化學生態學

化學生態學屬於生態學和化學的交叉學科，是研究生物間的化學聯繫及其機制，是當前生態學領域最活躍的分支學科之一。

化學生態學自20世紀50年代末20世紀50年代末誕生以來，以它對農藥污染、病蟲害抗藥性和其他生態環境問題的反思，以它對生物間相互關係的根本原因的探討，以它對病蟲治理、生物多樣性保護和生物資源合理利用（如生物農藥開發）的指導作用的研究，為神經生物學和進化論等提供了研究模式和理論依據，這對基礎科學的意義是無法估量的。化學生態學的研究，涉及進化論、生態學、行為學、毒理學、分析化學、電生理學、細胞生物學、生物物理學、神經生物學、生物化學、分子生物學等學科的原理和技術手段，是學科交叉優勢互補的典型範例。

基本介紹

• 中文名：化學生態學
• 外文名：chemical ecology
• 目標：研究生物間的化學聯繫及其機制
• 時間：20世紀50年代末
• 物質基礎：信息化合物
• 研究對象：信息化合物的生物合成途徑等

概念

化學生態學是指套用現代化學的方法和技術，並用化學的觀點對巨觀和微觀生態學現象進行研究的學科。研究內容著重生物之間的化學聯繫的現象、機理和套用。

發展歷史

1931年，據曼(T.Mann)所著的《Magic Mountain》中記載，經常有人在一種學名叫Anitaris toxicaria的樹下休息時，不經意地沉沉睡去。後來人們通過化學分析，發現其葉子所分泌的毒霧中含有強心苷。研究發現，香桃木屬(Myrtus)、桉樹屬(Eucalyptus)和臭椿屬(Ailanthus)的葉均有分泌物，其成分主要是酚類化合物，例如對羥基苯甲酸、阿魏酸和香草酸等，它們對亞麻的生長具有明顯的抑制作用。在印度，有種植物叫美洲地錦，不僅果實有毒，而且枝條汁液有腐蝕性，如果灼傷皮膚，不易癒合。

1940年，伯德(I.H.R.Bode)發現蒿葉中的分泌物對鄰近植物具有明顯的抑制作用，其有效成分是苦艾精，是一種通式為C₂₅H₂₀O₄的化合物，為一種芳香族的酸。1944年，美國生態學家博納(J.Bonner)等進行了一系列植物他感物質的分離工作，並在1950年研究了高等植物的有毒分泌物對種間相互作用的影響。1953年，穆勒(c.H.Muller)等探討了具有毒物質的荒漠一年生植物同灌木間的相互關係。

在長期的生產實踐中，人們發現大量的生物之間存在著化學物質的傳遞與回響的現象。

1970年，美國的松德海默(Sondheimer)出版了第一本《化學生態學》，標誌著化學生態學的誕生。1975年，國際上《化學生態學雜誌》也正式出版。化學生態學是屬於化學和生態學的交叉學科，主要研究生物之間，或生物與無機環境之間化學信號的聯繫及其作用機制。

事實上，在我國古代，早已發現有些植物之間具有相剋的現象。例如，在北魏的《齊民要術》中記載：“慎勿於大豆地中雜種麻子，扇地兩損，而收並薄。”“胡麻(芝麻)宜種白地。”“荒地種胡麻，一年不出草。”原產於我國的漆樹是重要的經濟植物，可以生產中國漆。在漆樹葉中含槲毒素，樹皮的滲出物是漆。

研究內容

化學生態學是一門新興的交叉科學，是生物機制的新領域，是生態學發展的新方向之一。它和物理生態學構成了非生物環境的整體，它是生物(植物、動物和人類)的分布、生存、生活、生長發育和成熟的主要環境條件之一。物理因子(氣候、土壤、地形、地貌等)和化學因子(營養物質、有機與無機污染物質等)共同構成的物理——化學生態系統，對於生物物種在其生活與生存方面的作用及其所產生的各種生理——生態現象。從進化論的觀點來說，就是研究生物物種與化學環境(包括物理環境)的協同進化的理論和生理——生化機制，也就是研究生物物種對於不同的外界的物理因素生態環境對於相應而多變的化學生態系統中的有機化合物質機理作用的適應性和變異性，並使其達到最佳的功能。

生態學和進化論是化學生態學的理論基礎，而分析化學是其主要研究手段。同時，化學生態學還要依賴動物學、植物學、微生物學、昆蟲學等傳統生物學科，以及生物化學、分子生物學、生理學、行為學、毒理學等現代生物學科。

化學生態學主要研究化學信息的種類和作用機制，揭示在自然界中各種生物之間聯繫的化學本質。化學生態學的物質基礎為信息化合物，研究對象幾乎遍布整個生物界。它的主要研究對象有：信息化合物的生物合成途徑，信息分物的定向行為，信息素產生的節律和接收者的行為序列，生物鐘的種間間隔，社會昆蟲的分化等。信息素在防治病蟲害等方面已有廣泛的套用。

化學生態學的研究方法與手段是多種多樣的，除了常規的生物學方法外，主要藉助化學和物理學的研究手段，例如刺吸電位技術、觸角電位及其相關技術、常規分析化學方法、氣相色譜、氣相色譜一質譜聯用分析、高壓液相色譜、氣相色譜一質譜一計算機聯用法、吸附濃縮技術、火焰光度檢查法，以及風洞理論與技術等。

研究意義

由於化學生態學涉及各個生物類群，特別是植物與植物、植物與動物、動物與動物相互之間的化學關係，使人們重新認識生物相互關係的內在機制，尤其是生態學中種群、群落結構和生態位理論。生態學家往往對生物分布型進行統計分析，對生物的食性進行描述，對生物的行為進行觀察，而往往不清楚這些生態現象背後的根本原因。化學生態學的研究發現，化學關係是生物間聯繫的重要方式，信息化學物質將各種營養層次的生物和沒有營養關係的生物都聯繫了起來，形成一個巨大的化學信息網。可以說，生物間的關係，其實就是化學關係。從這個觀點出發，化學生態學與巨觀生態學和微觀生態學都有密切關係，因此，化學生態學的理論和實踐充實了生態學乃至整個生命科學的內容。

化學生態學研究生物間的化學聯繫及其機制，強調生物之間既競爭又協調的關係，而且這種關係涉及許多生物，任何～種生物的受損，必將影響整個生態系統的功能。這就為保護生物多樣性提供了理論依據。

生物對信息化學物質的感受機制，是化學生態學研究的重要內容。這些研究的成果將對人類腦功能的認識產生重大影響。化學生態學涉及的生物關係和進化關係，將為現代進化論提供典型事例，化學生態學所總結出的生物協調關係的規律，將充實進化論的理論體系。

植物抗性化學機制的研究將為農林醫牧病蟲害防治提供理論根據和方向，實際上，化學生態學的成果正套用在有害物綜合治理中。

化學生態學所涉及的生物活性物質，很自然地成為生物農藥開發的目標。生物農藥的套用將減少或替代化學農藥的使用，減緩病蟲抗藥性，保護病蟲害的天敵資源，從而保護人類自身免受化學農藥毒害，保護生態環境和保證自然資源的持續利用。