化學信號如何塑造生態系統？重磅新研究提出“化學多樣性景觀”

本文來源于海潮天下（Marine Biodiversity）

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出品 | 海潮天下

蒼蠅尋找配偶、蜜蜂辨認花朵、植物感知周圍環境，這些過程背后都離不開化學信號的參與。空氣、水體和土壤中存在大量由生物釋放的化學物質，它們攜帶著各種生態信息，并在不同生物之間持續傳遞。

過去幾十年，化學生態學研究已經揭示了許多典型案例。例如，植物釋放的花香能夠吸引傳粉昆蟲；受到昆蟲取食的植物會釋放揮發性物質，引發周圍植株產生防御反應；昆蟲則利用信息素尋找配偶或標記活動區域。

不過，自然環境中的化學交流遠比實驗室觀察到的單一信號復雜。

2026年5月18日，德國比勒費爾德大學牽頭的國際研究團隊在《自然·生態與進化》（Nature Ecology & Evolution）發表了一個最新綜述研究，首次系統的提出了“化學多樣性景觀”（chemodiversity landscape）概念。研究人員認為，來自不同生物的化學物質會在環境中持續混合、擴散和變化，由此形成覆蓋整個棲息地的化學背景。這種背景還不是各種化學成分的簡單疊加；它可能在產生新的生態效應。

(圖文無關)▲上圖：植物釋放多種花香分子，在空氣中混合形成“化學氣味圖譜”，吸引昆蟲造訪。上圖是牡丹花上的一只黑帶食蚜蠅（Episyrphus balteatus）。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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化學信號并非各自獨立存在

傳統研究大多關注單個化合物的作用機制，或是分析兩種生物之間的化學交流。例如，某種花香為何能夠吸引特定傳粉者，某種植物代謝物如何抑制害蟲活動。

隨著檢測技術的發展，研究人員開始發現，自然環境中同時存在數量龐大的化學物質。它們來源于植物、動物和微生物，在空氣、水體和土壤中不斷擴散。

以植物揮發性有機化合物為例。森林中的樹木、草本植物和灌木都會釋放各自特有的氣味成分。各種化學物質在空氣中相遇、混合，并受到溫度、濕度、風速等環境因素影響。最終形成的化學環境，與任何單一物種釋放的信號都不相同。

研究團隊將這種在空間、時間上不斷變化的整體化學環境稱為“化學多樣性景觀”。

該研究論文第一作者之一、比勒費爾德大學研究人員托馬斯·杜薩拉特（Thomas Dussarrat）指出，當大量化學成分相互作用時，會產生無法從單個化學物質性質中直接預測的新特征。這意味著，生態系統中的許多現象可能并不是由某一種化學信號單獨決定，而是由整個化學環境共同塑造的。

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混合后的化學信息可能產生新的生態效應

研究團隊特別關注一種被稱為“涌現功能”（emergent functions）的現象。

在生態學中，“涌現功能”是指系統整體表現出的特征無法簡單通過組成部分相加得到，而是在相互作用過程中產生的新性質。若是用俗話講，可以理解為1+1>2。

研究人員梳理了已有證據后發現，當不同來源的化學物質在環境中混合后，其生態作用可能發生變化。

例如，昆蟲對花朵的選擇并不完全取決于某一種花香成分。周圍植物釋放的揮發物同樣會改變整體氣味背景，從而影響昆蟲的識別行為。類似現象也出現在土壤生態系統中，植物根系分泌物、細菌代謝產物以及真菌釋放的化學物質共同存在時，可能改變微生物群落結構、以及植物與微生物之間的關系。

研究人員認為，這類效應有助于解釋一些長期難以理解的生態現象。某些情況下，即使單個化學成分的作用已經明確，生態系統層面的結果仍然難以預測，其中一個原因可能正是復雜化學混合物帶來的影響。

（圖文無關）▲雄性搖蚊長著一個夸張的羽毛狀觸角（ Pectinate antenna），是用來用于化學感受（chemoreception）?的。它的羽毛狀結構增加表面積，可提升化學分子捕獲效率。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

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生態系統之間也存在化學聯系

化學多樣性景觀并不局限于單一生態系統內部。

該研究指出，陸地與水域交界區域可能形成跨生態系統的化學連接。河岸植物釋放的化學物質進入水體后，會影響水生生物對環境的感知；水體中的代謝產物也可能隨著蒸發、擴散或生物活動進入周邊陸地環境。

這種跨區域傳遞意味著，一個生態系統中的化學變化有機會影響鄰近生態系統的生物互動。

從更大的空間尺度來看，化學信息的傳播范圍可能遠超個體活動范圍。某些揮發性有機化合物能夠在空氣中傳播較長距離，從而影響更大區域內生物的行為和分布。

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氣候變化或改變自然界的化學環境

這項研究源于德國研究基金會資助的“植物種內化學多樣性的生態與進化”項目（FOR 3000）。自2020年以來，該研究團隊一直在關注植物化學多樣性在生態系統中的作用。

在研究過程中，科學家逐漸意識到，僅關注某個物種或某類化學物質，難以完整解釋自然環境中的生態過程。化學多樣性景觀概念正是在這一背景下提出的。

研究人員同時指出，環境變化可能直接影響這些化學景觀。

比如說，干旱會改變植物代謝過程，從而影響揮發性物質釋放；氣溫升高可能改變化學物質在空氣中的擴散速度；物種減少則意味著部分化學信號來源消失。隨著環境條件發生變化，原有的化學背景也會隨之調整。

這些變化，最終會影響傳粉、植食、種間競爭以及微生物互作等過程。

該論文共同第一作者、慕尼黑工業大學研究人員羅賓·海寧（Robin Heinen）表示，化學多樣性景觀概念將研究視角從個體擴展到整個生物群落，為理解自然生態系統中的復雜過程提供了新的框架。目前，生態系統評估主要關注物種數量、群落結構和棲息地狀況。該研究團隊認為，化學多樣性的變化同樣值得關注，對于生態保護、生物多樣性管理以及農業生態系統研究而言，環境中的化學信息網絡仍有許多問題有待進一步探索。

本文參考資料
感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：
Hanusch M, Dussarrat T, Xiao X, Ziaja D, Aragam KS, Blade JD, Br?utigam A, van Dam NM, Delory BM, Gaar S, Hildebrandt M, Jakobs R, Junker RR, Müller C, N?gele T, Popp M, Rinnan R, Schneider H, Schnitzler J-P, Mendoza Servín JV, Steppuhn A, Tholl D, Seymen Y, Setordjie EA, Unsicker SB, Weirauch SK, Weisser WW, Heinen R Ecological role of emergent properties in the chemodiversity landscape. Nat Ecol Evol 10, 1045–1056 (2026). https://doi.org/10.1038/s41559-026-03057-7. Erstver?ffentlichung am 18.05.2026.
https://aktuell.uni-bielefeld.de/2026/06/16/invisible-chemical-landscapes-shape-life

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資訊源 | 德國比勒費爾德大學

文 | 朱瀟瀟

審核 | 海潮君

排版 | 盧曉雨

時間 | 2026年7月1日

聯系小編 | editor@oceanbiodiversity.cn

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