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出品：科普中國

作者：昆蟲實習(xi) 生（中國科學院）

監製：中國科普博覽

許多同學可能都曾幻想過像鳥兒(er) 一樣自由地飛翔，是自然界中奇妙的進化，為(wei) 鳥兒(er) 賦予了飛翔的翅膀，而你肯定想不到，看似不起眼的昆蟲，其實才是世界上最早能夠飛行的動物。

2020年，沙漠蝗引起的蝗災悄然從(cong) 東(dong) 非渡過紅海，進入歐洲和亞(ya) 洲，到達我們(men) 的鄰國巴基斯坦和印度。

小小蝗蟲竟橫渡千裏，為(wei) 沿途的國家帶來巨大災難，嚴(yan) 重危害了人類的糧食安全。雖然生存在沙漠地區的沙漠蝗，不能適應我國的環境，也沒有對我們(men) 造成傷(shang) 害，但是這一幕也難免讓人後怕不已。因為(wei) 沙漠蝗的近親(qin) ——飛蝗在我國造成的蝗災曾遺禍千年，直到新中國成立後，我國科學家經過多方位的治理，終於(yu) 根除了中國的蝗災。

沙漠蝗

（圖片來源：veer圖庫）

群居“馬拉鬆”，散居“百米跑”

沙漠蝗，顧名思義(yi) 就是生活在沙漠裏的蝗蟲，而飛蝗以“飛”為(wei) 名，足可見其飛行能力的強大，遷徙路程長達數千公裏。但是飛蝗有兩(liang) 種形態，一種是聚集生活的群居型飛蝗，這種成群飛蝗馬拉鬆式的長距離遷飛正是造成蝗災暴發的主要原因；另一種是獨居生活的散居型飛蝗，它們(men) 更青睞短途速飛。

看到這裏，你是不是心生疑惑，同一種飛蝗，為(wei) 何可以在不同的種群密度下擁有這兩(liang) 種截然不同的飛行對策呢？

飛行中的飛蝗

（圖片來源：中國科學報）

早年的研究認為(wei) ，群居的飛蝗善於(yu) 飛行，而散居的飛蝗則不善飛，而中國科學院院士康樂(le) 的團隊卻揭示了飛蝗兩(liang) 種形態飛行的真相，那就是群居“馬拉鬆”，散居“百米跑”：群居飛蝗的飛行速度並不快，以較低的速度進行長時間的持續飛行，就像飛行中的“長跑型”運動員；而散居飛蝗，飛行速度快，爆發力強，但耐力不足，就像動物界的短跑“冠軍(jun) ”獵豹，一隻不過小指大小的昆蟲還真是不簡單。

群居飛蝗的“馬拉鬆”式飛行特征有利於(yu) 群居型飛蝗進行長時間、長距離的飛行，這樣可以使它們(men) 尋找充足的食物和合適的繁殖地，而散居型飛蝗“百米跑”式飛行特征則有利於(yu) 它們(men) 尋找配偶和快速逃避天敵的進攻。當環境不適宜生存時，聚集起來的飛蝗又可以改變為(wei) 群居型的模式來實現遷飛，尋找食物和棲息地。

康樂(le) 團隊發現，兩(liang) 種狀態的飛蝗在使用能量物質種類上沒有明顯區別，主要都是脂質和糖類，盡管群居型飛蝗存儲(chu) 了更多的三酰甘油脂類物質，但在長距離飛行能力出現差異時，其飛行過程中能量存儲(chu) 的三酰甘油並沒有明顯的消耗，這改變了“兩(liang) 型飛蝗飛翔能力的不同是能量存儲(chu) 方麵的差異造成的”這一傳(chuan) 統觀點。

他們(men) 還發現散居型飛蝗主管飛行的肌肉通過高能量代謝為(wei) 飛行提供了較多的能量，但在飛行過程中會(hui) 產(chan) 生更多的活性氧，這會(hui) 對生物造成傷(shang) 害，為(wei) 了不讓肌肉受到太大的傷(shang) 害，散居飛蝗就不能進行長距離飛行。相反，群居型飛蝗能量代謝水平則較低，這使其在長時間飛行過程中能夠產(chan) 生較少的活性氧，這樣可以長時間維持肌肉細胞生命活動的平衡，支持其長距離飛行。

飛蝗

（圖片來源：veer圖庫）

“欲速則不達”在飛蝗身上得到了完美的詮釋，飛得快就飛不遠，飛得遠的就飛不快，而兩(liang) 種飛行特征的差異居然是由飛蝗的群聚和分散導致的，是不是很神奇呢？

事情到了這裏並沒有結束，“獵豹”如果去跑馬拉鬆，可能會(hui) 因為(wei) 身體(ti) 不堪重負而把自己“累死”，這是因為(wei) 長時間快速消耗氧氣，會(hui) 產(chan) 生大量熱量和活性氧，損傷(shang) 細胞，嚴(yan) 重時可危及生命。那麽(me) 為(wei) 什麽(me) 群居飛蝗可以維持長距離飛行，是什麽(me) 維持了它們(men) 身體(ti) 代謝的穩定，而不至於(yu) 因為(wei) 長時間的飛行而受損呢？

新的發現，刷新認知

這裏要先插播一段星空体育官网入口网站，1991年人們(men) 發現一種特定的DNA-蛋白質複合物，其會(hui) 隨著氧氣濃度的變化發生相應的改變，這個(ge) 蛋白質被命名為(wei) “低氧誘導因子”（Hif）。2019年，諾貝爾生理學或醫學獎頒發給了三位科學家，以表彰他們(men) 在Hif的發現及其調節低氧適應的功能。之後人們(men) 普遍認為(wei) ，Hif隻有在低氧的時候才會(hui) 被激活。

康樂(le) 團隊的研究人員在研究飛蝗飛行過程中的氧氣消耗時也研究了Hif蛋白，令人疑惑的情況出現了，飛蝗擁有兩(liang) 種Hif蛋白，隻有一種在低氧時被激活，另一種則在正常氧氣下飛行時被激活。到了這裏，他們(men) 提出了創造性的猜想：這個(ge) 蛋白會(hui) 不會(hui) 是飛蝗飛行中代謝穩態得以維持的原因呢？

經過一係列的研究，他們(men) 發現，這個(ge) 新發現的蛋白質與(yu) 之前的Hif相比“缺了”一塊部分。實驗發現，正是由於(yu) 這部分的缺失，使新蛋白能夠在正常氧環境下維持較高的活性。他們(men) 把這個(ge) 新的蛋白命名為(wei) Hif-1α2，Hif-1α2會(hui) 直接激活基因DJ-1的表達。而DJ-1所編碼的蛋白在動物體(ti) 內(nei) 是一個(ge) 關(guan) 鍵的解毒和抗氧化酶，可以有效清除飛蝗飛行時肌肉中積累的活性氧和其他有害代謝產(chan) 物，所以群居的飛蝗才可以維持長時間的飛行。

Hif-1α2作用機理

（圖片來源：參考文獻）

這項研究也打破了人們(men) 的傳(chuan) 統觀念，即Hif隻在低氧環境下（如腫瘤內(nei) ）發揮作用，表明了Hif在常氧條件下也有重要的生物學功能，而這一發現會(hui) 對Hif的研究產(chan) 生巨大的影響。

沒想到一個(ge) 看似很小的問題背後，卻有著很複雜的機製，還對其他領域研究產(chan) 生了推動作用！科學研究不就是這樣嗎，人們(men) 從(cong) 生活的點滴中不斷發現問題，在解決(jue) 這些問題的路上，我們(men) 的文明一直在前進。

編輯：孫晨宇

參考文獻：

Mingyu Shin, Jiwon Shim (2022) Alternative Splicing: A new role for Hif-1α eLife 11:e82028

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