Klimaændringer kan betyde mere intense græshoppeudbrud og true fødevaresikkerheden

En ny undersøgelse foretaget af et forskerhold fra Arizona State University har fundet ud af, at klimaændringer vil dramatisk øge intensiteten af ​​græshoppesværme, hvilket resulterer i, at endnu flere afgrøder går tabt på grund af skadedyr og truer fødevaresikkerheden.

Undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i Ecological Monographs , skitserer resultaterne af betydelige data indsamlet om sydamerikanske græshoppers fysiologi og viser, at artsfordelingsmodeller, der overvejer fysiologi ud over temperatur, kan omforme, hvad vi kan forvente at se, når klimaændringerne fortsætter.

"Et unikt aspekt af vores undersøgelse er, at vi kombinerede mange forskellige forskningstilgange, herunder feltobservationer, laboratorieeksperimenter og beregningsmodellering," siger Jacob Youngblood, nylig ASU Biology Ph.D. kandidat og førsteforfatter på studiet.

"For at kombinere disse tilgange samlede vi et forskelligartet team af forskere, som omfattede fysiologer, økologer, entomologer og landbrugere. Samarbejdet med et så forskelligartet team gjorde det muligt for os at studere virkningerne af klimaændringer på flere aspekter af græshoppernes biologi."

Det internationale hold omfattede Youngblood og forskere fra ASU's Global Locust Initiative:adjunkt Arianne Cease, præsidentens professor Michael Angiletta og professor Jon Harrison fra School of Life Sciences, og postdoc Stav Talal fra Global Institute of Sustainability and Innovation, samt innovatører og samarbejdspartnere i Sydamerika.

Gamle plager

I det mindste siden faraoernes dage i det gamle Egypten i 3200 f.Kr., er græshopper brudt ud i massive sværme, der falder ned over afgrøder og planteliv og forårsager næsten total ødelæggelse.

Hvorfor opstår disse destruktive sværme pludselig?

Ligesom mennesker kan græshopper være enten generte eller selskabelige. For det meste kan græshoppepopulationer tilbringe flere sæsoner i en befolkning med lav tæthed, kaldet en solitarisk fase. Græshopperne er kryptiske brune eller grønne - generte, ensomme og relativt harmløse på global økonomisk skala. Men når omstændighederne er helt rigtige, vokser antallet af græshopper til overfyldning, hvilket udløser et drastisk skifte til en selskabelig fase – social, farvestrålende og i stand til at danne migrerende sværme på 80 millioner græshopper pr. kvadratkilometer.

Med hver græshoppe, der spiser op til 2 gram vegetation hver dag, kan en sværm af denne størrelse rejse op til 90 miles om dagen og indtage den samme mængde mad som 35.000 mennesker. Det er ikke underligt, at de betragtes som verdens mest ødelæggende skadedyr.

For at hjælpe med at optrevle drivkræfterne bag sværme studerede holdet fysiologien af ​​den sydamerikanske græshoppe (Schistocerca cancellata).

"At udføre forskningen i Paraguay var virkelig spændende for mig, fordi det var første gang, jeg så græshoppeudbrud personligt," sagde Youngblood. "At se titusindvis af græshopper sammen fik mig virkelig til at indse, hvor stort et problem græshopper kan være for lokale bønder og jordforvaltere."

"Det meste af forskningen i græshopper er blevet udført på kolonier, der har været opvokset i laboratoriet i årevis, så vores forskning var en sjælden mulighed for at studere udbrud af græshopper i deres naturlige miljø. Denne mulighed ville ikke have været mulig uden hjælp fra vores kolleger i Argentina, Bolivia og Paraguay, som har håndteret disse udbrud i de sidste syv år," sagde han.

Modellere fremtiden

For at forsøge at forudsige, hvor sværme vil migrere, og hvor afgrøder vil være truet, bruger videnskabsmænd artsfordelingsmodeller - computeralgoritmer, der forudsiger fordelingen af ​​en art på tværs af et geografisk område ved hjælp af miljødata.

Den mest almindelige modelleringsteknik har været korrelative modeller. Men i betragtning af de ukendte variabler, der er iboende i et skiftende globalt klima, har denne metode mistet sin effektivitet.

Forskerholdet anvendte en mekanistisk modelleringstilgang og indsamlede data om græshoppernes fysiologi for at informere deres model. I dette tilfælde målte forskerne, hvor hurtigt græshopper fordøjer mad i forskellige miljøer.

"Jacobs undersøgelse er et smukt eksempel, der viser, at forudsigelse af, hvordan dyr vil reagere på klimaændringer, og hjælpe mennesker med at overleve og trives på trods af klimaændringer, vil kræve dybtgående undersøgelser af den indviklede indre funktion af vores andre biologiske organismer," sagde SOLS professor Jon Harrison.

Energien til at sværme

En nøglefaktor i miljødata, der bruges til traditionelle korrelative modeller, er temperatur, som har stor indflydelse på græshoppernes spisevaner.

Imidlertid kan disse miljødata alene ikke tilstrækkeligt forudsige virkningerne af klimaændringer på græshoppepopulationer. For det første kan græshopper eksistere og spise i en række forskellige temperaturer. Og som generalistiske planteædere, der kan rejse lange afstande for let tilgængelig mad, kan græshopper fylde deres maver med mad hurtigere, end de kan fordøje det.

Mens græshopper kan og vil spise i en lang række temperaturer, er den optimale temperatur for fordøjelsen meget mere specifik.

Youngblood og hans medarbejdere indså dette element som et afgørende kriterium for en blomstrende græshoppepopulation, der sandsynligvis vil resultere i udbrudsscenarier.

Holdet målte, hvordan termiske forhold påvirkede hastigheden af ​​spisning og fordøjelse for feltfangede græshopper, og brugte disse data til at modellere energiforøgelse i både nuværende og fremtidige klimascenarier. Dernæst etablerede de disse nye data som en forudsigelig variabel for en ny artsfordelingsmodel, der forudsagde spredningen af ​​græshoppeudbrud på tværs af flere scenarier.

Deres forudsigelser viser, at græshopper vil være i stand til at assimilere langt mere energi i fremtidige klimaer end nuværende klimaer, mellem 8-17 % mere energi pr. våd sæson end i øjeblikket, proportionalt med hvor meget varmere det er.

Typisk fuldender de sydamerikanske græshopper kun to generationer pr. vækstsæson. Denne øgede energi pr. våd sæson ville medføre en afkortning af generationstider og sætte skub i befolkningstilvæksten, hvilket ville føre til flere sværme. Fremtidige, varmere klimaer tillader befolkninger at vokse og udvikle sig hurtigere, hvilket understøtter flere år med tre generationer pr. sæson, og udbrud er mere sandsynlige.

Vandrende populationer af sydamerikanske græshopper forventes også at udvide deres rækkevidde væk fra ækvator på grund af klimaændringer. Modeller, der overvejer græshoppes fysiologi, forudsiger faktisk en mindre række af ekspansion end typiske korrelative modeller, men de fysiologibaserede modeller forudsiger også en stigning i befolkningsvækst, hvilket resulterer i endnu større afgrødeskader.

Tidligere modeller forudsagde, at afgrødetab fra skadedyr ville stige med 10-25% under klimaændringer, men forskerne vidste ikke, om disse forudsigelser var relevante for den sydamerikanske græshoppe. Den nye model skabt af Younglood matchede de tidligere modeller og forudsagde en stigning på 17 % i afgrødetab fra sydamerikanske græshopper.

"Klimaændringer er blevet et hovedtema i videnskabelig forskningslitteratur," sagde samarbejdspartner Eduardo Trumper, fra National Agricultural Technology Institute i 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." + Udforsk yderligere

Examining why locusts form destructive swarms