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蝗虫因何成群


图片来源:multifiles.pressherald.com

    据报道,近日来蔓延全球的蝗灾颇有恶化之势,现已波及东非、西亚和南亚地区的10多个国家。蝗虫是全球的主要害虫之一,它们威胁着农业生产和全球十分之一人口的粮食安全。此次蝗灾的元凶正是常见于非洲和中东地区的沙漠蝗(Schistocerca gregaria),它们是蝗虫中最具危害性的种类,因其食量大且能长途迁移而极具破坏性。除了沙漠蝗,还有十多种沙漠蝗属(Schistocerca)的蝗虫也在危害着全球其它大洲。2016~2017年,阿根廷和玻利维亚经历了近60年来的首次南美蝗虫(S. cancellata)大爆发,而原先仅见于墨西哥的中美蝗虫(S. piceifrons)如今也开始威胁着中美洲的其它国家。

    蝗群蔓延迅速且破坏力惊人。蝗虫迁飞时遮天蔽日,常会造成类似日食般的景象,所到之处的庄稼、树木和草场都会荡然无存。据估计,全球五分之一的陆地面积都遭受过沙漠蝗的侵害。蝗灾对本来就已经因为人口增长而变得脆弱不堪的国际粮食安全构成了严重的威胁。一场大型蝗灾中每平方公里的蝗虫数量可达一亿五千万只。五十万只蝗虫的重量约为1吨,而1吨的蝗虫一天吃掉的粮食相当于2500人的口粮。蝗灾主要是由蝗虫(locusts)和蚱蜢(grasshoppers)引起的,其中蝗虫引起的灾害尤为严重。蝗虫其实就是一种蚱蜢,其与一般蚱蜢的区别在于:蝗虫是指那些在高密度种群条件下可以形成群居,并可做远距离迁移的蚱蜢;而且蝗虫还能随着种群密度的改变发生“散居型”和“群居型”之间的互变,这被称为“蝗虫的非遗传多型性”。一般的蚱蜢则不具备这两个特点。生物根据环境条件的变化而改变自身形态或行为习性的现象称为表型可塑性,而蝗虫的非遗传多型性就是一个实例。

 

图片来源:phys.org

    俄国昆虫学家鲍里斯·乌瓦罗夫在1921年首次发现了蝗虫的非遗传多型性。他在研究沙漠蝗(S. gregaria)和东亚飞蝗(Locusta migratoria)时发现:种群密度低时,蝗虫表现为“散居型”,个体呈鲜艳的黄绿色且排斥接触其它同类;当种群密度变大时则转变为“群居型”,此时个体聚集成大的群体,随后个体的体型变大,代谢速率增高,体色变暗并长出醒目的黄黑条纹。后来的相关研究又发现:散居型沙漠蝗主要依靠伪装来躲避捕食者,而群居型则会通过进食有毒植物的方式在体内积累毒素,使得捕食者无法食用,并将体色改为亮黄色以示警告。此外还发现,沙漠蝗属中除了群聚性的种类外,也包括一些非群聚性的定栖种。

    对沙漠蝗属蝗虫的系统发育研究显示,沙漠蝗(S. gregaria)是该属最早分化出来的种类,而且也是该属唯一分布在非洲的种,其它种类的沙漠蝗(大约50种)则生活在北美、中美和南美洲地区。相关研究还发现沙漠蝗属的祖先,可能类似于现生的沙漠蝗,起源于非洲,并在大约6百万年前横跨大西洋迁徙到了美洲地区。实验研究显示多数沙漠蝗属的蝗虫都有随种群密度的变化改变体色的能力,说明该特性遗传自它们的共同祖先,而改变行为习性的能力则在该属的演化辐射中几经丢失后又重新获得。由于无需适应环境变化,多数沙漠蝗属中的定栖种在其栖息环境中不会表现出行为的可塑性(改变行为习性的能力)。此外,相关研究还发现沙漠蝗属中有三个种的亲缘关系较远,说明群聚行为在该属中独立进化了多次。

    从分子生物学角度来讲,群聚行为是一种正反馈过程。沙漠蝗依靠视觉和嗅觉刺激,或者仅凭触觉刺激就能引发群聚行为。当蝗虫间相互接触时,它们后腿上的“应力感应受体”就会激活感觉传导通路,并向中枢神经系统传递信号,促使大脑释放“神经传递素复合胺”,而该物质会导致蝗虫产生聚集行为。事实上,感受到物理刺激后,蝗虫体内复合胺的含量会在几个小时内迅速升高3倍。但这是暂时的升高,复合胺水平只能维持24小时,之后就会降低。要维持群聚行为和与其相关的生理改变则要依靠多种分子和生物化学通路的调控。从生态学角度看,蝗虫的生活环境通常比较严酷,食物来源多不稳定,常常出现食物短缺的现象。食物匮乏还会导致沙漠蝗之间出现同类相残的现象,相关研究显示沙漠蝗可能正是受此影响才进化出了集体迁移的行为。

图片来源:tesfanews.net

    目前,杀虫剂仍是防控蝗灾的主要手段。然而,化学防控会对环境产生极大的危害,而且杀虫剂对于像蜜蜂这样的益虫也具有很强的毒害作用。对沙漠蝗体内特定的分子通路进行调控或许是更加安全有效的抑制蝗群的方法。比如,可以通过抑制复合胺受体或是移除控制表型可塑性的关键基因来防止沙漠蝗发生群聚现象。然而,相关方法在实际应用前仍需深入研究。

撰文:李峰

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