[Nazology x AIST，研究人员解决未解之谜]“为什么蝉要在土壤中度过这么多年？”昆虫特殊进化背后的秘密
[Nazology x AIST，研究人员解决未解之谜]“为什么蝉要在土壤中度过这么多年？”昆虫特殊进化背后的秘密
[Nazology x AIST 杂志研究人员正在解开未解之谜]“为什么蝉要在地下呆很多年？”你打算花掉它吗？ ”昆虫特殊进化的背后隐藏的秘密
发布于 2025 年 7 月 2 日
采访和文字：Nozomi Kadoya、Ken Uminuma，Nazology 编辑部
近年来，生物体与微生物之间的共生关系备受关注，研究报告称肠道细菌与人类阿尔茨海默病和抑郁症有关，肠道细菌有助于灵长类大脑的进化。
随着人们对共生微生物的日益关注，昆虫研究也不例外。
昆虫具有我们人类无法想象的神秘生态，例如作为幼虫在地下度过数年，并以血液和树液（主要是水）等特殊食物生存。
这些昆虫的特殊进化还与微生物的共生有关。
这次，我们采访了米乐m6官方网站生物技术部、分子生物系统研究部的森山稔，谈论了昆虫和共生微生物建立和进化的共生关系。
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我是一名昆虫研究员，但我不擅长昆虫
--人们对昆虫的喜欢和不喜欢有很大差异，有些人可能会被本文中的解释照片冒犯，但你从小就真的喜欢昆虫吗？
森山不，事实上，我其实很讨厌昆虫（笑）
---哇，这真是一个突然而令人惊讶的发展（笑）
森山我在城市长大，所以我几乎没有见过甲虫或锹虫。当我还是个孩子的时候，我讨厌昆虫，因为我认为它们是蟑螂、蚊子或蝉。它是如此强大，以至于我感觉这是我在研究中第一次经历它。
――你为什么又成为一名昆虫研究员？
森山当我考虑在大学学习生物学时，我看到了利用昆虫来阐明有趣的生物现象的研究，而且我们周围有很多类型的昆虫，而且很容易获得它们作为实验材料，这一事实吸引了我。这就是为什么我选择昆虫作为我的研究课题。
——我明白了，作为生物学家，昆虫很容易研究。但如果你不喜欢昆虫，就很难捕捉它们，对吧？
森山这真的很难（笑）喜欢昆虫的人通常知道哪些物种在哪里。但我不太擅长，所以对这方面一无所知，所以我就不断地向懂昆虫的人请教。
――我们不知道，但实际上有很多昆虫研究人员讨厌昆虫吗？
森山我认为讨厌昆虫的人毕竟是少数。不过，我认为我们两者都有就好了。我觉得有些事情对于喜欢昆虫并且对昆虫了解很多的人来说可能是理所当然的，但是因为我讨厌它们并且对它们一无所知，所以我发现它们令人耳目一新，我能够认真地把它们作为研究课题。我相信，当具有不同观点的人们的想法很好地结合在一起时，昆虫研究领域将会蓬勃发展。
――不过，你不擅长昆虫。你是如何克服的？
森山当我还是一名学生时，我有一个朋友在实践训练中尝试固定昆虫，我从触摸它们开始。但随着做的过程中，我的研究欲望越来越强烈，自然而然就克服了。
不过，我有时仍然会戴手套或依靠镊子来抓虫子。我真的很讨厌毛毛虫和蟑螂（笑）
--昆虫确实是我们所熟悉的，但我的印象是，有很多东西我们不太了解，所以即使你不擅长昆虫，我也能理解你为什么对它们感兴趣。
例如，昆虫通过胃中称为气孔的孔呼吸，那么它们的肺呢？
森山昆虫本来就没有肺。将空气从气孔输送到气管的细管延伸至全身，从而实现全身的气体交换。昆虫的体液在全身循环，它们的器官似乎漂浮在液体中，而贯穿全身的气管将氧气直接输送到这些体液和器官。
――啊，血液根本不携带氧气。这就是为什么昆虫的血液不是红色的，因为它们不需要血红蛋白。这种方法比肺呼吸更好吗？
森山我不是呼吸方面的专家，但很难说哪一种更好。这种机制只适用于昆虫，因为它们很小，但也有人说，肺呼吸对于较大的身体来说更有效。
――如果你问我的话，它确实与其他生物不同。有人说“昆虫不是地球本土的，而是外太空来的外星人”，我觉得我理解这一点。
森山我认为这个想法是相反的。事实上，可以说昆虫是地球上最繁盛的生物。据了解，昆虫约有一百万种，是迄今为止数量最多的生物。
即使你环顾四周，你可能找不到超过10种哺乳动物，但说到昆虫，你可以轻松找到不只是10种，而是100种。
所以，当昆虫被说成是地球上独特的生物时，人类就是这么看待它们的。从昆虫的角度来看，哺乳动物更像是“你有时会看到的奇怪的四足动物。”
――昆虫视角很有趣！不要事事都考虑自己。
臭虫不是虱子，而是臭虫
——先生。森山，您的主要研究是什么？
森山我做了很多不同的事情，所以我真的没有最喜欢的，但其中大多数都是臭虫。
――当我想到臭虫时，我会想到它们独特的气味，但是为什么臭虫首先有气味呢？
森山椿象的胸部有一个特殊的器官，可以散发出有臭味的物质。当我被欺负时我会把它拿出来，这样当我什么都不做时它就不会那么难闻了。
德国绿椿象产生气味物质的器官（气味腺）
--我以为那是你的屁股。另外，如果你把一个罐子装满臭虫，它们会因为自己的气味而死吗？
森山是的，我真的快死了。有好几次，我出去收集的时候，得意忘形，把很多东西塞进一个容器里，却发现都被消灭了。
――嘿！这绝对是都市传说。你为什么要死？
森山恶臭物质的攻击力比你想象的还要大。因此，如果我们把它们聚集在一个狭小的空间里，我们也会受到伤害。我想除非物质有那么强，否则不可能赶走敌人。
——原来如此。看起来只是对人来说气味难闻，但是对身体有害吗？
森山是的。我的眼睛里有分泌物，分泌物持续了大约一周。此外，它还可以熔化塑料。
――是的！可怕的臭虫。虽然是为了研究，但是难度很大。
森山我还研究臭虫。曾经有一段时间，我每周都会从手臂上给他喂血。
――这真是太令人震惊了。难道你不痒吗？
森山每个人对蜇伤的反应都不同；有些人被蜇伤后会出现肿胀和瘙痒，持续数周或数月，但对我来说，伤害很小，一小时内就痊愈了。所以我的同事们都说我很有天赋（笑）。
---臭虫最近在日本成为一个热门话题，因为它们在火车和酒店中很常见，但从研究人员的角度有什么方法可以解决它们吗？
森山如果您担心外出时物品会与衣服混在一起，那么回家后最好将它们放入洗衣机/烘干机中。用热彻底干燥似乎很重要。
---所以可以通过清洗和干燥去除。如果你担心住酒店，我听说把你的衣服和包包放在塑料袋里绑起来是个好主意，但这有用吗？
森山我认为这很有效。基本上，它们在您睡觉时很活跃，因此如果您担心，您可能需要在睡觉前将您的物品放入塑料袋中。此外，由于臭虫吸血，它们会留下黑色、痂状的粪便。这就是为什么我总是检查酒店的床脚，看看上面是否有黑点。
--我明白了。然而，您提到您正在对臭虫进行大量研究，但您也在研究虱子。
森山不，臭虫不是虱子，而是臭虫家族的成员。
---哦，真的吗！？但臭虫和臭虫看起来不太相似，但它们有什么共同点呢？
森山臭虫属于臭虫目，有稻草般的嘴，通过吸取植物或动物的汁液来生长。臭虫是吸血的臭虫。顺便说一句，蚜虫、蝉和水黾也属于这一类。
――蝉也是臭虫家族的成员吗？我很惊讶臭虫比我想象的还要多。
为什么蝉幼虫在土壤中度过数年
---每年夏天我都会想起蝉并想，“哦，它们存在！”，但我对它们的生态了解不多。它有什么特点呢？
森山蝉是常见的昆虫，但令人惊讶的是，人们对它们知之甚少。
例如，雄性蝉以大声叫来吸引雌性而闻名，但据说一旦它们接近雌性，它们就会通过发出与蝉不同的微小声音和振动来进行交流。然而，人们对具体的相互作用知之甚少，例如雌性如何从大量雄性中选择配偶。
――令人惊讶的是，我们不理解的事情有很多，尽管它对我们来说是如此熟悉。我想大家都知道寿命是一周吧？
森山人们都是这么说的，但有些成年人实际上只能活一个月左右。幼虫期不固定为7年，而是从2、3年到7、8年不等。
――噢，真的！另外，它们在哪里产卵？这是否意味着幼虫在土壤中生长？
森山不，它在树干和树枝里面。雌性的屁股末端有一根针，她用它在树上打一个洞，然后在里面产卵。然后，在雨季和秋雨期间，当土壤因雨水而变得松软时，它们就会孵化、爬出、钻入地下，开始在地下的生活。
——我以为它们从一开始就在土壤中孵化。为什么它们会特意在树内产卵？
森山土壤中有许多天敌，以细菌和虫卵为食。我认为它们选择住在树里是因为树充当防御墙并保护它们免受捕食者的侵害。
――我一直有一个问题，你为什么要在地下度过这么多年？
森山这就是蝉的有趣之处。植物有输送营养物质的韧皮部管和吸收水分的导管，但蝉是一种以植物导管液为食的稀有昆虫。幼虫通过吸取植物根部的维管液来生长，但这主要是水，营养成分很少，因此人们认为生长需要很长时间。
--仔细想想，你就会惊奇地发现，它们只靠水就能长成这么大的昆虫，无论需要多长时间。
森山据认为与我们正在研究的共生微生物有关。
最近，肠道细菌的存在在人类中引起了人们的关注，但昆虫体内也有共生微生物，它们深入参与了决定它们可以使用什么样的食物的过程。
就蝉而言，它们的胃里没有肠道，而是有一个特殊的葡萄状组织（共生器官），并且它们将微生物保留在里面。据认为，蝉之所以能够生长，是因为这些微生物将血管液中含有的微量营养物质（例如氨基酸）转化为其他缺失的营养物质。
蝉的共生器官。里面（红色）是共生细菌，外面（黄色）是共生真菌，白色圆形的东西是宿主昆虫的细胞核
---你体内有保存微生物的器官吗？！太棒了。蝉只有一种微生物吗？
森山人们知道蝉的共生器官有两层结构，里面有两种共生细菌。
然而，有些蝉，例如蓝蝉，内部是相同的细菌，但外部是真菌。为什么细菌本来就存在，却被真菌取代了？事实上，当我们检查它的基因时，我们发现这种真菌是冬虫夏草的一种。
――冬虫夏草是一种略显奇形怪状的蘑菇，作为寄生昆虫生长在土壤中。这是否意味着有人选择与寄生昆虫共存，而不是杀死它们并将其用作营养品？
森山我确信如此。我认为它们原本是寄生在蝉身上的，但在某种程度上它们变成了一种互利共生，可以互相受益。选择互利共生而不是敌对，在进化上会更加稳定。如果真菌努力让蝉长大并生出更多的孩子，它也可以自我繁殖，创造双赢的关系。蝉体内也有容纳细菌的器官，使它们能够有效地从导管液等食物中获取营养。随着互利演化的发生，一个复杂的系统诞生了。
---非常有趣。请告诉我们更多关于昆虫和共生微生物的研究。
什么是生活在昆虫体内的共生细菌？
――您什么时候开始研究昆虫和共生微生物？
森山1900年代初，人们用显微镜观察各种事物，并记录了昆虫体内存在微生物。然而，当时我们所知不多，但自1900年代末以来，基因检测技术的进步使得推断共生微生物的分类和功能成为可能，导致该领域的研究取得了重大进展，论文数量也随之增加。
---这是一个备受关注的领域。除了蝉以外，还有哪些昆虫具有共生微生物？
森山黑象鼻虫是一种以其硬度而闻名的昆虫，其细胞内也有共生细菌。
---这也是漫画《Terra Formars》中出现过的昆虫吧？他们说，他们可以被鞋子踩到，或者被鸟吃掉，然后从粪便中爬出来。
森山就是这样。如果没有共生细菌，这种黑象鼻虫就不会变黑或变硬。氨基酸酪氨酸是它变黑变硬所必需的，这是由共生细菌产生的。
正常的黑象甲虫（左）和外骨骼畸形的黑象甲虫（右）
——蝉也是如此，但是共生细菌产生宿主所需的营养物质在昆虫世界中很常见吗？
森山是的，这是最常见的互利共生类型。
前面提到的臭虫也是吸血的，普通昆虫很难以血为食。
这也与生活在它们体内的称为沃尔巴克氏体的共生细菌有关。如果它们只以血液为食，就会缺乏B族维生素。然而，在臭虫中，沃尔巴克氏体的作用是为宿主生产 B 族维生素，以换取接收氨基酸等营养物质。
――沃尔巴克氏菌是一种将宿主的性别从男性变成女性或者杀死男性的东西，对吗？虽然它有着强烈的寄生而非共生的形象。
森山就臭虫而言，人们认为，当寄生的沃尔巴克氏体能够吸收附近的另一种微生物的基因并能够合成维生素 B 时，它们就成为了共生细菌。虽然从进化的角度来看这并非不可能，但我认为概率相当低，而且是一种非常罕见的情况。
然而，这种共生被认为支持了臭虫独特的摄食习性，尽管它们与臭虫有关，但它们是吸血的。
--您之前提到蝉的身体也有专门的共生菌器官，共生菌甚至参与了生物体的进化。然而细菌本身并不能通过基因遗传，又如何能够遗传给后代呢？
昆虫和共生菌是不可或缺的伴侣
---细菌不能通过基因传播，对吗？昆虫如何将共生细菌传递给下一代？
森山例如，棕色臭虫会产下充满共生细菌的黑色胶囊和卵。孵化出来的幼虫会吸食它，并有一种吸收必要的共生细菌的机制。
稻甲虫幼虫从黑色胶囊中吸食共生细菌
---因此，通过进化，昆虫获得了一种机制，可以让它们将共生细菌传递给下一代。
森山是的。就这样，共生菌在进化过程中与臭虫一起不断进化，代代相传。因此，如果椿象分裂成两个物种，那么共生细菌也会被每个物种遗传并分裂。
--我听说臭虫体内有共生器官，可以让细菌在里面生存，但这些器官是孵化时形成的吗？
森山没有。就德国绿蝽而言，肠道的一部分是共生器官，但其结构在生长过程中会发生复杂的变化。有趣的是，在幼虫阶段，肠道前半部和后半部的共生器官之间的连接是封闭的，是独立的结构，但当昆虫变成成虫时，这些连接就打开了。
如果此连接关闭，则任何食物都无法通过，所有食物都会停在那里。因此，当它们还是幼虫时，它们会便秘，但当它们变成成虫并且这个区域打开时，它们就能排便。
共生器官的结构变化
――这将会发生巨大的变化。为什么它需要如此戏剧性的结构变化，比如成年后长出翅膀？
森山成年人最重要的事情就是留下很多后代。因此，能够用翅膀飞行、吃大量营养食物、产大量卵的个体具有优势。
当它们是幼虫时，它们的共生器官的结构还很简单，所以我认为最好保持肠道和共生器官之间的连接关闭，以便稳定地增加共生细菌的数量，而不与食物混合。
――那么，所有种类的臭虫都会以同样的方式改变这种连接的结构吗？
Moriyama不，在某些物种中，例如石虫，这种联系仍然是关闭的。因此，我认为更自然的是，那些已经进化到能够改变其结构的臭虫，例如德国绿臭虫，通过能够产生更多的卵而繁盛起来，因为它们的原始形式是即使在成年后也保持连接部分闭合。
――生存策略不同。
椿象和共生细菌缺一不可再生存吗？
森山没错。例如，就臭虫而言，共生细菌会产生食物中缺乏的必需氨基酸，因此如果没有共生细菌，昆虫将仍然是微小的幼虫，无法生长。
如果臭虫有共生细菌，它们就会补充它们缺乏的营养，所以它们只会吃其他昆虫不吃的不寻常的食物。
我认为，当细菌开始共同生活时，它们能够在臭虫体外生存，但当它们继续在臭虫体内舒适地生活时，它们就失去了在外界恶劣环境中生存所需的基因，并且不再能够独立生存。
这样，他们就会变得越来越依赖，最终建立起一种牢固的共生关系，缺一不可。如此牢固的关系称为义务互利共生。
——我们真是命运与共。我的印象是进化是为了响应环境而发生变化，因此令人惊讶的是，生物由于细菌的影响而发生了如此大的变化。看来还有未解之谜。
森山是的。我认为我们首先需要继续研究共生是如何建立的。
我想每一代人都可能在附近寻找并吸入各种细菌。但在我们意识到之前，母亲们开始只将重要的细菌传给她们的孩子，甚至将它们包装在胶囊中，从而形成了我们今天所拥有的牢固的共生关系。
——我总是很好奇进化过程中到底隐藏着什么秘密。
感谢您今天与我谈论您的宝贵故事。即使您不太喜欢昆虫，如果这篇文章能激发您对昆虫的兴趣，我也会很高兴。
森山我也是这样，但我认为有很多人讨厌昆虫，但对它们一无所知，或者因为对昆虫一无所知而害怕它们。但实际上，一旦你超越了这一点，我觉得那里的昆虫种类非常多，比如美丽的昆虫，有有趣行为的昆虫，还有生活方式不寻常的昆虫，这是一个非常有趣的世界。
――我认为完全正确。最后，昆虫共生研究有什么有趣的地方？
森山我们对生物之间的相互作用了解得越多，它们就会变得越复杂，我认为这与人类关系有类似之处。
生物齐头并进，共同生活。这不仅仅是视觉上的相处，而是彼此融洽相处、建立双赢关系的本质方式是什么？我认为这将是一个学习类似事情的机会。从这个意义上说，我认为共生研究是一个令人愉快的领域。
昆虫如此常见，我们往往以为自己了解它们，但实际上，还有很多事情仍然未知，昆虫的世界充满了神秘。
也许一点怀疑和研究可能会带来重大发现。
即使你不擅长昆虫，或者成年后对昆虫失去了兴趣，但如果你向前迈出一步，也许就能消除之前的误解，或者发现一些有趣的知识。
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