La söka efter hållbara alternativ till kemiska bekämpningsmedel Detta är en av de största utmaningarna för det moderna jordbruket. Åratal av intensiv användning av insektsmedel och herbicider har gjort det möjligt för oss att föda en växande global befolkning, men de har också lämnat ett oroande avtryck på vatten, biologisk mångfald och människors hälsa. Därför ses all teknik som minskar vårt beroende av dessa ämnen samtidigt som grödornas produktivitet bibehålls med stort intresse.
I det sammanhanget, den skadedjursbekämpning med hjälp av vibrationer och ultraljud Det har gått från att vara nästan en vetenskaplig kuriositet till att framstå som ett verkligt verktyg inom integrerat skadedjursbekämpning. Från apparater som härmar de vibrationssignaler som insekter använder för att reproducera sig till ultraljudssändare som simulerar närvaron av rovdjur, visar ny forskning att det är möjligt att "tala skadedjurens språk" för att attrahera, förvirra eller avvisa dem, allt utan att spraya fältet med kemikalier.
Varför jordbruket söker alternativ till bekämpningsmedel
La Modernt intensivt jordbruk är oundvikligen aggressivt mot miljönDetta beror på att den bygger på att gynna en enda odlad art framför alla konkurrenter: ogräs, insekter, svampar eller små däggdjur. Med mekaniseringen och behovet av att producera mer per hektar var den snabba lösningen bekämpningsmedel, som i årtionden har varit viktiga allierade för att säkerställa skördar.
Den utbredda användningen av dessa ämnen har dock lett till mycket allvarliga miljö- och hälsoproblemFörorening av grundvattenmagasin, skador på icke-målfauna (inklusive pollinatörer som bin och humlor), uppkomst av resistens hos många skadedjur och hälsorisker för exponerade individer. Det är ett klassiskt tveeggat svärd: de hjälper till att producera mat, men samtidigt kan de ta ut sin rätt på oss.
Denna situation har drivit utvecklingen av biologiska lösningar såsom biogödselmedel och biobekämpningsmedelDessa metoder är baserade på mikroorganismer eller nyttiga insekter som konkurrerar med eller angriper skadedjur. Även om de representerar ett betydande framsteg kan de fortfarande inte helt ersätta agrokemikalier utan att förlora effektivitet, särskilt i högintensiva system.
Därav intresset för innovativa strategier som t.ex. fysisk eller beteendemässig bekämpning av skadedjur genom vibrationervilket möjliggör störning av insekters kommunikation eller simulering av rovdjurs närvaro, vilket minskar skador utan att lämna giftiga rester i miljön.
Vibrationers och ultraljuds roll i skadedjurskommunikation
Många jordbruksskadegörare använder vibrationer och akustiska signaler för att orientera sig, hitta en partner eller upptäcka rovdjur. Vissa arter kommunicerar genom vibrationer som överförs av växter (genom stjälkar och blad), medan andra använder ultraljud som avges i luften, ohörbart för människor men fullt igenkännbart för andra djur.
I fallet med spannmålssugande insekterViktiga skadedjur på sojabönor, majs, vete och bönor har visat sig kombinera två system: på långa avstånd, upp till cirka 100 meter, använder de feromoner för att attrahera potentiella partners. När de kommer närmare byter de kanal och börjar sända vibrationssignaler genom växten för att ange dess exakta position, ett meddelande som skulle vara något i stil med "Jag är här, kom mot mig".
Dessa vibrationer färdas genom växtens kropp, vilket fungerar som en sann naturlig "kabel" som överför signalenDet intressanta är att flera honor såväl som andra hanar kan reagera på samma signal, så den "vibrerande dialogen" i en kultur kan vara ganska komplex.
Hos andra skadedjur, som t.ex. nattfjärilar av släktet SpodopteraUltraljud spelar en nyckelroll. Dessa fjärilar är vanliga byten för fladdermöss, som lokaliserar dem exakt tack vare ultraljuds-ekolokalisering. De har i sin tur utvecklat en serie akustiska reaktioner som kan att förvirra ekolokaliseringen av fladdermöss eller hjälpa dem att upptäcka deras närvaro i tid för att fly. Med andra ord, det pågår ett veritabelt "akustiskt krig" på natthimlen.
Att förstå dessa kommunikationssystem har gjort det möjligt för forskare att föreslå en mycket kraftfull idé: Om vi vet vad skadedjur hör och hur de kommunicerarVi kan skapa enheter som härmar, ändrar eller blockerar dessa signaler för att manipulera dem till vår fördel.
Den brasilianska apparaten som använder mikrovibrationer för att locka till sig vägglöss
Ett av de mest slående framstegen inom skadedjursbekämpning med hjälp av vibrationer kommer från Brasilien, där ett team från Brasilianska jordbruksforskningsbolaget (Embrapa) och Mato Grosso statsuniversitet har utvecklat en elektronisk apparat som kan reproducera de vibrationssignaler som används av spannmålssugande insekter i deras reproduktionsfas.
Tekniken är baserad på åratal av observationer reproduktionsbeteendet hos dessa insekterForskare analyserade de specifika frekvenserna för de vibrationer de avger när de letar efter en partner och lyckades registrera, lagra och reproducera dem på ett kontrollerat sätt med en elektronisk prototyp som fästs vid fällor i fält.
Dessa fällor kombinerar två typer av bete: syntetiska feromonersom verkar på långt avstånd för att locka till sig vägglöss med hjälp av "lukt", och en liten vibrerande anordning som härmar exakta vibrationssignaler vilket insekterna tolkar som ett parningsläte. Resultatet blir en sorts ”falsk signal” som koncentrerar insekterna i fällan istället för att sprida dem över hela grödan.
Enligt biologen Raúl Alberto Laumann, från laboratoriet för semiokemiska ämnen inom genetiska resurser och bioteknik vid Embrapa, är den kombinerade användningen av vibrationer och feromoner Det möjliggör inte bara fångande av vägglöss, utan också erhållande av mycket exakt information om skadedjurspopulationernas täthet och rumsliga fördelning i området.
I de fältförsök som för närvarande pågår placeras fällorna med anordningen ungefär var femte hektarDärefter räknas de insekter som fångats vid varje punkt, och matematiska modeller används för att uppskatta den faktiska skadedjurstätheten över hela grödan. Denna metod gör vibrerande fällor till en verktyg för finövervakning, nyckeln till att avgöra när och hur man ska ingripa.
Fördelar och potential med vägglössbekämpning med vibrationer
Vägglöss och larver är två av de mest skadliga skadedjuren på sojabönor och andra spannmålsgrödor. Medan transgena växter och entomopatogena mikroorganismer bland annat används för att bekämpa larver, är stinkbaggebekämpning fortfarande i hög grad beroende av kemiska insekticider. Därför är det en strategisk utmaning att hitta alternativa metoder som är mindre aggressiva och säkrare för miljön och människors hälsa.
Den brasilianska vibrationsapparaten pekar just i den riktningen. Dess stora dragningskraft är att den skulle kunna bli en Ett verkligt alternativ till konventionella insektsmedeleller åtminstone avsevärt minska deras användning genom att integrera dem i integrerade skadedjursbekämpningsprogram. Fällorna skulle tjäna både till att övervaka och minska väggluspopulationerna till nivåer under tröskelvärdet för ekonomisk skada.
Dessutom är det en teknologi mycket specifik för målskadedjuretTill skillnad från ett bredspektruminsekticid, som också kan utplåna nyttiga insekter som naturliga rovdjur eller pollinatörer, riktas vibrationer och feromoner endast mot spannmålssugande insekter som känner igen dessa signaler. Detta minimerar påverkan på nyttiga insekter.
Enligt preliminära resultat som släppts av Embrapa-teamet har den kombinerade användningen av syntetiska feromoner och vibrationer möjliggjort minska förekomsten av vägglöss på åkrarna markant av försök, och allt detta utan att störa aktiviteten hos nyttiga insekter som bin eller humlor. I ett scenario där FAO uppskattar att skadedjur kan orsaka upp till 40 % minskning av den globala jordbruksproduktionen, har alla framsteg på detta område en betydande ekonomisk och ekologisk påverkan.
Patentet för denna teknik lämnades in i slutet av 2023 till det brasilianska nationella institutet för industriell äganderätt och, för närvarande, Den är ännu inte kommersiellt tillgängligForskarna söker industriella partners, särskilt företag som är inriktade på utveckling av automatiserade fällor, i syfte att skala upp tillverkningen och föra dessa anordningar till jordbruksmarknaden.
Utmaningarna med att tillämpa mikrovibrationer i stor skala
Trots den entusiasm som denna innovation genererat har även vissa farhågor väckts rimliga tvivel om dess storskaliga lönsamhetEntomologen José Maurício Simões Bento, expert på kemisk ekologi och insektsbeteende vid universitetet i São Paulo, värdesätter Embrapas arbete högt, särskilt den exakta identifieringen av de vibrationsfrekvenser som vägglöss använder.
Simões påpekar dock att den stora okända är Hur man kan replikera detta system i plantager som täcker hundratusentals hektarDetta är fallet med sojabönor i Brasilien, där över 45 miljoner hektar odlas. Att installera anordningar på ett tillräckligt antal platser kan vara kostsamt och logistiskt komplicerat, och den optimala balansen mellan teknikkostnader och skademinskning är fortfarande oklar.
En annan viktig teknisk aspekt är att Vägglössens vibrationskommunikation sker genom växten.inte direkt i luften. För att signalen ska överföras effektivt måste enheten vara ansluten till anläggningen eller en struktur som gör att vibrationen kan sprida sig genom växtvävnaden. Detta väcker frågor som: Räcker det att placera en anordning per fälla? Måste den fästas på en specifik växt? Hur förändras förökningen beroende på grödans täthet?
Laumann och hans team föreslår att lösa några av dessa utmaningar genom användning av matematiska modeller som korrelerar fällfångsterna med den faktiska skadedjurstätheten, vilket undviker behovet av att täcka varje planta med en anordning. Dessutom föreslår de att integrera denna teknik med andra biologiska bekämpningsmetoder, såsom användning av vägglus ägg parasitoidersom livnär sig och utvecklas inuti skadedjurets ägg, vilket ytterligare minskar dess population.
Om framsteg görs när det gäller att automatisera räkningen av fångade insekter, något som också arbetas med, skulle vibrerande fällor kunna omvandlas till en viktigt verktyg inom integrerat skadedjursbekämpningmeddelar bonden i nära realtid om nivåerna av vägglöss i varje område av gården, vilket underlättar mycket mer exakta och snabba kontrollbeslut.
Ultraljudsapparater för att avvisa nattfjärilar och andra flygande skadedjur
Utöver de vibrationer som överförs av växter är ett annat mycket aktivt forskningsområde användning av ultraljud för att avskräcka skadliga insekterEn nyligen publicerad studie i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) av ett japanskt team har visat särskilt lovande resultat mot nattfjärilar av släktet Spodoptera, stora skadedjur i grödor som jordgubbar, lök, tomater och många andra grönsaker.
Under ledning av forskaren Ryo Nakano, från Nagoya University, genomfördes försök i fält och växthus med jordgubbar och lök där cylindriska ultraljudssändare installerades, kapabla att utstråla ljud i 360 grader. Dessa apparater härmade ultraljudet som avges av fladdermöss, naturliga rovdjur för nattfjärilar.
Forskarna fokuserade på att exakt justera ultraljudssignalernas varaktighet, frekvens och intensitet för att uppnå maximal avstötningseffektivitet. Resultaten visade att när anordningarna aktiverades från skymning till gryning (dessa nattfjärilars aktivitetsperiod) minskade honornas flykt avsevärt, och framför allt deras äggläggning på grödor.
Detta är avgörande eftersom många arter som Spodoptera littoralis (svart munk) eller Spodoptera exigua (grön munk eller armémask) De orsakar det mesta av skadan under larvstadiet. Att hindra honor från att lägga sina ägg i grödan eliminerar problemet och minskar drastiskt populationerna av larver som slukar blad och frukt.
Entomologen Miguel Ángel Miranda Chueca, professor i zoologi vid Balearernas universitet, anser att detta tillvägagångssätt har solid vetenskaplig grundDetta beror på att den utnyttjar ett akustiskt språk (ultraljud) som dessa fjärilar naturligt använder för att kommunicera med sina rovdjur. Han tror att den här typen av teknik kan bli en ny bekämpningsmetod inom ett integrerat skadedjursbekämpningssystem.
Begränsningar med ultraljud mot andra vanliga skadedjur
Även om resultaten med nattfjärilar av släktet Spodoptera är mycket lovande, är experterna överens om att Ultraljudets effektivitet kan inte generaliseras till något skadedjur.Varje art har sin egen sensoriska biologi, och inte alla använder vibrationer eller ultraljud för att kommunicera eller upptäcka hot.
Ett tydligt exempel är fruktfluga (Ceratitis capitata)Stickande insekt är ett av de mest allvarliga skadedjuren som drabbar fruktträd världen över. Enligt experter använder inte denna insekt ultraljud som primärt kommunikationsmedel, vilket i hög grad komplicerar att hitta en frekvens och ett "akustiskt meddelande" som får den att stöta bort eller fly. Utan denna biologiska grund är det praktiskt taget omöjligt att designa ett verkligt effektivt ljudsystem.
Något liknande händer med inomhusskadedjur som t.ex. kackerlackorDet finns apparater på marknaden som påstår sig kunna avvisa kackerlackor med hjälp av ultraljud. Forskare som Miranda Chueca menar dock att dessa produkter är biologiskt meningslösa eftersom kackerlackor inte använder dessa signaler på ett sätt som möjliggör långvarig avstötning.
I fallet med MyggorTeorin har lite mer grund, eftersom de använder ljud i sitt reproduktionsbeteende (till exempel det karakteristiska surret från deras vingar för att locka till sig honor). Tillgängliga studier tyder dock på att reproduktion av dessa ljud Den har ingen tydlig avstötande effektOch hittills har inget ultraljudsmönster identifierats som konsekvent kan avvisa dem under verkliga förhållanden.
Ett annat område där ultraljud har testats är gnagarbekämpning såsom råttor, möss eller sorkar, särskilt under perioder med intensiva jordbruksangrepp. Vi vet att dessa djur kan kommunicera med hjälp av högfrekventa ljud, till exempel för uppvaktning eller territoriellt försvar, och detta har lett till designen av förmodade avskräckande anordningar. Vetenskapliga bevis tyder dock på att effekten är högst tillfälligEtt nytt ljud kan vara skrämmande till en början, men med tiden vänjer sig djur vid det, precis som händer oss människor med ett konstant irriterande ljud.
Ekologisk påverkan och "bullerföroreningar" på landsbygden
En fråga som inte kan förbises är ekologisk påverkan som utsläpp av ultraljud och artificiella vibrationer kan ha i ett jordbruksekosystem. Även om avsikten kanske bara är att avvisa eller attrahera vissa skadedjur, är sanningen att många andra organismer delar den miljön och kan påverkas av dessa signaler.
Författarna till den japanska studien i PNAS erkänner själva att omfattande användning av dessa apparater kan generera en viss "bullerföroreningar" för andra arterÄven om ultraljud inte är hörbart för människor, är det hörbart för många djur och kan störa deras kommunikation eller beteende om det inte används på ett kontrollerat sätt.
Till exempel skulle kontinuerlig simulering av ultraljud under fladdermöss utformade för att skrämma bort nattfjärilar kunna påverkar även andra ofarliga nattfjärilar eller insekter som ingår i fåglars eller andra rovdjurs kost. Genom att modifiera bytesdjurens beteende kan ett helt ekosystem indirekt förändras. livsmedelskedja vilket redan är ganska ansträngt i intensiva jordbrukssystem.
I en så humaniserad miljö som jordbruket har alla ingripanden, hur välmenande de än är, konsekvenser i miljönInnan storskaliga lösningar baserade på vibrationer eller ultraljud implementeras insisterar därför entomologer på behovet av att bättre studera dessa möjliga biverkningar och bedöma om de är acceptabla jämfört med den skada som avses undvikas.
Nyckeln blir att hitta en balans mellan effektivitet och ekologisk respektAnvänd minsta möjliga antal signaler som krävs, vid exakta tidpunkter och platser, och kombinera dessa verktyg med andra strategier (biologisk bekämpning, habitatförvaltning, resistenta sorter etc.) för att minimera användningen av kemikalier utan att skapa nya osynliga problem.
I slutändan blir skadedjursbekämpning med hjälp av vibrationer och ultraljud alltmer etablerad som en mycket kraftfullt innovationsområde Inom hållbart jordbruk öppnar vibrerande fällor för spannmålsbaggar, som kan locka till sig dem genom elektroniskt reproducerade feromoner och mikrovibrationer, dörren för riktad bekämpning som är mindre beroende av insekticider. Samtidigt visar ultraljudssändare inspirerade av fladdermöss att det är möjligt att "lura" nattfjärilar som Spodoptera och avsevärt minska deras äggläggning. Även om utmaningar kvarstår när det gäller skalbarhet, kostnad, artspecifika begränsningar och potentiella effekter på andra livsformer, tyder allt på att dessa tekniker successivt kommer att integreras i integrerade skadedjursbekämpningsprogram, vilket ger jordbrukare ytterligare ett verktyg för att skydda sina grödor utan att skada miljön eller äventyra hälsan hos dem som arbetar och är beroende av marken.
