·沃斯霍爾明確表示。
“這是中國科學家為國際昆蟲學與蝗蟲防治作出的巨大貢獻。這是在經歷50年探索后，科學家們第一次真正確認了飛蝗的群聚信息素。”聯合國糧農組織植物生產與保護司司長夏敬源在賀信中表示，“4VA的發現將大大提高蝗災的預測和控制水平，為人們開發新的蝗災控制方法提供重要線索。同時，該研究也為沙漠蝗的研究和控制提供了重要參考。”