2022年1月6日整理發(fā)布：飛蝗為何會(huì)根據(jù)種群密度調(diào)整飛行對(duì)策

2022年1月6日整理發(fā)布：還記得2020年初那場(chǎng)全球蝗災(zāi)嗎?在人類激戰(zhàn)新冠病毒之初，一場(chǎng)由沙漠蝗引起的蝗災(zāi)悄然從東非渡過紅海，進(jìn)入歐洲和亞洲，到達(dá)巴基斯坦和。其千里之行給途徑國(guó)家?guī)眇囸I恐慌，并讓許多人擔(dān)心壓境蝗蟲是否會(huì)威脅我國(guó)糧食安全。

依托于熱帶和亞熱帶沙漠生境的沙漠蝗不會(huì)給我國(guó)帶來危害，但其“親戚”——飛蝗在我國(guó)歷史上卻造成許多民不聊生的災(zāi)害。成群飛蝗馬拉松式的長(zhǎng)距離遷飛是造成蝗災(zāi)爆發(fā)的主要原因;但散居型飛蝗卻很少這么干，它們更青睞短途旅行。飛蝗為何會(huì)根據(jù)種群密度調(diào)整飛行對(duì)策呢?

現(xiàn)在，答案來了!在1月4日發(fā)表于美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)研究中，中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院康樂院士團(tuán)隊(duì)解釋了飛蝗“欲速則不達(dá)”的飛行奧秘，為動(dòng)物的飛行適應(yīng)策略研究提供了新的視角。

“抱個(gè)團(tuán)” 飛得遠(yuǎn)

許多動(dòng)物都是長(zhǎng)途遷飛高手，這對(duì)它們的生存和繁殖具有重要意義。鳥類遷飛是為了躲避不良?xì)夂蚝蛯ふ疫m合的繁殖地。北美的帝王蝶是世界上唯一一種遷徙性蝴蝶，遷徙旅途長(zhǎng)達(dá)4800公里。

成群蝗蟲的遷徙就沒有那么充滿浪漫色彩了：1平方公里的蝗群一天能吞掉3.5萬人的口糧?；热郝舆^，植被皆無，往往引發(fā)嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致糧食短缺而發(fā)生饑荒。

蝗災(zāi)與旱災(zāi)、洪災(zāi)曾并稱我國(guó)歷史上的三大自然災(zāi)害。我國(guó)2000多年的歷史記載顯示，大規(guī)模的蝗災(zāi)發(fā)生過800多次。

“當(dāng)蝗災(zāi)爆發(fā)時(shí)，大規(guī)模高密度的群居型飛蝗在一個(gè)世代內(nèi)能夠聚集飛行超過2000公里，單次最大飛行時(shí)間超過10小時(shí)。”康樂在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說。

事實(shí)上，是否“抱團(tuán)”對(duì)飛蝗的飛行距離有著質(zhì)的影響。

當(dāng)蝗蟲密度很低時(shí)，零星的散居型飛蝗很少進(jìn)行長(zhǎng)距離遷飛，僅僅在求偶或躲避天敵時(shí)進(jìn)行短距離的飛行。

同一種蝗蟲，種群密度不同，飛行距離差異竟如此之大，它們?nèi)绾胃鶕?jù)密度調(diào)節(jié)飛行策略呢?在新研究中，康樂院士團(tuán)隊(duì)通過飛行行為分析發(fā)現(xiàn)，蝗蟲生長(zhǎng)時(shí)期的種群密度決定了它們成蟲期的飛行特征，而這種特征的分化恰恰契合群居性和散居型的生活特點(diǎn)。

群居“馬拉松” 散居“百米賽”

對(duì)蝗蟲來說，“不抱團(tuán)”是否意味著飛行能力就真的不行呢?

并非如此。

新研究打破了過去的一些慣性思維，發(fā)現(xiàn)低密度的散居型飛蝗不是不善飛行，而是飛行爆發(fā)力強(qiáng)、速度快，但是耐力性不夠，呈現(xiàn)出類似“短跑型”運(yùn)動(dòng)員的飛行特征。相反，高密度的群居型飛蝗，起飛速度并不快，而是以較低的速度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)飛行，呈現(xiàn)出類似“長(zhǎng)跑型”運(yùn)動(dòng)員的飛行特征。

“群居‘馬拉松’， 散居‘百米賽’。”康樂比喻說，“短跑型”和“長(zhǎng)跑型”的飛行特征分別與飛蝗兩型的生活學(xué)特征完美匹配。

在高種群密度下，“長(zhǎng)跑型”的飛行特征有利于群居型飛蝗進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間和長(zhǎng)距離飛行，有利于保持巨大的遷飛群，以尋找充足的食物和合適的產(chǎn)卵地。

而零散的散居型飛蝗“短跑型”的飛行特征則有利于飛蝗尋找配偶和快速躲避天敵的捕食，因?yàn)樗鼈兌际且艟赢?dāng)?shù)胤敝常瑳]有遷飛的需求。當(dāng)種群密度增加時(shí)，飛蝗又可以改變飛行特征來適應(yīng)遷飛的需要。

“欲速則不達(dá)”的生物奧秘

小小的一只螞蚱，為什么有這樣完善的調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換機(jī)制呢?

過去科學(xué)家認(rèn)為，蝗蟲兩型飛行特征的不同是由于使用的能量物質(zhì)不同造成的。康樂團(tuán)隊(duì)通過強(qiáng)迫飛行處理和多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，兩型飛蝗在使用能量物質(zhì)種類上沒有明顯的區(qū)別。

他們發(fā)現(xiàn)，蝗蟲飛行肌中的能量代謝過程的差異是群居型和散居型飛蝗飛行特征和能力分化的主要原因。

相較于群居型飛蝗，散居型飛蝗無論是在靜息狀態(tài)下還是在飛行過程中，均表現(xiàn)出較高的能量代謝模式。進(jìn)一步的能量代謝相關(guān)基因表達(dá)分析、呼吸代謝檢測(cè)、RNA干擾及藥理學(xué)功能驗(yàn)證表明，散居型飛蝗飛行肌高能量代謝模式提供了較多的飛行所需能量，但在飛行過程中會(huì)產(chǎn)生更多的活性氧，從而造成氧化壓力積累并抑制其長(zhǎng)距離飛行能力。

相反，群居型飛蝗相對(duì)較低的能量代謝使其在長(zhǎng)時(shí)間飛行過程中能夠保持較少的活性氧產(chǎn)生，從而維持飛行肌的氧化壓力平衡。

通過改變飛蝗種群密度，他們發(fā)現(xiàn)兩型飛蝗的飛行特點(diǎn)、飛行肌能量代謝相關(guān)基因的表達(dá)以及飛行過程中活性氧的產(chǎn)生，能夠向相反的方向改變。這充分地說明蝗蟲成長(zhǎng)過程中經(jīng)歷的種群密度塑造了這種飛行特征。

那么，不同種群密度的飛蝗長(zhǎng)距離飛行能力為何存在著明顯的差異呢?許多觀點(diǎn)認(rèn)為，這可能是由于二者在能量存儲(chǔ)方面存在差異造成的。新研究則發(fā)現(xiàn)，盡管群居型飛蝗相較于散居型飛蝗擁有更多的三酰甘油脂類物質(zhì)存儲(chǔ)，但二者在長(zhǎng)距離飛行能力明顯產(chǎn)生差異時(shí)，其飛行過程中能量存儲(chǔ)的三酰甘油并沒有明顯的消耗。

基于此，他們提出了一個(gè)假說：這種飛行能力差異是由飛行肌能量代謝供應(yīng)和穩(wěn)定的氧化壓力平衡決定的。

“這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)相當(dāng)有趣。”一位審稿人說。其他審稿人也表示，該研究將行為學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)功能數(shù)據(jù)聯(lián)系起來，為飛蝗的多型性研究提供了一個(gè)新的視角。

作者表示，新研究揭示了飛蝗通過飛行肌能量代謝的可塑性和氧化壓力的產(chǎn)生，來改變其飛行特征從而適應(yīng)未來成蟲的生活史對(duì)策。這種飛行特征變化的適應(yīng)策略可能在其他昆蟲和動(dòng)物中也存在。

同時(shí)，其研究結(jié)果改變了人們對(duì)于能量代謝和長(zhǎng)距離飛行能力之間關(guān)系的理解，為飛蝗的長(zhǎng)距離飛行研究提供了理論基礎(chǔ)，也為動(dòng)物的飛行適應(yīng)策略研究提供了新的視角。“也就是說，飛的快的，飛不長(zhǎng);飛的長(zhǎng)的，飛不快。”康樂說。

根據(jù)目的來確定行為對(duì)策，小昆蟲不簡(jiǎn)單。

康樂研究組的杜寶貞和丁玎為論文共同第一作者。相關(guān)研究得到了國(guó)家基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)的支持。

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