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苍蝇的气味处理功能类似哺乳动物的大脑

为了更好地理解为什么果蝇会立即被我们的食物吸引,一个科学家小组开发了一种叫做“果蝇行走”的装置,用来测量昆虫对气味信号的反应。研究人员发现,同一物种的雄性和雌性被不同的气味所吸引,当确定“好”和“坏”气味时,它们的大脑功能类似于哺乳动物的大脑。

德国耶拿马克斯·普朗克化学生态研究所的研究人员与葡萄牙和西班牙的同事合作,开发了一种仪器,在拍摄和分析昆虫行为的同时,自动向气流施加气味。这个系统叫做飞行,由玻璃管、气流调节器和摄像机组成。可以同时测试15只苍蝇对多达8种不同气味信号的反应。第一系列试验表明,雄果蝇和雌果蝇对引诱物质的反应不同。雄蝇不再被已经与另一雄蝇交配的雌蝇吸引,因为这些雌蝇周围有一种威慑气味(顺式醋酸乙烯酯)。另外两个出版物报道了昆虫大脑中气味信号的处理。

飞行可以精确测量昆虫对气味信号的反应。如果昆虫逆风飞行,即与气流方向相反,则气味被评定为有吸引力;如果它们停在下风处或顺风行驶,气味会产生威慑作用。该系统不仅允许使用单一气味剂,而且允许使用气味混合物。此外,可以给出不同长度和浓度的气味脉冲。高通量和长时间的自动测量(昆虫可在飞行管中停留长达8小时)有助于对结果进行统计分析。

果蝇实验表明,雌性果蝇比雄性果蝇更容易被典型的食物气味所吸引,例如乙酸乙酯。这种行为似乎反映了为了确保仔鱼在孵化后能找到足够的食物而寻找最佳产卵地。雄性和雌性对抑制气味如苯甲醛的反应是相同的。另一方面,雄性对未交配雌性的气味有积极的反应:如果原始雌性周围的气味被引入飞行管,雄性会逆风移动。“通过这种方式,我们第一次证明了雌性昆虫,就像在其他昆虫物种中观察到的那样,用气味吸引配偶。这些气味物质的化学成分目前正在被分析,”进行实验的凯瑟琳·斯特克说。使交配过的雌性对愿意交配的雄性没有吸引力的物质是已知的:顺式醋酸乙烯酯。有了这种气味,雄性会在交配过程中“标记”雌性。因此,雄果蝇阻止其他雄果蝇进一步受精,并确保其基因得以传播。

在他们的研究中,科学家们测量了果蝇大脑中所谓投射神经元的活动。它们位于触角叶,苍蝇的嗅觉中心。用六种高度吸引人的气味和六种高度威慑人的气味进行的实验表明,吸引人的气味和威慑人的气味是在苍蝇的特定大脑区域中处理的,正如已经在小鼠和人类中显示的那样。研究人员写道:“昆虫大脑的功能与哺乳动物大脑的功能非常相似。由于投射神经元的活动已经反映了对传入的气味信号的一种“解释”,因此最终调节苍蝇行为的“好”或“坏”评估似乎在昆虫大脑中表现得很早。

在鳞翅目昆虫(埃及棉铃虫)和可怕的农业害虫甜菜夜蛾(甜菜夜蛾)的触角裂片中的活性测量表明,神经元对单个植物气味的反应非常特异。这些结果与这些昆虫的进食习惯相对应:两种蛾寄生在100多个不同的植物属中,其中包括许多农作物,因此必须能够准确地将气味与特定植物物种相关联。相比之下,三种专门物种,即鹰嘴豆( achelendia attropos,死头天蛾)、眼天蛾( smerintus oleftata,眼天蛾)和六角天蛾( Manduca sernworm ),似乎只对少数寄主植物有专门的识别能力:不同的气味常常在蛾的大脑中产生相似甚至相同的激发模式。

资料来源:马克斯·普朗克研究所

图片:来自梭动器的果蝇;化学生态学/斯特拉斯