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

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，解读生命现象，揭示生物奥秘。让我们深入生命世界，探索无限可能。

提起蝗虫，小伙伴们应该并不会感到陌生，在夏秋之际的城市草坪里或乡下田野中的草地里四处跳跃，有时还会快速低飞的昆虫，俗称就是“蚂蚱”，学名是飞蝗（蚂蚱有很多种，飞蝗只是其中一种）。

然而在早些年，我们的父辈祖辈生活的时代，人们可谓是谈“蝗”色变，这一点从造字上就可见端倪，“蝗”字为“虫”“皇”的组合字，古人面对铺天盖地的蝗灾无能为力，认为蝗虫是虫中之皇，甚至还修建了蝗神庙供奉，祈祷不要发生蝗灾。

蝗虫

（图片来源：veer图库）

那么大家可曾好奇：小小的蝗虫，为何能变成灾难？为什么几十年来从来没听说中国出现严重蝗灾，蝗虫成灾是不是危言耸听呢？

答案是，蝗虫成灾绝不是危言耸听，是真实存在的，之所以中国没有听过有大范围的蝗灾爆发，是因为在中华人民共和国成立后，经过科学的治理已经基本消灭了蝗灾。所以大家现在可能很难理解影视剧中所描述的蝗灾爆发，民不聊生的情景。但是，历史上的蝗灾与水灾、旱灾并称为三大自然灾害，在古代，漫天飞舞的蝗虫会将百姓一年的收成啃食干净，甚至所有绿叶植物都不能幸免。中国被蝗灾困扰千年之久，是世界受灾程度和范围最严重的国家之一！

所以出于防患于未然的考虑，我们国家一直都在进行蝗虫防治的研究，并且早已不是仅仅进行统计分类和形态观察，而是已经深入到分子领域，甚至走在世界的前沿。

什么在吸引蝗虫聚群成灾？

经过观察和研究，科学家们发现草丛中这些分散的绿色蝗虫，并不会形成自然灾害，反而是生态系统的重要组成，但是当它们聚集起来，却成了灾害。那么，究竟是什么让原本无害的蝗虫聚群成灾？

这个问题自从1921年蝗虫学之父尤瓦洛夫发现蝗虫存在散居（不成灾）和群居（成灾）两种形态后，一直困扰了科学家近百年的时间。

散居型和群居型飞蝗

（图片来源：参考文献1）

直到2020年，中国科学院院士康乐带领中国科学院动物研究所的团队，通过严谨细致的研究，终于发现了吸引蝗虫聚集成灾的化学物质：4-乙烯基苯甲醚（以下简称4VA），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，首次从微观水平找到了诱发飞蝗成灾的化学信号，解决了萦绕在昆虫领域百年的难题，在修改了蝗虫嗅觉的4VA感受器之后，蝗虫就无法被4VA吸引聚集，也就不会形成蝗灾了。

诱发蝗虫聚群成灾的4VA的另一重身份

研究到了这里，飞蝗聚集的奥秘就已经被揭开了。但是对4VA的持续研究，揭开了它的另一重身份。

首先，大量研究表明群居动物常常表现出高度的繁殖同步性，即群体中的个体具有相同或相近的生殖周期。

这个特点对动物们在自然界中生存是有很多好处的。同步的性成熟和生殖周期有利于群体的维持和集体迁徙。同步繁育可以极大地提高动物群体内个体交配成功率和后代存活率、降低个体被捕食风险、增强群体动物的环境适应力，是动物群体行为的核心生物学特征之一。

然而这种生殖同步性是如何发生的？这一问题一直被科学家们关注。

目前，除了外在气候和生物节律的影响外，越来越多的研究发现，个体之间的信息交流也在生殖同步性中发挥了作用。

例如，生物学家玛尔萨·怀特（Martha McClintock）在1971年首次提出了“怀特”效应。她的研究主要是观察和分析雌性鼠类之间的生理周期同步现象。她提出，雄性释放的化学信号可能对雌性生理周期产生影响，诱导群体中雌性生理周期的同步性。这一理论在后来也被扩展到其他哺乳动物中，但是其中的深层次机理还并不清楚。

产卵的蝗虫

（图片来源：中国科学院大学新闻网）

基于以上的研究背景，群居飞蝗的生殖同步性就是一个很好的研究方向。

于是，王宪辉研究员团队和康乐院士团队合作，发现飞蝗聚集信息素（4-VA）也具有促进雌性个体同步性成熟的功能。

首先，科学家分析了群居和散居型雌虫的卵母细胞发育和首次产卵时间，发现群居型雌性比散居型个体性成熟更早并且更一致，产卵时间也更为集中。通过控制性别这一变量，进一步发现飞蝗雌虫性成熟同步现象是由群居型雄性体表化学挥发物诱发的，而群居雌性和散居雄性体表挥发物并不能诱发雌性同步生殖。

用群居雄虫散发的气味刺激失去了嗅觉的突变体雌性飞蝗，就不会发生性成熟同步现象。这些实验证明群居雄性飞蝗释放的一种嗅觉信号诱导了雌性飞蝗同步性成熟。

那么这个嗅觉信号到底是什么？

通过对群居雄性、群居雌性、散居雄性成虫体表挥发物组成及含量的分析和对比，鉴定出5种群居雄性成虫释放量高的挥发物。逐个检测5个挥发气味对雌性同步性成熟的效果后，发现只有4-乙烯基苯甲醚（4-VA）具有显著的效果。

令人惊奇的是，对不同年龄段的雌性个体进行检测，发现4-VA能够促进年轻雌性性成熟，而对年龄偏大的雌性（羽化后5-6天）没有明显作用。

然而，触角神经反应实验结果显示，不同年龄的雌性飞蝗对4-VA的嗅觉感知能力没有区别，说明这种促性成熟效应的年龄差异并不是嗅觉的差异导致的。

植物上的蝗虫

（图片来源：veer图库）

那是什么机制影响了4-VA促性成熟效应的年龄差异呢？

通过进一步的研究发现4-VA处理的年轻雌性的咽侧体（类似神经内分泌腺体）中保幼激素（JH）代谢的基因发生明显变化，并且体内的JH的含量上升，但在年龄偏大的雌性中却没有变化。

利用失去嗅觉的突变飞蝗进行实验，在羽化后3-4天为其人工注射JH，突变体雌性的性成熟同步性得到了提升。因为JH是飞蝗生殖调控的关键内分泌激素，所以，就是保幼激素（JH）导致了不同年龄雌性个体对4-VA敏感性的差异。

群居雄性成虫高挥发4-VA的促进雌性性成熟同步性机制

（图片来源：参考文献2）

结语

在飞蝗的世界里，在特定的时间，雄性散发的气味“4-VA”激活雌性成虫的JH系统，让年轻的雌性加速性成熟，通过这种“追赶”策略，来实现整个群体内的性成熟同步。显然，4-VA的这种功能多样性表明这种化合物在飞蝗大规模群体形成和维持中具有十分重要的作用。要想消灭蝗灾治标也要治本，而4VA这一神奇的化学物质带了给我们希望，因为通过抑制它，我们不但可以防治当代蝗虫聚集成灾，还可以破坏蝗虫的生长发育一致性，使下一代蝗虫变得零散，更不容易成灾。

这项研究成果也告诉我们，探索发现的过程要敢于想象，举一反三，老朋友可能还有新面孔。

参考文献：

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

来源: 中国科普博览

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