En ny studie av ett forskarlag från Arizona State University har funnit att klimatförändringar dramatiskt kommer att öka intensiteten hos gräshoppsvärmar, vilket resulterar i att ännu fler grödor går förlorade på grund av skadeinsekter och hotar livsmedelssäkerheten.

Studien, nyligen publicerad i Ecological Monographs , skisserar resultaten av betydande data som samlats in om sydamerikanska gräshoppors fysiologi och visar att artfördelningsmodeller som beaktar fysiologi förutom temperatur kan omforma vad vi kan förvänta oss att se när klimatförändringarna fortsätter.

"En unik aspekt av vår studie är att vi kombinerade många olika forskningsmetoder, inklusive fältobservationer, laboratorieexperiment och beräkningsmodellering", säger Jacob Youngblood, nyligen ASU Biology Ph.D. doktorand och första författare på studien.

"För att kombinera dessa tillvägagångssätt sammanställde vi ett mångsidigt team av forskare, som inkluderade fysiologer, ekologer, entomologer och jordbrukare. Att samarbeta med ett så mångsidigt team gjorde det möjligt för oss att studera effekterna av klimatförändringar på flera aspekter av gräshoppens biologi."

I det internationella teamet ingick Youngblood och forskare från ASU:s Global Locust Initiative:biträdande professor Arianne Cease, rektors professor Michael Angiletta och professor Jon Harrison från School of Life Sciences, och postdoc Stav Talal från Global Institute of Sustainability and Innovation, samt innovatörer och samarbetspartners i Sydamerika.

Forntidens plågor

Sedan åtminstone faraonernas dagar i det forntida Egypten år 3200 f.Kr., har gräshoppor brutit ut i massiva svärmar som faller ner på grödor och växtliv och orsakat nästan total förödelse.

Varför uppstår dessa destruktiva svärmar plötsligt?

Precis som människor kan gräshoppor vara antingen skygga eller sällskapliga. För det mesta kan gräshoppspopulationer tillbringa flera säsonger i en befolkning med låg täthet, kallad en solitär fas. Gräshopporna är kryptiska bruna eller gröna – skygga, ensamma och relativt ofarliga i global ekonomisk skala. Men när omständigheterna är de rätta, sväller antalet gräshoppor till överbefolkning, vilket utlöser en drastisk övergång till en sällskapsfas – social, färgglad och kapabel att bilda migrerande svärmar på 80 miljoner gräshoppor per kvadratkilometer.

Med varje gräshoppa som konsumerar upp till 2 gram växtlighet varje dag, kan en svärm av denna storlek färdas upp till 90 miles om dagen och konsumera samma mängd mat som 35 000 människor. Det är inte konstigt att de anses vara världens mest förödande skadedjur.

För att hjälpa till att reda ut drivkrafterna bakom svärmar studerade teamet fysiologin hos den sydamerikanska gräshoppan (Schistocerca cancellata).

"Att genomföra forskningen i Paraguay var verkligen spännande för mig eftersom det var första gången jag såg gräshoppsutbrott personligen," sa Youngblood. "Att se tiotusentals gräshoppor tillsammans fick mig verkligen att inse hur stort problem gräshoppor kan vara för lokala bönder och markförvaltare."

"Det mesta av forskningen om gräshoppor har utförts på kolonier som har vuxit upp i labbet i flera år, så vår forskning var ett sällsynt tillfälle att studera utbrytande gräshoppor i sin naturliga miljö. Denna möjlighet hade inte varit möjlig utan hjälp av våra kollegor i Argentina, Bolivia och Paraguay, som har hanterat dessa utbrott under de senaste sju åren", sa han.

Modellera framtiden

För att försöka förutsäga var svärmar kommer att migrera, och var grödor kommer att hotas, använder forskare artfördelningsmodeller - datoralgoritmer som förutsäger fördelningen av en art över ett geografiskt område med hjälp av miljödata.

Den vanligaste modelleringstekniken har varit korrelativa modeller. Men med tanke på de okända variabler som är inneboende i ett föränderligt globalt klimat, har denna metod förlorat sin effektivitet.

Forskargruppen använde en mekanistisk modelleringsmetod och samlade in data om gräshoppans fysiologi för att informera sin modell. I det här fallet mätte forskarna hur snabbt gräshoppor smälter mat i olika miljöer.

"Jacobs studie är ett vackert exempel, som visar att förutsäga hur djur kommer att reagera på klimatförändringar, och att hjälpa människor att överleva och blomstra trots klimatförändringar, kommer att kräva djupgående studier av de invecklade inre funktionerna hos våra andra biologiska organismer," sade SOLS-professor Jon Harrison.

Energin att svärma

En nyckelfaktor för miljödata som används för traditionella korrelativa modeller är temperatur, som har stor inverkan på gräshoppornas matvanor.

Dessa miljödata ensamma kan dock inte på ett adekvat sätt förutsäga effekterna av klimatförändringar på gräshoppspopulationer. För det första kan gräshoppor existera och äta i en mängd olika temperaturer. Och som generalistiska växtätare som kan resa långa sträckor för att få lättillgänglig mat, kan gräshoppor fylla sina magar med mat snabbare än de kan smälta den.

Medan gräshoppor kan och kommer att äta i ett brett temperaturområde, är den optimala temperaturen för matsmältningen mycket mer specifik.

Youngblood och hans medarbetare inser detta element som ett avgörande kriterium för en blomstrande gräshoppspopulation som sannolikt kommer att resultera i utbrottsscenarier.

Teamet mätte hur termiska förhållanden påverkade hastigheten för att äta och smälta för gräshoppor som fångades i fält, och använde dessa data för att modellera energivinst i både nuvarande och framtida klimatscenarier. Därefter etablerade de dessa nya data som en prediktiv variabel för en ny artdistributionsmodell som förutspådde spridningen av gräshoppsutbrott över flera scenarier.

Deras förutsägelser visar att gräshoppor kommer att kunna tillgodogöra sig mycket mer energi i framtida klimat än nuvarande klimat, mellan 8-17 % mer energi per våtsäsong än för närvarande, proportionellt mot hur mycket varmare det är.

Typiskt fullbordar de sydamerikanska gräshopporna bara två generationer per växtsäsong. Denna ökade energi per våt säsong skulle orsaka en förkortning av generationstider och bränsle till befolkningstillväxt, vilket skulle leda till fler svärmar. Framtida, varmare klimat tillåter befolkningar att växa och utvecklas snabbare, vilket stödjer fler år med tre generationer per säsong, och utbrott mer sannolikt.

Migrerande populationer av sydamerikanska gräshoppor förväntas också utöka sitt utbredningsområde bort från ekvatorn på grund av klimatförändringarna. Modeller som beaktar gräshoppans fysiologi förutsäger faktiskt ett mindre intervall av expansion än typiska korrelativa modeller, men de fysiologiska modellerna förutspår också en ökning av befolkningstillväxten, vilket resulterar i ännu större skador på skörden.

Tidigare modeller förutspådde förlust av skörd från skadeinsekter att öka med 10-25% under klimatförändringar, men forskarna visste inte om dessa förutsägelser var relevanta för den sydamerikanska gräshoppan. Den nya modellen skapad av Younglood matchade de tidigare modellerna och förutspådde en 17% ökning av skördförluster från sydamerikanska gräshoppor.

"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." + Utforska vidare

Examining why locusts form destructive swarms