讨人厌的蟑螂,为什么适应能力那么强?
2023-05-10 21:07

讨人厌的蟑螂,为什么适应能力那么强?

本文来自微信公众号:biokiwi (ID:biokiwi),作者:无奶树,原文标题:《为什么“小强”又双叒叕进化了?!》,题图来自:视觉中国


蟑螂,属于蜚蠊目下的一大类昆虫(大约4600种,其中大约30种是我们熟悉的蟑螂),不过它的另一个名字可能更加广为人知:“小强”。



这只是星爷电影里的一个梗,真实世界里的“小强”可没那么容易死,毕竟它们的“强”人尽皆知:


  • 蟑螂极度耐寒耐高温,上到天寒地冻的北极,下到炎热难耐的热带都能生存;

  • 它的足迹走遍天下,基本只要是有人生活的地方都有它的身影;

  • 有的蟑螂可以一个月不吃不喝;

  • 蟑螂还拥有远高于人类的抗辐射能力;

    ……


甚至有人预言如果人类灭绝,地球将被蟑螂占领。


这些“小强”外形不太讨喜,甚至让人恶心、不舒服,同时也会携带各种病原微生物。为了让它们远离自己的生活,人类与它们的战斗持续了上千年。


随着化学研究的发展,以及对“小强”们的进一步了解,1950年前后,各种化学药剂开始被用于“小强”的防治。


但当时的人类可能没想到,这反而激发了“小强”们的“进化潜能”。我们不妨以研究较多(适应能力也贼强)的德国蟑螂Blattella germanica为例,来看看这几十年,杀虫剂在蟑螂身上发生了什么。


一场和“小强”们70年的持久战


这个故事的开端,要追溯到17世纪的海上贸易。


东南亚的婆罗洲岛是当时香料的重要产地,一袋袋的胡椒被装上帆船运往马六甲,再运往欧洲。同时被带上的,还有一些“不小心”误入的蟑螂。


17世纪主要的香料贸易路线 | 图源:Mawar Masri, et al. 2016.


虽然海上贸易长达数十天,但是长期生活在洞穴里的蟑螂们,早就演化出了不吃不喝也能好好活着的本事,因此顺利经由印度,穿越红海,抵达欧洲大陆。18世纪,德国的博物学家们发现了这种蟑螂的身影,所以人们开始叫它们——德国蟑螂。


这些适应能力极强的“小强”们在人类城市中发现了自己熟悉的环境——潮湿阴暗的厕所、厨房,或者下水管道,这不就和老家婆罗洲的洞穴一样嘛!


很快,这些来自东南亚的“小强”就遍布了欧洲,并随着对美洲大陆的探索和发展,传到了美国,从此一发不可收拾。到了19、20世纪,它们已经是美国家庭随处可见的“害虫”了。


这时候,为了应对它们,化学家们研究出了杀虫剂。


1945年,美国大量使用臭名昭著的DDT灭虫,最初效果的确不错。但经过一段时间的适应,“小强”表示这个问题也不算什么大问题——没过几年人们就发现DDT对“小强”没用了。此后1953年的研究发现,产生抗性的德国蟑螂需要普通蟑螂300倍浓度的DDT才能杀死。更麻烦的是,DTT不仅没那么好用了,其累积效应还会反噬、危害到环境和人类自身。


DDT发明者Paul Müller在1948年获得诺奖,但是估计也正是那个时候,蟑螂们已经出现了抗性的进化 | 图源:Wikipedia


不久以后,DDT的替代品出现了——氯丹(chlordane)杀虫剂在1948年开始推广使用。同样很快,三四年之后,大家就发现这个杀虫剂又没用了,需要用几十倍浓度的杀虫剂才能杀死带有抗性的“小强”。


后面就是一连串的杀虫剂推陈出新,和顽强“小强”的快速进化:二嗪农(diazinon)、马拉硫磷(malathion)、氨基甲酸酯(carbamates)、拟除虫菊酯(pyrethroids)……情况很类似,这些杀虫剂都是推出没几年,德国蟑螂就快速适应,产生抗性了。


这场你来我往的较量持续了数十年。即便是杀灭效果最好的阿维菌素,蟑螂也只需要一年就能够产生抗性;甚至有研究发现,即使是同时用好几种杀虫剂也对德国蟑螂束手无策——杀虫剂根本不可能杀灭这些顽强的家伙。


“小强”们的潜能是怎么被激发的?


为什么这些“小强”就是打不死呢?也许换个角度来看待这个问题,就能得到答案。毕竟这种让大家焦头烂额的现象,在进化学家眼中其实是非常稀松平常的基本操作。


其实每只蟑螂的基因都不一样,它们对各种杀虫剂的耐受程度也有所不同,有强有弱。如果某种杀虫剂开始被使用,耐受能力弱的蟑螂被杀死,而抗性强的蟑螂就会活下来,并进入繁殖季——只需要短短几代,这个群体里的蟑螂就都对这种杀虫剂产生了抗性。这其实就是自然选择,不,是“人类选择”的结果。


而每一次杀虫剂的大量使用,就意味着一次“人类选择”的开始——抗性越来越强的蟑螂被选择了出来。


实际上,很多杀虫剂对害虫的效果是类似的——不仅没有消灭害虫,反而助长了它们的“进化” | 图源:Silvie Huijben, FutureLearn


当然,并不是什么昆虫都能这么被选择——各种杀虫剂的发明在农业和医学上对很多害虫都曾发挥巨大的效用,只是单单搞不定这些打不死的德国蟑螂。


一方面,不到两个月时间,德国蟑螂就可以从虫卵发育成性成熟的成虫——换句话说,没任何限制的话,这些蟑螂两个月就能翻一倍,一年就是64倍。巨大的群体数量可以产生更丰富的基因多样性,那么应对不同杀虫剂的可能也就更多,同时快速的繁殖也让杀虫剂作用之后的它们可以快速“卷土重来”。


另一方面,基因组检测发现德国蟑螂有两个有趣的特点——一是他们的“嗅觉”很强,丰富的感受器让它们比其他昆虫能识别更多的物质,可能能分辨出更多有毒物质;二是他们的“消化能力”很强,丰富的蛋白酶让不同的物质都能被代谢消化,包括不少的杀虫剂。


进化树展示了不同昆虫的离子通道受体(IR)的数量,其中德国蟑螂(Bger)的IR数量显著多于其他昆虫| 图源:Harrison M C, et al. 2018.


这样的敌人,光靠杀虫剂是不够的了。


为了抵抗杀虫剂,“小强”连交配方式都变了


因为发现很多杀虫剂蟑螂都不吃,在上世纪80年代,人类又想出一招——蟑螂好像都爱吃糖,那给杀虫剂加点糖他们就会吃了吧!


结果确实很有效,毕竟谁能抗拒甜食呢?但是德国蟑螂格外爱甜食的特点,是天性决定的——当雄蟑螂和雌蟑螂要交配时,雄蟑螂会分泌麦芽糖来吸引雌性。换句话说,没有糖吃的话,蟑螂就不会交配了!


在交配前,雄性蟑螂(左)会抬起它的翅膀,向雌性蟑螂(右)献上它“甜蜜的礼物”,当雌性尝完觉得不错,就会开始进行交配 | 图源:Wada-Katsumata A, et al. 2023.


这显然是一招非常有针对性的妙招,但还是没几年,这招对德国蟑螂就没啥用了。


开始大家还以为会和之前一样,蟑螂对这类杀虫剂有了抗性。结果1993年,研究者震惊地发现,不是蟑螂有了抗性,而它们为了生存,进化出了“厌糖症”——它们会避免去吃葡萄糖。


要知道,葡萄糖可是世界上最容易被吸收消化的营养物质之一。为了实现这个目的,蟑螂神经元上针对葡萄糖的甜味感受器被苦味感受器替换了——换句话说,蟑螂吃到葡萄糖会觉得很苦不好吃,于是就避开了对杀虫剂的食用。


更离奇的是,研究者发现那些有“厌糖症”的雌蟑螂会开始拒绝交配——为此雄蟑螂也不甘示弱,在这场“人类选择“下,它们把自己的“甜蜜礼物”也换掉了:不再分泌麦芽糖而是分泌麦芽三糖,这既和杀虫剂里的糖不一样,也是雌蟑螂能吃出来的甜味,也就重新讨到了雌蟑螂的“欢心”。


这场比拼与其说是人类与蟑螂的斗争,不如说是人类与自然界进化的战斗。


人类的操作早就改变了演化的过程


实际上这也不是人类第一次这样干了,比如不少人可能听过的“超级细菌”原理也是如此:抗生素的滥用,有时候不仅没起到治疗的效果(因为很多病毒性感染的患者也会使用抗生素),反而产生了各种各样的“人类选择”,将那些没有抗性的细菌杀除。


经过这番洗礼留下来的,自然就是耐药性极强的“超级细菌”了。



又比如捕鱼的拖网,就是一个更加形象的“人类选择筛子”。拖网滑过海底,能把大量体型巨大的鱼类带走,而小鱼则会从网眼溜走——这就导致越小的鱼类生存能力更强,被人类选择了出来,所以这种一网打尽的捕鱼方式的渔获就会越来越少。


而如果拖网网眼越做越小,就只会导致鱼也越来越小,直到这些鱼类体积的极限——它们也就走向了灭亡。


类似的例子其实数不胜数,我们无法评价这样的结果对自然世界是好是坏,但是对于人类自身来说,最终往往都会导致一种负面的结果。


难道面对这些“人类选择“带来的后果,我们一点办法也没有吗?


其实当我们理解了选择的过程,自然也就有了对策。


像是杀虫剂、抗生素这些直接杀死蟑螂、细菌的方法,是一种作用极强的,非生即死的选择。那假如可以不直接杀死它们,而是利用特定的方法让它们失去危害,或者无法繁殖,是不是就能解决呢?


这方面目前进展最让人期待的,是针对灭蚊的转基因方法:通过转基因或者病毒的感染,让雌蚊子失去生育能力,来达到灭蚊的效果。目前来看,这一套方法是成果显著的。


通过公蚊子传播不孕病毒,让雌蚊子失去生殖能力,是目前最有希望彻底灭蚊的方法 | 图源:James S, et al. 2018.


但是,进化的作用无处不在,也充满了未知,你永远不知道它下一步会出一张什么样的牌。


正如《科学》杂志报道中,进化生物学家Allen Moore说的那样:


“Evolution ‘discovers’ solutions even when we think we might have won.”

每当我们以为自己赢了的时候,进化总会“发现”新的解决方法。


参考资料

The German Cockroach: A History. https://pctonline.com/news/the-german-cockroach-a-history-robinson/

Cochran D G, Grayson J M, Lsvitan M. Chromosomal and Cytoplasmic Factors in Transmission of DDT Resistance in the German Cockroach[J]. Journal of Economic Entomology, 1953, 45(6).

Keller J C, Clark P H, Lofgren C S. Susceptibility of insecticide-resistant cockroaches to Pyrethrins[J]. Pest Control, 1956, 24(11).

Harrison M C, Jongepier E, Robertson H M, et al. Hemimetabolous genomes reveal molecular basis of termite eusociality[J]. Nature ecology & evolution, 2018, 2(3): 557-566.

Li S, Zhu S, Jia Q, et al. The genomic and functional landscapes of developmental plasticity in the American cockroach[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 1008.

Wada-Katsumata A, Silverman J, Schal C. Changes in taste neurons support the emergence of an adaptive behavior in cockroaches[J]. Science, 2013, 340(6135): 972-975.

Wada-Katsumata A, Hatano E, Schal C. Gustatory polymorphism mediates a new adaptive courtship strategy[J]. Proceedings of the Royal Society B, 2023, 290(1995): 20222337.

Baltazar‐Soares M, Brans K I, Eizaguirre C. Human‐induced evolution: Signatures, processes and mechanisms underneath anthropogenic footprints on natural systems[J]. Evolutionary Applications, 2021, 14(10): 2335-2341.


本文来自微信公众号:biokiwi (ID:biokiwi),作者:无奶树

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