Ученые выяснили, что провоцирует образование огромных стай саранчи
Саранча — страшное насекомое, которое способно оставить без урожая целые регионы, лишив людей продовольствия. Оно долгие годы оставалось непонятным для ученых: по какой причине миллионы особей объединяются в стаи и начинают мигрировать в соседние регионы, что их привлекает и заставляет менять образ жизни? В какие-то годы саранча почти не причиняет фермерам вреда, в другие, наоборот, ставит на грань разорения. Но как работает этот страшный природный механизм? Кажется, ученые нашли ответ на этот вопрос.
Как устроена жизнь саранчи
В теплых и зачастую засушливых регионах нашей планеты обитает несколько видов саранчи. Все они имеют одну специфическую особенность. Эти насекомые могут жить в двух совершенно разных состояниях: по одному и в виде огромной стаи. Поскольку саранча, объединенная в стаю, угрожает продовольственной безопасности, ученые давно занимаются изучением этого феномена. Энтомологам удалось выяснить, что саранча может существовать в одиночной фазе продолжительное время, пока в месте, где она обитает, не случится какое-либо ухудшение условий жизни. Чаще всего это засуха и последующее отсутствие корма.
В случае наступления таких неблагоприятных условий саранча переходит в активную стадную фазу: насекомые производят на свет видоизмененное потомство. У новых особей более развитые крылья, а сами они крупнее, что позволяет совершать дальние переходы и перелеты на значительные расстояния. Этот поразительный механизм позволил саранче приспособиться к неблагоприятной погоде и выжить вопреки всему. Новое поколение начинает процесс миграции в более благоприятные зоны, который всегда заканчивается плачевно для сельскохозяйственных угодий. Тысячи людей, вооруженные инсектицидами, выходят на борьбу с саранчой. Но, увы, зачастую победить ее практически невозможно: трудно предсказать, куда миллионная армия прожорливых летунов двинется через сутки, и пока люди готовятся принять меры, насекомые уже уничтожают очередное поле с кукурузой или пшеницей.
Биохимия стаи
Но что служит тем сигналом, по которому одиночная саранча переходит в стадную фазу? Оказалось, что эти насекомые реагируют на специфический феромон под названием 4-виниланизол, который выделяется ими самими и провоцирует переход к активной фазе. Ученые выяснили, что этот феромон всегда присутствует в стаях мигрирующей саранчи, и его количество с течением времени только возрастает. Чем больше феромона, тем больше саранчи привлекает этот запах, заставляя насекомых собираться в миллиардные стаи. Даже в небольших сообществах, состоящих из нескольких особей, присутствует этот феромон, который начинает привлекать сородичей.
Ученые говорят, что, используя это химическое вещество, можно заманить огромную стаю насекомых в определенное место, где и уничтожить при помощи инсектицидов. Так будет намного лучше для всех, ведь в случае компактного расположения потребуется намного меньше препаратов и трудовых ресурсов, а урон окружающей среде будет в разы меньше. Но самое главное — уничтожить саранчу можно будет за пределами поля с культурными растениями, не увеличивая химическую нагрузку.
Присоединяйся к нашему сообществу в телеграмме, нас уже более 1 млн человек ��
Почему саранча собирается в стаю
О том, какие бедствия могут приносить стаи перелетной саранчи, известно всем. Еще на фресках и папирусах Древнего Египта, созданных за 3000 лет до нашей эры, были изображены эти насекомые, несущие людям голод и разорение.
Правда, когда саранча съедала урожай, люди ели саму саранчу. Ели этих насекомых и не в голодные годы. Древний историк Геродот писал, что жители пустынь собирают саранчу (или акрид – от этого слова произошло и современное название семейства саранчовых, Acrididae), обламывают у насекомых крылья и ножки, смешивают с молоком и с аппетитом едят. Подобное блюдо пользуется успехом у жителей оазисов Сахары и поныне. По мнению многих европейцев, отведавших его, оно довольно вкусно и питательно. А еще саранчу жарят в масле и смешивают с сушеными финиками. Сейчас некоторые японские фирмы даже начали производить консервы, приготовленные из саранчи по старинным рецептам жителей африканских пустынь. Однако это, конечно, не решение проблемы – как бы ни была питательна саранча, количество уничтожаемого ею урожая не идет ни в какое сравнение с тем, что человек может получить, используя в пищу самих насекомых.
Одним из наиболее опасных видов, образующих неисчислимые скопления, способные перелетать на тысячи километров, является пустынная саранча, или схистоцерка (Shistocеrca gregaria). В 1954 г. эти насекомые из Северо-Западной Африки добрались до Британских островов, преодолев расстояние в 2400 км. При этом полет саранчи может проходить на высоте до 2000 м!
Кстати, за четверть века до этого события, в 1928 г., в Лондоне был создан специальный Противосаранчовый центр, где изучают самые разные аспекты биологии этих насекомых и разрабатывают меры борьбы с ними. В 1961 г. по соглашению с ФАО (Международной организацией по продовольствию и сельскому хозяйству при ООН) в этом центре была организована особая информационная служба, в обязанности которой входит научная обработка информации о состояниях популяций саранчи, поступающей из всех стран мира.
Пустынная саранча обитает в субтропических и тропических областях Африки, Аравии, Индии и Пакистана. Она может выживать в самых жарких пустынях благодаря тому, что самки откладывают свои яички в песок или почву только после дождя. Когда появляются на свет личинки, орошенная на короткое время пустыня «цветет», и молодые насекомые находят для себя достаточно корма.
А вот дальнейшая их судьба может быть разной.
В свое время русский исследователь Б.П. Уваров показал, что для стадных саранчовых характерно явление так называемой фазовой изменчивости – в зависимости от плотности группы развивающиеся личинки образуют либо одиночные, либо стадные формы. На первый взгляд такие насекомые кажутся даже представителями разных видов – для одиночной саранчи характерна неброская, гармонирующая с окружающей средой окраска, а особи стадной формы окрашены очень ярко. Считается, что состояние одиночной фазы более «нормально» – оно возникает в условиях, когда каждая из личинок находит для себя достаточно корма, насекомые живут на местности рассеянно и их плотность невелика.
Однако если растительность высыхает, количество доступной пищи уменьшается и личинки скапливаются в тех немногих местах, где еще можно прокормиться. Плотность их в этих условиях резко возрастает, что и приводит к формированию стадной фазы. У насекомых повышается возбудимость, ускоряется обмен веществ, возникают рефлексы, направленные на поддержание группового образа жизни. Теперь личинки стремятся держаться вместе и передвигаться большими группами (кулигами).
Образованию таких групп способствует и запах особых химических веществ – феромонов, выделяемых насекомыми вместе с экскрементами. Хотя, как показали недавние исследования английских ученых, вырабатываются эти вещества не самой саранчой, а обитающими в ее кишечнике симбиотическими бактериями. Чтобы доказать это, исследователям пришлось выращивать личинок саранчи в стерильных условиях и кормить стерильной (лишенной бактерий) травой. В итоге разницу в запахе насекомых можно было уловить просто носом, а химический анализ показал, что в фекалиях стерильной саранчи отсутствует летучее вещество гуаякол. В норме же оно вырабатывается – как побочный продукт метаболизма – именно бактериями, обитающими в желудочно-кишечном тракте насекомых. И именно запах гуаякола является одним из факторов, ответственных за то, что особи пустынной саранчи начинают координировать свои действия и собираются в стаю, способную осуществить губительный налет на цветущие поля.
Саранча объединяется в стаи из-за каннибализма
Предыдущие исследования показали, что каннибализм периодически наблюдается у саранчи. Особенно это явление распространено среди молодых насекомых. При недостатке пищи они начинают высасывать питательные вещества из ближайших соседей.
Используя данные, полученные при исследовании молодой саранчи, ученые под руководством Иейна Кузина из Принстонсовского университета смоделировали перемещения насекомых при образовании стай.
Из полученной модели четко видно, что насекомые стремятся углубиться в толпу, пытаясь максимально удалиться от голодного каннибала, поедающего жертву.
Страх быть сожранным приводит к тому, что каждая отдельная саранча стремиться оторваться от напирающих сзади насекомых, а это, в свою очередь, уже к тому, что вся стая бесконтрольно движется вперед.
Стаи саранчи передвигаются со средней скоростью около 30 километров в сутки. Как взрослые, так и молодые насекомые поедают листья, стебли, метелки, колосья, плоды, кору на стеблях.
Каждая особь съедает за свою жизнь около 300 грамм зеленой массы. В течение дня молодые насекомые питаются от 20 до 30 раз.
В периоды массового размножения число особей саранчи достигает нескольких сотен и даже тысяч на квадратный метр.
Саранча сбивается в стаи по химическому сигналу
Компания из четырёх–пяти особей саранчи начинает выделять особый феромон, который заставляет присоединяться к этой компании всё новых и новых насекомых.
Давно известно, что у саранчи есть две жизненные формы, одиночная и стайная. Как легко догадаться, в одиночной форме саранча живёт сама по себе, предпочитая не контактировать с себе подобными. В стайной форме она образует огромные рои, насчитывающие миллиарды особей, мигрирующие в поисках пищи. Стайная саранча сжирает всё на своём пути, и с самых давних пор её боялись как настоящей природной катастрофы. Одна из знаменитых библейских десяти казней египетских – это как раз нашествие саранчи, съевшей в Египте всё до последней травинки. Несмотря на современные инсектициды, сельскохозяйственные районы Азии и Африки до сих пор подчистую теряют целые урожаи из-за саранчи.
Саранча одиночная превращается в стайную ввиду определённых условий среды, когда эти условия среды сводят вместе несколько особей. Обе формы отличаются друг от друга и окраской, и строением тела, и поведением, и размножением. Причём изменения касаются не только взрослых насекомых, но и личинок, то есть личинки одиночной саранчи ведут себя иначе, чем личинки стайной саранчи, которые так же, как и взрослые, стремятся сбиться в кучу. Учитывая, сколь большую роль в жизни насекомых играют феромоны, можно предположить, что сигналом к сбору у саранчи тоже служит какой-то феромон. И исследователям из Китайской академии наук удалось этот феромон найти.
Они анализировали летучие вещества, которые выделяет сигнальная саранча. Таких веществ оказалось шесть, и каждое из них проверяли на одиночной саранче – заставят ли они её сбиваться в стаю. Одно из веществ, 4-виниланизол (4VA) оказалось тем самым сигналом: почуяв его, саранча, независимо от пола и возраста, стремилась как можно скорее найти друг друга. Более того, на 4VA реагировали и стайные индивидуумы – они тоже двигались на запах, стараясь найти товарищей. Это, кстати, объясняет, почему стаи саранчи не путешествуют отдельно друг от друга, а стремятся объединиться, создавая те самые чудовищные полчища в миллиарды особей, и почему стаи не распадаются: выделяя 4VA, стайная саранча удерживает свою стаю вместе.
В статье в Nature говорится, что достаточно собраться 4–5 особям саранчи, чтобы они начали выделять 4VA, и чем больше саранчи собирается вместе, тем сильнее растёт уровень запаха. Авторы работы также проверили, как 4VA работает в реальных условиях, то есть вышли с источником запаха на открытую местность – и оказалось, что 4VA работает и в открытом поле, хотя эффект был слабее, чем в лаборатории.
Возможно, что через 4VA можно укротить стайную саранчу – даже если не предполагать какие-то молекулярно-генетические, хитрости, отключающие синтез 4VA или рецепторы к нему, можно представить, как саранчу с помощью 4VA собирают в одном место, где аккуратно уничтожают инсектицидом, или пускают на белковые добавки в корм скоту (и не только скоту). Однако, как говорят некоторые эксперты на портале Science News, вряд ли здесь всё зависит только от одного-единственного вещества. У саранчи могут быть другие молекулы, которые ослабляют или усиливают 4VA-сигнал, и у стайной формы могут быть какие-то механизмы, которые поддерживают её стайный облик и поведение. Использовать 4VAв практических целях можно будет после того, как мы исследуем возможных молекулярных партнёров этого вещества и те молекулярные и физиологические механизмы, в которых оно участвует.