这种真菌是如何在榨干宿主后操控它们精准“自杀”的？
图片来源：Pixabay
原作 Rohini Subrahmanyam
翻译 科研圈bot
一只苍蝇，忙忙碌碌，这里嗡嗡，那里嗡嗡——但是不久之后，它就会变得很奇怪。运动迟缓，腹部肿胀，身体长出了一层白色绒毛。
日落时分，这只苍蝇突然开始行动，向高处爬去。它们会在小型植物或一根棍子上“登顶”，并伸出口器。随后，它喷出一滩黏稠的泥状物质将自己牢牢地固定住，然后抬起翅膀死去。
在它的下方，其他毫无防备的苍蝇被从死去苍蝇的尸体中射出的白色孢子雨击中。这之后，循环再次开始。
吞噬这些苍蝇的白色“绒毛”是一种名为蝇虫霉（Entomophthora muscae）的真菌，拉丁文名的意思是“昆虫破坏者”。它是一种完全依赖宿主生存的专性病原体，会感染蝇类并将它们变成执行其意志的“僵尸”。
人类对蝇虫霉的了解大约从 160 年前开始。长期以来，科学家们意志想知道，这种既令人毛骨悚然，又令人难以置信的真菌，是如何控制蝇类大脑的？它怎么“知道”要让宿主在一天中的特定时间登高“自杀”？其基因组中的哪些基因令它成为了大师级操纵者？
如今，一系列实验正在揭示这种怪异的“精神控制”背后的科学。
致命恋尸癖
丹麦哥本哈根大学（University of Copenhagen）的演化生物学家亨里克·德·费恩·利希特（Henrik H. De Fine Licht）是世界上为数不多的研究“僵尸”家蝇（Musca domestica）的学者之一。虽然最初他是因为想要研究专性病原体而对蝇虫霉产生兴趣，但他表示：“当然，我也对行为操纵及其工作原理着迷。”
蝇虫霉感染家蝇的过程堪比任何一部恐怖电影。感染后，这种真菌不会直接进入重要器官，而是先消耗宿主的脂肪和其他营养物质，家蝇会缺乏营养但依旧保持活力。只有蝇虫霉彻底吞噬掉所有的非重要内脏后，它才会开始控制家蝇的行为，确保自身种群的延续：这种真菌会迫使家蝇找到一个足够高的地方并将自己固定在那里，确保孢子爆体而出时尽可能广泛传播。
蝇虫霉的生命周期
1、蝇虫霉的分生孢子（孢子）穿透苍蝇角质层。
2、蝇虫霉的原生质体细胞繁殖，以宿主的脂肪和糖（海藻糖）为食。苍蝇的行为还很正常。
3、苍蝇蝇的活动开始变得迟缓。
4、蝇虫霉开始形成细胞壁并以宿主器官为食。苍蝇的行为发生了巨大的变化。
5、苍蝇爬到高处，真菌发育出分生孢子。
6、苍蝇用它的口器将自己固定在高处，抬起翅膀后死亡。真菌释放分生孢子。
7、分生孢子落在新宿主上，循环再次开始。
来源：https://advance.sagepub.com/doi/full/10.22541/au.167778641.14505987/v1/Knowable Magazine
这种真菌能够利用雌性家蝇尸体来吸引健康雄性，进而操控更多宿主，德·费恩·利希特对这种能力尤其感兴趣。雄性会飞来并试图与受感染的尸体交配，但自己很快就会被感染。为了深入研究这种致命吸引力为何存在，德·费恩·利希特和团队采集了被感染和未被感染的家蝇尸体及其周围的空气，提取并分析了其中的化学物质。他们在 2022 年发表的论文中报告称，这种真菌会释放出一系列挥发性化学物质，引诱雄性接近。
不过，德·费恩·利希特表示，目前还不完全清楚这些挥发性物质是因为性吸引力还是营养而吸引雄性家蝇。一个可行的假设是，雄性一开始被吸引只是因为它们认为那是食物。“但是当它们靠近时，雄性家蝇开始可以闻到尸体中一些挥发性较弱的化合物——后者会诱导性行为的发生。”
哥本哈根大学的有机体生物学家安妮特·詹森（Annette Jensen）也注意到，其他昆虫对死蝇气味的反应有些耐人寻味。她和她的一名学生将革翅目昆虫蠼螋（qú sōu，以其他昆虫为食）放在带有蝇虫霉孢子的家蝇尸体和感染了其他真菌的家蝇尸体之间，发现蠼螋会被带蝇虫霉的尸体吸引，并且也更喜欢以它们为食。
“蝇虫霉的挥发物可能也会吸引捕食者，”詹森表示，她作为共同作者在《昆虫学年鉴》（Annual Review of Entomology）上发表了一篇关于对昆虫致病的真菌的概述。“这种物质可能超级有营养！”
试图与一只感染了蝇虫霉的雌性尸体交配的雄性家蝇（两只）。图片来源：FILIPPO CASTELLUCCI
果蝇也是受害者
大部分关于蝇虫霉的研究都集中在家蝇身上。但美国哈佛大学分子生物学家和僵尸生物学家拉罗琳·伊莱亚（Carolyn Elya）在加利福尼亚大学伯克利分校攻读博士学位时，偶然在自家后院发现了一些“僵尸”果蝇，这令她将自己的研究视野转向了这种小型蝇类。她用腐烂的水果作为诱饵，捕捉野生果蝇进行实验，观察到一些死去的果蝇也会以明显的姿势支起翅膀，腹部也带有毛茸茸的白色孢子。她立刻对孢子进行了 DNA 测序，证实自己的直觉没有出错：这些果蝇也是蝇虫霉的受害者。
伊莱亚开始用蝇虫霉感染黑腹果蝇（Drosophila melanogaster），这种实验室模式动物已经被世界各地的研究人员使用了一个多世纪。在蝇虫霉-果蝇构建的系统中，她开始利用黑腹果蝇强大的遗传工具包研究它们的大脑，想要了解这种真菌操纵宿主的方法。
在 2023 年发表的一项研究中，伊莱亚和她的同事指出，蝇虫霉可能会在果蝇的“血液”——血淋巴——中分泌某类物质，这有助于操纵果蝇的神经元。当她将受感染果蝇的血淋巴注射进未感染果蝇的体内时，后者会变得好像是已经被“僵尸化”了一样。
伊莱亚还发现，果蝇的昼夜节律神经元可能参与了对时间敏感的寻高行为。果蝇大脑中存在一部分昼夜节律神经元，如果将它们沉默就会抑制感染果蝇的“登高”活动。
蝇虫霉感染的“僵尸”果蝇的行为与家蝇相似。这张照片显示它们会爬到一根棍子的顶部，并用口器将自己固定在上面。它们还会在死亡前抬起翅膀，确保寄生孢子播撒均匀。来源：拉罗琳·伊莱亚（Carolyn Elya）
伊莱亚还想从真菌的角度来理解这种精神控制。为此，她与德·费恩·利希特以及其他合作者对蝇虫霉巨大的基因组进行了测序。科学家们发现，感染果蝇的蝇虫霉菌株携带一类感光基因，它与 white-collar 1 基因类似，后者在一种叫做粗糙脉孢菌（Neurospora crassa）的霉菌中控制蓝光感受器的合成。由于white-collar 1 基因参与昼夜节律的调控，因此科学家假设，他们找到的基因可能与蝇虫霉能够精准操纵果蝇在日落时“登高自杀”的能力有关。
科学家们还发现了很多可以帮助蝇虫霉充分利用果蝇组织和营养物质的基因。例如编码能够消化蝇类血淋巴的主要糖类——海藻糖的特殊基因。还有编码几丁质酶和脂肪酶的基因，这两类基因的产物可以分解果蝇外骨骼中的几丁质以及身体中的脂肪。
“这很有道理，对吧？因为这些真菌在利用宿主的方式上非常专业——它们不会先杀再吃，而是在宿主体内生长，这是许多病原体使用的策略。“伊莱亚说。“能够专门针对宿主体内的每一类组织很重要。”
操控的秘密
科学家们还在继续寻找更多的线索。他们超越了静态基因组，研究了特定基因活跃时产生的 RNA 拷贝。在一篇尚未经过同行评审的论文中，荷兰瓦赫宁根大学（Wageningen University）的博士后研究员萨姆·爱德华兹（Sam Edwards）、德·费恩·利希特及其同事报告了对感染蝇虫霉后不同时间点家蝇头部 RNA 的分析结果。通过弄清楚哪些基因在果蝇的脑内活跃，他们希望能一窥这种真菌操纵果蝇行为的秘密。
该团队发现，蝇虫霉中存在一类活跃表达的基因，这种基因与其他能令宿主“僵尸化”病毒携带的 egt 基因相似。携带 egt 基因的病毒也能迫使受感染的受害者（在本例中为毛毛虫）移动到高处，并且以一种更加令人毛骨悚然的方式令毛毛虫“融化”然后释放病毒粒子。因此研究人员现在想知道他们在蝇虫霉中找到的基因是否也是诱导受感染果蝇“登高自绝”的关键。
更进一步的是，德·费恩·利希特的预印本，以及伊莱亚与加州大学伯克利分校的科学家最近发表的一项研究都发现，蝇虫霉似乎还有“同伙”。这种真菌在寄生家蝇和果蝇的同时自身也被一种病毒感染了。不过，这种病毒是否有助于真菌控制蝇类还有待观察。
伊莱亚、德·费恩·利希特和其他人还想知道这种真菌是如何启动操纵的。一种假设是蝇虫霉能直接释放一种化学物质，激活控制果蝇登顶行为的神经元。另一种假设是，这种真菌的强势存在，以及随之而来的果蝇生理变化，会激活果蝇自身的神经元释放化学物质来启动这一过程。
德·费恩·利希特热衷于将僵尸蝇-真菌系统的独特之处传授给更多学生，希望能以此吸引年轻的科学爱好者投身相关研究。他和爱德华兹最近发布了如何在实验室中观察这种“僵尸真菌”的说明，其中涉及一些从田野间收集蝇类尸体并从中分离寄生菌体的步骤。“这可以鼓励高中教师和其他人开展尝试，如果他们愿意的话。”德·费恩·利希特说。
“或者你可以尝试在实验室中，用死去的蝇类尸体来感染一些健康的果蝇，”他说。“那可是相当有趣的，对吧？在一个小盒子里观察‘僵尸’行为。”
原文链接：
https://knowablemagazine.org/content/article/living-world/2024/parasitic-fungus-turns-insect-into-zombie
