随着电磁辐射的广泛应用和增强，社会各界对电磁场对生物体的潜在影响的关注度也在逐渐提高。尤其是对于昆虫这一生物群落，其对电磁场的反应可能具有深远的生态学意义。因此，在这一背景下，研究电磁场对昆虫行为和生物化学的影响变得尤为重要。近期的一项研究发现，电磁场的暴露会影响蟋蟀的求偶鸣声、趋声行为以及生物胺的水平。这些发现引发了对电磁辐射如何影响昆虫生态和行为的深入思考。因此，本研究的目标是进一步探索电磁场对蟋蟀行为和生物化学的影响，以期为更深入地理解电磁辐射对生物体的影响提供新的视角。
2023年，Joanna Wyszkowska的研究团队在Environmental Science and Pollution Research 期刊上发表了题为《Electromagnetic field exposure affects the calling song, phonotaxis, and level of biogenic amines in crickets》的文章。本文的研究结果表明，双斑蟋对电磁场的反应类似于其对压力环境的反应。这种反应可能会改变个体的生理状态和适应性，干扰其交配选择，最终可能对物种的生存产生影响。
原文信息：
Electromagnetic field exposure affects the calling song, phonotaxis, and level of biogenic amines in crickets
原文链接：
https://link.springer.com/content/pdf/10.1007/s11356-023-28981-0
期刊信息：
Environmental Science and Pollution Research, IF=5.8
论文创新点
该研究深入探讨了行为和生理机能的影响，尤其是压力相关的行为变化以及压力激素水平的调整。
研究结果揭示了电磁场暴露导致求偶鸣声变化可能引发的一系列问题，包括交配混淆、健康状况恶化以及种群动态和性选择的影响。
研究对电磁场对昆虫生态和行为的影响进行了深入分析，强调了电磁场在生态系统中的关键作用。
01
实验方法
动物：实验使用了斑点蟋蟀(Gryllus bimaculatus)作为研究对象，它们在实验室培育，成虫在性成熟后进行实验。
电磁场暴露系统：实验使用了一个特定设计的线圈产生50 Hz的均匀正弦交变电磁场，并对磁场强度进行了控制。
图1. 在动物舱区域内线圈沿主轴的电磁场分布以及暴露舱位于线圈内部的位置和用于绘图的坐标系。B是磁通密度矢量，B/B0是相对于线圈中心点的归一化磁通密度。其中 B 为 7 mT，z/l是沿z轴从线圈中心的归一化距离，x/2r是沿x轴从螺线管中心的归一化距离，l是线圈长度，21 cm，2r是线圈内径，19 cm。
鸣叫声录制和分析：记录雄性蟋蟀的鸣叫声，并使用软件分析鸣叫声的参数，如鸣叫周期、鸣叫率和主导信号频率。
趋声性实验：通过在雌性蟋蟀身上进行追踪实验，观察其对雄性鸣叫声的反应，包括自然状态和经过电磁场暴露后的雄性鸣叫声。
图2 Gryllus bimaculatus 雄性鸣叫歌曲中的啁啾序列。a 显示包括歌曲的啁啾的示波图，b 在 Audacity 3.2.1 中生成的时间对齐频谱图。颜色代表特定时间点上特定频率的分贝级别。颜色越亮表示强度越大。分贝值范围从 -20(最响亮)到 -100 分贝(最柔和)。
图3. 声音趋向性轨迹球系统。一只雌性蟋蟀(G. bimaculatus)被束缚在前胸甲上，放置在悬挂在竞技场(30×30厘米)上方的轨迹球上。扬声器用于声学刺激。
生物胺水平测量：对雄性蟋蟀进行生物胺水平的测量，包括血清素、多巴胺、缬胺和酪胺酸等指标。
统计分析：使用IBM SPSS Statistics和GraphPad Prism进行数据统计分析，包括主成分分析、方差分析、非参数检验等，以评估实验结果的显著性。
02
实验结果
雄性鸣叫歌曲特征：使用主成分分析(PCA)提取出了两个主要成分(PC1和PC2)，PC1与鸣叫率呈正相关，与鸣叫周期呈负相关，而PC2则与主频相关。实验发现，在电磁场暴露后，蟋蟀雄性的鸣叫率增加了2.7%，鸣叫周期缩短了5.1%。而在PC2方面的得分没有发现显著差异。总体上来看，雄性蟋蟀在暴露于电磁场后的鸣叫行为发生了改变。
图4. 电磁场对雄性蟋蟀鸣叫声的影响。右侧面板: 使用主成分分析(PCA)进行降维。特征值(特定主成分PC1和PC2解释性方差)以总方差解释的百分比形式，作为纵坐标轴。变量载荷(即测量变量与特定主成分的相关性)以矢量形式展示；其中，以粗体或下划线标记的变量，分别对PC1和PC2有显著贡献(其绝对载荷值均大于0.5)。PCA提取了两个主成分：PC1(与啁啾速率相关，并且与啁啾周期呈负相关)和PC2(与主率相关)。在动物暴露于电磁场之前(BE)、期间(DE)和之后(AE)，获得了PC1和PC2的得分。PC1和PC2的得分分别作为相对于初始值的差异(即DE-BE和AE-BE)显示在左侧和中间面板中。星号表示BE和后续时期之间的显著差异，美元符号表示DE和AE之间的差异。与初始(BE)值相比，上方和下方的数值分别表示PC得分的增加和减少。箱形图显示中位数(水平线)、第1-第3四分位数(箱线)、1.5四分位距(须)、以及异常值(圆圈)。
雌性对声音的趋性：实验发现，在第二观察期内，暴电磁场影响下的雄性蟋蟀的鸣叫声引导下的雌性蟋蟀向着声音信号源移动的时间和距离明显高于远离信号源的情况。而1周龄的雌性在第二观察期内相对于第一观察期，向着信号源移动的时间和距离也有所增加。总体来看，实验结果表明电磁场修改信号影响了雌性蟋蟀的趋性行为。
图5. 显示不同年龄的雌性蟋蟀对自然状态雄性蟋蟀鸣叫声和电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声做出的平均运动方向(±SE)。图中向左、向右和向上的方向表示净移动方向分别朝向、远离和垂直于声音信号源。矢量长度反映了平均最终位移。虚线和实线分别表示曝露的第一期(始终为自然状态雄性蟋蟀鸣叫声)和第二期(根据处理而是自然状态雄性蟋蟀鸣叫声或电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声)。红色和蓝色分别表示对电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声和自然状态雄性蟋蟀鸣叫声的响应。空心和实心圆分别表示1周和3周大的个体。星号显示显著的净运动方向(方向角度偏离中性值0)，美元符号显示处理和曝露期间之间的显著差异。
生物胺水平：实验发现，受到电磁场暴露的蟋蟀具有更高的血清素、多巴胺和缬胺水平，而缺少组胺水平。这表明电磁场对蟋蟀的生物胺水平产生了显著影响。
表1. 雌性蟋蟀(1周或3周大)对自然状态下的雄性蟋蟀鸣叫声和电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声的行为。
研究还讨论了暴露于电磁场(EMF)对双斑蟋蟀雄性叫声的频谱、时间和功能特性所造成的影响。实验中使用了已知具有生物效应的EMF参数(50Hz，7mT)。研究结果显示，受到电磁场影响的雄性蟋蟀产生的求偶鸣叫声的鸣叫速率较高，鸣叫周期较短，但声音主导频率并未发生改变。这些观察结果可能与电磁场直接作用于神经肌肉系统(例如运动神经元)或通过压力反应(增加运动活动和/或压力相关激素水平的变化)的间接影响或并发影响有关。
图6. 不同年龄的雌性蟋蟀自然状态下的雄性蟋蟀鸣叫声和电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声做出的行为。图中显示了蟋蟀向声音信号移动和远离信号的次数(a)和距离(b)，分别表示在不同年龄的蟋蟀对自然状态下的雄性蟋蟀鸣叫声和电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声做出的反应。时间段：第一个5分钟的时间段(始终为自然状态下的雄性蟋蟀鸣叫声)；第二个5分钟的时间段(根据处理是自然状态下的雄性蟋蟀鸣叫声或电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声做)。红色和蓝色分别表示电磁场影响下的雄性蟋蟀鸣叫声做和自然状态下的雄性蟋蟀鸣叫声。星号表示显著的方向运动(方向之间与中值0的差异)，美元符号表示处理和曝露期间的显著差异。箱线图显示了中位数(水平线)、第1至第3四分位数(箱体)、1.5倍四分位距(触须)和异常值(圆圈)。
研究进一步指出，电磁场(EMF)的暴露可能对昆虫的中枢神经系统和感知过程产生影响，从而导致观察到的前翅运动频率的变化。一些研究成果支持了这一假设，包括电磁场对调节蝗虫附肢运动和肌肉力量的神经回路(Wyszkowska等人，2016)的影响，以及电磁场对突触中钙离子(Ca2+)通道表达的影响，从而导致的神经活动变化。此外，对于暴露于电磁场(50 Hz，1-7 mT)的蝗虫，观察到其翅拍频率有所增加，这暗示了电磁场可能直接影响由中间神经元和运动神经元组成的中枢节律发生器，以及机械感觉信号。
图7. 雄性蟋蟀暴露于电磁场(EMF)以及控制个体大脑中生物胺(5-HT，血清素；DA，多巴胺；OA，辛巴胺；TA，酪胺)水平。右侧面板：主成分分析(PCA)的降维。特定主成分(PC1和PC2解释性方差)以总方差解释的百分比形式，作为纵坐标轴。变量载荷(测量变量与特定成分的相关性)显示为矢量。用粗体或下划线字体标记的变量对PC1和PC2的贡献较大(绝对载荷值>0.5)。PCA提取了两个主成分：PC1(与5-HT、TA和DA相关)和PC2(与OA相关)。左侧面板：控制组和暴露于EMF的蟋蟀获得的主成分得分。箱线图显示了中位数(水平线)、第1至第3四分位数(箱体)、1.5倍四分位距(触须)和异常值(圆圈)。星号表示EMF的显著效应。
蟋蟀雄性的求偶鸣声向雌性传达物种身份和性成熟雄性的位置，使雌性能够通过趋声行为接近雄性。研究结果显示，受EMF影响的鸣叫声比自然鸣叫声信号对年轻(处女)雌性更具吸引力，而对年长(3周龄)雌性则没有吸引力，后者对受EMF影响的鸣叫声和自然鸣叫声均感兴趣。短鸣叫周期意味着单位时间内更大的能量投入。研究结果与Wagner等人(1995)的结论一致，即雌性蟋蟀更偏爱那些能量消耗较大的雄性求偶展示。这种现象可能是由于处于更优状态(例如具有更强的抗病能力)的雄性蟋蟀能够在激烈的竞争中产生更高能量的鸣叫声。
03
总结展望
该研究为理解电磁场对昆虫的影响提供了重要线索，强调了电磁场在生态系统中的潜在重要性。未来的研究应进一步深化对人类活动产生的电磁场对昆虫，包括传粉昆虫和其他种类昆虫的影响的探讨，以填补现有的知识空白，提升对电磁场在环境中作用的理解。
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