出品：科普中国

作者：昆虫实习生（中国科学院）

监制：中国科普博览

大家可能都听说过蝗灾，对它的形容一般是黑压压的一片从天上飞过，这种形成蝗灾的蝗虫是通过聚集成群，形态发生过变化的群居蝗虫，而有些同学在草丛中看到的绿色蝗虫，其实是不成灾害的散居蝗虫（关于蝗虫如何聚集的原因看另一篇文章：人多力量大，蝗多便成灾？）。

蝗灾

（图片来源：veer图库）

飞蝗在自然状态下是以散居的形式存在的，只有一些外界因素使它们聚集后才会转变为群居的状态，散居的飞蝗通体呈绿色，和草丛融为一体，并且十分孤僻害羞，一只虫默默地生活在野外，只有为了繁衍后代时，一雌一雄两只蝗虫才会相互吸引，走到一起，在完成使命后又会分开，继续做“独行侠”。

群居蝗虫则完全相反，幼年的身体以褐色和黑色为主，在草地里显得格格不入，一大群蝗虫生活在一起，并且像滚雪球一样不断壮大，很少单独行动，最终形成蝗灾。经过介绍我们知道，蝗虫之所以能成灾是因为蝗虫可以从孤独分散的散居型转变为聚集成群的群居型。而且两种状态的蝗虫性情、长相差距很大，也怪不得一百年前人们一直认为它们是两种生物呢！

散居型和群居型飞蝗

（图片来源：中科院之声）

不知道小伙伴们心里有没有这样的疑惑：一种生物是怎么在差异如此巨大的两种状态之间转换呢？是的，不仅仅是我们，世界上的许多科学家都想知道这是为什么，因为这是蝗灾形成的基础，弄明白飞蝗形态转变的原因，就能彻底解决蝗灾。

飞蝗是怎么切换两副面孔的？

为了回答这个问题，国际上的昆虫学家经过了几十年的研究，积累了许多的研究成果。虽然在飞蝗“变形”的研究过程中，中国科学家参与得比较晚，但是却做出了十分重要的贡献。

康乐团队从 21 世纪初开始研究飞蝗两型变化的分子机制，通过多年研究发现，散居的蝗虫一旦呆在一起，几个小时就会发生体色的变化，这是由于蝗虫待在一起后，通过各种感官（如视觉、嗅觉、触觉）感受到外界的信号，通过大脑发出了指令，其中起到关键作用的是——多巴胺，是不是感觉很熟悉，人们常把爱情和多巴胺的分泌联系起来，其实多巴胺不仅仅是爱情来临的风向标，它更重要的作用是脑内的信息传递（感兴趣的小伙伴可以去查阅2000年的诺贝尔生理学或医学奖），就是它把这个蝗虫聚集的信号传递下去，启动了蝗虫形态的变化的开关。

团队进一步研究了多巴胺信号通路上的许多调节因素，包括基因和非基因（如microRNA，LncRNA等）。后来还发现了一系列调节神经活动的激素，说明了飞蝗形态转变过程中，神经活动扮演了重要的角色。所以说“蝗虫虽小，五脏俱全”，不过手指大小的小东西，它背后蕴含的生物学机理还很复杂呢！后来，康乐院士团队完成的飞蝗两型转变的分子调控机制研究成果获得 2017年度国家自然科学奖二等奖。

我们知道了飞蝗两型变化的开关是神经系统发出的信号指令，随后各种分子被动员起来，影响了许多基因的变化，改变了飞蝗的形态，通过图片，同学们觉得最明显的变化是什么呢？

没错，就是体色，从通体绿色的散居型飞蝗到黑棕相间的群居型飞蝗，这样的变化体现了飞蝗高度的环境适应性，我们知道蝗灾发生是上亿头蝗虫聚集的结果，蝗群本身需具备防御机制才能维持这样庞大的群体。聚集蝗群最直观的群体防御机制是警戒色，即群居型飞蝗使用黑色背面和棕色腹面的体色向捕食者发出警告信号，而散居型飞蝗则更接近周围植物的颜色，即均匀的绿色，形成一种天然保护色。但是这一变化是如何在短短几个小时发生的呢？

换肤堪比川剧变脸，太快了！

康乐院士团队的研究为我们揭开了体色变化的神秘面纱，人们认识到散居蝗虫的绿色是由蓝色和黄色素的组合形成，以此隐藏在绿色植物种，免遭天敌捕食，但是群居蝗虫的黑色，许多科学家认为就是黑色素的沉积。但是他们发现群居飞蝗体内的黑色素并不比散居飞蝗多很多，无法使体色转变为黑色。

这时康乐团队想到了物理三原色搭配的知识，创造性地提出在散居飞蝗绿色的基础上加上红色后形成黑色，他们通过一系列研究发现β胡萝卜素结合蛋白与β胡萝卜素结合后会形成红色素，而这种蛋白在群居飞蝗体内的含量明显高于散居型，故而能够调节蝗虫从散居型的绿色变成群居型的黑色。原来如此，绿色的蝗虫红了脸，就变黑啦！

蝗虫体色与物理三原色

（图片来源：参考文献）

怎么样，是不是觉得大自然竟如此神奇，小小蝗虫的“换装”之路也蕴含了这么多的奥秘。蝗虫体内仿佛存在一块“调色板”，β胡萝卜素结合蛋白作为一只“画笔”，蘸上红色的“颜料”，在绿色的飞蝗身上一画，它们身上的颜色就变成了黑色，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！

编辑：孙晨宇

参考文献：

Yang.et al. A β-carotene-binding protein carrying a red pigment regulates body-color transition between green and black in locusts. eLife,8: e41362 (2019)

https://doi.org/10.7554/eLife.41362

来源: 中国科普博览

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