Van trieste eenling tot vrolijke vreter

Zwermgedrag van sprinkhanen
Van trieste eenling
tot vrolijke vreter
Wat zet een sprinkhaan die op z’n eentje leeft aan om zijn soortgenoten
op te zoeken en in grote zwermen hele landen kaal te vreten? Dezelfde
mechanismen die mensen uit een depressie halen, zo blijkt. Die bevindingen kunnen helpen om plagen te bestrijden.
6
mei 2013: tijdens een openluchtconcert in Brazilië worden Paul McCartney en zijn 47.000 toeschouwers
verrast door een bijzonder natuurfenomeen. Een zwerm sprinkhanen strijkt neer
op het podium. De Brit ziet er de humor wel
van in en draagt zelfs een van zijn liedjes op
aan zijn nieuwe vriend Harold, die het hele
concert lang op zijn schouder blijft zitten.
Op datzelfde moment aan de andere kant van
de oceaan gaat Madagascar gebukt onder een
vreselijke plaag van treksprinkhanen (Locusta
migratoria). Ruim de helft van de akkers is al
aangetast door de zwermen. Het aantal sprinkhanen wordt geschat op tientallen miljarden.
De treksprinkhaan zorgt er wel vaker voor problemen, maar voor zo’n grote plaag moeten we
toch al gauw zestig jaar terug in de tijd.
Plaaginsecten zijn een constante bekommernis
van de voedsel- en landbouworganisatie van de
Verenigde Naties (FAO). Meestal slaagt die erin
de situatie goed op te volgen en kleinere zwermen onmiddellijk de kop in te drukken. Maar
als het voor de insecten menens is, lijkt er geen
kruid tegen gewassen. De FAO vroeg dit voorjaar
al 32 miljoen euro noodhulp om de plagen in
Madagascar te bestrijden met luchtoperaties, en
om een driejarenplan op te stellen om de lokale
bevolking op te leiden in plaagbestrijding. Bijbelse plaag
Altijd woedt er wel ergens een insectenplaag,
maar dit jaar lijkt het alsof insecten wereldwijd
hebben afgesproken om uit te zwermen. In
C­aïro dreven in maart op klaarlichte dag plotseling dichte, zwarte wolken aan de hemel: het
regende er sprinkhanen. De diertjes kwamen
uit de Baiyudawoestijn in Soedan. Daar werden
de woestijnsprinkhanen (Schistocerca gregaria)
zo talrijk dat de routine controle-operaties niet
meer wilden baten. Kleine zwermpjes sprink-
hanen migreerden naar het oosten en legden
eitjes in het zand aan de kust van de Rode
Zee. Enkele weken nadat de eitjes uitkwamen,
zwermden miljoenen sprinkhanen uit.
Vanuit Egypte zetten de zwermen hun weg
verder naar de Sinaïwoestijn, om uiteindelijk
te stranden in Israël. Als bij goddelijk toeval
gebeurde dat aan de vooravond van Pesach,
het feest waarop de joden de bevrijding uit de
slavernij en de uittocht uit Egypte vieren. Van
dankbaarheid voor de achtste plaag was echter weinig sprake: het gros van de sprinkhanen
werd de volgende ochtend meedogenloos verdelgd met insecticiden. Nog wekenlang vlogen
Door Rik VERDONCK
Vandaag weten we dat de woestijnsprinkhaan
inderdaad twee verschillende verschijningsvormen heeft: de solitaire en de gregaire of zwermfase. De omschakeling van de solitaire naar de
zwermende fase noemen we fasetransitie.
De schuwe, solitaire sprinkhanen gaan doorgaans elke ontmoeting met soortgenoten uit
de weg, behalve om te paren. Onder gunstige
omstandigheden groeit de populatie stevig
aan. Als er vervolgens droogte optreedt en het
voedsel schaars wordt, zijn de diertjes wel gedwongen om samen te scholen op de laatste
restjes vegetatie. Contact met andere sprinkhanen wordt onvermijdelijk.
Dit jaar lijkt het of insecten wereldwijd
hebben afgesproken om uit te zwermen
vliegtuigen uit om de resterende zwermen op
te sporen en uit te roeien. Toch blijft de populatie stevig aandikken. De Israëliërs maakten
intussen van de nood een deugd: het eten van
sprinkhanen groeide in geen tijd uit tot een culinaire trend.
Fasetransitie
Anno 2013 hebben we dus nog steeds geen
goede manier gevonden om sprinkhanenplagen
te bestrijden. De studie van het zwermgedrag
van sprinkhanen biedt mogelijk een oplossing.
Lange tijd dachten biologen dat er twee soorten woestijnsprinkhanen waren: Schistocerca
solitaria, een schuw diertje met camouflagekleuren, en Schistocerca gregaria, het bekende
felgekleurde plaaginsect dat brutaal zwermgedrag vertoont. Het duurde tot 1921 voordat
de Russische insectenkenner Boris Uvarov
ontdekte dat de solitaire soort plotsklaps kon
veranderen in de gevreesde zwermende vorm.
Eos 86
De verlegen beestjes ondergaan een snelle gedragsverandering: ze worden aangetrokken
tot elkaar. De nieuwe generatie nimfen (onvolwassen sprinkhaantjes) heeft zwart-gele
kleuren. Ze marcheren in korpsen van de ene
voedselbron naar de andere – de eerste weken
van hun bestaan hebben ze nog geen vleugels.
Elke dag spelen ze ongeveer hun eigen gewicht
aan planten binnen. Ze doen zich – in tegenstelling tot solitaire sprinkhanen – ook tegoed
aan slecht smakende en zelfs giftige planten –
giftig, niet zozeer voor henzelf, maar wel voor
de roofdieren die graag een sprinkhaantje lusten. Een truukje dat alleen lijkt te werken als
je met velen bent: je hebt akelige waarschuwingskleuren en je bent oneetbaar. De meeste
roofdieren hebben aan één beestje genoeg om
te leren dat aan dit marcherende leger geen
feestmaal verloren gegaan is.
Ongeveer een keer per week vervellen de
sprinkhaantjes, en als ze vijf weken oud zijn,
Zodra de zwermende
sprinkhanen vleugels
krijgen, kunnen ze
gigantische afstanden
overbruggen en enorme
plagen veroorzaken.
Eos 87
Wie leidt de zwerm?
Van de naar schatting meer dan tienduizend soorten sprinkhanen, is er maar
een twintigtal dat de overgang maakt
van een solitaire naar een zwermende
fase. Vreemd genoeg zijn deze soorten
niet erg verwant. Het lijkt er dus op dat
zwermgedrag doorheen de evolutie van
de sprinkhanen een paar keer opnieuw is
ontstaan.
Leven in een zwerm heeft een aantal
voordelen: het is minder vermoeiend en
veiliger dan in je eentje voedsel zoeken.
Een zwerm heeft door zijn grote oppervlakte ook een grotere kans om een
voedselbron te vinden.
Zwermen hebben geen ‘leider’, en het is
lange tijd een raadsel geweest hoe zo’n
grote groep dieren zo gecoördineerd
samen kan bewegen zonder dat het geheel uit elkaar valt. Computersimulaties
brachten de oplossing: er blijken slechts
enkele eenvoudige regels nodig om een
zwerm te vormen en de vorm en beweeglijkheid van die zwerm is afhankelijk
van een aantal eenvoudig te beschrijven
parameters. Zo is het bijvoorbeeld essentieel dat de sprinkhanen tot elkaar aangetrokken zijn en dat ze de richting van
hun beweging afstemmen op de dieren
rondom hen. Ook kannibalisme blijkt
overigens een belangrijke motor van
gecoördineerde beweging: sprinkhanen
jagen elkaar voortdurend na. Op grotere
schaal resulteert dat in een migratorische beweging. doen ze dat voor de laatste keer. Als de gevleugelde volwassen sprinkhanen uiteindelijk het
luchtruim opzoeken, kunnen ze gigantische
afstanden overbruggen, al krijgen ze daarbij
graag een duwtje in de rug. Woestijnsprinkhanen zijn namelijk passieve vliegers: ze laten
zich meevoeren door sterke woestijnwinden.
Dit passief vliegen stelt wetenschappers in
staat om op basis van weermodellen te voorspellen waar de zwermen terecht zullen komen. Soms leidt deze strategie tot dwaaltochten waarvan de sprinkhanen waarschijnlijk
Wetenschappers van de universiteit van
Cambridge onderzochten hoe die gedragsverandering in zijn werk gaat. Ze zetten solitaire
sprinkhanen aan tot zwermen en zagen dat
de concentratie van serotonine in het zenuwstelsel sterk steeg. Serotonine is een signaalstof in de hersenen die – ook bij mensen – gelinkt wordt aan het humeur, de slaapcyclus
en de eetlust. De stof speelt ook een rol bij
depressie. Heel wat antidepressiva verlengen
bijvoorbeeld de activiteit van serotonine. In
latere studies toonden dezelfde onderzoekers
De blokkering van de signaalstof in de
hersenen kan mogelijk voorkomen dat
sprinkhanen gaan zwermen
even verbaasd opkijken als de onderzoekers.
Zo stak een zwerm woestijnsprinkhanen in
1988 de Atlantische oceaan over van WestAfrika naar de Caraïben.
Depressie
Bij de woestijnsprinkhaan zijn de verschillen
tussen de solitaire fase en de zwermfase erg
opvallend: de dieren ruilen hun camouflagekleuren voor zwart-gele kleuren, ze krijgen een
andere lichaamsbouw, een ander dag-nachtritme en een andere voortplantingsstrategie. Bij
de Australische zwermsprinkhaan (Chortoicetes terminifera) zie je amper het verschil tussen
de solitaire en de gregaire vorm. Al verandert
hun gedrag uiteraard wel.
Momenteel woedt in
Madagascar een nooit geziene
sprinkhanenplaag.
Eos 88
aan dat ze het gedrag van solitaire woestijnsprinkhanen konden manipuleren door serotonine te blokkeren of toe te voegen. Door
de beestjes serotonine toe te dienen, begonnen ze – hoewel ze nog steeds alleen waren
– spontaan zwermgedrag te vertonen.
In een volgend onderzoek in samenwerking
met de universiteit van Leuven dook een andere belangrijke factor op: proteïne kinase A
(PKA). Dit eiwit kan fosfaatmoleculen binden
aan allerhande componenten in de zenuwcel,
waardoor de activiteit van enzymen en de expressie van genen verandert. Zo kunnen bepaalde processen in de zenuwcel aan- en uitgeschakeld worden. Zoals de omschakeling
naar zwermgedrag.
Net zoals serotonine is ook PKA bij mensen
gelinkt aan depressie. Het is misschien een
stap te ver om te stellen dat solitaire sprinkhanen het depressieve equivalent zijn van
hun zwermende soortgenoten, maar het is
aannemelijk dat soortgelijke processen aan
de basis liggen van depressie en solitair gedrag. Naast hun rol bij depressie zijn serotonine en PKA ook beide betrokken bij leren, en
wetenschappers hanteren een model dat fasetransitie als een soort leerproces beschrijft.
De sprinkhanen moeten immers op korte tijd
een aantal nieuwe gedragingen aanleren.
Zodra de volledige transitie achter de rug is,
lijkt het of de sprinkhaan een nieuw brein
heeft gekregen. De hersenen van zwermsprinkhanen zijn ongeveer een derde groter
dan die van solitaire dieren, en de hersencentra die betrokken zijn bij de integratie van zintuiglijke waarnemingen zijn in
verhouding nog meer vergroot. Dat is niet
zo vreemd: de zwermende sprinkhanen
moeten veel meer prikkels verwerken en ze
leven in constante competitie met elkaar.
In die verandering van het brein speelt de stof
Twee nimfen van de woestijnsprinkhaan. Links
een zwermende, met waarschuwingskleuren,
rechts een solitaire, in camouflagekleuren.
(Foto: Boris Godfroid)
PKA dus een rol. De onderzoekers toonden
aan dat het activeren van PKA de omschakeling van solitair naar zwermgedrag versnelde,
terwijl blokkering leidde tot een vertraagde
gedragsverandering bij de sprinkhanen.
De verschillen tussen solitaire en zwermende
sprinkhanen gaan echter veel verder dan processen in de hersenen. De verklaring moeten
we waarschijnlijk zoeken in de epigenetica:
genetische veranderingen zonder dat het
DNA daarbij verandert. Dat kan bijvoorbeeld
gebeuren door het binden van methylgroe-
pen op specifieke plaatsen in het DNA. Er
zijn inderdaad aanwijzingen dat de enzymen
die deze zogenoemde methylatie uitvoeren,
verschillen in expressie tussen solitaire en
zwermende sprinkhanen. Dat vrouwtjes de
fase van hun nakomelingen kunnen bepalen
op basis van de omgeving, lijkt eveneens een
typische taak voor de epigenetica. Momenteel
is van geen enkele sprinkhaansoort het genoom bekend, maar met de huidige revolutie
in DNA-sequencing-technologie zal dat niet
lang meer op zich laten wachten.
Het onderzoek naar zwermgedrag van sprinkhanen is uiteraard niet alleen interessant voor
biologen. De laatste bevindingen kunnen ook
leiden tot middelen die de sprinkhanen niet
doden, maar kunnen voorkomen dat ze gaan
zwermen. Een hele vooruitgang ten opzichte
van de insecticiden die vandaag niet alleen
de lastige sprinkhanen doden, maar ook alle
insecten die zich in de buurt van de zwerm
bevinden. ■
Rik Verdonck is onderzoeker aan het departement biologie van de KU Leuven.
De ergste plagen
De meest gevreesde sprinkhanen zijn de
woestijnsprinkhaan (Schistocerca gregaria), de
Australische zwermsprinkhaan (Chortoicetes
terminifera) en de treksprinkhaan (Locusta migratoria). Een vierde soort, de Rocky Mountain
locust (Melanoplus spretus) was tot begin vorige eeuw de grote vrees van heel wat boeren
in het westen van de Verenigde staten. De
legendarische ‘Albert’s Swarm’ – genoemd
naar de hobbymeteoroloog Albert Child, die
de grootte van de zwerm op meer dan een
half miljoen vierkante kilometer schatte, was
actief van 1874 tot 1877. Het is de grootste
insectenplaag die de mensheid ooit gekend
heeft. Het ging waarschijnlijk om honderden
miljarden sprinkhanen. Er zijn getuigenissen
van landbouwers die hun oogst probeerden
te beschermen met lakens en die vervolgens
hulpeloos moesten toekijken hoe de sprinkhanen zonder verpinken zowel de lakens als
de oogst opvraten. Vreemd genoeg leek deze sprinkhaansoort enkele jaren later volledig van de aardbol verdwenen. Het laatste
levende exemplaar werd gezien in Canada
in 1902. Niemand weet waar
ze naartoe zijn, maar ze zijn
zo goed als zeker uitgestorven.
Vermoed wordt dat de boeren hen na de legendarische
zwerm relatief makkelijk konden
uitroeien. Misschien gebeurde dat zelfs onbewust, door het omploegen en irrigeren van de
grond waarin de vrouwtjes hun eitjes legden.
Op dit moment woedt in het oosten van de
Verenigde Staten een plaag van een heel ander
soort insect: de cicade Magicicada. Cicaden
zijn meer verwant met wantsen en bladluizen
dan met sprinkhanen. Cicaden van het geslacht Magicicada brengen het grootste deel
van hun leven onder de grond door. Ze doen
er jaren over om volwassen te worden, maar
ze doen het uiteindelijk wel met miljoenen tegelijk. De eerste avond dat de bodemtemperatuur boven de 17 graden komt, meestal in
de maand mei, kruipen ze uit de grond en ondergaan ze allemaal samen hun laatste vervelling. Enkele dagen later, wanneer hun vleugels
sterk genoeg zijn om te vliegen, vormen ze net
als sprinkhanen enorme zwermen. Ze kun-
nen ernstige schade aanrichten aan akkers en
tuinen en ze maken ook nog eens een hels kabaal. De mannetjes tsjirpen om vrouwtjes te
lokken, en het volume flirt soms met de grens
van 100 decibel.
In tegenstelling tot sprinkhanenplagen, is het
uitbreken van deze cicaden een minutieus geplande operatie, die perfect te voorspellen is.
In Amerika zijn er naar schatting 15 groepen
Magicicada (de zogenoemde broods) die ofwel
om de 13 of om de 17 jaar uitzwermen. Vorig
jaar zwermde brood I in enkele kleinere groepen boven de staten Virginia en West-Virginia.
Dit jaar hebben zo goed als alle staten aan de
oostkust, van New York tot Florida, te kampen
met het veel talrijkere brood II, ook dit is een
broedsel met een zeventienjarige cyclus.
De Rocky Mountain-sprinkhaan is
sinds 1902 niet meer gezien.
Eos 89