Der Weg zur Verdunkelung der Insekten: Warum ändert sich das Temperament von Heuschrecken drastisch, nachdem sie sich zu Schwärmen zusammengeschlossen haben?

Heuschrecken zählen weltweit zu den größten Schädlingen in der Landwirtschaft und verursachen häufig verheerende Schäden an der landwirtschaftlichen Produktion und der ökologischen Umwelt. Informationen auf der Website der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2020 zeigten, dass zu diesem Zeitpunkt die schlimmste Wüstenheuschreckenplage seit 25 Jahren über mehr als 20 Länder in Afrika und Asien hinweggefegt war. Das weltweit betroffene Gebiet umfasste mehr als 16 Millionen Quadratkilometer und bedrohte direkt die Ernährungssicherheit von etwa 19 Millionen Menschen vor Ort. Im Februar 2023 wurde die Region erneut von einer Heuschreckenplage heimgesucht, die erhebliche Schäden verursachte. Die durch Wanderheuschrecken verursachten Schäden bestehen seit der Antike. Von 707 v. Chr. bis 1935 gab es in meinem Land mehr als 800 eindeutig dokumentierte Heuschreckenplagen. Im Durchschnitt kam es alle zwei bis drei Jahre zu einer regionalen Katastrophe und alle fünf bis sieben Jahre zu einer großflächigen Heuschreckenplage, die weite Teile Chinas erfasste.

Die einsame Heuschrecke ist ganz grün und versteckt sich im Gras. Erst bei der Paarung von Männchen und Weibchen kommt es zum Kontakt miteinander. Die meiste Zeit ist er ein „einsamer Ranger“. Es verfügt über schwache Flugfähigkeiten und einen relativ kleinen Aktionsradius und ist grundsätzlich nicht zerstörerisch. Tatsächlich kann eine Heuschreckenplage nur dann auftreten, wenn sich die Wanderheuschrecken von einem Einzelgängertyp mit geringer Dichte zu einem Schwarmtyp mit hoher Dichte verändern.

Sobald sich verstreute Heuschrecken zu Schwärmen zusammenschließen, ändern sich ihr Aussehen und ihr Temperament drastisch. Heuschreckenschwärme verändern innerhalb weniger Stunden ihre Farbe: Ihre Körperfarbe wechselt von Grün zu Dunkelbraun, ihr Rücken wird schwarz und ihr Hinterleib braun. In von Heuschrecken befallenen Gebieten sind häufig Schwärme wandernder Heuschrecken zu sehen. Soziale Heuschrecken zeichnen sich durch hohe Dichte, großen Appetit und starke Flugfähigkeit aus. Ein Heuschreckenschwarm kann in einem Umkreis von einem Kilometer 80 Millionen erwachsene Heuschrecken umfassen. Diese Heuschrecken haben einen unglaublichen Appetit und können täglich 500 Tonnen Nahrung fressen, was der Lebensmittelration für 35.000 Menschen entspricht. Soziale Heuschrecken verfügen über eine extrem starke Flugfähigkeit und können Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern weit fliegen. Sobald sich also ein Heuschreckenschwarm gebildet hat, sind das Ausmaß und der Umfang des Schadens sehr groß.

Wie also verwandeln sich Heuschrecken von einem Einzelgängertyp in einen Schwarmtyp? Der Mechanismus der Metamorphose der Wanderheuschrecke war schon immer eines der wichtigsten wissenschaftlichen Themen, das in der internationalen Entomologie-Gemeinschaft große Aufmerksamkeit erregte. Das Team unter der Leitung von Akademiemitglied Kang Le vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat über 20 Jahre lang intensive Forschungen durchgeführt, um dieses Problem zu lösen. Die Ergebnisse der von Akademiemitglied Kang Le geleiteten Studie zum Thema „Molekularer Regulationsmechanismus der Transformation von Wanderheuschrecken“ wurden 2017 mit dem zweiten Preis des National Natural Science Award ausgezeichnet.

Um Methoden und Medikamente zur Vorbeugung und Bekämpfung von Heuschreckenplagen zu finden, ist es am grundlegendsten, den Mechanismus, der zur Entstehung von Insektenkolonien führt, gründlich zu untersuchen. Im Laufe jahrelanger Forschung hat das Team von Akademiker Kang Le neue Technologien und Methoden wie Genchips und kleine RNA-Technologie entwickelt und eine umfassende vergleichende Analyse der Genexpressionswerte, der epigenetischen Regulierung, des Transkriptoms und des Metaboloms von solitär und gesellig lebenden Heuschrecken durchgeführt. Sie fanden heraus, dass der morphologische Veränderungsprozess der Heuschrecken ein komplexes regulatorisches Netzwerk mit mehreren Genen und mehreren Ebenen umfasst, was letztlich zu erheblichen phänotypischen Unterschieden zwischen einzelgängerischen und geselligen Heuschrecken hinsichtlich Verhalten, Migration, Körperfarbe, Fortpflanzung, Entwicklung, Verteidigung und Ernährung führt.

Das erste und wichtigste Forschungsziel besteht darin, zu verstehen, wie die phänotypische Variation zwischen den beiden Arten von Wanderheuschrecken (einzelgängerisch und gesellig) entsteht und aufrechterhalten wird. Das Team von Kang Le fand heraus, dass die Mutation bei Heuschrecken mit dem Geruch beginnt. Zwei Arten chemischer, mit dem Geruchssinn in Zusammenhang stehender Geruchsrezeptor-Gene leiten die Heuschreckenaggregation ein, indem sie die Empfindlichkeit des Geruchssinns der Heuschrecke regulieren. Durch die Entdeckung der Substanzen, die diese olfaktorischen Gene regulieren, können umweltfreundliche biologische Pestizide gegen Heuschrecken ausgemerzt werden. Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass an der Entstehung von Heuschreckenschwärmen auch verschiedene chemische Substanzen beteiligt sind, wie etwa Dopamin, Acetylcarnitin usw. Dopamin ist dabei der wichtigste regulatorische Faktor für die Entstehung von Heuschreckenschwärmen. Die Dopaminausschüttung bei geselligen Heuschrecken ist deutlich erhöht und reguliert eine Reihe zentralnervöser Signalwege, was gleichbedeutend damit ist, verschiedene Körperteile der Heuschrecke zu benachrichtigen: Nehmen Sie Ihre Positionen ein und beginnen Sie mit der Verwandlung!

Die Fernwanderung von Heuschreckenschwärmen ist die Hauptursache für Heuschreckenplagen. Durch die Wanderung über weite Strecken können Heuschreckenschwärme ausreichend Nahrung beschaffen und geeignete Orte zum Eierlegen finden, was dem Überleben der Kolonie und der Fortpflanzung der Nachkommen förderlich ist. Allerdings ist eine Wanderung über weite Strecken sehr energieaufwendig. Herdenheuschrecken fressen nicht nur viel, sondern sind auch hinsichtlich der Energienutzungseffizienz besser als Einzelheuschrecken. Das Team von Kang Le fand heraus, dass gesellige Heuschrecken „Langstreckenläufer“ sind, die für Langstreckenflüge geeignet sind, während einzelgängerische Heuschrecken „Kurzstreckenläufer“ sind, die für Kurzstreckensprünge geeignet sind, um natürlichen Feinden auszuweichen. Einige Neuropeptide spielen eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Flugfähigkeit von Herdenheuschrecken. Beispielsweise sind estermobilisierende hormonverwandte Neuropeptide an der Oxidation und Nutzung von Estern beteiligt und lösen so das Problem der effizienten Energienutzung bei Langstreckenflügen.

Die Melanisierung der Körperfarbe bei der Metamorphose von Heuschrecken ist ebenfalls ein sehr interessantes Studienobjekt. Forscher haben herausgefunden, dass Veränderungen der Körperfarbe tatsächlich ein kollektiver Abwehrmechanismus von Heuschreckenherden sind. Einzelgängerheuschrecken sind grün, um sich im Gras zu schützen, während gesellige Heuschrecken daran gewöhnt sind, herumzustolzieren und sich nicht mehr tarnen und verstecken müssen. Daher hat Grün keine schützende Bedeutung mehr. Die geselligen Heuschrecken werden „schwarz“ und scheiden giftige Substanzen in ihren Körpern aus. Die schwarz-braune Körperfarbe ist zugleich eine Warnfarbe, die ein Warnsignal an natürliche Feinde senden soll – frisst mich nicht, ich bin giftig!

Und warum können Heuschrecken „schwarz“ werden? Bisher wurde allgemein spekuliert, dass es sich um eine Ablagerung von Melanin handelt. Erst 2019 entdeckte das Team um Kang Le, dass die schwarz-braune Körperfarbe nicht auf einen Anstieg des Melanins zurückzuführen ist, sondern dass sich mit zunehmender Heuschreckendichte die Expressionsniveaus vieler Gene in den Heuschrecken entsprechend ändern. Die Anzahl eines der Gene, die das β-Carotin-bindende Protein synthetisieren, wird deutlich zunehmen. Eine große Menge β-Carotin-bindendes Protein verbindet sich mit β-Carotin und bildet rotes Pigment, das sich dann mit der grünen Substanz im Körper der Heuschrecke vermischt und schwarz wird. Es stellt sich heraus, dass der Körper der Heuschrecke eine natürliche „Palette“ besitzt.

Diese Studien fanden bei internationalen Kollegen hohe Anerkennung und gelten als die vielversprechendsten Durchbruchsforschungen auf diesem Gebiet im letzten Jahrzehnt. Sie sind nicht nur von großer Bedeutung für das Verständnis der Reaktion und Anpassungsfähigkeit von Organismen an eine sich verändernde Umwelt, sondern liefern auch eine Reihe neuer Ideen und Lösungen für die Vorbeugung und Bekämpfung von Heuschreckenplagen.

(Text: Tang Bo, Forschungsbibliothekar des Zhongguancun Guoke Modern Agricultural Industry Science and Technology Innovation Research Institute. Experte: Zhao Xumao, Forscher an der Lanzhou University School of Ecology)

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