研究人员找到甲虫如何用屁股保持水分的“真相” 利用直肠吸收水分转化为液体

　　甲虫是在极度干燥的环境中生存的冠军。这种特性部分是由于它们能够用后端从空气中吸水。哥本哈根大学和爱丁堡大学的研究人员进行的一项新的合作研究解释了其中的原理。除了帮助解释甲虫如何在其他动物无法生存的环境中茁壮成长之外，这些知识最终还可以用于更有针对性和更精细地控制全球害虫，如谷物象鼻虫和红面粉甲虫。

甲虫后肠的显微横截面。图片显示品红色的干燥粪便被灰色的肠子包围。甲虫的马氏小管呈紫色。图片来源：Kenneth Veland Halberg

　　害虫每年在世界各地吞噬数千吨食物。发展中国家的粮食安全尤其受到谷物象鼻虫和红粉甲虫等动物物种的影响，这些动物数千年来专门在极端干燥的环境中生存，包括粮仓。

　　在发表在《美国国家科学院院刊》上的这项新研究中，哥本哈根大学生物系的研究人员调查了甲虫在不喝任何液态水的情况下存活一生的能力背后的分子和生理过程。这种特性的秘密之一在于它们的后端。

　　事实上，甲虫可以打开它们的直肠并从潮湿空气中吸收水分并将其转化为液体，然后它们可以将液体吸收到体内。这种新颖的用水方法在世界各地的科学界已经为人所知一个多世纪，但直到现在才得到完全阐明。

里面的甲虫模型以及它如何从空气中提取水分。学分：肯尼斯·哈尔伯格

　　“我们对允许甲虫直肠吸收水分的分子机制有了新的认识。昆虫对其水平衡的变化特别敏感。因此，这些知识可用于开发更有针对性的方法来对抗破坏我们食物的甲虫物种生产，而不杀死其他动物或伤害人类和自然，”领导这项研究的生物系副教授 Kenneth Veland Halberg 说。

　　骨干粪便证明有效的液体提取

　　研究人员研究了红粉甲虫的内部器官，以更多地了解它们通过直肠吸收水分的能力。红面粉甲虫被用作所谓的模式生物，这意味着它们提供的工具使它们易于使用，并且它们的生物学特性与其他甲虫相似。

　　在这里，研究人员发现了一种基因，该基因在甲虫直肠中的表达量是其他动物的 60 倍，高于他们发现的任何其他基因。这导致他们找到了一组独特的细胞，称为 leptophragmata 细胞。仔细观察后，他们发现这些细胞在甲虫通过其后端吸水时起着至关重要的作用。

　　“Leptophragmata 细胞是微小的细胞，位于甲虫的肾脏和昆虫循环系统或血液之间，就像窗户一样。当甲虫的肾脏环绕着它的后肠时，Leptophragmata 细胞的功能是将盐分泵入肾脏，以便它们能够从潮湿的环境中获取水分。空气通过他们的直肠并从这里进入他们的身体。我们发现的基因对于这个过程至关重要，这对我们来说是新知识，”Kenneth Veland Halberg 解释道。

　　除了能够从空气中吸水外，甲虫还能非常有效地从食物中吸取液体。即使是含有 1-2% 水的干粮，也能促进甲虫的体液平衡。

发展中国家的粮食安全尤其受到谷物象鼻虫和红粉甲虫等动物物种的影响，这些动物数千年来专门在极端干燥的环境中生存，包括粮仓。学分：肯尼斯·哈尔伯格

　　“一只甲虫可以在不喝液态水的情况下完成整个生命周期。这是因为它们经过改造的直肠和紧密应用的肾脏共同构成了一个多器官系统，该系统高度专业化地从它们吃的食物和他们周围的空气。事实上，它发生得如此有效，以至于我们检查的粪便样本完全干燥，没有任何水迹，”Halberg 解释道。

　　多达 25% 的全球粮食产量损失

　　在过去的 5 亿年里，甲虫已成功地遍布全球。今天，地球上五分之一的动物物种是甲虫。不幸的是，甲虫也是对我们的粮食安全造成毁灭性影响的害虫之一。每年，红甲虫、谷类象甲虫、糊涂甲虫、科罗拉多马铃薯甲虫和其他类型的甲虫占据全球食品供应量的 25%。

　　我们每年在全球范围内使用大约 1000 亿美元的杀虫剂来防止昆虫进入我们的食物。然而，传统杀虫剂会危害其他生物体并破坏环境。

　　因此，根据 Halberg 的说法，重要的是开发更具体和“生态友好”的杀虫剂，这些杀虫剂只针对害虫，同时绕过蜜蜂等更多有益昆虫。这就是对甲虫的解剖学和生理学进行新的更好的理解可能成为关键的地方。

　　“现在我们确切地了解了甲虫在直肠吸收水分时哪些基因、细胞和分子在发挥作用。这意味着我们突然掌握了如何破坏这些非常有效的过程——例如——开发针对目标的杀虫剂这个功能并在这样做的过程中杀死了甲虫，”Halberg 说。

　　“地球上的昆虫生物量是人类的 20 倍。它们在大多数食物网中发挥着关键作用，对几乎所有生态系统和人类健康都有巨大影响。因此，我们需要更好地了解它们，”研究人员总结道。