昆虫种群正在减少——这并不是一件好事

使用来自不同气候的两种果蝇——一种来自北加州凉爽的高海拔森林，另一种来自西南部炎热干燥的沙漠（这两种都是普通实验果蝇，drosophila melanogaster的近亲）——西北大学的科学家们发现这两种果蝇在处理外部温度方面存在显著差异。

森林果蝇对热的回避表现出增强的反应，这可能是由于它们触角中的分子热感受器的敏感性更高，而沙漠果蝇则主动被热吸引，这种反应可以追溯到昆虫大脑中帮助计算感官线索的价值（固有的吸引力或厌恶）区域的脑神经连接差异。

科学家们认为这两种机制可能伴随着每个物种的进化而产生，随着它们适应各自独特的热环境，从一个可以追溯到4000万年前的共同祖先开始（那时恐龙不久前就已经灭绝）。

这些发现今天（3月5日）发表在《自然》杂志上，有助于我们理解动物如何进化出对特定温度环境的偏好，并可能帮助预测快速变化的气候对动物行为和分布的影响。

‘关注昆虫的人不够多’

“昆虫在气候变化中受到特别威胁，”西北大学神经生物学家Marco Gallio表示。“行为是动物与环境之间的第一个接口。在生存与灭亡的斗争之前，动物可以通过迁移和改变分布来响应气候变化。我们已经看到许多地区的昆虫种群在下降，甚至像寨卡病毒和疟疾这样的病媒昆虫正在向新区域扩散。”

作为一名自称的“昆虫倡导者”，Gallio是西北大学神经生物学系的教授，同时担任威恩伯格艺术与科学学院分子生物学的索雷塔与亨利·夏皮罗研究教授。他的实验室研究果蝇及其感知系统。Gallio承认，由于“关注昆虫的人不够多”，数据有限，但可用的数据显示过去20到50年间昆虫数量急剧下降。尽管讨厌虫子的人可能会高兴，但Gallio表示，地球上物种最多的动物群体的种群下降并不是值得庆祝的事情。

除了昆虫在大多数陆地食物链中的基础地位外，它们还为70%的农作物授粉。Gallio表示，失去昆虫群落可能会对全球生态系统造成灾难性损害，并对人类福祉产生直接影响。

理解大脑中的热电路

Gallio实验室的先前研究专注于小昆虫如何响应无害和痛苦的温度变化等感官线索。

“普通果蝇是研究外部世界在大脑中如何被表示和处理的特别强大的动物，”Gallio表示。“多年的果蝇遗传学和神经科学研究为我们提供了一张比任何其他动物都更详细的果蝇大脑地图。”

在本研究中，Gallio和同事们想知道除了它们对热环境的选择之外，果蝇物种之间的大脑电路和由此产生的行为有如何比较。

团队使用包括CRISPR在内的基因工具，敲除某些基因并进行物种之间的基因交换，研究可能解释物种特异性温度偏好的分子和大脑机制。

博士生和主要作者Matthew Capek解释说，他们首先发现了在探测热的分子方面的差异，导致它们在不同的温度下激活。尽管Capek表示激活差异可以解释森林果蝇对较凉环境的偏好，但感受器激活的变化不足以解释沙漠果蝇的行为。

“沙漠果蝇似乎主动被暖温度吸引——约90华氏度，而森林果蝇的最佳温度略低于70华氏度，”在Gallio实验室工作的Capek表示。“实际上，触角热传感器的激活阈值对应于它们偏爱的温度范围，它们会寻求该范围，而不是一个应该避免的温度。”

“换句话说，这种果蝇不再像之前那样表现出触角在告诉它远离危险的热；它们似乎在告诉它更高的温度是好的，应该接近它们。”

高成本，高回报

Gallio最初感到困惑——沙漠是炎热的，所以果蝇寻求热量就没有意义——但一次实验室考察到南加州的安扎博雷戈沙漠提供了关键的灵感。

“这个区域的沙漠白天非常炎热，但当太阳落下时，温度会迅速下降，夜晚可能会冷得令人发抖，”主要作者之一和神经生物学的研究副教授Alessia Para表示。“在这样的气候下，果蝇可能需要不断关注快速变化的温度，始终寻找理想的温度范围，白天寻找阴凉处，晚上则躲在仙人掌里以保暖。”

来自更宽容环境的果蝇可能会忽略温度，除非温度快速变化。不断检测合适的温度在能源角度上是代价高昂的，但对于沙漠果蝇来说，这关乎生死。

“这项比较研究在几个不同方面都很有用，”Gallio表示。“当动物出生时，大脑已经被编程知道它将遇到的许多事物对它是有害还是有益，而我们并不理解这种编程是如何工作的。

这些果蝇物种代表了一种自然实验，因为对一种物种有益的刺激对另一种物种是有害的，我们可以研究使其如此的差异。我们还希望进一步了解动物在进化过程中如何适应不同的温度，以便我们可能更好地理解甚至预测它们如何应对持续的气候变化。当然，我们关心昆虫，我们希望我们所学到的能够帮助我们更好地欣赏和保护它们。”

这篇论文题为《果蝇属（genus drosophila）温度偏好行为的进化》，由国家卫生研究院资助（资助号R21NS130554和1F31NS129270）以及PEW学者计划资助。Gallio是国家科学基金会芝加哥的辛蒙斯国家生物学理论和数学研究所的成员。