北美森林充满了非本地昆虫——据最新的统计，超过450种。大多数都没有造成明显的损害，但少数造成损害的，如正在杀死同名树木的翡翠灰蛀虫，以及正在摧毁东部铁杉的铁杉毛蚜，已经重塑了整个景观，造成了不可估量的生态和经济损害。几十年来，人们一直试图理解为什么一些引入的昆虫会成为有害的入侵物种，而另一些则似乎仍然无害，但这些努力大多徒劳无功。森林昆虫学家卡迈勒·甘地表示，预测一个生物体会走哪条路“是入侵生物学的圣杯”。
在佐治亚大学工作的甘地，属于一个科学家团队，他们已经朝着那个目标迈出了他们所说的第一步。他们专注于已知会攻击北美针叶树的非本地昆虫，他们使用新获得的数据和计算机模型，发现了几个可以可靠地预测哪些非本地昆虫可能具有破坏性，以及哪些树种将成为受害者的模式。研究人员表示，他们的研究结果已于去年秋天发表在《生态与进化》上，可以立即用于防止潜在的新破坏性入侵者到来，并可以为预测其他入侵物种提供模板。“这是概念验证，”团队成员、达特茅斯学院的生态学家马特·艾尔斯说。“我们正在走向圣杯的路上。”
该团队专注于58种已知的非本地专食性昆虫，它们只以少数几种树木为食——在这种情况下，是以49种北美针叶树（包括松树、刺柏和红杉）中的一种或多种为食。在这58种引入的昆虫中，有6种造成了广泛的损害，成为有问题的入侵物种。研究人员首先建立了一个数据库，包含了树木的生态特征以及以它们为食的本地和非本地昆虫的生态特征。该团队使用这些数据构建了一系列模型，这些模型考虑了昆虫和树木的特征、树木的进化历史以及以它们为食的本地昆虫的存在与否。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关当今世界塑造我们世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
这项研究中使用的一个关键信息是针叶树的系统发育——即，各个针叶树科、属和物种彼此分化的遗传历史。当研究人员将系统发育纳入模型时，他们发现北美受非本地昆虫破坏最严重的树木与这些昆虫在其原产地所食用的树木之间存在一种“金发姑娘”关系：这两组树木既不太密切相关，也不太遥远相关。“中间有一个痛点，”该团队的美国森林服务昆虫学家内森·哈维尔说。“这些树木相隔足够远，它们没有防御专食性食草动物的能力，但它们又没有相隔太远，以至于食草动物无法将它们识别为食物。”
第二个模型显示，最有可能被非本地昆虫破坏的树木是耐阴且不耐旱的。研究人员推测，这种联系的发生是因为生长在潮湿、阴暗地方的树木比生长在光照条件下的植物更难以自我修复。“它们的光合作用受到限制，”该研究的合著者、戴维树木专家公司研发副总裁兼昆虫学家丹·赫姆斯说。“它们没有很强的能力来忍受被贪婪的害虫剥食树叶。”这些树木通常确实具有针对本地昆虫的完善防御机制。但是，如果一种能够绕过这些防御机制的新昆虫到来，这些树木很容易被击败。与此同时，第三个模型显示，当针叶树已经对密切相关的本地昆虫具有防御能力时，它们更有可能抵御非本地昆虫。
令人惊讶的是，这些模型没有显示出入侵昆虫的特征（例如它们产卵的数量或它们分散的能力）与其致命性之间的任何关系。“我以为昆虫的生命史特征很重要，”甘地说，她指出，期望破坏性入侵者具有共同的特征似乎是直观的。她说，过去大多数预测森林中入侵物种的努力都集中在昆虫的特征上——这也许可以解释为什么这些努力未能发现有用的模式。
总而言之，这些模型肯定了共享历史的重要性。耶鲁大学的进化生物学家迈克尔·多诺霍（他没有参与这项新研究）说，研究人员长期以来一直怀疑非本地昆虫对北美森林的影响取决于本地树木、非本地昆虫及其亲戚之间的关系。“这个想法在文献中早已存在，但几乎没有证据支持，”他说。现在，“他们说，‘哦，等等——我们发现了实际的证据。’”
当研究人员结合他们的新模型时，他们发现他们可以追溯性地预测哪些非本地昆虫会成为破坏性的入侵者，准确率超过 90%——这让科学家们相信这些模型可以预测未来有问题的入侵者。该团队现在正在进行此类预测，评估哪些专食性昆虫如果到达北美可能会致命，以及哪些树种可能容易受到攻击。该团队还在寻求通过对北美开花树木和能够以多种植物为食的广食性昆虫的研究来复制其工作。其他小组最终可能会走得更远。“尽管这项研究只关注了世界一个特定地区的一个特定群体，但这确实是一项重要的贡献，”瑞士联邦森林、雪和景观研究所的生态学家埃克哈德·布罗克霍夫说，他也没有参与最近的论文。“我认为它将成为其他研究的模板。”
领导这项工作的西卡罗来纳大学昆虫学家安吉拉·梅赫对此表示赞同。“人们长期以来一直试图打开这扇门，”她说。“这仅仅是个开始。”