飛蝗飛行奧秘獲揭示

馮麗妃

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(guò)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(guó)家?guī)?lái)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，曾在我國(guó)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(zhǎng)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(duì)策呢？

現(xiàn)在，答案來(lái)了。在2022年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)院院士、中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)研究院康樂(lè)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(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(zhǎng)達(dá)4800公里。

成群蝗蟲(chóng)的遷徙就沒(méi)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(wàn)人的口糧?；热郝舆^(guò)，植被皆無(wú)，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?；葹?zāi)與旱災(zāi)、洪災(zāi)并稱我國(guó)歷史上的三大自然災(zāi)害。2000多年里，大規(guī)?；葹?zāi)發(fā)生過(guò)800多次。

事實(shí)上，是否“抱團(tuán)”對(duì)飛蝗的飛行距離有實(shí)質(zhì)性影響。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)整飛行策略？在新研究中，康樂(lè)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成蟲(chóng)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(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？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(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)飛行，呈現(xiàn)出類似“長(zhǎng)跑型”運(yùn)動(dòng)員的特征。

在康樂(lè)看來(lái)，飛蝗能夠根據(jù)目的來(lái)確定行為對(duì)策，小昆蟲(chóng)不簡(jiǎn)單。“群居‘馬拉松’，散居‘百米賽’?！彼扔髡f(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?，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。

小小一只昆蟲(chóng)，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因使用不同的能量物質(zhì)造成的。

而康樂(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)種類上沒(méi)有明顯區(qū)別。在他們看來(lái)，蝗蟲(chóng)飛行肌中能量代謝過(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。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。

同時(shí)，其研究結(jié)果改變了人們對(duì)能量代謝和長(zhǎng)距離飛行能力之間關(guān)系的理解，為飛蝗長(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?！耙簿褪钦f(shuō)，飛得快的，飛不長(zhǎng);飛得長(zhǎng)的，飛不快。”康樂(lè)說(shuō)。

（選自2022年1月5日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，本刊有刪改）