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蚂蚁为什幺能被真菌控制行为,科学家从各种角度切入研究「丧尸蚁」现象
2020-08-03

蚂蚁为什幺能被真菌控制行为,科学家从各种角度切入研究「丧尸蚁」现象

最新研究中,科学家发现能感染蚂蚁之后控制蚂蚁行为的真菌其实并没有感染蚂蚁的脑部,但却能让受感染的蚂蚁改变行为,做出有利真菌生长的行动。另一方面,另一组研究团队也发现了寄生物与宿主的生物时钟和这个现象有关连。

偏侧蛇虫草菌(Ophiocordyceps unilateralis)是一种暱称为「丧尸真菌」(Zombie Fungus)的物种,能够入侵蚂蚁聚集在体内肌肉纤维周围,共同影响宿主的行为。在先前研究中,科学家已经发现这种专一性感染弓背蚁属(carpenter ant)的真菌,能够控制工蚁的行为,迫使牠们爬上植物咬住叶子或细枝向下的那一面并死去。接着,这种真菌会在蚂蚁尸体上生长,长出细枝穿过蚂蚁头部,并释放具有感染性的孢子到地面,感染下一只经过觅食的蚂蚁。

科学家发现偏侧蛇虫草菌会在蚂蚁体内所有部位生长,包含头、胸、腹以及腿部。不只是这样,这些真菌大多数还会互相连接,也就表示它们可能形成网路共同的控制宿主的行为。这些研究成果已于日前发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)。

先前宾州州立大学昆虫学硕士生,现在是瑞士巴塞尔大学动物学研究所博士候选人的 Maridel Fredericksen 表示,他们的研究目的是为了了解寄生的微生物是透过什幺方式影响动物行为,研究团队从细胞层次的相互影响着手,研究真菌让宿主蚂蚁用下颚将自己固定在植物上的这个关键过程中,真菌细胞和宿主细胞的交互作用。

她表示,先前研究已经指出这种真菌会分泌针对宿主特定组织的代谢物,影响宿主细胞的基因表现,并让蚂蚁的下颚肌肉开始萎缩。在先前研究中,科学家并不清楚真菌是如何调控这些基因并影响宿主行为,而现在他们发现受感染的蚂蚁做出的行为改变,其实是寄生的真菌基因透过宿主的身体所表现。

研究团队首先以研究对象偏侧蛇虫草菌感染蚂蚁,再找来另一种能够感染多种宿主的真菌巴氏蚕白僵菌(Beauveria bassiana)为对照组分别感染蚂蚁,以此区分一般真菌感染所造成的影响或偏侧蛇虫草菌感染所造成的独特影响。接着以系列连续切片扫描电子显微技术(serial block-face scanning-electron microscopy,SBSEM)取得高解析度的 3D 影像,分析真菌再宿主蚂蚁体内的分布、数量以及交互作用。研究团队与宾州州立大学生命科学院 Huck 研究所显微镜与流式细胞仪技师 Missy Hazen 合作,在仪器中耗费 24 个小时重複进行 2,000 次将组织样本,製成 50 奈米切片进行成像。

蚂蚁为什幺能被真菌控制行为,科学家从各种角度切入研究「丧尸蚁」现象

这项研究的资深作者,宾州州立大学昆虫学助理教授 David Hughes 表示,系列连续切片扫描电子显微技术的使用对于研究寄生物与宿主之间的关係是一大突破。只要将这些切片影像堆叠起来就能够重建出 3D 样貌,让研究团队得以在微米等级中以高解析度分析真菌和宿主的相互作用。这样前所未有的细节呈现,让科学家得以更精準地了解过程。

为了分析处理大量的数据,研究团队也利用了人工智慧与机器学习演算法来分析以 SBSEM 所得到的大量影像。研究团队中来自美国圣母大学(University of Notre Dame)的研究者以深度学习方式训练电脑,让电脑能够区分真菌细胞与蚂蚁的细胞,藉此帮助研究团队判断蚂蚁与真菌的细胞数量。

圣母大学资讯科学教授 Danny Chen 表示,这些结合了尖端技术深度学习以辨识真菌与蚂蚁细胞的系统是由不同领域研究者共同合作所完成的,宾州州立大学的研究者提供了大量含有标注的影像资料,让资讯科学领域的研究者以此进行训练与测试,逐渐提升深度神经网路(deep neural network)系统的效能。这些合作成果也显示了当生物学家与人工智慧研究者合作时能够激发出如此有效率的方式来解决问题。

Hughes 表示,研究团队发现宿主体内大多的细胞都属于真菌,更确切的说,被真菌控制的蚂蚁其实应该比较像一群披着蚂蚁外皮的真菌细胞。有趣的是,虽然真菌在宿主的脑部外围大量生长,但研究团队发现蚂蚁脑内并没有真菌生长。

一般来说,动物的行为是由脑部传递讯号至肌肉,但这项研究结果显示寄生物控制宿主行为的模式应该与此不同,比较像是操偶师操弄着丝线让木偶跟着移动,真菌控制了蚂蚁的腿部以及下颌移动,让蚂蚁做出那样奇特的行为。

Hughes 又再补充,虽然真菌细胞并没有侵入蚂蚁的脑部,但先前的研究中也显示蚂蚁的脑部可能也有受到化学性改变。研究团队猜测真菌没有入侵宿主脑部,可能是为了让宿主继续活着,直到完成最后关键的步骤,咬住叶子或细枝之后再死去,让真菌得以获得最好的生存环境。但这些猜测仍需要后续研究,以了解这整个过程中宿主脑部所扮演的角色,并了解在真菌利用宿主肌肉进行移动时的细节。

藉由寄生物生理时钟运作了解疾病

而在另一项研究中,科学家也在这种特别的寄生关係中发现了其他有趣之处,并计划对此进行更深入的研究。Charissa de Bekker 博士今年前往美国中央佛罗里达大学(University of Central Florida),以继续进行关于真菌寄生感染蚂蚁并改变蚂蚁行为的研究。她发现,这种寄生真菌之所以能够操纵蚂蚁的行为是因为牠们改变了蚂蚁的生理时钟。在他们最新发表于科学期刊《Plos One》的研究中,研究团队发现真菌自己也有生理时钟,可能就是影响真菌感染并且控制蚂蚁时间的因素。

真菌操控蚂蚁的行为,让牠们离开巢穴偏离平时所走的路线,使得真菌的传播效率得以提升。而现在科学家发现了寄生的真菌本身也有自己的生物时钟,或许就能解释这个奇妙的现象是如何发生的。de Bekker 博士表示,先前科学家并不了解真菌能如此精準操纵蚂蚁行为的原因,这样高效率的行为控制就连最顶尖的神经学家都没办法做到。因此,研究团队便对此开始进行研究。

研究团队最早开始认为这个现象和生物时钟有关,是因为受感染的蚂蚁全部都在每一天的同一个时间点开始寻找较高的植物,咬住适合作为真菌生长环境的位置。之后,研究过程又发现了类似现象,一天的时间点可能是真菌控制宿主的重要条件。

De Bekker 的研究团队计划对寄生物的生理时钟进行研究以获得更深的了解。这次研究寄生物的生物时钟并非首创,在更早之前苏格兰的研究者也已经研究疟疾原虫的生物时钟,上个月的诺贝尔奖得奖研究也由研究果蝇生理时钟分子层次医学研究获得。De Bekker 认为感染性疾病的生物时钟研究将是接下来科学界重要的研究方向,科学家能够藉由寄生物的生理时钟运作,了解疾病在人体内是如何进行影响。

De Bekker 的研究团队主要在中央佛罗里达大学以及大学的植物园进行研究。这项研究的共同作者博士候选人 Ian Will 也在研究中特别仔细观察蚂蚁被感染之后的行为变化,以确认特定行为出现的时间点与细节,他也期待之后找到影响寄生行为及调控的关键基因。De Bekker 表示,自从他们将研究从德国慕尼黑迁移到佛罗里达之后,佛罗里达州的野外环境就能直接找到他们所研究的对象:真菌与蚂蚁,能够同时在实验室以及天然环境进行研究,以对此现象有更深入的了解。


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