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捏住蝗虫的“鼻子”，就能防止蝗灾

时间：2024-10-01 10:25来源：www.tianpie.com作者：未知点击：

出品：科普中国

监制：中国科普博览

编者按：为解码生命科学最新奥秘，科普中国前沿科技项目推出“生命新知”系列文章，从独特的视角，解析生命现象，揭示生物奥秘。让大家深入生命世界，探索无限可能。

对绝大部分动物而言，嗅觉都是必不可少的，这与它们的生命活动息息有关。

以大家人类为例，一旦大家失去嗅觉，不只会因为没香味而使食欲大大衰退，而且还会失去一大预警机制，由于很多难闻的气体总是有毒，吸入过多会紧急伤害大家的身体健康。

擤鼻子

（图片来源：veer图库）

对于很多其他动物，特别是昆虫来讲，它们的视觉远没高等动物发达，反而需要依靠复杂的嗅觉系统辨别和分类环境中的各种气味，从而完成捕食、繁殖等活动，因此，嗅觉对它们来讲是极为要紧的。

研究昆虫的嗅觉机制不只能让大家对昆虫的生理和习性等有愈加深入的认知，而且能够帮助大家更好地应付这类昆虫带来的灾害。譬如蝗虫总是会由于过多地聚集在一块而形成蝗灾。

近期的研究发现，4VA这种化合物作为一种吸引剂通过蝗虫的嗅觉感受器来吸引蝗虫聚集成灾，这个研究意义十分重大，初次从微观层面找到了诱发飞蝗成灾的化学信号，解决了萦绕在昆虫范围百年的难点。在修改了蝗虫嗅觉的4VA感受器之后，蝗虫就没办法被4VA吸引聚集，也就不会形成蝗灾了。

蝗虫

（图片来源：veer图库）

除去上述发现以外，近期生物学还有一个“顶级发现”：飞蝗嗅觉的独特环形编码模式。

人类的嗅觉器官是鼻子，但通常来讲，昆虫头上的触角才是最主要的嗅觉器官，触角表面遍布各种类的感受器，感受器内有数目各异却异常灵敏的嗅觉神经元。感受器连同嗅觉神经元就组成了昆虫嗅觉的基本单位。

飞蝗头部神经结构图

（图片来源：作者供图）

在嗅觉神经元的树突表面具备跨膜结构的嗅觉受体（odorant receptor,OR）与嗅觉共受体（Orco）。嗅觉受体OR和亲离子型受体IR构成了两类最主要的嗅觉受体，其中嗅觉受体OR的重要程度在于辨别不一样的气味。

随后，具备OR的嗅觉神经将它轴突传递到中枢神经系统的触角叶地区中，汇聚成一种球状结构，被叫做嗅小球。另外，一个嗅小球接收一个嗅觉受体的神经元传递的信号，从而保证了一种气味对应一种嗅小球。

不同物种初级嗅觉中心的球状结构（嗅小球）

（图片来源：参考文献1）

这类规律在果蝇和蛾子的触角嗅觉感器中都是存在的，这已成为共识。

飞蝗具备现在已知最大的测序昆虫基因组，有超越140种嗅觉受体。依据之前的规律，飞蝗应该具备140个嗅小球，也就是说只能辨别140种气味，但，飞蝗触角叶地区中却有超越2000个嗅小球，这和之前的规律并不相符！

由于飞蝗的单个嗅觉感受神经元的轴突可传递到多个嗅小球，打破了传统的一对一模式。这种复杂的神经传导模式使得理解飞蝗的嗅觉编码机制变得十分困难，这一难点搁置了数十年。

直到近期，德国马克斯普朗克化学生态研究所和中国科学院动物研究所的科学家牵头的国际合作项目才攻破了这一难点！

五年的时间，他们从零开始，第一在飞蝗基因组中借助最新的基因敲入技术定向插入了钙离子指示剂GCaMP6s（由于神经活动的信号会产生钙离子的波动，通过指示钙离子变化，可以直观地研究生物的神经活动）。

随后，研究职员通过双光子显微镜拍摄技术，对不同发育阶段的飞蝗进行钙成像剖析，记录触角叶地区中对各种气味刺激的神经反应。他们发现，不相同种类别的气味在触角叶中激活了不一样的嗅小球群体，这群嗅小球根据环形排列，所以飞蝗在从小到大的发育过程中嗅觉感知的形式是十分稳定的。

嗅小球的环状分布与不同成长时期蝗虫的嗅小球

（图片来源：作者依据参考文献绘制）

进一步的研究发现，飞蝗的嗅觉系统不只可以区别气味的化学特质，还可以依据气味的生态意义进行分类编码。简单举例来讲，蝗虫有关的气味主要激活触角叶外围地区，而植物衍生的气味主要激活中央地区。这就不能不感叹生物的奇妙，飞蝗居然在触角叶中对成分一样的气味进行了“分类”，把相似气味的放到了一个环上。

除此之外，飞蝗的一种嗅觉感受神经元可以同时传递到多个嗅小球中，这种多重传递的方法进一步加大了环形结构的功能，等于对每个气味都留下了多重保险，就好比一个地区安装了多个摄像头，那样肯定比一个摄像头更容易拍到大家需要的画面，因此飞蝗就非常难漏掉每一种气味。如此就能够帮助飞蝗在复杂的环境中高效地辨别要紧的气味，比如食物和天敌，从而在觅食和躲避中发挥重点用途。

不同气味对蝗虫触角叶嗅觉反应的示意图

（图片来源：作者依据参考文献绘制）

结语

蝗虫的嗅觉系统不只在生物学研究中具备要紧意义，还在农业和生态保护范围具备潜在应用价值。蝗虫的群聚行为常常致使农作物的毁灭性破坏，知道其嗅觉机制可以帮助大家开发新的控制办法，降低蝗虫对农业的害处。譬如，某种程度上说，捏住蝗虫的“鼻子”，抑制它的嗅觉，能帮助预防蝗灾。

这项研究还推进了整个昆虫神经生物学范围的进步。虽然现在看来大家只不过知道了蝗虫的嗅觉系统，但将来，伴随技术的不断进步，大家有望揭开更多生物（包含人）感官系统的神秘面纱，推进科学研究和应用的不断进步。

参考文献

Jiang X, Dimitriou E, Grabe V, et al. Ring-shaped odor coding in the antennal lobe of migratory locusts. Cell. Published online June 13, 2024. doi:10.1016/j.cell.2024.05.036

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