作者 ｜ 馮麗妃

還記得2020年初那場全球蝗災嗎？在人類激戰新冠病毒之初，一場由沙漠蝗引起的蝗災悄然從東非渡過紅海，進入歐洲和亞洲，到達巴基斯坦和印度。

其千里之行給途經國家帶來恐慌，並讓許多人擔心壓境蝗蟲是否會威脅我國糧食安全。

依託於熱帶和亞熱帶沙漠生境的沙漠蝗不會給我國帶來危害，但其“親戚”——飛蝗曾在我國曆史上造成許多蝗災，民不聊生。

成群飛蝗馬拉松式的長距離遷飛是造成蝗災暴發的主要原因；散居型飛蝗卻很少這麼幹，它們更青睞短途旅行。

飛蝗為何會根據種群密度調整飛行對策呢？

現在，答案來了。在1月4日發表於美國《國家科學院院刊》的一項研究中，中國科學院院士、中國科學院北京生命科學研究院康樂團隊揭示了飛蝗種群密度影響飛行策略背後的原因，為動物的飛行適應行為研究提供了新的視角。

飛行中的飛蝗 中國科學院北京生命科學研究院供圖

“抱團” 飛得遠

許多動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氣候和尋找適合的繁殖地；北美帝王蝶是世界上唯一一種遷徙性蝴蝶，遷徙旅途長達4800公里。

成群蝗蟲的遷徙就沒有那麼多浪漫色彩了：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，往往造成嚴重經濟損失，甚至導致糧食短缺而引發饑荒。蝗災與旱災、洪災並稱我國曆史上的三大自然災害。

2000多年裡，大規模蝗災發生過800多次。

“當蝗災暴發時，大規模高密度的群居型飛蝗在一個世代內能夠聚集飛行超過2000公里，單次最大飛行時間超過10小時。”康樂接受《中國科學報》採訪時說。

事實上，是否“抱團”對飛蝗的飛行距離有實質影響。當蝗蟲密度很低時，零星的散居型飛蝗很少進行長距離遷飛，僅僅在求偶或躲避天敵時進行短距離飛行。

同一種蝗蟲，種群密度不同，飛行距離差異竟如此之大，它們如何根據密度調節飛行策略？在新研究中，康樂團隊透過飛行行為分析發現，蝗蟲生長時期的種群密度決定了成蟲期的飛行特徵，而這種特徵的分化恰恰契合群居型和散居型的生活特點。

“短跑型”和“長跑型”

對蝗蟲來說，“不抱團”是否意味著飛行能力就真的不行？並非如此。

新研究打破了過去的一些慣性思維，發現低密度的散居型飛蝗不是不善飛行，而是飛行爆發力強、速度快，但耐力性不夠，呈現出類似“短跑型”運動員的飛行特徵。

相反，高密度的群居型飛蝗起飛速度並不快，而是以較低的速度進行長時間的持續飛行，呈現出類似“長跑型”運動員的飛行特徵。

在康樂看來，飛蝗能夠根據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”的飛行特徵分別與飛蝗兩型的生活學特徵完美匹配。

在高種群密度下，“長跑型”的飛行特徵有利於群居型飛蝗進行長時間和長距離飛行，有利於保持巨大的遷飛群，以尋找充足的食物和合適的產卵地。

而零散的散居型飛蝗“短跑型”的飛行特徵則有利於飛蝗尋找配偶和快速躲避天敵的捕食，因為它們要留居當地繁殖，沒有遷飛的需求。

當種群密度增加時，飛蝗又可以改變飛行特徵來適應遷飛的需要。

“欲速則不達”

小小一隻昆蟲，為什麼有這樣完善的調節和轉換機制呢？過去科學家認為，蝗蟲兩型飛行特徵的不同是因使用不同的能量物質造成的。

而康樂團隊透過強迫飛行處理和多組學分析發現，兩型飛蝗在使用能量物質種類上沒有明顯區別。

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徵和能力分化的主要原因。

相較於群居型飛蝗，散居型飛蝗無論是在靜息狀態下還是在飛行過程中，均表現出較高的能量代謝模式。

進一步的能量代謝相關基因表達分析、呼吸代謝檢測、RNA干擾及藥理學功能驗證表明，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，但在飛行過程中會產生更多的活性氧，從而造成氧化壓力積累並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間飛行過程中能夠保持較少的活性氧產生，從而維持飛行肌的氧化壓力平衡。

透過改變飛蝗種群密度，他們發現兩型飛蝗的飛行特點、飛行肌能量代謝相關基因的表達以及飛行過程中活性氧的產生，能夠向相反的方向改變。

這充分說明蝗蟲成長過程中經歷的種群密度塑造了這種飛行特徵。

那麼，不同種群密度的飛蝗長距離飛行能力為何存在明顯差異？許多觀點認為，這可能是由二者在能量儲存方面的差異造成的。

新研究則發現，儘管群居型飛蝗相較於散居型飛蝗擁有更多的三醯甘油脂類物質儲存，但二者在長距離飛行能力差異明顯時，其飛行過程中能量儲存的三醯甘油並沒有明顯的消耗。

基於此，他們提出了一個假說：這種飛行能力差異是由飛行肌能量代謝供應和穩定的氧化壓力平衡決定的。

“這項研究的發現相當有趣。”一位審稿人說。

其他審稿人也表示，該研究將行為學、轉錄組學、代謝組學和蛋白質功能資料聯絡起來，為飛蝗的多型性研究提供了一個新的視角。

作者表示，新研究揭示了飛蝗透過飛行肌能量代謝的可塑性和氧化壓力的產生來改變其飛行特徵，從而適應未來成蟲的生活史對策。

這種飛行特徵變化的適應策略可能在其他昆蟲和動物中也存在。

同時，其研究結果改變了人們對能量代謝和長距離飛行能力之間關係的理解，為飛蝗長距離飛行研究提供了理論基礎，也為動物的飛行適應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。

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https://doi.org/10.1073/pnas.2115753118