知否|冬虫夏草这么恐怖?能绕过宿主大脑将蚂蚁变僵尸

2019-08-05 12:18:30 来源: 知否 举报
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(原标题:Zombifying fungus bypasses the brain to make ants its puppets, study finds | Ars Technica)

作者 | 小小

出品 | 网易科技《知否》栏目组(公众号:tech_163)

知否|冬虫夏草这么恐怖?能绕过宿主大脑将蚂蚁变僵尸图1:在哥伦比亚的里约克拉罗保护区,这只死蚂蚁成为冬虫夏草控制的僵尸傀儡

毫无戒心的木蚁在不知不觉中被冬虫夏草寄生真菌散布的孢子感染。孢子附着在蚂蚁身上并发芽,通过被称为菌丝的“长卷须”在宿主体内传播。冬虫夏草本质上把它的宿主变成了僵尸奴隶,迫使蚂蚁爬到最近的植物顶端,用其嘴巴紧紧咬住树叶或树枝。

然后,这种真菌会慢慢地吞噬掉蚂蚁,最后从蚂蚁的头部冒出。接着,冬虫夏草菌丝末端的球根会生长爆发,将更多的孢子释放到空气中,以感染更多毫无防备的蚂蚁。不过,这种寄生方式的效率不太高,整个过程可能需要4到14天才能完成。

虫草真菌有400多种,每种都针对特定的昆虫,比如蚂蚁、蜻蜓、蟑螂、蚜虫以及甲虫。僵尸化使得真菌成为自然纪录片的最爱,它也进入了流行文化,比如僵尸末日电子游戏《最后生还者》(The Last of Us)。在游戏中,一种寄生真菌发生变异,也感染了人类。

但科学家们热衷于研究冬虫夏草,以更多地了解这类以病原体为基础的疾病的起源和复杂的寄生机制。

美国宾夕法尼亚州立大学昆虫学家戴维·休斯(David Hughes),多年来始终在研究木蚁和它们的寄生伙伴偏侧蛇虫草菌之间令人着迷的关系,希望更多地了解这种僵尸真菌是如何控制其宿主的。

先前的研究表明,这种僵尸化可能是由于某种特殊化学物质所致,这种化学物质会导致受感染蚂蚁下颚的肌肉在被致命叮咬时剧烈收缩。

早在2017年,休斯教授及其团队就在强大的显微镜下扫描了被感染蚂蚁的超薄切片,并建立了3D模型,标记出哪些部分是蚂蚁,哪些是真菌。这让他们更详细地了解了细胞结构上发生的变化。

知否|冬虫夏草这么恐怖?能绕过宿主大脑将蚂蚁变僵尸图2:显微镜下的肌肉:未感染(A)和被感染(B, C, D)的木蚁下颌肌肉SEM图像

他们发现,蚂蚁体内真菌细胞的比例高得惊人。这些细胞直接集中在脑外,而没有穿透大脑。相反,真菌细胞形成了复杂的、相互连接的3D网络,使它们能够相互通信并交换营养物质。它们基本上切断了蚂蚁大脑和身体其他部分的联系,所以真菌细胞网络可以控制蚂蚁的行为。正如研究人员所描述的那样:“蚂蚁在自己的身体里结束了作为囚犯的生命。它的大脑还在驾驶员的座位上,但方向盘却由寄生真菌控制着。”

现在,休斯实验室发表了最新论文,作者之一、宾夕法尼亚州立大学的科琳·曼戈尔德(Colleen Mangold)表示,这项最新研究“让我们更全面地了解了被感染蚂蚁在受到叮咬时下颌骨肌肉中真菌与宿主之间的相互作用。”

这些相互作用很可能是致命一咬背后的原因,因为真菌实际上并不直接附着在被感染蚂蚁的大脑上。相反,它会破坏覆盖下颌肌肉纤维的膜,导致肌肉强烈收缩,损伤或破坏肌肉收缩时相互滑动的肌肉细丝。

由于这种特殊的真菌在炎热潮湿的环境(巴西或南卡罗莱纳)中繁殖旺盛,宾夕法尼亚大学的科学家们在实验室中重现了类似的环境。他们从受感染的蚂蚁身上收集真菌孢子,然后在实验室里将它们注射到健康的蚂蚁体内。

知否|冬虫夏草这么恐怖?能绕过宿主大脑将蚂蚁变僵尸图3:在被感染的木蚁下颌肌肉中,运动神经元和神经肌肉在被咬的时候依然保持着联系

这个过程最重要的地方在于确定正确的孢子注射剂量。曼戈尔德说:“如果我们注入的孢子太少,蚂蚁就能抵抗感染。而注射太多,蚂蚁可能会在接种后不久立即死亡,而没有任何行为变化,所以我们必须找到介于两者之间的正确剂量。”

实验室环境被设计成类似于蚂蚁可自由徘徊的环境,而不是蚁群的巢穴。曼戈尔德说:“这种真菌无法在蚁巢内发展到成熟的感染阶段,这可能是因为健康的蚂蚁有时会把被感染的蚂蚁从巢穴中移走,或巢穴内的湿度或温度等条件对真菌的生长并不理想。当被感染的蚂蚁离开巢穴时,真菌就会生长至成熟,感染性孢子就会释放出来。”

当受感染的昆虫濒临死亡时,曼戈尔德等人将它们冷冻起来,并取出下颌肌肉保存。然后他们在扫描电子显微镜(SEM)下研究了这些器官组织,图像清楚地显示真菌丝穿透肌肉组织,但是神经肌肉连接(即大脑神经信号进入肌肉来控制它们的运动)仍然完好无损,这表明真菌没有直接影响被感染蚂蚁的大脑。

知否|冬虫夏草这么恐怖?能绕过宿主大脑将蚂蚁变僵尸图4:真菌细胞上囊泡样颗粒的SEM图像(箭头所示)

研究小组还观察到附着在感染组织上的奇怪囊泡状颗粒,尽管尚不清楚这些颗粒是由真菌还是宿主蚂蚁产生的。研究团队下一步将尝试分离这些囊泡,以进一步了解它们。

曼戈尔德说:“我们想知道它们是来自真菌还是来自宿主,以及里面到底是什么。”如果这些囊泡来自真菌,那么这就表明,真菌内部的任何物质都在肌肉收缩中发挥着作用,比如通过分泌某种物质导致肌肉发生痉挛,或是通过调节真菌细胞之间的通讯来完成。

如果囊泡来自宿主蚂蚁,其内部物质可能是某种免疫反应。曼戈尔德说:“无论如何,对这些囊泡的更多了解,可能有助于深入了解宿主与病原体之间的相互作用,而这种相互作用可能是造成宿主死亡的原因。”

木蚁并不是唯一一种成为这种类僵尸真菌感染目标的物种,它们只是最有名的宿主之一。曼戈尔德说:“在许多其他系统中,我们都可以看到被微生物感染的宿主行为发生变化,比如感染了潘多拉菌的蚂蚁。然而,这两个系统之间宿主行为改变的具体机制可能有所不同,这就是为何要研究每个系统、看看它们有何异同的重要原因。”

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乔俊婧 本文来源:知否 责任编辑:乔俊婧_NBJ11279
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