Een nieuwe studie door een onderzoeksteam van de Arizona State University heeft uitgewezen dat klimaatverandering de intensiteit van sprinkhanenzwermen dramatisch zal verhogen, wat resulteert in nog meer gewassen die verloren gaan door insectenplagen en een bedreiging vormt voor de voedselzekerheid.

De studie, onlangs gepubliceerd in Ecological Monographs , schetst de resultaten van aanzienlijke gegevens die zijn verzameld over de fysiologie van Zuid-Amerikaanse sprinkhanen, en toont aan dat soortendistributiemodellen die naast temperatuur ook fysiologie beschouwen, een nieuwe vorm kunnen geven aan wat we kunnen verwachten als de klimaatverandering voortduurt.

"Een uniek aspect van onze studie is dat we veel verschillende onderzoeksbenaderingen hebben gecombineerd, waaronder veldobservaties, laboratoriumexperimenten en computationele modellering", zegt Jacob Youngblood, recente ASU Biology Ph.D. afgestudeerd en eerste auteur van het onderzoek.

"Om deze benaderingen te combineren, hebben we een divers team van onderzoekers samengesteld, waaronder fysiologen, ecologen, entomologen en landbouwers. Door samen te werken met zo'n divers team konden we de effecten van klimaatverandering op meerdere aspecten van sprinkhanenbiologie bestuderen."

Het internationale team omvatte Youngblood en onderzoekers van ASU's Global Locust Initiative:assistent-professor Arianne Cease, president-professor Michael Angiletta en professor Jon Harrison van de School of Life Sciences, en postdoc Stav Talal van het Global Institute of Sustainability and Innovation, evenals innovators en medewerkers in Zuid-Amerika.

Plagen van weleer

Sinds ten minste de dagen van de farao's van het oude Egypte in 3200 v.Chr., zijn sprinkhanen uitgebarsten in enorme zwermen die neerdalen op gewassen en planten, waardoor ze bijna totale verwoesting aanrichten.

Waarom komen deze destructieve zwermen plotseling voor?

Net als mensen kunnen sprinkhanen schuw of gezellig zijn. Voor het grootste deel kunnen sprinkhanenpopulaties verschillende seizoenen doorbrengen in een populatie met een lage dichtheid, een solitaire fase genoemd. De sprinkhanen zijn cryptisch bruin of groen - schuw, solitair en relatief ongevaarlijk op wereldwijde economische schaal. Wanneer de omstandigheden echter juist zijn, zwellen de sprinkhanen aan tot overbevolking, wat een drastische omschakeling naar een kudde-fase veroorzaakt:sociaal, felgekleurd en in staat om trekzwermen van 80 miljoen sprinkhanen per vierkante kilometer te vormen.

Met elke sprinkhaan die elke dag tot 2 gram vegetatie consumeert, kan een zwerm van deze omvang tot 90 mijl per dag reizen en dezelfde hoeveelheid voedsel consumeren als 35.000 mensen. Het is geen wonder dat ze worden beschouwd als 's werelds meest verwoestende plaag.

Om de drijvende krachten achter zwermen te helpen ontrafelen, bestudeerde het team de fysiologie van de Zuid-Amerikaanse sprinkhaan (Schistocerca cancellata).

"Het uitvoeren van het onderzoek in Paraguay was echt spannend voor mij omdat het de eerste keer was dat ik sprinkhanenuitbraken persoonlijk zag," zei Youngblood. "Toen ik tienduizenden sprinkhanen bij elkaar zag, realiseerde ik me echt hoe groot het probleem van sprinkhanen kan zijn voor lokale boeren en landbeheerders."

"Het meeste onderzoek naar sprinkhanen is uitgevoerd op kolonies die al jaren in het laboratorium zijn grootgebracht, dus ons onderzoek was een zeldzame kans om uitbrekende sprinkhanen in hun natuurlijke omgeving te bestuderen. Deze kans zou niet mogelijk zijn geweest zonder de hulp van onze collega's in Argentinië, Bolivia en Paraguay, die deze uitbraken de afgelopen zeven jaar hebben beheerd", zei hij.

De toekomst modelleren

Om te proberen te voorspellen waar zwermen zullen migreren en waar gewassen zullen worden bedreigd, gebruiken wetenschappers soortendistributiemodellen:computeralgoritmen die de verspreiding van een soort over een geografisch gebied voorspellen met behulp van milieugegevens.

De meest gebruikte modelleringstechniek zijn correlatieve modellen. Gezien de onbekende variabelen die inherent zijn aan een veranderend wereldklimaat, heeft deze methode echter zijn effectiviteit verloren.

Het onderzoeksteam gebruikte een mechanistische modelleringsbenadering en verzamelde gegevens over sprinkhanenfysiologie om hun model te informeren. In dit geval hebben de onderzoekers gemeten hoe snel sprinkhanen voedsel verteren in verschillende omgevingen.

"Jacob's studie is een mooi voorbeeld, dat aantoont dat het voorspellen van hoe dieren zullen reageren op klimaatverandering, en het helpen van mensen om te overleven en te bloeien ondanks klimaatverandering, diepgaande studies zal vereisen van de ingewikkelde innerlijke werking van onze mede-biologische organismen," zei SOLS-professor Jon Harrison.

De energie om te zwermen

Een sleutelfactor van omgevingsgegevens die worden gebruikt voor traditionele correlatieve modellen is temperatuur, die een grote invloed heeft op de eetgewoonten van sprinkhanen.

Deze milieugegevens alleen kunnen de effecten van klimaatverandering op sprinkhanenpopulaties echter niet adequaat voorspellen. Ten eerste kunnen sprinkhanen bestaan ​​en eten bij verschillende temperaturen. En als generalistische herbivoren die lange afstanden kunnen afleggen voor gemakkelijk verkrijgbaar voedsel, kunnen sprinkhanen hun maag sneller met voedsel vullen dan dat ze het kunnen verteren.

Hoewel sprinkhanen in een breed temperatuurbereik kunnen en zullen eten, is de optimale temperatuur voor de spijsvertering veel specifieker.

Youngblood en zijn medewerkers zijn van mening dat dit element een beslissend criterium is voor een bloeiende sprinkhanenpopulatie die waarschijnlijk zal leiden tot uitbraakscenario's.

Het team heeft gemeten hoe thermische omstandigheden de snelheid van eten en verteren van in het veld gevangen sprinkhanen beïnvloedden, en gebruikte deze gegevens om de energiewinst in zowel huidige als toekomstige klimaatscenario's te modelleren. Vervolgens hebben ze deze nieuwe gegevens vastgesteld als een voorspellende variabele voor een nieuw soortdistributiemodel dat de verspreiding van sprinkhanenuitbraken over meerdere scenario's voorspelde.

Hun voorspellingen laten zien dat sprinkhanen in toekomstige klimaten veel meer energie kunnen opnemen dan in de huidige klimaten, tussen 8-17% meer energie per nat seizoen dan momenteel, in verhouding tot hoeveel warmer het is.

Typisch, de Zuid-Amerikaanse sprinkhanen voltooien slechts twee generaties per groeiseizoen. Deze verhoogde energie per nat seizoen zou leiden tot een verkorting van de opwekkingstijden en een toename van de brandstofbevolking, wat leidt tot meer zwermen. Toekomstige, warmere klimaten zorgen ervoor dat populaties sneller groeien en zich ontwikkelen, meer jaren met drie generaties per seizoen ondersteunen en uitbraken waarschijnlijker maken.

Migrerende populaties van Zuid-Amerikaanse sprinkhanen zullen naar verwachting ook hun verspreidingsgebied buiten de evenaar uitbreiden als gevolg van klimaatverandering. Modellen die rekening houden met sprinkhanenfysiologie voorspellen in feite een kleiner bereik van expansie dan typische correlatieve modellen, maar de op fysiologie gebaseerde modellen voorspellen ook een toename van de bevolkingsgroeisnelheid, wat resulteert in nog grotere schade aan gewassen.

Eerdere modellen voorspelden dat het oogstverlies door insectenplagen met 10-25% zou toenemen onder klimaatverandering, maar wetenschappers wisten niet of deze voorspellingen relevant waren voor de Zuid-Amerikaanse sprinkhaan. Het nieuwe model van Younglood kwam overeen met de eerdere modellen en voorspelde een toename van 17% van de oogstverliezen door Zuid-Amerikaanse sprinkhanen.

"Climate change has become a keynote theme in scientific research literature," said collaborator Eduardo Trumper, of the National Agricultural Technology Institute in Argentina. "Plenty of it is correlational. The excitement of collaborating in this article stems from the exploration of likely mechanisms involved in the response of a high impact agricultural pest to warming."

"Together, this information should help farmers and governments plan ahead for the next outbreak," said Youngblood. "And although more research is needed, this physiological modeling approach could help predict outbreaks for other locust species too."

Global collaboration

This research is part of an ongoing partnership between ASU's Global Locust Initiative (GLI) and national plant protection organizations, farmers' groups, and universities in Argentina, Bolivia, and Paraguay, that started at the beginning of the South American Locust upsurge.

"Locusts are part of complex social-ecological-technological systems that require teams to work together across disciplines, sectors, and boundaries," said GLI Director, Arianne Cease.

In 2020, GLI led a stakeholder workshop in Argentina to bring diverse participants together to formalize what they experience on a daily basis as locust governance.

"All of these stakeholders and areas of expertise are critical," said Cease. "And understanding locust biology and being able to predict when and where outbreaks will occur is a key piece of the puzzle where we have surprisingly limited research globally, relative to the challenge. Jacob's collaborative work building these models is an important advancement for biology and food security." + Verder verkennen

Examining why locusts form destructive swarms