生物種間化學互動作用

生物同種或異種的個體間借分泌的化學物質相互吸引或排斥、抑制的現象

基本介紹

• 中文名：生物種間化學互動作用
• 釋義：質相互吸引或排斥、抑制
• 行為方式：攻擊和防禦行為、取食行為
• 目的：為人類服務

生物種間化學互動作用是生物同種或異種的個體間借分泌的化學物質相互吸引或排斥、抑制的現象。

概論

動物具有運動能力，因而動物主要採取行為方式(如攻擊和防禦行為、取食行為等)來對待其他生物。有時也輔以化學物質，如毒蛇毒蟲釋放毒液以麻殺獵物，鼬噴出臭液以驅走天敵，但這些都是行為反應的一部分。然而在植物及微生物的運動能力或者沒有或者有限，因而它們只能依靠化學物質來作用於其他生物。例如，在土壤中，不同植物的根系之間、植物與微生物之間以及微生物彼此之間，都是通過釋放的化學物質實現其互動作用的。這些化學物質叫做互動作用劑。這方面的研究是從20世紀60年代才蓬勃發展起來的；它是化學生態學的主要內容。隨著超微量化學分析技術的進展和套用，人們廣泛地研究了多種生物間的化學互動作用。

植物和微生物

微生物

微生物之間通過化學物質來互相頡頏,這種現象常稱為抗生,有關的物質稱為抗生素。由於抗生素自40年代以來在醫療上的廣泛套用，這方面的知識早為一般人所理解。但植物方面的情況卻很特殊，許多植物產物作為藥用已有一兩千年的歷史，但它們在自然界的功能卻是直到近年才有所認識。人們早就注意到，各種植物能產生大量的次生代謝產物。這種次生代謝產物既不組成植物本身結構，也非其生命活動所必需，有的產物的化學結構還很複雜，其中包括一些重要的藥物。植物製造這些產物是耗能的，但它們具有什麼生物功能卻長期是個謎。已發現的生物鹼、類萜、類黃酮及醌類等已過萬種，現在認識到，其中許多是屬於互動作用劑。

植物

上述化學物質大多產自高等植物。高等植物間的頡頏現象稱為異株克生（或化學相剋），這一現象在高等植物之間很常見，特別是木本植物對周圍草本植物的抑制。較著名的例子如北美的黑胡桃，它的莖、葉及根內含有一種特殊物質,經雨水淋洗至樹下土壤中,再經水解及氧化形成一種萘醌，稱胡桃醌。胡桃醌可殺死多種寬葉草類，還可抑制許多種子的發芽。墨西哥荒漠地區的灰白銀膠菊其根部可釋放出一種毒素(反式月桂酸)，甚至可以抑制同種植株。由於這種“自毒作用”，在自然界中灰白銀膠菊植株之間間距很大，這防止了彼此間為稀有的水分和養分而競爭。除了上述水溶性毒物外，還有揮發性毒物,它們通過空氣影響周圍植株。例如,在北美的白葉鼠尾草叢中，從植株葉部揮發的桉樹腦和樟腦瀰漫於周圍環境中，距植株1～2米之內寸草不生。最後，植物釋出的互動作用劑還可能在群落演替過程中起一定作用。在休閒耕地上可以觀察到一系列植物相繼侵入和替代，直至最後建立一個較穩定的群落。其中的機制可能包括前一物種通過自毒作用而讓位於後一物種，也包括後一物种放出互動作用劑抑制了前一物種的生長。

微生物

高等植物常受真菌侵襲而發生真菌病。但高等植物體記憶體在著防禦機制，可減輕或防止疾病的發生。例如一部分植物含有酚類化合物，可抑制孢子的萌發或菌絲的生長。但最特殊的防禦機制是植物防禦素，這是在植物受真菌侵襲時，局部細胞現合成的一種真菌抑制劑。它包括多種化合物；最早分離出的是豌豆素，是個異黃酮，但較簡單的植物防禦素還包括苯甲酸。這是一種普遍存在的防禦機制，有的植物易患病，常常因為它們產生植物防禦素的速度過慢，真菌才得以不受阻礙地入侵。在真菌這方面，當它們突破植物的化學防禦線後，可能產生致病毒素，造成植株的局部壞死、褪綠病（葉綠體被破壞）、異常生長或萎蔫。

動物

動物分泌互動作用劑大多只是作為行為反應的輔助。除前述毒液、臭液之外，還有麻痹物質，如水蛭借水蛭素麻痹動物皮膚後再咬破吸血。一般說，動物互動作用劑也都是次生代謝產物，例如節肢動物常分泌的物質就與植物分泌的類似，包括萜、生物鹼、酚和醌等。而且有一些節肢動物就是借用植物合成物質來禦敵的。如王斑蝶以馬利筋屬植物為食，在體內積累了大量植物合成的有毒配糖體。鳥類啄食王斑蝶的幼蟲或成蟲後，受配糖體刺激迅速吐出，以後也不再敢嘗試。對於這些動物來講，這似乎是一種節約，因為他們無需自行合成互動作用劑。

動植物間化學互動作用

生物界的一個特徵是物種的多樣性，其中又以昆蟲為最多，已知物種已接近百萬。其次是有花植物，已知的也有20餘萬。甚至有花植物製造的次生代謝產物也在萬種以上。這些多樣性的產生，是昆蟲與有花植物協同進化的結果。許多植食性昆蟲雖然繁殖快、食量大,象蝗群可迅速破壞大面積的作物,但有花植物卻始終保持為地面景觀中的優勢生物。這是因為有花植物製造了各種次生代謝產物，它們對於取食的昆蟲來說或不適口或具毒性，藉此得以倖免被食。不過一些昆蟲卻可能演化出破壞某些植物次生代謝產物的本領,結果是它們得以獨占這些植物性食源,於是原來的阻避劑變成了引誘劑，這些次生代謝產物不僅沒有保護植物反而招來天敵。但植物也在進化，新的物種可能又製造出新的次生代謝產物再次阻避了原有昆蟲的取食。這樣就形成一種“化學軍備競賽”。而且昆蟲世代短、變異大，進化極快。昆蟲還協助植物傳粉，異花授粉增加了植物變異的產生，這也促進了植物的進化。雙方加速的進化最後便導致了上述多樣性的產生。

有花植物阻避昆蟲取食的次生代謝產物主要有生物鹼、類萜和酚類等。對植食性哺乳動物的研究表明，鞣酸是重要的阻避劑。它入口發澀，而且它與食物中蛋白質結合而妨礙其消化吸收。但最驚人的發現是在植物體內分離出具有動物激素功能的物質。例如澳大利亞牧場上苜蓿屬植物中含有的雌激素樣物質造成大量母綿羊不育或難產。在蕨類和裸子植物體內則發現高濃度的蛻皮激素。雖然某些昆蟲可使自口食入的蛻皮激素失活，但經表皮進入蟲體的卻會造成很大為害：畸形發育、不育和早死。這些動物激素樣物質對於植物本身似乎不具生理作用，其功能主要是作為生態阻避劑。

昆蟲

大部分昆蟲的體形和體色有利於它們隱蔽於環境中，它們演化出的對付植物毒素的方法，是借代謝作用將其迅速滅活並排出體外。但也有極少數昆蟲是在體內積累這些毒素作為保衛自身的手段（如上述的王斑蝶），這類昆蟲大都具有警戒色，可使天敵嘗過一回苦頭後便望而生畏。還有更少數的昆蟲也演化出類似的警戒色藉以躲避天敵，雖然它們體內並無毒素。

有花植物

有花植物與昆蟲間並非全是對抗關係,在昆蟲傳粉這一點上實際是互利的。植物提供花蜜，其代價是昆蟲為之傳粉。花蜜以營養素為主要成分，含糖可過半量。植物還分泌出可揮發的香精吸引傳粉動物。香氣可以傳播到動物視線範圍之外，在夜間也發揮作用。視覺不發達的動物，象夜行昆蟲、蝙蝠及蛾類都依賴花香來尋找蜜源。人類感覺芬芳的物質包括萜類、芳香族化合物、酮和醚等；人類感覺腐臭的主要為胺類。有些植物釋放出的氣味就是昆蟲的外激素。例如一種肉桂樹花放出的甲基丁香酚是一種橘小實蠅的性外激素，它還可刺激雄果蠅大量進食。此外，植物還借花色來吸引傳粉動物。花色素中最主要的是花青素（類黃酮），其次是類胡蘿蔔素（類萜），此外還有葉綠素和醌等。花色素的進化趨勢大致是：由最原始的洋紅色的花青素出發，在溫帶地區通過羥基化和甲基化轉化為紫色及紫紅色的飛燕草色素及錦葵色素等，這些色素還可以和黃酮或黃酮醇結合成藍色色素；花青素也可在熱帶地區通過去羥基化轉化為橘紅及黃色的天竺葵色素及芹菜色素等。藍色為溫帶的蜂類所偏愛，橘黃色則吸引熱帶的蜂鳥。

總的來說，化學生態學研究中空白領域還很多，目前研究很活躍，不僅出於理論興趣，而且還有實用的目的，即利用生物間相互對抗的物質來為人類服務。抗生素的發現是一個偉大的成就，目前，從植物中提取防治昆蟲的有效物質的工作正在積極地進行。