イナゴの警告色はどこから来たのでしょうか?

制作：中国科学普及協会

著者: 昆虫インターン（中国科学院生物学博士）

プロデューサー: 中国科学博覧会

環境に応じて体の色を変える動物といえば、カメレオンが思い浮かびます。

カメレオン

（写真提供：veerフォトギャラリー）

体の色を急速に変化させることで周囲に適応し、捕食を避けます。この保護色は多くの小動物が自分自身を守る手段です。

野生でよく見かけるイナゴやカマキリが緑色であることに気づいたことがあると思います。これは、周囲の緑に溶け込み、天敵に発見されないようにするための保護色でもあります。

イナゴは色を変えることができますか？

しかし、驚いたことに、イナゴが集まって個体密度が高くなると、その体の色は徐々に背中が黒く、腹が茶色という奇妙な模様に変化していきます。

そしてほとんどの場合、この一見取るに足らない変化はイナゴの大発生の前兆となります。そのため、科学者たちは長い間、緑色の孤独なイナゴが黒や茶色の群生するイナゴに変化する仕組みを研究してきました。この疑問に対する答えは、科学研究の好奇心を満たすだけでなく、イナゴの大量発生メカニズムの多角的な分析も提供し、イナゴの大量発生の制御に大きな意義を持っています。

5齢群生性および単独性トノサマバッタ

（画像出典：参考文献）

イナゴの体色が散在する緑色から群がる黒と茶色に変化する様子は、環境に適応するイナゴの素晴らしい知恵を反映しています。

なぜなら、鳥などの天敵がこれら2色のイナゴに遭遇すると、対照的な黒と茶色は捕食者の目に警告色として映るため、目立つ黒茶色のイナゴを避けて緑色のイナゴを捕食する傾向があるからです。

小さなイナゴが単独で弱いときは、保護色として緑色を使用しますが、数が多く強力になると、群生するイナゴは黒と茶色の警告色に変わります。

群生性イナゴと単独性イナゴの比較

（写真提供：中国科学院の声）

これを読んで、あなたも科学者と同じ疑問を抱くと思います。一体何がこのような変化を引き起こしたのでしょうか?トノサマバッタの背中の黒い色はどうやって形成されるのでしょうか？

群生するイナゴはなぜ色を変えることができるのでしょうか?

実際、数年前に康楽院士のチームは、群生するイナゴの背中の黒い色は通常のメラニン沈着ではなく、 β-カロチン結合タンパク質（βCBP）とβ-カロチンが孤立性イナゴの緑色の皮膚に重なって形成された赤色物質であることを発見しました。

体の色が緑から黒に変化する現象は、物理学の三原色の法則に完全に沿っています。イナゴの体内に「パレット」があるようです。ベータカロチン結合タンパク質は「ブラシ」として機能し、赤い「ペイント」に浸して緑色のイナゴに絵を描きます。体の色が黒くなります。物理学における三原色マッチングルールは、イナゴの体色の変化に完璧に反映されています。

三原色

（写真提供：veerフォトギャラリー）

しかし、群生するイナゴは背中が黒いだけでなく、腹側も茶色で、この明らかな黒茶色の警戒色のパターンの形成とメカニズムは当時は理解されていませんでした。

中国科学院の康楽院士率いる研究チームは、イナゴの黒褐色の警戒体色の形成メカニズムを探るため、警戒体色の形成に関わる遺伝子を探索し、群生するイナゴの黒色と茶色の表皮タンパク質の組成を分析した。彼らは、イナゴの黒褐色の体色の形成に重要な役割を果たしているのが、やはりこの古くからの友人であるβCBPであることを発見した。

具体的には、イナゴの黒い背部と茶色の腹部の体色の違いを決定するのは、βCBP-β-カロチン複合体の分布含有量の違いであり、その中でも茶色の表皮におけるβCBP-β-カロチンの分布量は、黒い表皮における分布量よりも高い。

トノサマバッタ

（画像提供：中国科学院）

群生するイナゴの色の変化に影響を与えるものは何ですか?

この時点で、多くの人は研究をやめてしまうかもしれませんが、科学者の知識への渇望と探究心は、イナゴで調節されるβCBPの分布量の違いを引き起こす原因は何なのかという問いを問い続けるよう促しました。段階的なスクリーニングを通じて、彼らは調節因子であるATF2を発見しました。

科学者らはまた、ATF2は黒色表皮では主に細胞質に分布しているのに対し、褐色表皮では主に核に分布していることも発見した。この局在の違いは、ATF2 セリン部位のリン酸化によって引き起こされます。

さまざまな実験研究を通じて、科学者たちは、PKC シグナル伝達経路が ATF2 の重要なセリンをリン酸化して βCBP の転写を促進できることを発見しました。実験によりPKCを減少させると、βCBPの生成が阻害され、群生するイナゴの体色が黒褐色の警告色から緑の保護色に変化した。

この調節機構はイナゴの個体密度と密接に関係しています。イナゴの個体密度が増加すると、イナゴの体の色も変化します。そのうち、内因的な制御プロセスは、PKC が高密度の集団を感知した後にリン酸化 ATF2 Ser327 を活性化し、ATF2 が細胞核に入り、βCBP プロモーターと結合して転写を活性化できるようにすることです。

黒色と茶色の表皮における ATF2 のリン酸化レベルの違いにより、背側と腹側の表面における βCBP の分布量が異なり、最終的に群生するイナゴの背中が黒色、腹側が茶色という警戒すべき体色を呈することになります。

トノサマバッタの黒褐色の体色の制御機構

（画像出典：参考文献）

これを見ると驚きますか？

イナゴは小さいですが、その体の色の研究は生物学的に重要な意味を持っています。

多くの昆虫は緑色の体色をしていますが、これはイナゴの体色、つまり黄色と青の組み合わせに似ています。しかし、黒い体の色の形成はさまざまですが、主にメラニンと目の色素の沈着によるものです。

イナゴがβCBPとβ-カロチンから形成される赤色複合体と他の色素を組み合わせて黒色を形成する様子は実に新鮮です。

群生するイナゴにおけるβCBP発現とATF2リン酸化の位置分布の違いが信号指示を形成し、その結果、黒い背側表面と茶色の腹側表面という対照的な警告色が生成されます。

自然は本当に魔法のようです。イナゴに「ペイント」するために 3 つの原色を使用できるだけでなく、「顔料」の量を制御してさまざまなコントラスト効果を生み出すこともできます。これは環境に適応し、天敵から身を守るためのイナゴの生存戦略です。それだけでなく、群生するイナゴの目立つ黒と茶色の体色は、イナゴにとって「友好的な」種を識別するための合図でもある。結局のところ、敵と我々を区別することによってのみ、暴動を避け、数万匹の巨大なイナゴの大群を維持することができるのです。

結論

昆虫の世界では、個体密度が増すにつれて昆虫の体色が暗くなるというのはよく見られる現象ですが、これはほとんどの場合、体内で直接生成される黒色色素によって生じます。したがって、この「三原色パレット」法則の初めての発見は、異なる個体群密度下での体色の変化を明らかにする上で大きな意義があり、害虫予測にとって重要な実用的価値を持っています。

参考文献:

【1】Xinle Kang et al. ATF2 リン酸化の空間的に異なる調節が群生するイナゴの警戒色に寄与する。Sci. Adv.9、eadi5168（2023）。