出品：科普中國(guó)

作者：蘇澄宇

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂(lè)趣。

想象一下，如果讓你在接下來(lái)的七天里不吃任何固體食物，也沒(méi)有其他飲料可供選擇，只有一種高達(dá)80%濃度的酒精溶液陪伴著你，你會(huì)有怎樣的變化？

在接下來(lái)的日子里，你會(huì)感受到酒精從喉嚨燒入胃部，甚至可能昏迷。你的肝臟會(huì)像機(jī)器般瘋狂運(yùn)轉(zhuǎn)，試圖分解這些酒精，而乙醛（酒精代謝的中間產(chǎn)物）卻在你的體內(nèi)積累，像“毒藥”一樣侵蝕著你的器官。

僅僅一天，你可能已經(jīng)開(kāi)始嘔吐、頭暈、神志不清。到了第二天，你的肝臟功能可能已經(jīng)嚴(yán)重受損。一個(gè)星期？不必想象，因?yàn)槟愫芸赡茉缫训瓜隆?/p>

聽(tīng)上去像是一場(chǎng)可怕的極限挑戰(zhàn)，但在昆蟲(chóng)世界中，東方胡蜂（Vespa orientalis）竟然以一種超乎想象的方式完成了這項(xiàng)“實(shí)驗(yàn)”。相關(guān)的研究成果于2024年9月發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

論文成果

（圖片來(lái)源：PNAS官網(wǎng)）

東方胡蜂竟會(huì)偷喝人類的酒精飲料

東方胡蜂（Vespa orientalis），又稱東方大黃蜂，是膜翅目胡蜂科的一種昆蟲(chóng)。其體長(zhǎng)約14-18毫米，體色主要為棕黃色，腹部具有明顯的黃色條紋。

東方胡蜂

（圖片來(lái)源：inaturalist）

索菲亞·布切布蒂(Sofia Bouchebti)是一位動(dòng)物行為生態(tài)學(xué)家，多年來(lái)專注于昆蟲(chóng)與環(huán)境壓力的適應(yīng)關(guān)系。她的研究始于一次田野考察，當(dāng)時(shí)，她觀察到東方胡蜂對(duì)腐爛水果和人類遺棄的酒精飲料表現(xiàn)出異常的興趣?！八鼈兯坪醪粌H能承受這些環(huán)境，還能從中獲益，”索菲亞回憶道，“這是非常不同尋常的?！?/p>

昆蟲(chóng)對(duì)水果的興趣

（圖片來(lái)源：Eran Levin）

通常，大部分動(dòng)物只會(huì)攝入低濃度的乙醇。酒精熱量高，每克7卡路里，比糖的4卡路里高近一倍，對(duì)身體也有毒性，攝入過(guò)量可能會(huì)引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)紊亂甚至死亡。世界衛(wèi)生組織（WHO）明確指出“沒(méi)有安全的酒精攝入水平”。

東方胡蜂的酒量到底有多大？

為了弄清東方胡蜂到底有多能喝酒，索菲亞及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)。他們準(zhǔn)備了2000余只東方胡蜂和歐洲蜜蜂，在實(shí)驗(yàn)室中為它們準(zhǔn)備了含有不同濃度乙醇的糖水溶液，糖水溶液是通過(guò)將乙醇溶液按一定比例加入到50%的蔗糖溶液中制成的酒精濃度從1%到80%不等的甜酒。

科學(xué)家們持續(xù)觀察它們的行為和生存狀況，最初以為40%的酒精濃度就足以讓它們失去行動(dòng)能力，甚至死亡。但結(jié)果是它們不僅存活了下來(lái)，還在80%的酒精中表現(xiàn)得比預(yù)期更活躍。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在80%乙醇濃度的環(huán)境中，黃蜂的生存率達(dá)到95%以上，且它們的筑巢行為（如構(gòu)建蜂巢的速度和規(guī)模）與對(duì)照組（無(wú)乙醇糖水）并無(wú)顯著差異。很明顯，甜酒中的高濃度乙醇對(duì)它們的日?；顒?dòng)影響極小，喝完酒該干活還是可以干活。

東方胡蜂工蜂對(duì)乙醇的耐受性極強(qiáng)，即使在高濃度環(huán)境下（80%），其生存率也沒(méi)有顯著降低。

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)1）

相比之下，同樣參與實(shí)驗(yàn)的歐洲蜜蜂卻難以承受這樣的挑戰(zhàn)。蜜蜂在攝入高濃度甜酒后，行為變得極為不穩(wěn)定，它們的翅膀顫抖，運(yùn)動(dòng)變得遲緩，就像被蒙上了無(wú)形的枷鎖，最終在24小時(shí)內(nèi)大量死亡。

東方胡蜂對(duì)高濃度乙醇表現(xiàn)出極強(qiáng)的耐受性，而蜜蜂在類似條件下表現(xiàn)出較低的生存能力，說(shuō)明兩者的代謝機(jī)制存在顯著差異。

（圖片來(lái)源：文獻(xiàn)1）

東方胡蜂為什么這么“能喝”？

科學(xué)家使用了一種特殊的標(biāo)記——“13C1標(biāo)記乙醇”同位素。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是給乙醇加了個(gè)“追蹤器”，這樣就可以觀察這些乙醇在黃蜂體內(nèi)的代謝路徑。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在高濃度乙醇環(huán)境下，黃蜂的乙醇脫氫酶（NADP+）活性顯著增加。乙醇脫氫酶是一種負(fù)責(zé)分解乙醇的關(guān)鍵酶，它首先將乙醇分解為乙醛（一種中間代謝產(chǎn)物），乙醛再進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為乙酸（即醋酸），最終進(jìn)入體內(nèi)的代謝循環(huán)，成為能被身體利用的無(wú)害物質(zhì)。尤其是在80%乙醇濃度下，乙醇脫氫酶的活性比低濃度組提高了約3倍。

通過(guò)研究，科學(xué)家們很快鎖定了答案——基因多拷貝?？茖W(xué)家使用tblastn方法對(duì)乙醇代謝酶的基因在東方胡蜂及其它胡蜂屬物種中的復(fù)制情況進(jìn)行了分析。

tblastn是一款基于BLAST（Basic Local Alignment Search Tool）的生物信息學(xué)工具，用于在核酸序列數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索與特定蛋白質(zhì)序列相匹配的區(qū)域?？茖W(xué)家們通過(guò)序列比對(duì)分析，確認(rèn)了乙醇脫氫酶基因的多拷貝現(xiàn)象，這些基因位于同一染色體上。而這一切推測(cè)可能是串聯(lián)復(fù)制事件（Tandem Duplication）導(dǎo)致的。

串聯(lián)復(fù)制事件是一種基因組重組現(xiàn)象，指基因的一段DNA序列被重復(fù)復(fù)制，并插入到原位，形成多個(gè)連續(xù)排列的基因副本。這些基因副本通常位于同一條染色體上，彼此緊密相鄰，像“串聯(lián)”起來(lái)一樣，因此被稱為串聯(lián)復(fù)制。

正是因?yàn)闁|方胡蜂體內(nèi)的乙醇脫氫酶基因多拷貝了幾份，大大增強(qiáng)了乙醇分解速度，使其不僅提高了高濃度乙醇的耐受性，還將其作為能量來(lái)源。

東方胡蜂

（圖片來(lái)源：Wikipedia）

昆蟲(chóng)的基因組中常出現(xiàn)基因多拷貝現(xiàn)象，尤其是在面對(duì)外部環(huán)境壓力如抗蟲(chóng)劑的使用或環(huán)境中毒素積累時(shí)。例如，棉鈴蟲(chóng)的抗蟲(chóng)劑耐受性與其體內(nèi)抗毒酶（如P450酶或乙酰膽堿酯酶）基因的多拷貝直接相關(guān)。

昆蟲(chóng)之所以比其他生物更容易通過(guò)基因多拷貝現(xiàn)象適應(yīng)環(huán)境壓力，是因?yàn)槠浞敝乘俣瓤臁⒎N群規(guī)模大、突變和基因多拷貝更容易在種群中發(fā)生和保留。此外，昆蟲(chóng)的基因組相對(duì)較小且簡(jiǎn)單，增加了基因多拷貝事件的發(fā)生率。

東方胡蜂的喝酒水平到底排第幾？

根據(jù)現(xiàn)有的研究，樹(shù)鼩被認(rèn)為是對(duì)乙醇攝入適應(yīng)性最高的脊椎動(dòng)物，它們?cè)谧匀粭⒌刂卸ㄆ谑秤靡掖紳舛雀哌_(dá)3.8%的食物而沒(méi)有明顯后果。然而，在實(shí)驗(yàn)室條件下，長(zhǎng)期攝入10%濃度的乙醇會(huì)在14天內(nèi)引發(fā)嚴(yán)重的肝損傷。

在無(wú)脊椎動(dòng)物里，果蠅在此之前被認(rèn)為是最厲害的。果蠅在攝入4%以下濃度的乙醇時(shí)不會(huì)表現(xiàn)出負(fù)面影響，但超過(guò)這一閾值的濃度會(huì)顯著增加死亡率。相較之下，東方胡蜂在實(shí)驗(yàn)中能耐受高達(dá)80%的乙醇濃度，這在其他動(dòng)物中極為罕見(jiàn)。

東方胡蜂的研究揭示了昆蟲(chóng)適應(yīng)酒精的機(jī)制，以及基因、環(huán)境壓力和進(jìn)化之間的復(fù)雜關(guān)系，這引發(fā)了關(guān)于人類基因潛力的思考，通過(guò)研究這些隱藏在自然界中的“小怪物”，科學(xué)家試圖揭開(kāi)酒精代謝的秘密，探索基因與環(huán)境協(xié)同進(jìn)化的軌跡。

參考文獻(xiàn)：

1.Bouchebti S, Gershon Y, Gordin A, et al. Tolerance and efficient metabolization of extremely high ethanol concentrations by a social wasp[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2024, 121(44): e2410874121.