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(lèi)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(guò)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)?lái)饑餓恐慌，并讓許多人擔(dān)心壓境蝗蟲(chóng)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(lái)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(lái)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(lè)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(niǎo)類(lèi)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(chóng)的遷徙就沒(méi)有那么充滿(mǎn)浪漫色彩了：1平方公里的蝗群一天能吞掉3.5萬(wàn)人的口糧?；热郝舆^(guò)，植被皆無(wú)，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(chēng)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(guò)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(guò)2000公里，單次最大飛行時(shí)間超過(guò)10小時(shí)。”康樂(lè)在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)。

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(chóng)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(chóng)，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(lè)院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)飛行行為分析發(fā)現(xiàn)，蝗蟲(chóng)生長(zhǎng)時(shí)期的種群密度決定了它們成蟲(chóng)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(chóng)來(lái)說(shuō)，“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(guò)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(lèi)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(lèi)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(lè)比喻說(shuō)，“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?，沒(méi)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(lái)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(guò)去科學(xué)家認(rèn)為，蝗蟲(chóng)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?？禈?lè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(lèi)上沒(méi)有明顯的區(qū)別。

他們發(fā)現(xiàn)，蝗蟲(chóng)飛行肌中的能量代謝過(guò)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(wú)論是在靜息狀態(tài)下還是在飛行過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程中活性氧的產(chǎn)生，能夠向相反的方向改變。這充分地說(shuō)明蝗蟲(chóng)成長(zhǎng)過(guò)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(lèi)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(guò)程中能量存儲(chǔ)的三酰甘油并沒(méi)有明顯的消耗。

基于此，他們提出了一個(gè)假說(shuō)：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(shuō)。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(lái)，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(guò)飛行肌能量代謝的可塑性和氧化壓力的產(chǎn)生，來(lái)改變其飛行特征從而適應(yīng)未來(lái)成蟲(chóng)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(chóng)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(shuō)，飛的快的，飛不長(zhǎng);飛的長(zhǎng)的，飛不快。”康樂(lè)說(shuō)。

根據(jù)目的來(lái)確定行為對(duì)策，小昆蟲(chóng)不簡(jiǎn)單。

康樂(lè)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(zhuān)項(xiàng)的支持。

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