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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