北美森林充滿了非本地昆蟲——據最新的統計，超過450種。大多數都沒有造成明顯的損害，但少數造成損害的，如正在殺死同名樹木的翡翠灰蛀蟲，以及正在摧毀東部鐵杉的鐵杉毛蚜，已經重塑了整個景觀，造成了不可估量的生態和經濟損害。幾十年來，人們一直試圖理解為什麼一些引入的昆蟲會成為有害的入侵物種，而另一些則似乎仍然無害，但這些努力大多徒勞無功。森林昆蟲學家卡邁勒·甘地表示，預測一個生物體會走哪條路“是入侵生物學的聖盃”。
在佐治亞大學工作的甘地，屬於一個科學家團隊，他們已經朝著那個目標邁出了他們所說的第一步。他們專注於已知會攻擊北美針葉樹的非本地昆蟲，他們使用新獲得的資料和計算機模型，發現了幾個可以可靠地預測哪些非本地昆蟲可能具有破壞性，以及哪些樹種將成為受害者的模式。研究人員表示，他們的研究結果已於去年秋天發表在《生態與進化》上，可以立即用於防止潛在的新破壞性入侵者到來，並可以為預測其他入侵物種提供模板。“這是概念驗證，”團隊成員、達特茅斯學院的生態學家馬特·艾爾斯說。“我們正在走向聖盃的路上。”
該團隊專注於58種已知的非本地專食性昆蟲，它們只以少數幾種樹木為食——在這種情況下，是以49種北美針葉樹（包括松樹、刺柏和紅杉）中的一種或多種為食。在這58種引入的昆蟲中，有6種造成了廣泛的損害，成為有問題的入侵物種。研究人員首先建立了一個數據庫，包含了樹木的生態特徵以及以它們為食的本地和非本地昆蟲的生態特徵。該團隊使用這些資料構建了一系列模型，這些模型考慮了昆蟲和樹木的特徵、樹木的進化歷史以及以它們為食的本地昆蟲的存在與否。
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這項研究中使用的一個關鍵資訊是針葉樹的系統發育——即，各個針葉樹科、屬和物種彼此分化的遺傳歷史。當研究人員將系統發育納入模型時，他們發現北美受非本地昆蟲破壞最嚴重的樹木與這些昆蟲在其原產地所食用的樹木之間存在一種“金髮姑娘”關係：這兩組樹木既不太密切相關，也不太遙遠相關。“中間有一個痛點，”該團隊的美國森林服務昆蟲學家內森·哈維爾說。“這些樹木相隔足夠遠，它們沒有防禦專食性食草動物的能力，但它們又沒有相隔太遠，以至於食草動物無法將它們識別為食物。”
第二個模型顯示，最有可能被非本地昆蟲破壞的樹木是耐陰且不耐旱的。研究人員推測，這種聯絡的發生是因為生長在潮溼、陰暗地方的樹木比生長在光照條件下的植物更難以自我修復。“它們的光合作用受到限制，”該研究的合著者、戴維樹木專家公司研發副總裁兼昆蟲學家丹·赫姆斯說。“它們沒有很強的能力來忍受被貪婪的害蟲剝食樹葉。”這些樹木通常確實具有針對本地昆蟲的完善防禦機制。但是，如果一種能夠繞過這些防禦機制的新昆蟲到來，這些樹木很容易被擊敗。與此同時，第三個模型顯示，當針葉樹已經對密切相關的本地昆蟲具有防禦能力時，它們更有可能抵禦非本地昆蟲。
令人驚訝的是，這些模型沒有顯示出入侵昆蟲的特徵（例如它們產卵的數量或它們分散的能力）與其致命性之間的任何關係。“我以為昆蟲的生命史特徵很重要，”甘地說，她指出，期望破壞性入侵者具有共同的特徵似乎是直觀的。她說，過去大多數預測森林中入侵物種的努力都集中在昆蟲的特徵上——這也許可以解釋為什麼這些努力未能發現有用的模式。
總而言之，這些模型肯定了共享歷史的重要性。耶魯大學的進化生物學家邁克爾·多諾霍（他沒有參與這項新研究）說，研究人員長期以來一直懷疑非本地昆蟲對北美森林的影響取決於本地樹木、非本地昆蟲及其親戚之間的關係。“這個想法在文獻中早已存在，但幾乎沒有證據支援，”他說。現在，“他們說，‘哦，等等——我們發現了實際的證據。’”
當研究人員結合他們的新模型時，他們發現他們可以追溯性地預測哪些非本地昆蟲會成為破壞性的入侵者，準確率超過 90%——這讓科學家們相信這些模型可以預測未來有問題的入侵者。該團隊現在正在進行此類預測，評估哪些專食性昆蟲如果到達北美可能會致命，以及哪些樹種可能容易受到攻擊。該團隊還在尋求透過對北美開花樹木和能夠以多種植物為食的廣食性昆蟲的研究來複制其工作。其他小組最終可能會走得更遠。“儘管這項研究只關注了世界一個特定地區的一個特定群體，但這確實是一項重要的貢獻，”瑞士聯邦森林、雪和景觀研究所的生態學家埃克哈德·布羅克霍夫說，他也沒有參與最近的論文。“我認為它將成為其他研究的模板。”
領導這項工作的西卡羅來納大學昆蟲學家安吉拉·梅赫對此表示贊同。“人們長期以來一直試圖開啟這扇門，”她說。“這僅僅是個開始。”