化学生态学的产生与发展

更新于 2026年10月10日 版权声明
二、化学生态学的产生与发展

1.化学生态学的产生

化学生态学是在社会需要和技术支持的大背景下诞生和发展起来的(管致和,1991)。首先是社会问题催生了化学生态学的诞生。20世纪40~50年代,有机农药(DDT、六六六等)的广泛应用导致了人畜中毒、害虫抗性、环境污染和残留以及害虫再度猖獗等问题的出现。1962年,Carson出版了著名的《寂静的春天》(Silent Spring)一书,引发了世界范围内的环境保护运动,人们认识到应该“以自然为师”,开始重视生物之间的化学联系规律。此后化学分析技术的进步推动了化学生态学的发展。20世纪50年代末气相色谱和液相色谱的出现,使人们可以对微量的生物活性化学物质进行精确分析;触角电位和行为测定技术则为生物活性物质的筛选提供了保障。

Butenandt等(1959)发现、分离和鉴定出蚕蛾醇(bombykol)鼓励和推动了化学生态学的诞生,而Sondheimier和Simeone(1970)出版的国际上第一本《化学生态学》(Chemical Ecology)专著、1975年创刊的《化学生态学杂志》(Journal of Chemical Ecology)和1983年成立的国际化学生态学会(International Society of Chemical Ecology,ISCE,网址:www.chemecol.org),均是化学生态学发展史上里程碑式的事件,标志着化学生态学已经独立成为生态学的一个分支学科。1997年亚太化学生态学会(Asia-Pacific Association of Chemical Ecologist,APACE,网址:www.newapace.com)成立,许多国家也相应成立了各自的化学生态学相关的组织。

2.化学生态学的发展阶段

化学生态学最初只是生态学与化学的交叉学科,随着科技的发展,不同的学科技术逐渐被引入。根据化学生态学研究开始引入新技术的时间,化学生态学的历史可以分为传统化学生态学、分子生物学应用、组学应用几个阶段。每个阶段的研究热点各有不同,但总体来说,化学生态学的研究内容和应用的传统技术手段还是相对稳定的。(https://www.daowen.com)

(1)传统化学生态学阶段(20世纪50年代末至20世纪80年代)这个阶段的特点是以昆虫信息素的分离、鉴定、合成和应用开始,随后植物与昆虫关系成为热点研究领域,植物次生物质的功能开始得到重视。这个阶段的研究奠定了整个化学生态学研究的理论和技术基础,气相色谱和液相色谱及质谱技术得到广泛应用,触角电位(electroantennography,EAG)和单细胞记录(single sensillum recording,SSR)等电生理技术、风洞(wind tunnels)和各类嗅觉仪(olfactometer)等行为测定技术,得到了普遍运用(Harborne,2001)。

(2)分子生物学应用阶段(20世纪90年代至21世纪初)在这个阶段,分子生物学技术全面引入化学生态学研究。以德国马·普协会(Max-Planck Society)为代表的科学家进行植物诱导抗性机制、植物的直接和间接防御及三级营养关系的研究,昆虫口腔分泌物中的激发子(如volicitin)、植物防御物质(如蛋白酶抑制剂)和次生物质代谢通路以及乙烯、水杨酸和茉莉酸等信号物质成为热门研究内容。分子生物学技术渗透到化学生态学的研究领域,将化学生态学的研究推到了一个新的阶段(Seybold,2004)。

(3)组学和多组学阶段(21世纪初至今)自从1990年人类基因组计划启动到2000年公布人类基因组草图,基因组学和生物信息学得到了长足发展,测序技术发展日新月异。已经获得了许多昆虫(家蚕Bombyx mori、小菜蛾Plutella xylostella、东亚飞蝗Locusta migratoria manilensis、烟粉虱Bemisia tabaci等)、植物(水稻Oryza sativa、油菜Brassica napus等)和其他生物的全基因组序列。2001年更是启动了千种动植物基因组计划,更多的生物全基因组序列逐步公布。同时,蛋白组、转录组、代谢组、表观组等组学技术逐步成熟和得到广泛应用。化学生态学吸收和应用这些新技术,促进了在昆虫化学感受机制、植物活性次生物质的生物合成及其作用机制、植物抗逆性机制等方面的系统、全面和深入研究,揭示了生物之间化学联系及其遗传机制的全貌(Baudino et al.,2016),为调控生物之间化学关系、生物行为和作物抗性奠定了基础。

化学生态学理论和技术在生物多样性保护、多层级互作研究、内共生菌生态功能研究等方面发挥着重要作用,同时这些方面的研究也在不断充实着化学生态学的理论体系。

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