【科学趣谈】趣谈蝗虫某个奇妙的“开关”插图

2020年2月11日,联合国粮食及农业组织(FAO)向全球进行了预警,称希望全球高度戒备现在正在肆虐的蝗灾,防止被入侵国家出现粮食危机。

据悉,本次蝗灾始于非洲,然后飞过红海进入欧洲和亚洲,目前已经到达了巴基斯坦和印度,距中国可以说仅一步之遥。

Part.1

要形成蝗灾,必须有大量蝗虫,还要集结成群

大家应该都见过蝗虫,不少人小的时候还捉过蝗虫。

蝗虫,属直翅目,旗下包括:蚱总科(Tetrigoidea)、蜢总科(Eumastacoidea)、蝗总科(Locustoidea)的种类,全世界有超过10000种,我国有1000余种。

中国古籍中记载的蝗灾大部分是由东亚飞蝗造成的,飞蝗是蝗虫中危害最大的,虽然只有一个物种,但有很多亚种。在我国为害的主要有三个亚种——东亚飞蝗、亚洲飞蝗和西藏飞蝗。

很多人可能都好奇,田间地头常见的蝗虫,是如何突然爆发,并成灾了呢?

一般而言,蝗灾的发生要满足两个条件:一是数量突然的增加;二是大规模的集群。

其实,蝗虫一直都存在,一般情况下,蝗虫受限于自然条件,种群数量都维持在一个比较稳定的状态。平日里农田、地头间三三两两的蝗虫飞舞,那是无法构成灾害的。只有数量突然爆发,才可能产生危害。

Part.2

干旱后遇上暖冬、过度放牧,
都可能导致蝗虫大量繁殖

蝗虫卵会藏在卵囊内,在土壤中越冬,在1年中究竟能产多少代(发生的世代数),和年有效积温、食物、光照及其各虫期生长发育情况有很大关系。

中国古代有“旱极而蝗”的说法,认为蝗灾往往和旱灾相生相伴。

蝗虫是一种喜欢温暖干燥的昆虫,干旱的环境有利于它们生长发育,在干旱年份,由于水位下降,土壤变得比较坚实,蝗虫产卵数大为增加。康乐院士认为:干旱造成的蝗灾主要是指飞蝗,并不是越干旱蝗灾越严重。大旱之后往往造成河滩、湖滩的裸露,形成飞蝗非常喜欢的产卵场所,使蝗虫越冬产卵量高,种群密度急剧上升。此外如果再遇上暖冬,次年春季雨水比较丰富,温度回升比较快,就容易导致蝗灾在蝗虫繁殖区的爆发。

现在,非洲、阿拉伯国家和印度、巴基斯坦正遭受蝗灾,距离中国近在咫尺。不过,根据康乐院士的分析:此次蝗灾是由沙漠蝗造成的,中国不是沙漠蝗的分布区。因此对我国形成严重威胁的概率比较小。

现代科学研究表明,由于蝗虫的种类比较多,蝗灾发生的原因也很复杂,不完全一样。有的蝗灾不仅仅和气候有关,过度放牧也会导致其发生。

对中国危害很大的是亚洲小车蝗(Oedaleus asiaticus),小车蝗属在世界上有30多个种,都是欧洲、非洲、澳洲和亚洲等地区的重要草原和农业害虫。

亚洲小车蝗喜欢取食氮含量较低的食物,高氮食物会使它们的大小和生存能力都有所下降。而重度放牧土壤中氮含量枯竭使得植物含氮量降低,为亚洲小车蝗的生长和发育提供了绝佳的机会。

Part.3

在蝗虫腿部,有个集结成群的“开关”

环境条件和人为活动导致蝗虫数量突然增加,这只是蝗灾形成的第一步。下一步还要集结成群,集体行动。

其实,蝗虫平时都喜欢独居,只有突然大规模集群之后才能造成更大的危害。那蝗虫为何会聚集呢?这也是许多昆虫专家研究的热点问题。

英国牛津大学的动物学家发现,蝗虫后腿的某一部位受到触碰时,它们就会改变原来独来独往的习惯,变得喜欢群居。

蝗虫身上可能具备某种让它们集群的“按钮”,某些触觉因素使蝗虫改变习性。牛津大学的科学家对处于独居阶段的沙漠蝗虫进行试验,反复触碰它身体的多个部位,以寻找让蝗虫产生集群的按钮。

结果他们真的找到了,让蝗虫集群的按钮就在腿部的某个部分,当这个部位受刺激之后,它们就会突然变得喜爱群居,而触碰身体其他部位都不会产生这种效果。在某一自然环境中偶然聚集的蝗虫后腿彼此触碰,可能导致其改变习性,开始成群生活,其成员以同一方式大量增加,进而形成蝗灾。

那么,到底是哪些化学信号刺激了蝗虫的神经系统促使其行为发生改变?

英国牛津与剑桥的研究人员发现蝗虫的集群受到一种叫5-羟色胺的化学物质影响。平日里蝗虫之间彼此嫌弃,一旦它们体内的5-羟色胺水平升高,它们就会摒弃个虫成见,聚集在一起。5-羟色胺化学物质在蝗虫大脑中比较常见,如同武林圣火令,可以号召蝗虫聚集在一起。Michael Anstey及其同时对沙漠蝗虫体内的5-羟色胺水平进行了检测,结果显示:处于集结状态的蝗虫体内的5-羟色胺水平比独处状态的蝗虫高出近3倍多。

当蝗虫具备了上述两个条件,蝗虫群会越聚越大,一个数量多达400亿只蝗虫群一天可以吃掉8万吨食物,相当于40万人一年的口粮。在一个地吃光之后,它们就会起飞、迁徙,吃光,再迁徙。飞蝗成群后一般可以迁飞600千米,有些能够迁飞数千千米,这期间不断会有新的蝗虫加入它们,蝗虫的群体会越来越大,所造成的后果不堪设想!

Part.4

蝗灾能造成多大的影响?

人类与蝗虫打了几千年的交道,也留下了不少记录,可以看到,中国古代对于蝗虫的记载,就是一部灾难史:

《礼记·月令》有“虫蝗为灾”的记载。唐宋以后,造纸术的改进和纸张的普及,为历史的记载提供了极大的便利,蝗灾的记载也越发详细。

例如,“唐贞元元年(公元785年),夏蝗,东自海,西尽河陇,蔽天,旬日不息。所至草木及畜毛靡有孑遗,饿殍枕道。秋,关辅大蝗,田稼食尽,百姓饥,捕蝗为食。”

再例如,“明成化二十一年(公元1485年),大旱,飞蝗兼至,人皆相食。流亡者大半,时饥民啸聚山林。太平县蝗虫飞,飞蔽天,禾穗树叶食之殆尽,民悉转壑。是年垣曲民流亡大半,聚啸山林。三月,平阳蝗。四月,河南蝗。七月顺天蝗。”

根据记载,从公元前707年(鲁桓公十三年)至公元1907年(清光绪三十三年)的两千六百多年中,共发生蝗灾500余次。

总之,在中国古时,蝗灾可是与水灾、旱灾并列的三大自然灾害之一,蝗灾一旦兴起,遮天蔽日的蝗虫大军可以顷刻间把地里的庄稼洗劫一空,更为恐怖的是蝗灾往往在旱灾之后而来。古人靠天吃饭,一旦地里的庄稼没了收成,接下来便是饿殍遍地、揭竿而起,更有甚者导致亡国灭种。

到了现代,蝗灾的影响依然不容小觑。1985~1996年的12年间,东亚飞蝗在黄河滩、海南岛、天津等蝗区连年大发生。1985年秋,天津北大港东亚飞蝗蝗群东西约宽30余千米,波及面积达250万亩,是新中国成立以来群居型东亚飞蝗第一次跨省迁飞。1998年,东亚飞蝗的夏蝗在山东、河南、河北和天津等8省发生在80万公顷以上。1999年,东亚飞蝗的夏蝗在山东、河南、河北和天津等9省又发生80万公顷以上。

蝗虫对人类的影响不分国界。2016年俄罗斯政府遭遇了30年以来最严重蝗虫灾害,宣布进入紧急状态。漫天飞舞的蝗虫从俄罗斯南部经过,一时间日月无光,天地昏暗,犹如世界末日。据报道,此次蝗灾造成俄罗斯境内10%以上的农田被毁,受灾面积高达7万公顷。这其实就是一次蝗虫大迁徙,只不过它们的数量过于庞大,经科学调查这些蝗虫其实来自遥远的北非。

看似不起眼的昆虫在迁徙的途中可以爆发出惊人的能量,它们的迁徙不仅仅是完成自己生命的传承,更能影响到整个生态系统,蝴蝶效应在自然界非常明显。近年来,科学家发现昆虫迁徙量大得惊人,仅仅在英格兰每年昆虫的迁徙量可以达到惊人的3.5万亿次,重量加起来可以达到3200吨,相当于一艘小型驱逐舰的排水量。如此庞大的生物量放在整个生态系统里也不是小数目,它们影响深远。对于生态系统中以昆虫为食的动物而言,这是一次饕餮大餐;反过来这些昆虫会对植物的生长造成影响。因此,昆虫的迁徙不仅仅是自己的事情,还影响到捕食者、猎物以及竞争者。此外,这些昆虫本身就是一种巨大的能量和营养物质,还有可能携带大量的病原体进行转移,对于整个生态系统的物种循环和能量流动,都有着不同寻常的影响。

在人类的历史上,那些看似强大的猛兽,如狮、虎、豹,却并没有带来多大的伤害。相比之下,这看似弱小的蝗虫竟然危害无穷,成为人类历史性灾难之一。看来强弱之势力,绝非定数,强者未必恒强,弱者未必恒弱。人类需要重视地球上存在的每一个物种,哪怕它看似微不足道。