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傍晚时分，“僵尸”被吃掉了脑子……

中科院物理所 · 公众号 · 物理 · 2024-11-19 11:30

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一种寄生真菌控制了苍蝇的大脑 ，并操控它们以实现自己的险恶目的。这篇文章将揭示这种恐怖现象背后的科学依据。

有一只苍蝇正忙着四处嗡嗡作响——突然，它开始表现得很奇怪。它的 运动变得迟缓，腹部肿胀，身体长出白色绒毛 。

图片由AI创作

傍晚时分 ，苍蝇突然开始攀爬 ——或可以说“登顶”——到一个较高的位置，比如小植物的顶端或树枝上。它伸出口器，吐出黏液， 将自己牢牢粘在那个位置上 ，然后抬起翅膀，迎接死亡。

爬上顶端身体出现白色绒毛的苍蝇。图源：文献1

在下方，其他毫无防备的苍蝇被从这只死去苍蝇的尸体中喷射出的 白色孢子雨 击中。于是，这个循环又重新开始了。

被孢子雨击中的苍蝇。图片由AI创作

包裹住这些苍蝇的白色物质是一种名为 苍蝇虫霉菌 的真菌，拉丁文原意为“ 昆虫的毁灭者 ”。这种真菌是专性寄生的病原体—— 完全依赖宿主生存 。它感染苍蝇，将它们变成执行自己“意志”的“僵尸”。

这种真菌早在 160多年前 就被发现了，它的行为既令人震惊又带着诡异的色彩。科学家们长期以来一直在思考： 这种真菌是如何控制苍蝇的大脑的？ 它怎么“知道”要 在特定的时间行动 ？它的基因组中有哪些基因帮助它成为这种精妙的“操控大师”？

如今，大量实验正逐步揭开这种诡异“心灵控制”背后的科学奥秘。

偏执的“恋尸狂”

哥本哈根大学的进化生物学家Henrik H. De Fine Licht是少数研究“僵尸”家蝇的专家之一。他最初被苍蝇虫霉菌吸引，是因为想研究 专性病原体 ，但他也表示：“我当然也对它的行为操控方面及其背后原理非常着迷。”

这些细节堪比恐怖电影。真菌感染苍蝇后并 不会直接侵蚀重要器官 ，而是先消耗脂肪和其他营养物质， 让苍蝇越来越饥饿但又吊着一口气 。只有当非重要器官的资源耗尽后，真菌才开始控制苍蝇的行为，以 确保自己的繁殖 ：通过迫使苍蝇攀上高处并粘在那里，真菌得以更广泛地传播孢子。

苍蝇虫霉菌的生命周期：

1.孢子穿透昆虫表皮;

2.寄生真菌原生质体繁殖，消耗苍蝇的脂肪和糖分，苍蝇表现正常;

3.随着时间推移，昆虫活动逐渐变缓；

4.真菌开始发育成具有孢子囊的结构，这个阶段以宿主的器官为食，苍蝇的行为迅速改变；

5.受感染的昆虫会爬向高处，真菌产生分生孢子；

6.苍蝇达到一个制高点伸出嘴器，展开翅膀然后死去。真菌释放孢子;

7.孢子寄生到新的宿主。循环再次开始;

De Fine Licht对一些描述了 真菌通过让感染的雌性苍蝇尸体对健康雄性苍蝇具有吸引力来操控苍蝇 的研究报告尤为感兴趣。 健康的雄性苍蝇 会会被吸引来 试图与被感染的尸体交配 ，结果自己 也被感染 。为了深入研究这种致命的“吸引力”，De Fine Licht及其团队将感染和未感染的苍蝇尸体捣碎，提取并分析其中的化学成分，同时分析尸体周围的空气。2022年，他们报告称 真菌会释放挥发性化学物质 来吸引雄性苍蝇靠近 。

De Fine Licht表示，目前尚不完全清楚这些挥发性物质是否是通过“性吸引”或“食物吸引”来吸引雄性苍蝇。他们的一个假设是， 雄性苍蝇可能只是因为认为那是食物而被吸引过来 。“但是当它们靠近时，会闻到一些 低挥发性的尸体化合物 ——这才触发了它们的交配行为。”

哥本哈根大学的生物学家Annette Jensen也注意到 其他昆虫 对死去苍蝇的气味产生有趣的反应。她和一名学生发现，食肉昆虫—— 蠼螋（又称耳夹虫）会被苍蝇虫霉菌感染后长出孢子的苍蝇尸体所吸引，比起未感染的或被其他真菌感染的尸体，它们 更倾向于选择这些感染尸体作为食物 。科学家们通过实验得出这一结论，在实验中，他们将蠼螋放置在两种尸体之间，让它们自由选择靠近哪一种。

Jensen曾参与撰写《昆虫学年评》上关于昆虫病原真菌的综述，她表示：“苍蝇虫霉菌释放的挥发性物质可能也会 吸引捕食者 。它可能是 极其有营养的 ！”

被苍蝇虫霉菌感染的雌性苍蝇尸体会释放挥发性化学物质，吸引毫无戒心的雄性苍蝇。雄性苍蝇试图与雌性尸体交配，在这个过程中也被感染。在这张图片中，有两只雄性苍蝇被这种气味吸引而来。

果蝇成为受害者

大多数关于“僵尸苍蝇”的研究集中在家蝇上，但哈佛大学分子生物学家兼“僵尸学家”Carolyn Elya在攻读加州大学伯克利分校博士学位时，意外在后院发现了一些 “僵尸”果蝇 ，从而将研究重心转向了果蝇。她在后院放置了腐烂的水果作为诱饵来捕捉野生果蝇，她惊讶地看到 一些死去的果蝇翅膀抬起，腹部长满白色孢子 ——这正是 感染迹象 。她快速对这些孢子的DNA进行了测序，验证了她的猜想：这些果蝇是苍蝇虫霉菌的受害者。

之后，Elya开始用这种真菌感染 黑腹果蝇 （这是一种被研究了上百年、已有成熟实验室模型的生物）。通过 建立苍蝇虫霉菌-黑腹果蝇系统 ，她计划利用强大的果蝇基因工具，深入研究果蝇的大脑，探索真菌是如何操控其行为的。

在2023年的一项研究中，Elya和同事们发现真菌可能会向 果蝇的“血液” ——即 血淋巴 ——中分泌某些物质，从而 操控其神经元 。当她将感染果蝇的血淋巴注射到未感染的果蝇体内后，这些果蝇开始表现出类似“僵尸化”的行为。

体外培养腹部注射真菌后死亡的家蝇。图源：文献1

此外，Elya还发现果蝇的 昼夜节律神经元 ——即帮助果蝇记录日常节律的神经元—— 可能与其攀登行为的时间敏感性有关 。抑制大脑中特定的这类神经元后，感染的果蝇 不再表现出攀登行为 。

被苍蝇虫霉菌感染的“僵尸”果蝇表现与家蝇相似。在这张照片中，果蝇爬到树枝顶端，用口器将自己粘附在上面。临死前，它们也会抬起翅膀，以确保孢子能够广泛传播。

Elya还希望 从真菌的角度 来理解这种“心灵控制”机制。为此，她与De Fine Licht及其他研究人员最近完成了苍蝇虫霉菌庞大的基因组测序。聚焦感染果蝇的菌株，科学家们发现了一些与“ 白领1号 ”基因类似的基因。“白领1号”是霉菌绒毛状青霉中的一种基因， 负责制造蓝光感应器，参与其昼夜节律 。在绒毛状青霉中， 该基因调控生物的昼夜节律 。因此，科学家推测，这种基因可能也参与了感染苍蝇在黄昏时的 “登顶”行为 以及随后的 死亡时机 。

科学家们还发现了 许多基因 ，这些基因可能 帮助真菌充分利用苍蝇的组织和营养物质 。其中包括编码海藻糖酶的特化基因，这种酶可以 分解血淋巴中的主要糖类 ——海藻糖；编码几丁质酶的基因，用于 分解苍蝇外骨骼中的几丁质 ；以及编码脂肪酶的基因，用于 分解脂肪 。

“这就说得通了，对吧？ 这些真菌在利用宿主的方式上非常特化 ——它们并非像许多普通病原体那样，先杀死宿主再吞噬，而是 直接在昆虫体内生长 。”Elya指出，“能够 精确利用宿主体内的每一丝组织 ，对真菌至关重要。”

研究人员的探索仍在继续，他们正逐步从 基因组 层面扩展到研究在特定基因活跃时产生的 RNA副本 。在一篇尚未经过同行评审的研究论文中，荷兰瓦赫宁根大学的博士后研究员Sam Edwards、De Fine Licht及其他同事分析了 家蝇在感染苍蝇虫霉菌后 ， 不同时间点头部中的RNA 。他们希望通过确定苍蝇和真菌在苍蝇头部活跃的基因，了解 真菌如何操控苍蝇的行为 。

团队检测了一个真菌基因的活性，该基因类似于某些“僵尸化”病毒中的 egt基因 。这类病毒，像苍蝇虫霉菌一样，同样会 迫使受感染宿主 ——毛毛虫—— 爬到高处 ，并使毛毛虫溶解， 释放出病毒颗粒 。egt基因在病毒引发的毛毛虫攀爬行为中起作用，因此研究人员想知道苍蝇虫霉菌中的类似基因是否也在感染的苍蝇中诱发了“登顶”行为。

更为复杂的是，De Fine Licht的预印本论文和Elya在加州大学伯克利分校合著的最新研究发现， 苍蝇虫霉菌似乎并非单独起作用 。研究表明，这种真菌在寄生家蝇和果蝇的同时， 似乎自身也感染了一种病毒 。但这个病毒是否在帮助真菌控制苍蝇的行为，仍需进一步研究。

Elya、De Fine Licht和其他研究人员仍然希望弄清楚 真菌是如何开始操控苍蝇的 。一种假设是，苍蝇虫霉菌 直接释放一种化学物质 ，激活与苍蝇攀爬行为相关的神经元。但另一种假设是，真菌的全面侵入以及随之而来的生理变化，会 触发苍蝇自身的神经元释放化学物质 ，从而启动这一过程。

De Fine Licht希望“僵尸苍蝇-真菌系统”能被 纳入学校教学 ，吸引年轻的科学爱好者。他和Edwards最近发布了实验室观察这种僵尸化真菌的操作指南。“这可能鼓励高校教师等人尝试这个实验，如果他们愿意的话，”De Fine Licht说道。

其中一部分实验内容包括从野外收集苍蝇尸体，并从中分离真菌。

“或者，你也可以尝试将一些健康的苍蝇放在实验室，与尸体一起放置，看看它们是否会被感染。”De Fine Licht笑着说，“这可能是最有趣的吧？ 在一个小盒子里观察‘僵尸行为’ 。”

参考文献：

[1] The genus Entomophthora: bringing the insect destroyers into the twenty-first century. DOI:10.1186/s43008-021-00084-w.

作者： Rohini Subrahmanyam

翻译： yhc

审校：姬子隰

原文链接： Night of the zombie insects

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