飛蝗飛行奧秘獲揭示

馮麗妃

還記得2020年初那場全球蝗災(zāi)嗎？在人類激戰(zhàn)新冠病毒之初，一場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)巴基斯坦和印度。其千里之行給途經(jīng)國家?guī)砜只牛⒆屧S多人擔(dān)心壓境蝗蟲是否會(huì)威脅我國糧食安全。

依托于熱帶和亞熱帶沙漠生境的沙漠蝗不會(huì)給我國帶來危害，但其“親戚”——飛蝗，曾在我國歷史上造成許多蝗災(zāi)，導(dǎo)致民不聊生。成群飛蝗馬拉松式的長距離遷飛是造成蝗災(zāi)暴發(fā)的主要原因;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)整飛行對策呢？

現(xiàn)在，答案來了。在2022年1月4日發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)研究中，中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院康樂及其團(tuán)隊(duì)揭示了飛蝗種群密度影響飛行策略背后的原因，為動(dòng)物的飛行適應(yīng)行為研究提供了新的視角。

許多動(dòng)物都是長途遷飛高手，這對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;北美帝王蝶是世界上唯一一種遷徙型蝴蝶，遷徙旅途長達(dá)4800公里。

成群蝗蟲的遷徙就沒有那么多浪漫色彩了：1平方公里的蝗群一天能吞掉3.5萬人的口糧。蝗群掠過，植被皆無，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至導(dǎo)致糧食短缺而引發(fā)饑荒。蝗災(zāi)與旱災(zāi)、洪災(zāi)并稱我國歷史上的三大自然災(zāi)害。2000多年里，大規(guī)模蝗災(zāi)發(fā)生過800多次。

事實(shí)上，是否“抱團(tuán)”對飛蝗的飛行距離有實(shí)質(zhì)性影響。當(dāng)蝗蟲密度很低時(shí)，零星的散居型飛蝗很少進(jìn)行長距離遷飛，僅僅在求偶或躲避天敵時(shí)進(jìn)行短距離飛行。

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)整飛行策略？在新研究中，康樂團(tuán)隊(duì)通過飛行行為分析發(fā)現(xiàn)，蝗蟲生長時(shí)期的種群密度決定了成蟲期的飛行特征，而這種特征的分化恰恰契合群居型和散居型的生活特點(diǎn)。

對蝗蟲來說，“不抱團(tuán)”是否意味著飛行能力就真的不行？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，但耐力性不夠，呈現(xiàn)出類似“短跑型”運(yùn)動(dòng)員的特征。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)行長時(shí)間的持續(xù)飛行，呈現(xiàn)出類似“長跑型”運(yùn)動(dòng)員的特征。

在康樂看來，飛蝗能夠根據(jù)目的來確定行為對策，小昆蟲不簡單。“群居‘馬拉松’，散居‘百米賽’。”他比喻說，“短跑型”和“長跑型”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，“長跑型”的飛行特征有利于群居型飛蝗進(jìn)行長時(shí)間和長距離飛行，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其尋找配偶和快速躲避天敵的捕食，因?yàn)樗鼈円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。

小小一只昆蟲，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因使用不同的能量物質(zhì)造成的。

而康樂團(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)種類上沒有明顯區(qū)別。在他們看來，蝗蟲飛行肌中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。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距離飛行能力。相反，群居型飛蝗相對較低的能量代謝使其在長時(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。這充分說明蝗蟲成長過程中經(jīng)歷的種群密度塑造了這種飛行特征。

同時(shí)，其研究結(jié)果改變了人們對能量代謝和長距離飛行能力之間關(guān)系的理解，為飛蝗長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，飛得快的，飛不長;飛得長的，飛不快。”康樂說。

（選自2022年1月5日《中國科學(xué)報(bào)》，本刊有刪改）