微觀世界的操控大師

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寄生蟲也許是自然界中最偉大的操控大師。即使它們很小,數量卻很龐大,對個體甚至整個生態系統都有巨大的影響。對於寄生蟲來說,主要目標是增加其數量併成功地操控宿主以幫助其實現這一目標。最簡單的方法之一是誘導變化,從而增加寄生蟲在宿主之間的傳播。從這個意義上講,操控可以被認為是某些寄生蟲的特徵,並且宿主在不知不覺中,最終結果可能是一些非常奇怪的行為。

眾所周知,在對新物體的恐懼方面,野生老鼠是最厭惡新事物的生物之一。它們遠離不熟悉的事物,包括新的食物來源。這種極度謹慎的傾向有助於它們在險惡的世界中生存。正如您可能注意到的,老鼠並不短缺,至少通常的品種是這樣。您可能會認為捕食者和人類是對老鼠最大的威脅。從某種意義上說,這是準確的,但一種更陰險的危險潛伏在可能被一種叫做弓形蟲的寄生蟲汙染的水源中。

許多人熟悉這種小小的原生動物,因為它對孕婦有風險。貓是這種寄生蟲的主要宿主,因為它只能在貓的腸道中繁殖,但也有許多合適的中間哺乳動物宿主,包括人類和老鼠。這種寄生蟲是最普遍存在的寄生蟲之一,感染率從熊、鹿、家雞、牛、綿羊、海獺和兔子等動物的 38-70% 不等——僅舉幾例。最容易感染它的方式是食用未煮熟的肉。這就是貓通常獲得感染的方式;從它們捕獲和吃掉的老鼠或鳥類中獲得。


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人們認為,這種原生動物如此成功的原因之一可能與宿主,特別是中間宿主中引起的異常行為變化有關。這在小鼠和大鼠中得到了充分的研究。如果您還記得,大鼠是最謹慎的哺乳動物之一——這一事實促成了它們的成功。然而,一旦它們感染了弓形蟲病,它們就會失去恐懼,而不僅僅是對新物體或食物的恐懼。它們特別失去了對貓的恐懼!

研究人員測試了實驗室大鼠對貓氣味的厭惡程度,並將感染個體與未感染個體進行了比較。儘管許多代沒有接觸過貓,但未感染的大鼠對貓的氣味有強烈的厭惡感。一些感染的大鼠不僅對貓的氣味表現出厭惡感降低,而且有些實際上更喜歡貓的氣味!從本質上講,感染弓形蟲病會使一些大鼠有自殺傾向,因為它們想要靠近危險的捕食者。

這種令人費解的、致命的吸引力操控隻影響它們對貓的恐懼,似乎不會改變大鼠的任何其他行為——或許除了雌性大鼠似乎覺得受感染的雄性更具吸引力之外。寄生蟲改變大鼠行為的精確性與以杏仁核為中心的腦損傷有關,您可以將其視為大腦的恐懼中心。我們人類也可能受到感染的行為影響。儘管尚無定論,但一些研究人員懷疑,受感染的女性對男性更具吸引力,並且更善於交際。還有一些證據表明,男性和女性感染弓形蟲病都會降低尋求新奇事物的行為(與大鼠相反),並縮短反應時間,從而導致更高的交通事故發生率。

最近,一種更令人不快的心理副作用可能與感染有關:精神分裂症。人類弓形蟲病感染會對大腦中的多巴胺水平產生影響,而多巴胺失衡也與精神分裂症的發展有關。無論這是否是最終的機制,人類弓形蟲病感染與精神分裂症之間存在相關性,有一天可能會為這種使人衰弱的疾病提供新的治療選擇。

您可能會認為這很極端,但就行為操控而言,弓形蟲病感染只是冰山一角。例如,在蟋蟀和蚱蜢中,有一種小蟲子會導致它們表現得非常奇怪。這種不起眼的小蟲子,即鐵線蟲,幼年時生活在節肢動物(昆蟲、蜘蛛等)體內,但成年後則自由生活在河流、湖泊和小溪中。它們在水環境中繁殖,但在非水生無脊椎動物體內發育。這就造成了一個難題:如何在不死亡的情況下從一個環境過渡到另一個環境?似乎它們想出的巧妙解決方案是讓它們不喜水的昆蟲宿主突然尋找水源並直接潛入水中。

當然!昆蟲的問題是它不會游泳,所以這對宿主來說相當不利。與弓形蟲一樣,成年鐵線蟲非常精確地操控宿主的行為,以至於突然有一天晚上,毫無徵兆地,蟋蟀或蚱蜢竭盡全力遠離水源。當然,這對於鐵線蟲的生存和保證其生命週期的延續非常有利,而且確實至關重要。一項研究觀察了蚱蜢和鐵線蟲的蛋白質表達,結果顯示,當蚱蜢尋找水源時,其中樞神經系統中的蛋白質表達更多,這表明操控甚至達到了蛋白質水平!

當我們觀察蛾子,特別是舞毒蛾時,事情變得越來越奇怪。這真的是噩夢和科幻小說的素材。想象一下一個邪惡的病毒在背景中幸災樂禍地笑著。像蝴蝶一樣,蛾子也要經歷幾個發育階段。第一階段是卵,產在寄主植物葉子的背面。舞毒蛾則稍微不那麼講究。它們會將卵產在樹幹、樹枝上,任何能提供一絲遮蔽的地方。

卵成簇產下,幼蟲在春天孵化。幼蟲孵化後要經歷幾個階段,隨著生長而蛻皮(脫掉外殼)。幼蟲階段就是我們所知的毛毛蟲。當它們準備化蛹時,可能需要幾天到兩週的時間。對於那些不幸感染病毒的個體來說,這個美妙的過程會被粗暴地打斷。確切地說,是一種桿狀病毒。

感染了這種病毒的蛾子幼蟲變得像殭屍一樣,使命就是爬到樹梢。這種現象是眾所周知的,在蠶中被描述為萎凋病。另一個詞“Wipfelkrankeit”,或樹梢病也被使用。為什麼要誘導它們做出這種奇怪的行為?顯然,它們在死亡並開始液化之前會爬到樹梢。是的,您沒看錯,液化。最終結果:透過像雨一樣灑落在下方不幸的毛毛蟲身上,病毒得以極好地傳播。在受感染的、現已死亡的毛毛蟲的“液體”中,有數百萬甚至數百萬的病毒顆粒。

我想這有點像可怕的噴嚏。當我們打噴嚏時,我們會透過空氣傳播病毒。當毛毛蟲液化時,它們會向下傳播病毒。事實證明,病毒中有一個單一基因可以阻止蛻皮過程,並導致它們在大白天(對美味的毛毛蟲來說是不明智的行為)移動到樹梢。病毒中的一個基因是如何實現這一點的?該基因產生一種酶,可以阻止毛毛蟲的蛻皮過程。與引起大鼠腦損傷的原生動物或影響蟋蟀蛋白質表達的蠕蟲不同,這裡的情況是一個物種中的一個基因影響另一個物種的生理機能和行為。

還能更怪異嗎?哦,是的,確實如此。真菌將螞蟻變成殭屍,並引起由蟲草菌引起的“鎖顎”。操控的第一步是讓螞蟻離開巢穴。第二步是讓螞蟻爬上某個東西,一片草葉就足夠了,非常感謝。第三步是讓螞蟻咬住並永不鬆口。螞蟻死了,真菌從螞蟻的大腦中冒出來並傳播開來。真菌得一分,螞蟻得零分。

實際上情況比這更糟。真菌孢子在螞蟻呼吸時進入螞蟻體內。在某個時候,當真菌準備產生孢子(想想幼小的真菌)時,它會遷移到螞蟻的大腦中。它生長,這導致螞蟻的行為變得不符合螞蟻的特徵(您認為呢?)。在某個時候,當螞蟻爬到植物組織上並咬住時,下頜骨(下巴)的肌肉會萎縮,這意味著螞蟻無法鬆開咬合。然後真菌會吃掉螞蟻的大腦,然後從它的頭部發芽,並將它的孢子散佈到世界各地,尋找更多的螞蟻。

真菌只有在產生這種從螞蟻頭部後部長出的莖後才能繁殖,而且它需要將螞蟻弄到巢穴外面,因為其他螞蟻會迅速清除死去的夥伴。以下是螞蟻可以被精確操控進食的方式。似乎它們可以被誘導在同一時間(中午)咬住葉子,並且朝向相似的方向:北西北。搞清楚了。研究人員尚未完全弄清楚為什麼螞蟻需要在中午左右咬住葉子或朝向這個特殊的方向。

從其他種類的螞蟻(當感染了肝吸蟲幼蟲時,它們會在夜間溜到外面,咬住一片草葉,希望綿羊會過來吃掉它們),到被誘導搖晃和抖動觸角以吸引鳥類以便被吃掉的蝸牛,這些微小的生物是一些最成功的操控者。除非您認為我們人類可以免受這些生物世界微型大師的影響,否則請再想一想。弓形蟲引起的行為變化可能只是揭示寄生蟲、細菌和病毒對人類行為影響的開始。隨著我們發現更多由寄生蟲驅動的影響,我們很可能會開始懷疑:我們真的是我們認為的那樣嗎?

圖片

1. 嘴裡叼著老鼠的貓,作者:Lxowle,來自維基共享資源; 2. 感染蟲草菌的螞蟻,作者:Alex Wild,已獲許可; 3. 舞毒蛾毛毛蟲,作者:Materialscientist,來自維基共享資源。

參考文獻

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Jennifer Verdolin is a behavioral ecologist studying social and mating behavior. Her work has been featured in Science News and on National Public Radio. She is a postdoctoral researcher at the National Evolutionary Synthesis Center in Durham, NC. She is a co-author of Prairie dogs: Communication and community in an animal society (Harvard University Press), and is writing a new book on animal and human behavior.

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