何千マイルも急いでいます！このイナゴはどうしてこんなに上手に飛べるのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

著者: 昆虫インターン（中国科学院）

プロデューサー: 中国科学博覧会

多くの学生は、鳥のように自由に空を飛ぶことを夢見たことがあるかもしれません。鳥に飛ぶための翼を与えたのは、自然界の素晴らしい進化です。しかし、一見目立たない昆虫が実は世界で最も古い飛行動物だなんて、誰も想像しなかったでしょう。

2020年、サバクトビバッタによるバッタの大発生は、東アフリカから紅海を静かに渡り、ヨーロッパとアジアに入り、隣国パキスタンとインドに到達しました。

小さなイナゴは実際には何千マイルも移動し、その途中の国々に甚大な災害をもたらし、人類の食糧安全保障を深刻に危険にさらしました。砂漠地帯に生息するサバクトビバッタは私たちの環境に適応できず、私たちに危害を加えたことはありませんが、それでもこの光景は恐ろしいです。サバクトビバッタの近縁種であるトノサマバッタによって引き起こされるイナゴの被害は、何千年もの間、わが国で災いとなってきました。新中国が建国されてから、中国の科学者たちは多面的な統治を通じて、ようやく中国におけるイナゴの被害を根絶することができた。

サバクトビバッタ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

集団生活は「マラソン」、離散生活は「100メートル走」

サバクトビバッタは、その名の通り、砂漠に生息するイナゴです。トノサマバッタの名前は「飛翔」であり、その強い飛行能力を表しています。その移動距離は数千キロメートルにも及びます。しかし、イナゴには2つの形態があります。一つは群れで生活する群生性のイナゴです。これらのイナゴの大群がマラソンのように長距離を移動することが、イナゴの大発生の主な原因です。もうひとつは、短距離の高速飛行を好む単独行動のイナゴです。

これを読んで、同じ種類のイナゴが、個体数密度が異なると、まったく異なる 2 つの飛行戦略をとるのはなぜかと疑問に思ったことはありませんか?

飛翔するイナゴ

（写真提供：中国科学日報）

初期の研究では、群生するイナゴは飛ぶのが得意だが、単独で生活するイナゴは飛ぶのが得意ではないと考えられていました。しかし、中国科学院院士の康楽氏のチームは、群がる「マラソン」と孤独な「100メートル競争」というイナゴの飛行の2つの形式についての真実を明らかにした。群がるイナゴの飛行速度は速くなく、飛行中の「長距離ランナー」のように、比較的低速で長時間連続的に飛行する。一方、単独行動をするイナゴは飛行速度が速く、爆発力も強いが、動物界の短距離走の「チャンピオン」であるチーターと同様に持久力に欠ける。小指ほどの大きさしかない昆虫にとって、それは本当に簡単なことではありません。

群生するイナゴの「マラソン」飛行特性は、長期間の長距離飛行に役立ち、十分な餌と適切な繁殖地を見つけることを可能にします。一方、単独行動するイナゴの「100メートル短距離走」飛行特性は、配偶者を見つけたり、天敵の攻撃から素早く逃れたりするのに役立ちます。環境が生存に適さない場合、集まったイナゴは群れをなして移動し、餌や生息地を探します。

カン・レ氏のチームは、2つの状態のイナゴが使用するエネルギー物質の種類、主に脂質と糖質に明らかな違いはないことを発見した。群生するイナゴはより多くのトリグリセリドを蓄えていたが、長距離飛行能力に差があったにもかかわらず、飛行中にエネルギー貯蔵のためにトリグリセリドが消費されているという明らかな証拠はなかった。これにより、「2種類のイナゴの飛行能力の違いはエネルギー貯蔵の違いによる」という従来の見解が変わった。

また、単独行動するイナゴの飛翔を司る筋肉は、高エネルギー代謝を通じて飛翔に必要なエネルギーを多く供給するが、飛翔中に生成される活性酸素の量が増え、生物に害を及ぼすことになるということも判明した。筋肉が過度に損傷されるのを防ぐため、単独で行動するイナゴは長距離を飛ぶことができません。対照的に、群生するイナゴはエネルギー代謝のレベルが低いため、長期間の飛行中に生成される活性酸素が少なくなります。これにより、筋肉細胞の生命活動のバランスを長期間維持し、長距離飛行をサポートすることができます。

トノサマバッタ

（写真提供：veerフォトギャラリー）

「急ぐと無駄になる」という言葉はイナゴによって完璧に例証されます。速く飛ぶと遠くまで飛ぶことはできず、遠くまで飛ぶと速く飛ぶことはできません。 2 つの飛行特性の違いは、実際にはイナゴの群れの形成と分散によって生じます。すごいですよね？

物事はここで終わらない。 「チーター」がマラソンを走ると、体が負担に耐えられず「疲労困憊して死んでしまう」可能性がある。酸素を長期かつ急激に消費すると、多量の熱と活性酸素が発生し、細胞にダメージを与え、重篤な場合には生命を脅かすことになるからです。では、群生するイナゴはなぜ長距離飛行を維持できるのでしょうか?体内の代謝を安定させ、長期飛行によるダメージを防いでいるものは何でしょうか?

新たな発見、新たな洞察

ここで、ひとつの知識を述べておきたいと思います。 1991 年、酸素濃度の変化に応じて変化する特定の DNA タンパク質複合体が発見されました。このタンパク質は「低酸素誘導因子」（Hif）と名付けられました。 2019年、Hifと低酸素適応の調節におけるその機能を発見した3人の科学者がノーベル生理学・医学賞を受賞しました。当時は、Hif は酸素が少ない場合にのみ活性化すると一般に信じられていました。

カン・レ氏のチームの研究者たちは、飛行中のイナゴの酸素消費量を研究すると同時に、Hifタンパク質も研究した。不可解な状況が浮かび上がった。イナゴには2つのHifタンパク質があり、酸素が少ないときに活性化するのは1つだけで、通常の酸素下で飛ぶときにはもう1つが活性化されるのだ。この時点で、彼らは独創的な仮説を提唱しました。このタンパク質が、イナゴが飛行中に代謝恒常性を維持できる理由なのだろうか？

一連の研究の結果、この新しく発見されたタンパク質は、以前のHifと比べて一部が「欠けている」ことが判明した。実験により、まさにこの部分が欠けているからこそ、新しいタンパク質が通常の酸素条件下で高いレ​​ベルの活性を維持できることが判明しました。彼らは、遺伝子 DJ-1 の発現を直接活性化するこの新しいタンパク質を Hif-1α2 と名付けました。 DJ-1 によってコード化されたタンパク質は、動物における重要な解毒および抗酸化酵素です。飛翔中にイナゴの筋肉に蓄積された活性酸素やその他の有害な代謝物を効果的に除去できるため、群生するイナゴは長期の飛翔を維持できます。

Hif-1α2の作用機序

（画像出典：参考文献）

この研究は、Hif が低酸素環境（腫瘍など）でのみ機能するという従来の概念を打ち破り、Hif が常酸素条件下でも重要な生物学的機能を果たすことを示しています。この発見はHIFの研究に大きな影響を与えるでしょう。

一見小さな問題の背後に、他の分野の研究にも影響を与える非常に複雑なメカニズムがあるとは予想していませんでした。それが科学研究の目的ではないでしょうか?人々は生活のあらゆる面で常に問題を発見しており、これらの問題を解決する道において、私たちの文明は常に進歩しています。

編集者：孫晨宇

参考文献:

ミンギュ・シン、ジウォン・シム（2022）選択的スプライシング：Hif-1αの新たな役割 eLife 11：e82028

https://doi.org/10.7554/eLife.82028