【全球速看料】奔袭上千里！这飞蝗怎么这么能飞？

2022-12-16 09:10:52 来源：科普中国

出品：科普中国

作者：昆虫实习生（中国科学院）

【资料图】

监制：中国科普博览

许多同学可能都曾幻想过像鸟儿一样自由地飞翔，是自然界中奇妙的进化，为鸟儿赋予了飞翔的翅膀，而你肯定想不到，看似不起眼的昆虫，其实才是世界上最早能够飞行的动物。

2020年，沙漠蝗引起的蝗灾悄然从东非渡过红海，进入欧洲和亚洲，到达我们的邻国巴基斯坦和印度。

小小蝗虫竟横渡千里，为沿途的国家带来巨大灾难，严重危害了人类的粮食安全。虽然生存在沙漠地区的沙漠蝗，不能适应我国的环境，也没有对我们造成伤害，但是这一幕也难免让人后怕不已。因为沙漠蝗的近亲——飞蝗在我国造成的蝗灾曾遗祸千年，直到新中国成立后，我国科学家经过多方位的治理，终于根除了中国的蝗灾。

沙漠蝗

（图片来源：veer图库）

群居“马拉松”，散居“百米跑”

沙漠蝗，顾名思义就是生活在沙漠里的蝗虫，而飞蝗以“飞”为名，足可见其飞行能力的强大，迁徙路程长达数千公里。但是飞蝗有两种形态，一种是聚集生活的群居型飞蝗，这种成群飞蝗马拉松式的长距离迁飞正是造成蝗灾暴发的主要原因；另一种是独居生活的散居型飞蝗，它们更青睐短途速飞。

看到这里，你是不是心生疑惑，同一种飞蝗，为何可以在不同的种群密度下拥有这两种截然不同的飞行对策呢？

飞行中的飞蝗

（图片来源：中国科学报）

早年的研究认为，群居的飞蝗善于飞行，而散居的飞蝗则不善飞，而中国科学院院士康乐的团队却揭示了飞蝗两种形态飞行的真相，那就是群居“马拉松”，散居“百米跑”：群居飞蝗的飞行速度并不快，以较低的速度进行长时间的持续飞行，就像飞行中的“长跑型”运动员；而散居飞蝗，飞行速度快，爆发力强，但耐力不足，就像动物界的短跑“冠军”猎豹，一只不过小指大小的昆虫还真是不简单。

群居飞蝗的“马拉松”式飞行特征有利于群居型飞蝗进行长时间、长距离的飞行，这样可以使它们寻找充足的食物和合适的繁殖地，而散居型飞蝗“百米跑”式飞行特征则有利于它们寻找配偶和快速逃避天敌的进攻。当环境不适宜生存时，聚集起来的飞蝗又可以改变为群居型的模式来实现迁飞，寻找食物和栖息地。

康乐团队发现，两种状态的飞蝗在使用能量物质种类上没有明显区别，主要都是脂质和糖类，尽管群居型飞蝗存储了更多的三酰甘油脂类物质，但在长距离飞行能力出现差异时，其飞行过程中能量存储的三酰甘油并没有明显的消耗，这改变了“两型飞蝗飞翔能力的不同是能量存储方面的差异造成的”这一传统观点。

他们还发现散居型飞蝗主管飞行的肌肉通过高能量代谢为飞行提供了较多的能量，但在飞行过程中会产生更多的活性氧，这会对生物造成伤害，为了不让肌肉受到太大的伤害，散居飞蝗就不能进行长距离飞行。相反，群居型飞蝗能量代谢水平则较低，这使其在长时间飞行过程中能够产生较少的活性氧，这样可以长时间维持肌肉细胞生命活动的平衡，支持其长距离飞行。

飞蝗

（图片来源：veer图库）

“欲速则不达”在飞蝗身上得到了完美的诠释，飞得快就飞不远，飞得远的就飞不快，而两种飞行特征的差异居然是由飞蝗的群聚和分散导致的，是不是很神奇呢？

事情到了这里并没有结束，“猎豹”如果去跑马拉松，可能会因为身体不堪重负而把自己“累死”，这是因为长时间快速消耗氧气，会产生大量热量和活性氧，损伤细胞，严重时可危及生命。那么为什么群居飞蝗可以维持长距离飞行，是什么维持了它们身体代谢的稳定，而不至于因为长时间的飞行而受损呢？

新的发现，刷新认知

这里要先插播一段知识，1991年人们发现一种特定的DNA-蛋白质复合物，其会随着氧气浓度的变化发生相应的改变，这个蛋白质被命名为“低氧诱导因子”（Hif）。2019年，诺贝尔生理学或医学奖颁发给了三位科学家，以表彰他们在Hif的发现及其调节低氧适应的功能。之后人们普遍认为，Hif只有在低氧的时候才会被激活。

康乐团队的研究人员在研究飞蝗飞行过程中的氧气消耗时也研究了Hif蛋白，令人疑惑的情况出现了，飞蝗拥有两种Hif蛋白，只有一种在低氧时被激活，另一种则在正常氧气下飞行时被激活。到了这里，他们提出了创造性的猜想：这个蛋白会不会是飞蝗飞行中代谢稳态得以维持的原因呢？

经过一系列的研究，他们发现，这个新发现的蛋白质与之前的Hif相比“缺了”一块部分。实验发现，正是由于这部分的缺失，使新蛋白能够在正常氧环境下维持较高的活性。他们把这个新的蛋白命名为Hif-1α2，Hif-1α2会直接激活基因DJ-1的表达。而DJ-1所编码的蛋白在动物体内是一个关键的解毒和抗氧化酶，可以有效清除飞蝗飞行时肌肉中积累的活性氧和其他有害代谢产物，所以群居的飞蝗才可以维持长时间的飞行。

Hif-1α2作用机理

（图片来源：参考文献）

这项研究也打破了人们的传统观念，即Hif只在低氧环境下（如肿瘤内）发挥作用，表明了Hif在常氧条件下也有重要的生物学功能，而这一发现会对Hif的研究产生巨大的影响。

没想到一个看似很小的问题背后，却有着很复杂的机制，还对其他领域研究产生了推动作用！科学研究不就是这样吗，人们从生活的点滴中不断发现问题，在解决这些问题的路上，我们的文明一直在前进。

编辑：孙晨宇

参考文献：

Mingyu Shin, Jiwon Shim (2022) Alternative Splicing: A new role for Hif-1α eLife 11:e82028

https://doi.org/10.7554/eLife.82028

关键词：散居型飞蝗中国科学院