Möchten Sie die Heuschreckenplage durch „Essen“ lösen? Leider haben sie bereits vorhergesagt

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Xiao Xiaobo (PhD in Biologie)

Hersteller: China Science Expo

Jeder hat wahrscheinlich eine gewisse Vorstellung von Heuschreckenplagen. Zahlreiche Wanderheuschrecken versammeln sich zu riesigen Populationen, was ihnen die Nahrungssuche, die Suche nach Lebensräumen und die Partnerwahl erleichtert. Heuschreckenplagen sind äußerst schädlich. Wenn es einmal zu einer großflächigen Heuschreckenplage kommt, wächst überall, wo sie vorbeikommt, kein Gras mehr.

Eine derart große Ansammlung wird jedoch zwangsläufig die Aufmerksamkeit natürlicher Feinde auf sich ziehen und das Risiko erhöhen, Opfer einer Jagd zu werden. Warum also werden große Heuschreckenpopulationen nicht zu einem „Buffet“ für verschiedene Raubtiere und werden nach dem Einsammeln nicht beseitigt? Welche Strategien verfolgen Heuschrecken, um der Jagd ihrer natürlichen Feinde zu entgehen?

Heuschreckenplage

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Forschungsteam unter der Leitung von Akademiemitglied Kang Le vom Institut für Zoologie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften führte hierzu eingehende Untersuchungen durch und löste das Rätsel der Abwehr von Heuschreckenkolonien.

Das Locust-Team hielt eine Besprechung ab und wechselte nach der Besprechung die Westen

Nach dem Sammeln verwandeln sich Heuschrecken von ihrer ursprünglichen Einzelgängerform in eine Herdenform und zusammen mit ihren über lange Zeit entwickelten Verteidigungsstrategien beginnt sich auch ihr Körper zu verändern. Vom Aussehen her ist die auffälligste Veränderung die Änderung der Karosseriefarbe. Bevor Heuschrecken schwärmen, nutzen sie ihre grüne Körperfarbe als natürliche Schutzfarbe und führen ein „unauffälliges“ Leben, versteckt in den umliegenden Pflanzen, um zu vermeiden, dass sie von natürlichen Feinden entdeckt und gejagt werden.

Beim Schwärmen versammeln sich viele Individuen, so dass es für sie schwieriger wird, sich wie zuvor zu verstecken, und die Körperfarbe der Heuschrecken verändert sich allmählich zu Schwarzbraun. Eine solch auffällige Körperfarbe nennt man Warnfarbe.

(Einzelheiten zur Veränderung der Körperfarbe von Wanderheuschrecken finden Sie im Artikel „Heuschrecken: Was, Sie erkennen mich nicht wieder, nachdem ich meine Weste gewechselt habe?“

http://www.kepu.net.cn/kpqykj/all/2022/202211/t20221130_503347.html）

Einzelgänger und Herdenheuschrecken

(Bildquelle: Referenzen)

Heuschrecke: Ich rieche schlecht, Leute, bleibt mir fern!

Neben der unterschiedlichen Körperfarbe entdeckte das Forscherteam auch Unterschiede im Geruch der Heuschrecken. Im Vergleich zu Einzelheuschrecken geben Schwarmheuschrecken gezielt eine flüchtige Substanz namens Benzylnitril ab. Benzylnitril hat einen reizenden Geruch und übermäßiges Einatmen kann Nebenwirkungen wie Schwindel und Erbrechen verursachen. Diese flüchtige Substanz reagiert sehr empfindlich auf Veränderungen der Bevölkerungsdichte. Je höher die Bevölkerungsdichte, desto mehr Benzylnitril wird produziert. Benzylcyanid ist ein Zwischenprodukt im Stoffwechselweg von Phenylalanin in Organismen und führt letztendlich zur Synthese der hochgiftigen Verbindung Blausäure.

Auf dieser Grundlage stellte das Forschungsteam eine wissenschaftliche Hypothese auf: Das von den Heuschrecken verflüchtigte Benzylcyanid könnte ein olfaktorischer Warnstoff sein, der zur Abwehr von Fressfeinden weiter zu dem Gift Blausäure synthetisiert werden kann.

Um diese wissenschaftliche Hypothese zu überprüfen, untersuchte das Forscherteam zunächst, wie Heuschrecken Phenylacetonitril synthetisieren. Es wurde festgestellt, dass nur gesellige Heuschrecken Phenylacetaldehydoxim, die Vorläuferverbindung von Phenylacetonitril, produzieren können und dass dieses nur in der Epidermis vorkommt. Einzelne Heuschrecken können es nicht erzeugen. An der Biosynthese von Phenylacetonitril sind häufig Gene der Cytochrom-P450-Familie beteiligt. Durch Screening verschiedener P450-Gene in solitären Wanderheuschrecken und Funktionsüberprüfung wurde nachgewiesen, dass das Gen mit der Bezeichnung CYP305M2 das Schlüsselenzym für die Synthese von Phenylacetonitril ist.

Die Expression dieses Gens wird mit zunehmender Populationsdichte hochreguliert. Die fehlende Expression dieses Gens bei solitär lebenden Wanderheuschrecken verhindert die Synthese von Phenylacetonitril und seiner Vorläuferverbindung Phenylacetaldehydoxim bei solitär lebenden Wanderheuschrecken. Gleichzeitig bestätigten pharmakokinetische Studien mit isotopenmarkiertem Phenylalanin und Phenylacetaldehydoxim, dass CYP305M2 das geschwindigkeitsbestimmende Enzym ist, das den ersten Schritt des Phenylalanin-Stoffwechselwegs katalysiert. Der Unterschied in der Expression dieses Gens bei Herdenheuschrecken führt dazu, dass nur Herdenheuschrecken Phenylacetonitril produzieren.

Wollen Fressfeinde Heuschrecken in Gruppen angreifen, müssen sie daher zunächst den unangenehmen Geruch überwinden.

Kohlmeise: Ich hasse ihren Geruch

Um weiter zu beweisen, dass Benzylcyanid eine Rolle bei der olfaktorischen Warnung bei der Gruppenverteidigung spielt, verwendete das Forschungsteam die Kohlmeise, einen natürlichen Feind der Heuschrecken, um Interaktionsforschung zwischen den beiden durchzuführen. Es wurde festgestellt, dass Kohlmeisen, wenn sie die Wahl haben, einzelne Heuschrecken den geselligen Heuschrecken vorziehen und diese auch fressen. Durch die künstliche Anwendung von Benzacetonitril auf einzelne Heuschrecken wurde festgestellt, dass Kohlmeisen sich weigerten, die mit Benzacetonitril behandelten einzelnen Heuschrecken anzugreifen und zu fressen.

Im Gegenteil: Durch die Unterdrückung der CYP305M2-Expression mittels RNA-Interferenztechnologie können die Heuschrecken gezielt unfähig gemacht werden, Phenylacetonitril zu produzieren, ohne dass andere chemische Eigenschaften und die Körperfarbe beeinträchtigt werden. Dies führt dazu, dass die Heuschrecken nach dieser Operation häufiger von Kohlmeisen angegriffen und bevorzugt gefressen werden. Die Ergebnisse legen daher nahe, dass das von geselligen Heuschrecken produzierte Phenylacetonitril die Vogeljagd reduziert und als olfaktorisches Warnsignal bei der Gruppenverteidigung dient.

Synthese von Phenylacetonitril und Blausäure aus Phenylalanin und die Reaktion von Raubvögeln auf einzelne Wanderheuschrecken

(Bildquelle: Referenzen)

Heuschrecke: Leg dich nicht mit mir an, sonst vergifte ich dich!

Wie bereits erwähnt, ist Benzylcyanid der chemische Vorläufer von Blausäure, einem im Tierreich weit verbreiteten Gift. Um festzustellen, ob die abschreckende Wirkung von Phenethyl bei Heuschreckenschwärmen auf die Umwandlung von Benzylcyanid in die hochgiftige Blausäure zurückzuführen ist, führte das Forschungsteam einen Blausäuretest an Heuschrecken durch und stellte fest, dass die Konzentration der freigesetzten Blausäure bei einzelnen Heuschrecken und bei ungestörten Heuschreckenschwärmen relativ gering war.

Allerdings setzten von Kohlmeisen befallene Heuschreckenherden elfmal mehr Blausäure frei als ungestörte Heuschreckenherden. Gleichzeitig wurde den einzelnen Heuschrecken künstlich Phenylacetonitril zugeführt, wodurch die gestörten einzelnen Heuschrecken ebenfalls Blausäure freisetzten. Zusammenfassend kann man sagen, dass Phenylacetonitril, wenn Herdenheuschrecken von Vögeln angegriffen oder gestört werden, in hochgiftige Blausäure umgewandelt werden kann. Dies deutet darauf hin, dass Heuschrecken Phenylacetonitril nutzen können, um Raubtiere zu warnen und sie vor unüberlegtem Handeln zu warnen.

Diese Studie veranschaulicht umfassend den kollektiven Abwehrmechanismus wandernder Heuschrecken. Bei großen Heuschreckenansammlungen verändert sich die Farbe zu einer schwarzbraunen Warnfarbe. Gleichzeitig geben die Heuschreckenschwärme unangenehm riechendes Benzylcyanid ab, das eine Giftvorstufe darstellt und als olfaktorisches Warnsignal dienen kann. Bei einem Angriff wandeln Heuschrecken Phenylacetonitril in das Gift Blausäure um, das ihnen eine wirksame Abwehr gegen Fressfeinde bietet.

Heuschrecken nutzen diesen Schwarm-Abwehrmechanismus gegen Raubtiere, was erklärt, warum es bei Plagen nicht viele Raubtiere gibt, die sie ausrotten könnten.

Es scheint, dass der Wunsch, die Heuschreckenplage durch Essen zu bekämpfen, tatsächlich schwer zu erfüllen ist!

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

【1】J. Wei et al.: Phenylacetonitril erleichtert Heuschrecken die Abwehr von Raubtieren, indem es als olfaktorisches aposematisches Signal und Cyanidvorläufer fungiert. Wissenschaft Erw. 5, eaav5495(2019).