据国外媒体报道,一名摄影师在新加坡森林中拍下了一张噩梦般恐怖的照片:一只被致命寄生真菌感染后变成“僵尸”的苍蝇脑袋。这只苍蝇死去已久,两只眼睛都已不见踪影,只有丛丛菌柄从它的头部冒出。

拍摄这张照片的摄影师名为费兹·巴斯塔曼特(Faiz Bustamente)。他认为是臭名昭著的虫草菌感染了这只苍蝇,然后像恐怖电影中的僵尸病毒一样,逐渐占领了苍蝇的身体。

不同种类的虫草菌喜欢寻找不同的宿主。但它们通常会寄生在昆虫身上,迫使它们前往植物顶端。

巴斯塔曼特经常前往新加坡的各处森林,拍摄该国的野生生物。他的器材是一台无反光镜微距相机,尽管轻便易携,但也能拍出高分辨率照片。

不同种类的虫草菌喜欢寻找不同的宿主。但它们通常会寄生在昆虫身上,迫使它们前往植物顶端。这张照片中的苍蝇在虫草菌的控制下,将身体固定不动、静静等死,随后真菌逐渐生长,最终穿过苍蝇体表,破“土”而出。菌柄充分利用高处的位置,将孢子发射到地面上,然后感染更多昆虫。

专家原以为虫草菌会感染宿主的大脑,但本月发表的一项研究指出,它其实会逐渐占领宿主的肌肉。研究人员称这一行为“就像用绳索操纵木偶。”

此前的研究显示,这种寄生真菌会控制木蚁的行为,使它们爬到植物上,咬住叶片或树枝底部。但该真菌感染蚂蚁的机制多年来一直不为人知。

苍蝇在虫草菌的控制下,将身体固定不动、静静等死,随后真菌逐渐生长,最终穿过苍蝇体表,破“土”而出。菌柄充分利用高处的位置,将孢子发射到地面上,然后感染更多昆虫。

本月初,宾夕法尼亚大学的研究人员指出,这种僵尸真菌实际上会包围并入侵蚂蚁全身的肌肉纤维,从而控制宿主行为。

研究人员让蚂蚁感染上这种僵尸真菌、或另一种更普遍的真菌病原体,并借助3D成像分析真菌在蚂蚁体内的发展过程。接着,他们用人工智能和机器学习算法对这些图片进行分析,结果发现这些僵尸真菌的细胞可遍布蚂蚁全身,包括头部、胸部、腹部和腿部。

此外,许多真菌细胞之间还相互联结,说明它们可构成网络,共同控制蚂蚁行为。

“我们发现真菌细胞在宿主细胞中占了很高的比例。”该研究的高级作者戴维·修斯(David Hughes)说道,“从本质上来说,这些僵尸蚂蚁相当于披着蚂蚁外衣的真菌。”(叶子)

【延伸阅读】

可将蚂蚁变僵尸的真菌

巴西雨林中的木蚁(Carpenter ants)过得非常不容易。一旦某只蚂蚁感染了一种真菌,就会变成所谓的“僵尸蚂蚁”,无法控制自己的行为。在寄生真菌的操控下,受感染的蚂蚁会离开舒适的巢穴,来到更适合真菌生长的雨林地面上,藏在一片树叶下面,然后就以这片树叶为食,在上面扎下根来。倒霉的蚂蚁此后便再无声息。从此时起,真菌将在蚂蚁体内生长,最终破头而出,释放孢子。整个过程从头到位将持续十天,令蚂蚁苦不堪言。

我们知道这一现象已有一些年头了,但科学家仍未充分了解这种名叫O unilateralis(译为虫草属真菌)的真菌是如何像操纵木偶般操控蚂蚁的。该真菌常被称作“大脑寄生物”,但近期发表的新研究显示,这些僵尸蚂蚁的大脑并未被真菌所破坏,该真菌仅仅潜入并包围了蚂蚁全身的肌肉纤维,便能达到操控目的。从效果来看,它其实是把蚂蚁变成了自己的化身。僵尸蚂蚁从而成为了一种半昆虫、半真菌的怪物。听上去真够恐怖的,是不是?

图为一只死去的、头部被真菌孢子占据的蚂蚁。

宾夕法尼亚大学的戴维·修斯(David Hughes)是首位发现这种真菌的科学家。他组建了一支由各国昆虫学家、基因学家、计算机科学家、以及微生物学家构成的跨学科团队。他们的研究重点是,分析O。 unilateralis真菌与木蚁在真菌生命周期中的某一关键阶段发生的相互作用,也就是蚂蚁用强有力的颚部、将自己固定在叶片底部的那个阶段。

“我们知道这种真菌能够分泌特殊代谢物,改变宿主的基因表达,并导致蚂蚁颚部肌肉萎缩。”该研究的主要作者、瑞士巴塞尔大学生物学研究所的博士生候选人玛丽德尔·弗雷德里克森(Maridel Fredericksen)指出,“改变宿主行为是一种延伸的表现型,也就是说,寄生微生物的基因通过宿主身体表达出来。但我们不知道真菌是如何协调这些效应、从而操控宿主行为的。”

所谓“延伸的表现型”,是指O。 unilateralis真菌能够侵入另一生物(即木蚁)体内,使后者成为自己身体的延伸。

在这项研究中,科学家让一组木蚁被O。 unilateralis真菌感染,另一组则被Beauveria bassiana真菌(即白僵菌),后者威胁性更小,不会使蚂蚁变成僵尸的,此处充当对照组。通过比对两种真菌的行为,研究人员成功找出了O。 unilateralis真菌对蚂蚁造成的独特生理影响。

图为一只真菌感染晚期的蚂蚁。

研究人员利用电子显微镜生成3D图像,从而确定真菌在蚂蚁体内的分布、数量和活动。接着,他们借助一台24小时内能完成2000次切片与成像的机器,按50纳米的分辨率进行组织切片。为处理生成的大量数据,研究人员采用了能够识别真菌与蚂蚁细胞的人工智能机器学习算法。借此,研究人员可确定蚂蚁有多少成分还是“蚂蚁”,又有多少成分已经被转化成了“外化版的真菌”。

而研究结果令人十分不安。该真菌细胞已经渗透到了蚂蚁全身,从头到脚没有一处放过。不仅如此,这些真菌细胞还彼此相连,形成了一套“生物网络”,共同操控蚂蚁的行为。

“我们发现真菌细胞在宿主细胞中占了很高的比例。”休斯说道,“从本质上来说,这些僵尸蚂蚁相当于披着蚂蚁外衣的真菌。”

但出人意料的是,这些真菌并未渗入蚂蚁大脑。

“动物行为通常由大脑向肌肉发出的信号操控,但我们的研究结果显示,这种寄生真菌能够从外围入手、控制宿主行为。”休斯解释道,“就像木偶表演员扯动绳索、让木偶做出各种动作一样,真菌也可以控制蚂蚁肌肉,操纵它们腿部和颚部的动作。”

但真菌是如何引导蚂蚁爬到树叶底下的呢?这一点我们还不得而知。事实上,逃过一劫的蚂蚁大脑或许能提供一些线索。此前研究显示,真菌也许对蚂蚁大脑造成了某种化学干扰,因此休斯的团队猜测,真菌必须让蚂蚁一直活着,好不断嚼食叶片。不过,也可能是因为真菌要利用蚂蚁的部分大脑功能(以及感官能力),以便控制蚂蚁在地面上爬行。总之,科学家还需开展进一步研究,才能将这些理论落到实处。

“这出色地证明了跨学科研究对探索新知识的贡献,”中佛罗里达大学昆虫学家莎莉萨·德·贝克(Charissa de Bekker)指出,“我们一直怀疑O。 unilateralis真菌并不会入侵或损害蚂蚁大脑,但无法确定。而这些研究人员采用尖端科技,终于证实了这项理论。”

德·贝克称,这项研究说明还有某种更复杂的机制尚待发现,该真菌也许可分泌某种类似神经调质的化合物、从而控制蚂蚁的行为。而对该真菌基因组的研究也可得出这一结论。

“这说明真菌也许有分泌生物活性化合物的能力,或将为新药物的研制提供一些思路。”德·贝克指出,“因此这项研究令我非常激动!”

图为蚂蚁下颚收肌(红色部分)被真菌细胞(黄色部分)包裹的3D图像。

作为僵尸蚂蚁真菌方面的权威之一,德·贝克也在本周发表了一项最新研究。她与戴维·休斯共同对Ophiocordyceps kimflemingiae真菌(O。 unilateralis真菌大家族中一种近期才得到命名的真菌)的分子钟展开调查,分析昼夜节律和生物钟是否会对寄生物和宿主之间的互动产生重要影响。[注:分子钟,一种关于分子进化的假说,认为两个物种的同源基因之间的差异程度与它们的共同祖先的存在时间有一定关系。]

“除了证实真菌确实有分子钟之外,我们还发现,这可导致部分基因昼夜活跃程度不同。”德·贝克解释道,“有些基因在白天较为活跃,有些则在夜间比较活跃。有趣的是,我们发现这种真菌倾向于在夜间激活与分泌蛋白质相关的基因。这些化合物或许可对宿主大脑造成干扰。由此可见,这种真菌不仅能分泌生物活性物质操控宿主行为,似乎还有确切的行动时间!”

对这种可怕的寄生真菌、以及它控制宿主的机制,我们仍有许多需要了解。但就近期这些研究来看,我们正在逐渐接近事件真相,尽管真相令人毛骨悚然。(叶子)