イナゴの「鼻」をつまめばイナゴの被害は避けられるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 昆虫インターン（中国科学院）

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：生命科学の最新の謎を解くために、中国科学普及の最先端技術プロジェクトは「生命の新知識」と題する一連の記事を立ち上げ、独自の視点から生命現象を解釈し、生物学の謎を明らかにしました。人生の世界を探求し、無限の可能性を探求しましょう。

ほとんどの動物にとって、嗅覚は不可欠であり、生活活動に密接に関係しています。

私たち人間を例に挙げてみましょう。嗅覚を失うと、香りがなくなるため食欲が大幅に減退するだけでなく、重要な早期警告メカニズムも失われます。不快ガスの多くは有毒であることが多く、吸い込みすぎると健康に深刻な害を及ぼすからです。

鼻をかむ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

他の多くの動物、特に昆虫の視覚は高等動物に比べてはるかに発達していません。代わりに、狩猟や繁殖などの活動を完了するために、環境内のさまざまな匂いを識別して分類する複雑な嗅覚システムに頼る必要があります。したがって、嗅覚は彼らにとって極めて重要なのです。

昆虫の嗅覚メカニズムを研究することは、昆虫の生理や習性についてより深く理解できるだけでなく、昆虫によって引き起こされる災害にうまく対処するのにも役立ちます。たとえば、イナゴは大量に集まるため、しばしばイナゴの大発生を引き起こします。

最近の研究では、化合物 4VA がイナゴの嗅覚受容体を介してイナゴを誘引し、集まって害虫を形成させる誘引剤として作用することが判明しました。この研究は非常に意義深い。イナゴの大発生を引き起こす化学信号が初めて顕微鏡レベルで発見され、昆虫学の分野で1世紀にわたって続いてきた問題が解決した。イナゴの嗅覚の 4VA 受容体を改変すると、イナゴは 4VA に引き寄せられて集まることができなくなり、イナゴの大発生は発生しなくなります。

イナゴ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

上記の発見に加えて、最近生物学においてもう一つの「最高の発見」がありました。それは、イナゴの嗅覚の独特な円形コーディングパターンです。

人間の鼻は嗅覚器官ですが、一般的に昆虫の頭にある触角が主な嗅覚器官です。触角の表面はさまざまな種類の受容体で覆われており、受容体にはさまざまな数の極めて敏感な嗅覚ニューロンが含まれています。受容体は嗅覚ニューロンとともに昆虫の嗅覚の基本単位を構成します。

イナゴの頭の神経構造

（写真出典：著者提供）

嗅覚ニューロンの樹状突起の表面には、膜貫通型嗅覚受容体 (OR) と嗅覚共受容体 (Orco) が存在します。嗅覚受容体 (OR) とイオンチャネル型受容体 (IR) は、嗅覚受容体の 2 つの主なタイプを構成しますが、その中でも嗅覚受容体 (OR) の重要性は、さまざまな匂いの認識にあります。

OR を持つ嗅神経は、軸索を中枢神経系の触角葉領域に伝え、そこで嗅糸球体と呼ばれる球状の構造に収束します。さらに、1 つの嗅糸球体は 1 つの嗅覚受容ニューロンから信号を受信するため、1 つの匂いが 1 つの嗅糸球体に対応することが保証されます。

さまざまな種の一次嗅覚中枢（嗅球体）の球状構造

（画像出典：参考1）

これらの規則はショウジョウバエと蛾の両方の触角に存在するというのが共通認識です。

トノサマバッタは、140 を超える嗅覚受容体を持ち、現在までに配列が判明している昆虫ゲノムの中で最大のものである。これまでの法則によれば、イナゴは140個の嗅球を持つはずで、つまりイナゴは140種類の匂いしか認識できないことになる。しかし、イナゴの触角葉領域には2,000個以上の嗅糸球体があり、これはこれまでの規則と矛盾しています。

トノサマバッタの単一の嗅覚受容ニューロンの軸索は複数の嗅覚糸球体に伝達できるため、従来の 1 対 1 モデルは破られます。この複雑な神経伝導パターンにより、イナゴの嗅覚符号化メカニズムを理解することが非常に困難になり、この問題は数十年にわたって棚上げされたままでした。

ドイツのマックス・プランク化学生態学研究所と中国科学院動物学研究所の科学者が率いる国際共同プロジェクトによって、ようやくこの問題が解決されました。

5年かけてゼロからスタートし、まずは最新の遺伝子ノックイン技術を用いて、カルシウムイオン指示薬GCaMP6sをイナゴのゲノムに挿入しました（神経活動の信号はカルシウムイオンの変動を生み出すため、カルシウムイオンの変化を示すことで、生物の神経活動を直感的に研究することができます）。

その後、研究者らは二光子顕微鏡技術を用いて、さまざまな発育段階にあるイナゴのカルシウムイメージング分析を実施し、触角葉領域におけるさまざまな匂い刺激に対する神経反応を記録した。彼らは、異なるカテゴリーの匂いが、環状に配列された触角葉内の異なる嗅球体のグループを活性化することを発見した。そのため、イナゴの嗅覚知覚の形態は、小型から大型へと成長する過程で非常に安定しています。

嗅球体の環状分布と、成長段階の異なるイナゴの嗅球体

（画像出典：参考資料をもとに著者が作成）

さらに研究を進めると、トノサマバッタの嗅覚系は匂いの化学的特性を区別できるだけでなく、匂いを生態学的重要性に応じて分類し、コード化できることが判明した。簡単な例として、イナゴ関連の匂いは主に触角葉の周辺領域を活性化しますが、植物由来の匂いは主に中枢領域を活性化します。これによって私たちは生物学の驚異に驚嘆するのです。イナゴは実際に触角で似たような成分を持つ匂いを「分類」し、似た匂いのものを輪っかに載せます。

さらに、トノサマバッタの嗅覚受容ニューロンの一種は、同時に複数の嗅球に伝達することができます。この多重伝達方式は、リング構造の機能をさらに強化し、匂いごとに複数の保険を残すことと同等になります。あるエリアに複数のカメラを設置するようなものです。 1 台のカメラで撮影するよりも、必要な画像を撮影するのが簡単になります。したがって、トノサマバッタがすべての匂いを逃すことは困難です。これにより、イナゴは複雑な環境の中で、食物や天敵などの重要な匂いを効率的に識別できるようになり、餌を探したり、それらを避けるのに重要な役割を果たします。

さまざまな匂いに対するイナゴの触角葉の嗅覚反応の模式図

（画像出典：参考資料をもとに著者が作成）

結論

イナゴの嗅覚系は生物学研究において非常に重要であるだけでなく、農業や生態系保護においても潜在的な応用価値を持っています。イナゴの群れによる行動は、しばしば作物に壊滅的な被害をもたらします。イナゴの嗅覚メカニズムを理解することで、新たな防除方法を開発し、イナゴが農業に与える被害を軽減することができます。例えば、イナゴの「鼻」をつまんで嗅覚を抑制すると、ある程度はイナゴの大量発生を防ぐのに役立ちます。

この研究は昆虫神経生物学の分野全体を前進させるものでもある。現時点ではイナゴの嗅覚システムしか解明されていないようですが、将来的には技術の継続的な進歩により、より多くの生物（人間を含む）の感覚システムの謎を解明し、科学的研究と応用の継続的な進歩を促進したいと考えています。

参考文献

1. Jiang X、Dimitriou E、Grabe V、他。トノサマバッタの触角葉におけるリング状の匂いコード化。細胞。 2024年6月13日にオンラインで公開されました。doi:10.1016/j.cell.2024.05.036