Cordyceps属的寄生真菌一直是自然纪录片的热门题材,也借助2013年的僵尸末日游戏《最后生还者》及其同名电视改编作品渗透进流行文化——在那个故事里,一种寄生真菌发生变异,开始感染人类。科学家们对研究Cordyceps兴趣浓厚,希望借此深入了解这类病原体疾病的起源与复杂机制。

最新研究发现:根据发表在《IMA Fungus》期刊上的一篇论文,DNA分析在被寄生的昆虫与周围苔藓中发现了相同的真菌。这表明该真菌存在第二个生命阶段,在此阶段它寄居于苔藓内部,这可能是一种进化适应机制,用于在昆虫宿主稀缺时维持存活。这一发现或许也能解释为何宿主物种在临死前似乎偏好咬住苔藓。

正如此前已有报道,Cordyceps真菌拥有超过400个物种,每种都针对特定的昆虫宿主,如蚂蚁、蜻蜓、蟑螂、蚜虫或甲虫。孢子附着在目标昆虫身上后开始萌发,通过称为菌丝的细长触须在宿主体内扩散。Cordyceps本质上将宿主变成了"僵尸奴隶",迫使蚂蚁爬上最近的植物顶端,用细小的颚部死死咬住叶片或枝条。

随后,真菌缓慢吞噬蚂蚁,最终从其头部破壳而出。菌丝末端的球状突起爆裂,向空气中释放更多孢子,去感染更多毫无防备的蚂蚁。整个过程持续四到十四天,对宿主而言绝非善终。此前的研究表明,这种"僵尸化"过程可能源于某种特殊化学物质的释放,该物质会使受感染蚂蚁的下颚肌肉强烈收缩,形成死亡般的咬合。

2017年的一项研究发现,真菌细胞形成了精密的立体互联网络,使其能够相互通信并交换养分。这些细胞实际上切断了大脑与蚂蚁身体其余部分的联系,由此网络化的细胞得以掌控宿主行为。2019年,科学家又发现,真菌实际上并不直接附着于受感染蚂蚁的大脑,而是分解覆盖在下颚肌肉纤维上的膜,引发强烈收缩,足以损伤或摧毁肌肉收缩时相互滑动的肌丝。

越来越多的证据表明,这类真菌病原体能够扩展其宿主范围,以适应宿主稀缺或环境压力。例如,某一物种能够定殖于植物根部,并寄生感染孢囊线虫卵。与本次研究最为相关的是:近年的研究表明,昆虫寄生真菌已进化出同时利用植物和节肢动物的能力。

其中包括2020年的一项中国研究,研究发现"喜马拉雅黄金"(冬虫夏草,O. sinensis)这一以幽灵蛾幼虫为宿主的真菌物种,也在高山地区的植物中留有踪迹。此外,也有报道指出,感染蚂蚁的蛇形虫草属(Ophiocordyceps)物种似乎对特定植物表现出明显偏好,如林下棕榈树和苔藓毯,将这些地方作为宿主的死亡地点。

在这项最新研究中,研究人员从巴西中部亚马逊地区Adolpho Ducke森林保护区的"蚂蚁墓地"——即散布着被蛇形虫草感染的蚂蚁尸体的地点——采集了样本。样本分为四个类别:从受感染昆虫体内长出的真菌、蚂蚁咬附位置的苔藓、咬附位置附近的苔藓,以及距咬附地点至少十米且无受感染昆虫尸体迹象的对照组苔藓。所有样本均经过拍照记录、清洁除杂后置于试管中冷冻保存,以备DNA提取与分析。

研究人员共鉴定出19只受Ophiocordyceps感染的昆虫,其中除三只外,其余均感染了第一组"僵尸蚂蚁"真菌——大多数为蚂蚁,此外还有一只象鼻虫、一只飞虱和一只萤火虫幼虫。多数受感染昆虫(19只中的11只)被发现附着于苔藓上;一只同时咬住了地钱和苔藓,还有几只标本嵌入了由多种苔藓和地钱共同形成的毯状结构中。研究团队还在苔藓本身中检出了Ophiocordyceps,这表明蚂蚁偏好选择这些苔藓作为"死亡咬附"地点,可能是寄生真菌操控的另一种表现形式。

"我们一直以为蛇形虫草(Ophiocordyceps)是专门寄生于昆虫的真菌,尤其是那些被它操控的昆虫,"巴西亚马逊国家研究所的共同作者Tales Alves Jr.表示,"而我们的数据所揭示的故事远比这复杂:同一种真菌似乎在周围的苔藓群落中无处不在。我们的研究结果表明,参与亚马逊蚂蚁行为操控的植物与真菌之间,存在着远比我们预想中更为紧密的生命周期关联。"

Q&A

Q1:Cordyceps真菌是如何将蚂蚁变成"僵尸"的?

A:Cordyceps真菌的孢子附着在蚂蚁身上后开始萌发,通过菌丝在宿主体内扩散。真菌细胞形成互联网络,切断大脑与蚂蚁身体其余部分的联系,从而控制其行为。它会迫使蚂蚁爬到植物顶端并用颚部死死咬住叶片或枝条,整个僵尸化过程持续四到十四天,最终真菌从蚂蚁头部破壳而出,释放孢子继续感染其他蚂蚁。

Q2:最新研究在Ophiocordyceps真菌方面有什么新发现?

A:发表于《IMA Fungus》期刊的最新研究发现,在被寄生昆虫和周围苔藓中检测到了相同的Ophiocordyceps真菌DNA。这表明该真菌存在第二个生命阶段,能在苔藓内部存活,可能是在昆虫宿主稀缺时的进化适应策略。此外,研究还发现,受感染蚂蚁偏好咬附苔藓的行为,本身可能也是真菌操控的结果。

Q3:Ophiocordyceps真菌的宿主范围只限于昆虫吗?

A:并非如此。越来越多的证据表明,这类真菌病原体能够扩展宿主范围。研究发现,某些物种能定殖于植物根部或感染线虫卵;冬虫夏草(O. sinensis)也曾在高山植物中被发现。最新研究更进一步表明,Ophiocordyceps真菌在亚马逊蚂蚁尸体周围的苔藓群落中普遍存在,说明其与植物之间存在比以往认知更为紧密的生命周期关联。

Ars Technica