沃尔巴克体

【多图预警，存在令人不适的发病图片】

作者：

花落成蚀

原出处：果壳网

2014 年，广东省爆发了中国历史上最严重的登革热疫情，到 11 月 2 日为止确诊病例 43010 例，超过历史病例总和。虽然入冬以来疫情已经趋于稳定，但是明年依然有卷土重来的可能——为此，广州市准备明年春季在南沙区沙仔岛试验一种新的控制方式：放蚊子。
咦？防控登革热的唯一方式就是和蚊子死磕，为什么反而要放蚊子？
这是因为它们不是一般的蚊子，这些“益蚊”身上携带着一件秘密武器——名为“沃尔巴克体”（Wolbachia）的微生物。理论上，这些不会盯人的雄蚊和未感染沃尔巴克体的雌蚊交配后，雌蚊不能生育，于是卵细胞会被浪费掉；而等到雌蚊也感染了这种细菌时，它们就能够正常生存繁衍下去，而且能对登革热病毒产生一定“免疫力”。如果实验成功，会比单纯消灭蚊子效果还要好，因为外来的蚊子现在就很难挤进来了。

而这个沃尔巴克体，可是一种了不得的微生物。它的演化史可能只有不到一亿年，但这小小的一个属，以蛮横的传播方式，至少征服了十分之二的昆虫，席卷了整个地球，甚至还创造了新的物种——一切都源于它对宿主的操控能力。
沃尔巴克体属于广义细菌，是一种立克次氏体，1924 年，在尖音库蚊（Culex pipiens）中首次发现，当时觉得它只不过是又一种寄生生物而已。20 多年后，科学家又发现库蚊属中常出现种内的生殖不亲和现象，明明是同一个种，交配后就是无法产下活的后代。又过了 20 年，科学家无意中发现，通过使用抗生素杀灭库蚊体内的沃尔巴克体，可以治愈种内生殖不亲和——原来这不起眼的小细菌居然是不育的元凶。
沃尔巴克体能通过细胞质来“遗传”。它们藏身于大个子的卵细胞当中，就像是线粒体等细胞器一样，被留给了下一代。雄性感染者的精子也被动了手脚。它们若是和同样被感染了的雌性交配，能够传宗接代；但要是和没有感染的雌性交配，就会出现细胞质不亲和，不会开花结果，简直比大铁棍子医院还省事儿。这样的传播方式是异常排他的，其结果必然是沃尔巴克体寄主越来越多。有科学家曾在实验室种群里做过传播实验，只要短短的数代，整个种群中感染者的比例就能达到 100%。

沃尔巴克体甚至能把自己的 DNA 片段转移到无脊椎动物的细胞核里。Nicolle Rager Fuller, National Science Foundation



这样的情况是如何产生的？有一种解释是：沃尔巴克体能给寄主的精子上一把连接着炸弹的锁，同时在卵细胞中留下钥匙，只有正确的钥匙才能打开锁，否则受精过程会毁掉精子和卵子。但这样的修饰是如何实现的，还有待研究。人们唯一确定的是，出现了细胞质不亲和的受精卵，有丝分裂会出现问题（于是，沃尔巴克体成了细胞生物学家的爱物）。
除了造成细胞质不亲和之外，沃尔巴克体还有几种控制宿主生殖的方法。诱导宿主孤雌生殖的能力，在它们当中出现了很多次，其中最好的例子是它们能让赤眼蜂（Trichogramma）产生可用抗生素“治好”的孤雌生殖能力。它们还能让雄性雌性化，控制普通鼠妇（Armadillidium vulgare）遗传上的雄性成为表现型上的雌性。它们甚至是调控某些昆虫种群内的雌雄比例。这些小混蛋真是把别人的性别玩弄于鼓掌之中。
但是光操纵昆虫的生殖和性别也太小儿科了，它还能干出更大的事情，比如寻找木马，入侵更大的生物。
在非洲有一种可怕的疾病叫做河盲症，一直以来被人当做寄生虫病。病原体盘尾丝虫会像恐怖片一样钻入人类的眼球当中，导致永久失明。疫区内常常会出现小孩领着一群失明成年人行路的情景。为了躲避这种疾病，许多肥沃的土地被抛弃，人们不得不背井离乡。

河盲症疫区内的惨状。Otis Historical Archives Nat'l Museum of Health & Medicine

和很多寄生虫不一样，盘尾丝虫的生活史是个闭环。它们生于人类的身体，成长于中间宿主蚋（Simulium）的体内，最终又回到另一个人类的身体当中。盘尾丝虫的雌性成体，在人类的体内可以活上 15 年，一生最多能生产出 3000 多个幼体。幼体称作微丝蚴，它们会进入循环系统，过上一、两年“自由”的生活，期待命运带来一只疯狂吸血的雌蚋，好在后者体内进入生命的下一阶段。若这只雌蚋和体内的寄生虫运气足够好，它们还能再找到一个人类，盘尾丝虫的幼虫就有可能进入它们唯一的终末宿主人类的体内，最终成年。
身为寄生虫已经让宿主很难受了，但是这还不算什么。能够抵达盘尾丝虫“虫生”巅峰的个体当然只是少数，剩下的微丝蚴会死在人体中，裂解的身体会释放出一种有害的物体——这才是最可怕的东西，会导致人体出现严重的炎症以及发痒、水肿等皮肤病变。若微丝蚴钻入人的眼球当中，它们体内的有害物也会导致眼球的病变，长此以往，人就瞎了。

河盲症患者的眼睛。Pak Sang Lee, Community Eye Health Journal


而这个有害物体，就是沃尔巴克体。
自从人类发现了丝虫体内原来另有元凶，新的战术——抗生素治疗出现了。丝虫本身不怕抗生素，但沃尔巴克体怕。体内没有这种细菌的微丝蚴对寄主的毒性低，不再有致盲的能力；人们甚至发现，缺失了沃尔巴克体的盘尾丝虫甚至生活都不能自理，不再能繁殖和生存。
同样的事情，也发生在其他几种丝虫造成的寄生虫疾病上。象皮病的病原体血丝虫体内也有沃尔巴克体，它们与血丝虫造成的破坏也显著相关。使用抗生素之后，沃尔巴克体被杀灭，血丝虫也不能存活。因此，用抗生素对抗象皮病或许也是个办法。

《贝尔维尤的维纳斯》，摄影师 Oscar G. Mason 最著名的作品之一，拍摄的是一位身患象皮肿的妇女。



看起来，沃尔巴克体似乎是在和这些丝虫共生，合体成为致命的寄生虫。它们的关系何以如此恩爱？为何配合起来残害人类时如此无间？答案不是很清楚。但一些证据显示，沃尔巴克体与这些丝虫的演化、新种的产生，有那么一些关系。或许就是这种关系，让丝虫成为了装载士兵的木马，攻入了人体这座伊利昂大城。


近二十年来，借助 PCR 等迅猛发展的生物化学工具，人类发现到沃尔巴克体的分布远比之前所想的要广泛。有统计显示，不同地区的昆虫，一般都有 16-22%的感染率，陆地等足动物约有 35%的感染率，捕食螨的感染率甚至可达 60%——要知道，沃尔巴克体仅仅是一个属，居然能在节肢动物门、线虫动物门两个门、数个纲中造成如此广泛的感染，这些数字实在是让人惊奇。
沃尔巴克体拥有强悍的横向传播能力，昆虫间的捕食、寄生、血液接触等活动，都有可能导致细菌在种间的感染。例如，广赤眼蜂（T. evanescens）体内含有的沃尔巴克体，同宿主麦蛾重合度就非常高。这样的横向传播，无疑会增加这种细菌传播的速度和广度。
但沃尔巴克体真的就一定会对宿主带来伤害么？
答案显然是否定的。有些时候，这些寄生细菌会表现出活雷锋的一面，增强宿主的繁殖力——这似乎和人们最早认识的那种沃尔巴克体迥然不同。曾有人拿突眼蝇做了个实验，若是去除了它们体内的沃尔巴克体，雄性倒不会不举，但生殖能力会大幅下降。至于杂拟谷盗（Tribolium confusum）就更喜感了。若是携带沃尔巴克体的雄性和不携带的雄性都和同一个雌性交配，前者的精子在细菌的加持之下会变得异常生猛，几乎霸占所有的卵细胞。最为神奇的例子来自于果蝇。生物学家们经常 “玩坏”果蝇，曾有人发现，沃尔巴克体甚至能部分挽回被辐射破坏的繁殖能力。

感染了沃尔巴克体的果蝇细胞的共聚焦显微图像，图中红色的是细胞核，绿色的是沃尔巴克体。scienceblogs.com.br
在这种情况下，我们该说沃尔巴克体是一种寄生菌，还是共生菌呢？这家伙帮宿主提高生殖力，除了让自己传播得更广，就没有别的目的了么？
有个例子显示，至少部分沃尔巴克体，在演化中会变得对宿主更有利。
20 世纪 80 年代中旬，美国人在加州南部的拟果蝇（Drosophila simulans）体内发现了沃尔巴克体，并且确认在北方没有。短短十年不到，这脉支系向北冲了 700 多公里，所有这一切，靠的只是自然传播。伴随着快速传播的，是属性的改变。一开始它们除了会造成细胞质不亲和，还会导致雌性的繁殖力下降 15-20%。但 20 年之后，情况反了过来，它们反而能让宿主多产下 10%的卵。
此外，沃尔巴克体会造成新种的产生，它们是推动演化的发动机，拥有强劲的动力。

吉氏金小蜂（Nasonia giraulti）和长角丽金小蜂（N. longicornis）是关系特别近的近亲，它们在一起时根本就把持不住，会不由自主的交配。但悲惨的是，子代中的雄性都会死去，永远不会有喜当爹或是让别人喜当爹的可能。但是，如果我们（再一次）使出抗生素这个大招，吉氏金小蜂同丽蝇蛹集金小蜂的杂交后代都能够存活下来。如果这还不能让你相信沃尔巴克体造成了它们之间的生殖隔离，我们还能让能互相交配的不带菌的两种金小蜂重新感染各自的沃尔巴克体，生殖隔离立马会上演“王者归来”。这两个物种，根本就是因为同一祖先体内出现了不同的沃尔巴克体而产生了生殖隔离，生生的变成了两个种。


在害虫防治时，有这样一种可行的思路：让精子无活性但还能完成交配的雄性，去祸害野生的雌性，浪费掉珍贵的卵细胞。看起来，常常会对精子动手脚的沃尔巴克体，似乎能这样利用。但实际上，这种细菌可以做的事儿远比这要多。
它们很可能拥有成为人类抵御登革热、疟疾等疾病的坚盾与利剑。
近五年内，人类发现沃尔巴克体能够帮助昆虫抵御单链 RNA 病毒，它们能够干扰这些病毒的复制，从而保护宿主。于是，有研究者脑洞大开：登革病毒也是单链 RNA 病毒，沃尔巴克体是否也有效呢？结果还真的给蒙中了。给携带了沃尔巴克体的埃及伊蚊喂食富含登革病毒的血液，7 天、14 天时的阳性比例分别只有 5%和 8%。而在相同情况下，未携带沃尔巴克体的埃及伊蚊 7 天、14 天时的阳性比例高达 70%、75%。
更为主动的一个成就，来自于中山大学中山医学院。那儿的研究人员主动筛选出了合适的菌株，将其注射进传播疟疾同时难以感染沃尔巴克体的按蚊卵内，成功让这些害虫稳定的带上了“镣铐”。这样处理的按蚊，虽然还是会传播疟疾，但是效率大大降低。
除此之外，利用沃尔巴克体的思路还有很多。让害虫天敌寄生蜂进行孤雌生殖，繁殖的更快？没问题。让沃尔巴克体降低害虫的寿命和繁殖力？也可以。这些方法，都有人研究，但都离实际运用有那么一点距离，实验也需要谨慎为之。不过，这二十年来科学界对这种小小的微生物兴趣越来越大。在未来 10 年内，有关沃尔巴克体利用的研究，或许会越来越多。
沃尔巴克体在科研领域内特别红，近几十年内一大批科学家围绕它做了许多研究，它有成为一种模式生物的趋势。在美国，有科学家开展了一项名为 Wolbachia Project 的项目，号召中学生运用学校里可以用到的分子生物学工具帮他们找沃尔巴克体。
只不过，在中文科普领域，它们还欠缺一些关注。很显然，这些怪异的“恶霸客”传奇般的特性，配得上为之大书特书。（编辑：Ent）

参考文献

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13. Mark J. Taylor Claudio Bandi and Achim Hoerauf (2005) Wolbachia Bacterial Endosymbionts of Filarial Nematodes
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转自：微生物木马，控制蚊子的秘密武器？
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