研究表明空气污染会影响果蝇的成功交配

昆虫的性交流在很大程度上依赖于信息素，这种化学引诱剂专门允许一个物种的雄性和雌性交配。性信息素对于一个物种的雄性和雌性是独特的。即使是最小的差异，例如在新物种形成中观察到的差异，也会确保交配不再发生，因为雄性和雌性只能通过其同种的明确无误的气味找到彼此。

大多数昆虫信息素是含有碳碳双键的气味分子。众所周知，这种双键很容易被臭氧破坏。“我们已经知道臭氧和一氧化氮等环境污染物会降低花香，使花朵对传粉者的吸引力降低。由于具有碳双键的化合物对臭氧降解特别敏感，而且几乎所有昆虫性信息素都带有这种双键，我们想知道空气污染是否也会影响雌性和雄性昆虫在交配过程中相互发现和识别对方的能力，”进化神经行为学系气味引导行为小组负责人、该研究的主要作者马库斯·克纳登(MarkusKnaden)说，该研究于3月发表14在自然通讯。

Knaden还参与了2020年发表在《化学生态学杂志》上的一项关于空气污染对飞蛾影响的研究。

为了研究臭氧对果蝇模型果蝇交配行为的影响，科学家们首先为果蝇开发了一种臭氧暴露系统，该系统可以模拟空气中的臭氧水平，因为它们通常在夏季在城市中测量。为了做到这一点，研究人员必须创造一个连续的气流，其臭氧水平精确定义，由于臭氧不是一种稳定的化合物并且容易分解，所以这很复杂。同时，即使在正常条件下，苍蝇也常常携带非常少量的信息素。

“因此，我们需要一种技术，使我们能够测量单个苍蝇身上的微量信息素，这些苍蝇在测量之前要么暴露在臭氧中，要么没有暴露在臭氧中。为此，我们使用了所谓的热解吸装置，与气相色谱仪/质谱仪，它使我们能够测量单个苍蝇散发的微量气味，”第一作者江南吉在描述技术挑战时说。

臭氧破坏信息素中的碳碳双键

在实验中，雄性果蝇暴露在略微升高的臭氧浓度中。然后，科学家们测量了果蝇是否仍然释放它们的信息素。当苍蝇暴露在100ppb(十亿分之一，对应浓度为10-9)的臭氧中两个小时时，与仅暴露于环境空气的对照组相比，测得的信息素水平显着降低。

除了模型果蝇的雄性Drosophilamelanogaster，研究人员还测试了果蝇属八种相关物种的雄性果蝇。只有布氏果蝇(Drosophilabusckii)的一种特定雄性信息素的释放在臭氧暴露后未受影响，但这些化合物也不包含碳-碳双键，因此不易与臭氧发生反应。

臭氧会严重破坏苍蝇的交配行为

然后，研究人员测试了雄性果蝇对其同类的吸引力。他们所做的观察令人不安，这可能主要是由于各自信息素的作用。这些由果蝇属的雄性发出，增加了它们对雌性的吸引力。与此同时，雄性利用气味将雌性与其他雄性区分开来：虽然它们的信息素吸引雌性，但排斥其他雄性。在交配过程中，雄性将它们的信息素传递给雌性。在接下来的几个小时内，闻到信息素气味的刚交配的雌性不再对其他雄性有吸引力。因此，臭氧水平升高不仅导致女性对男性的吸引力降低;相反，臭氧化的雄性突然对它们的雄性同行产生了兴趣。

“我们知道臭氧水平升高会影响昆虫交配系统，因为碳双键的分解，以及信息素，通过氧化在化学中并不是火箭科学。然而，我们感到震惊的是，即使臭氧浓度略微升高也会对飞行产生如此强烈的影响行为。实际上，我们最初想关注雄性和雌性之间的互动。我们可以解释雄性在短时间接触臭氧后开始相互求爱，因为它们显然无法区分臭氧中的雄性和雌性。但是，我们没有想过这之前。因此，我们对暴露在臭氧中的雄性排成长长的求偶链的行为感到非常困惑，”作者写道。

研究团队还观察了空气中高臭氧水平对其他果蝇物种交配行为的影响。即使是Drosophilabusckii物种的雄性在暴露于臭氧后也不太成功交配，尽管臭氧不会改变据描述由D.busckii雄性释放的信息素。然而，其他迄今尚未确定的臭氧敏感化合物也可能在它们的交配行为中发挥额外作用。在所研究的其他九个物种中的八个中，研究小组观察到雄性对其他暴露于臭氧的雄性的异常求偶行为。有趣的是，已知缺乏信息素但根据视觉线索求爱的一种物种D.suzukii完全不受臭氧水平升高的影响。

空气污染导致全球昆虫数量下降

大多数昆虫信息素都含有碳碳双键。因此，臭氧被认为会干扰许多昆虫物种的性交流。“昆虫及其信息素已经进化了数百万年。相比之下，空气污染物的浓度自工业化以来才急剧增加。在进化过程中进化的昆虫的通信系统不太可能能够如果信息素突然消失，我们会在短时间内适应新环境。解决这一难题的唯一方法是立即减少大气中的污染物，”进化神经行为学系主任兼联合创始人比尔汉森说。马克斯普朗克中心下一代昆虫化学生态学(nGICE)，致力于研究气候变化和大气污染对昆虫及其化学通讯的影响。特别是，研究重点是人为气候变化对昆虫生态系统服务的影响、入侵昆虫物种的爆发以及疾病媒介在欧洲的传播。

耶拿的科学家们想要研究臭氧对范围更广的昆虫的影响，包括通常长距离跟随信息素羽流的飞蛾。性信息素也是昆虫区分同种和密切相关物种的重要线索。“我们想知道，当密切相关的苍蝇物种共享它们的栖息地时，高浓度的臭氧是否会导致杂交率增加。最后，昆虫中的化学交流不仅限于交配行为。所有社会昆虫像蜜蜂、蚂蚁和黄蜂一样，使用化学线索来识别其群体的成员。我们还研究当蚂蚁从觅食之旅返回时接触到更高水平的污染物时，蚁群内部的社会结构是否受到影响。你甚至不想想象如果蚁群或蜂箱中的社会结构因为信息素交流不再有效而突然崩溃会发生什么，”同时研究沙漠蚂蚁行为的克纳登说。

高臭氧水平不仅对人体健康有害。工业化国家目前的生活方式对环境和气候造成了很高的代价;许多间接影响甚至是未知的。目前的研究提供了一个额外的解释，为什么除了杀虫剂的应用和栖息地的消除之外，昆虫种群在全球范围内急剧下降。如果化学通讯被空气中的污染物破坏，它们就无法以足够的速度繁殖。这也可能影响许多传粉者，例如蜜蜂和蝴蝶。我们80%的作物需要通过昆虫授粉这一事实清楚地表明，如果我们不能成功大幅减少空气污染，那么这个问题在未来可能会变得多么严重.