Tausende von Meilen rasen! Wie kommt es, dass diese Heuschrecke so gut fliegen kann?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Insektenpraktikant (Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Viele Schüler haben vielleicht davon geträumt, frei wie Vögel zu fliegen. Es ist eine wunderbare Evolution der Natur, die den Vögeln Flügel zum Fliegen gegeben hat. Doch dass scheinbar unscheinbare Insekten tatsächlich die ersten fliegenden Tiere der Welt sind, hätte man nie gedacht.

Im Jahr 2020 überquerte die von Wüstenheuschrecken verursachte Heuschreckenplage unbemerkt das Rote Meer von Ostafrika aus, gelangte nach Europa und Asien und erreichte unsere Nachbarländer Pakistan und Indien.

Tatsächlich legten die winzigen Heuschrecken Tausende von Kilometern zurück, verursachten in den Ländern entlang ihrer Reise große Katastrophen und gefährdeten die Ernährungssicherheit der Menschen ernsthaft. Obwohl sich die in Wüstengebieten lebenden Wüstenheuschrecken nicht an unsere Umwelt anpassen können und uns keinen Schaden zugefügt haben, ist dieser Anblick dennoch beängstigend. Die Heuschreckenplage, die durch die Wanderheuschrecke, eine nahe Verwandte der Wüstenheuschrecke, verursacht wurde, war in meinem Land seit Tausenden von Jahren eine Plage. Erst nach der Gründung des Neuen China gelang es chinesischen Wissenschaftlern durch eine vielschichtige Regierungsführung, die Heuschreckenplage in China endgültig auszurotten.

Wüstenheuschrecke

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Das Leben in Gruppen ist ein „Marathon“, während das Leben getrennt ein „Hundertmeterlauf“ ist.

Die Wüstenheuschrecke ist, wie der Name schon sagt, eine Heuschrecke, die in der Wüste lebt. Der Name der Wanderheuschrecke ist „fliegend“, was auf ihre starke Flugfähigkeit hinweist. Die Entfernung, die er zum Wandern zurücklegt, beträgt Tausende von Kilometern. Heuschrecken gibt es jedoch in zwei Formen. Eine davon ist die gesellige Heuschrecke, die in Gruppen lebt. Die marathonartige Fernwanderung dieser Heuschreckenschwärme ist die Hauptursache für Heuschreckenplagen. Die andere Art ist die einzelgängerische Heuschrecke, die kurze und schnelle Flugstrecken bevorzugt.

Fragen Sie sich nach der Lektüre, warum dieselbe Heuschreckenart bei unterschiedlicher Populationsdichte zwei völlig unterschiedliche Flugstrategien hat?

Heuschrecken im Flug

(Fotoquelle: China Science Daily)

In frühen Studien ging man davon aus, dass gesellige Heuschrecken gut fliegen können, während einzelgängerische Heuschrecken nicht gut fliegen können. Das Team von Kang Le, einem Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hat jedoch die Wahrheit über die beiden Arten des Heuschreckenflugs enthüllt, nämlich den geselligen „Marathon“ und den einsamen „100-Meter-Lauf“: Die Fluggeschwindigkeit geselliger Heuschrecken ist nicht hoch, und sie fliegen lange Zeit ununterbrochen mit relativ geringer Geschwindigkeit, genau wie „Langstreckenläufer“ im Flug; Die einzelgängerischen Heuschrecken hingegen verfügen über hohe Fluggeschwindigkeiten und eine starke Sprengkraft, ihnen fehlt jedoch die Ausdauer, genau wie dem Geparden, dem Sprint-„Champion“ im Tierreich. Für ein Insekt, das nur so groß ist wie ein kleiner Finger, ist das wirklich nicht einfach.

Die „Marathon“-Flugeigenschaften der geselligen Heuschrecken ermöglichen langfristige und weite Flüge, wodurch sie ausreichend Nahrung und geeignete Brutstätten finden können, während die „100-Meter-Sprint“-Flugeigenschaften der einzelgängerischen Heuschrecken dazu beitragen, Partner zu finden und den Angriffen natürlicher Feinde schnell zu entkommen. Wenn die Umgebung nicht zum Überleben geeignet ist, können die angesammelten Heuschrecken in einen Herdenmodus wechseln, um zu wandern und Nahrung und Lebensraum zu finden.

Das Team von Kang Le stellte fest, dass es keinen offensichtlichen Unterschied in der Art der von den beiden Heuschreckenzuständen verwendeten Energiesubstanzen gab, hauptsächlich Lipide und Zucker. Obwohl die geselligen Heuschrecken mehr Triglyceride speicherten, kam es bei Unterschieden in der Langstreckenflugfähigkeit zu keinem offensichtlichen Verbrauch von Triglyceriden zur Energiespeicherung während des Fluges. Dies änderte die traditionelle Ansicht, dass „der Unterschied in der Flugfähigkeit der beiden Heuschreckenarten auf Unterschiede in der Energiespeicherung zurückzuführen ist“.

Sie fanden außerdem heraus, dass die für den Flug solitärer Heuschrecken verantwortlichen Muskeln durch einen energiereichen Stoffwechsel mehr Energie für den Flug bereitstellen, dass während des Flugs jedoch mehr reaktiver Sauerstoff produziert wird, der den Organismen schadet. Um eine zu starke Schädigung der Muskulatur zu vermeiden, können einzelne Heuschrecken keine großen Entfernungen zurücklegen. Im Gegensatz dazu verfügen Herdenheuschrecken über einen niedrigeren Energiestoffwechsel, wodurch sie bei längeren Flügen weniger reaktiven Sauerstoff produzieren. Dadurch kann das Gleichgewicht der Lebensaktivitäten der Muskelzellen über einen langen Zeitraum aufrechterhalten und ihr Langstreckenflug unterstützt werden.

Wanderheuschrecke

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

„Eile mit Weile“ ist ein perfektes Beispiel für Heuschrecken. Wenn sie schnell fliegen, können sie nicht weit fliegen, und wenn sie weit fliegen, können sie nicht schnell fliegen. Der Unterschied zwischen den beiden Flugeigenschaften wird tatsächlich durch die Ansammlung und Ausbreitung der Heuschrecken verursacht. Ist es nicht erstaunlich?

Aber damit ist noch nicht Schluss. Läuft der „Gepard“ einen Marathon, kann es passieren, dass er sich „todmüdet“, weil sein Körper die Belastung nicht aushält. Denn bei langfristiger und schneller Sauerstoffaufnahme entsteht viel Hitze und aktiver Sauerstoff, der die Zellen schädigt und in schweren Fällen lebensbedrohlich ist. Warum also können gesellige Heuschrecken Langstreckenflüge aufrechterhalten? Was hält ihren Stoffwechsel stabil und verhindert, dass sie durch langes Fliegen Schaden nehmen?

Neue Entdeckungen, neue Erkenntnisse

Hier möchte ich eine Erkenntnis einbringen. Im Jahr 1991 entdeckte man einen spezifischen DNA-Protein-Komplex, der sich bei Änderungen der Sauerstoffkonzentration entsprechend verändert. Dieses Protein wurde „Hypoxie-induzierbarer Faktor“ (Hif) genannt. Im Jahr 2019 wurde der Nobelpreis für Physiologie oder Medizin an drei Wissenschaftler für ihre Entdeckung von Hif und seiner Funktion bei der Regulierung der hypoxischen Anpassung verliehen. Damals glaubte man allgemein, dass Hif nur bei Sauerstoffmangel aktiviert wird.

Während sie den Sauerstoffverbrauch von Heuschrecken während des Fluges untersuchten, untersuchten Forscher aus Kang Les Team auch das Hif-Protein. Dabei ergab sich eine rätselhafte Situation: Heuschrecken besitzen zwei Hif-Proteine, von denen nur eines bei Sauerstoffmangel aktiviert wird, das andere hingegen beim Fliegen unter normalem Sauerstoffgehalt. An diesem Punkt stellten sie eine kreative Hypothese auf: Könnte dieses Protein der Grund dafür sein, dass Heuschrecken während des Fluges ihre metabolische Homöostase aufrechterhalten?

Nach einer Reihe von Studien stellten sie fest, dass diesem neu entdeckten Protein im Vergleich zum vorherigen Hif ein Teil „fehlte“. Experimente haben ergeben, dass das neue Protein gerade aufgrund des Fehlens dieses Teils in der Lage ist, unter normalen Sauerstoffbedingungen ein hohes Aktivitätsniveau aufrechtzuerhalten. Sie nannten dieses neue Protein Hif-1α2, das die Expression des Gens DJ-1 direkt aktiviert. Das von DJ-1 kodierte Protein ist ein wichtiges Entgiftungs- und Antioxidationsenzym bei Tieren. Es kann reaktiven Sauerstoff und andere schädliche Metabolite, die sich während des Fluges in den Muskeln der Heuschrecken angesammelt haben, wirksam entfernen, sodass gesellige Heuschrecken über lange Zeit fliegen können.

Wirkmechanismus von Hif-1α2

(Bildquelle: Referenzen)

Diese Studie widerlegt auch das traditionelle Konzept, dass Hif nur in sauerstoffarmen Umgebungen (wie etwa in Tumoren) funktioniert, und weist darauf hin, dass Hif auch unter normoxischen Bedingungen wichtige biologische Funktionen hat. Diese Entdeckung wird enorme Auswirkungen auf die Hif-Forschung haben.

Ich hätte nicht erwartet, dass sich hinter einem scheinbar kleinen Problem ein sehr komplexer Mechanismus verbirgt, der auch die Forschung in anderen Bereichen vorantreibt! Geht es bei der wissenschaftlichen Forschung nicht genau darum? Die Menschen stoßen in allen Lebensbereichen ständig auf Probleme und unsere Zivilisation schreitet auf dem Weg zur Lösung dieser Probleme ständig voran.

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

Mingyu Shin, Jiwon Shim (2022) Alternatives Spleißen: Eine neue Rolle für Hif-1α eLife 11:e82028

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