真菌或许能拯救世界:但也能非常可怕

美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆美军在南太平洋的伦多瓦岛登陆

 

       帐篷正在消失,制服也是,但所有这些物品并没有立刻消失,一切都发生不知不觉间。这是第二次世界大战期间,敌人无处不在,但在美军位于所罗门群岛的营地中,任何东西都不会被清扫或偷走。

  相反的,在这些偏远的南太平洋小岛上,一切东西似乎都在瓦解——而且速度极快。似乎有一些看不见的生物正在吃掉军营里的东西,包括勤务兵身上的T恤。美国陆军很快找到了罪魁祸首,那就是里氏木霉(学名:Trichoderma reesei),一种饥饿的真菌——它们在军事上的别名“QM6a”可能更广为人知。

  尽管这种真菌一开始让美国军队损失了不少钱,但在今天,里氏木霉却得到了工业界(包括美国军队)的重视。想当初,这种能天然分解纤维素的霉菌让所罗门群岛的美军营地头疼不已,它们吃掉了美国人的棉布、木浆和纸张。现在,它们是纤维素酶的主要来源,而纤维素酶可以用于处理咖啡豆,或者将生物质转化成生物燃料。

  罗伊·哈灵(Roy Halling)是美国纽约植物园的真菌学家。作为真菌学(研究对象包括蘑菇、霉菌和酵母等)部门的负责人,哈灵的时间主要在两个地方度过:实验室和野外。在参观位于布朗克斯的植物标本室(拥有将近800万件标本)时,他向我们讲述了真菌界令人难以置信的“腐烂”能力。

  “在碳存在的地方,就有随时准备降解碳的真菌,”哈灵说道。从医院到农田,我们可以找到无数的例子,证明真菌并不是等闲之辈。比如令我们感到无比瘙痒的各种癣症,其病因可以是多达40类真菌,另外还有数十种类似的疾病也会感染人类。如果这还无法让你惊奇,请想一下香蕉,尤其是大米七香蕉,这是20世纪50年代之前在美国销售的主要香蕉品种。就在那时候,这种香蕉成为了黄叶病(又称巴拿马病)的受害者。这是一种由尖孢镰刀菌古巴专化型引起的植物病,主要感染香蕉根部。这种真菌能分泌毒素,导致香蕉出现程序性细胞死亡。黄叶病的流行迫使农民不得不改种其他香蕉品种,主要是香芽蕉。香芽蕉也由此成为世界主要种植的香蕉品种。

  不过,从上个世纪开始,我们已经越来越多地将这些丰富多样、具有孢子的生物视为朋友,而不是敌人。真菌一直在帮助我们酿造啤酒和发酵面团。到了1928年,伦敦圣玛利亚医院的亚历山大·弗莱明(Alexander Fleming)发现了青霉素,这是一种改变世界的抗生素,由普通的青霉菌制成。今天,医疗市场上有大约1600种抗生素的存在要归功于这些微小的菌丝体。还有一些研究者试图用蘑菇作为肉类、皮革和发泡胶的替代品。科学家还在尝试用真菌来治疗创伤性压力综合征患者,以及用它们来帮助蜜蜂对抗螨虫,以避免种群崩溃。

一些可以食用的蘑菇一些可以食用的蘑菇

  然而,这并不意味着真菌就会停止对碳基宇宙的侵蚀。它们仍然具有强大的腐蚀能力,能消灭任何遇到的东西。之所以现在看起来一切都好,只是因为人类更好地利用了它们的这种能力,从而为自己服务。

  丹麦生物技术公司诺维信(Novozymes)正利用从细菌和真菌中提取的酶制造对环境更友好的洗衣剂。汰渍(Tide)和七世代(Seventh Generation)等公司也不再依赖人工化学产品,转而使用天然配方,而自然界中的真菌便是这些配方的来源之一。

  “我会带着蘑菇篮去森林里,”诺维信公司的霉菌学家Mikako Sasa说道。如果她发现一种诺维信公司从未采集过的真菌,她就会带一份样品回到实验室。“这不是一个数字游戏,而是一个多样性游戏,”Mikako Sasa补充道,“我希望增加多样性,因为我们向非常多的产业出售非常多的酶和产品。”在2016年,诺维信公司产生的利润就达到22亿美元。

  诺维信公司的研究者发现,一些真菌酶能减少洗衣服所需的能量。比起实验室制造的化学物质,这些酶只需要很少的能量就能激活,从而减少清洗衣物时的总碳排放量。真菌酶在处理污渍方面也同样出色。当与水混合时,水解酶会破坏化合物的化学键。在所罗门群岛吃掉美军所有帐篷的里氏木霉就能够水解纤维素。另一些真菌则擅长破坏粘在衣服上的其他东西,比如血液、汗渍或污垢。

  科学家还在研究真菌酶及其在垃圾回收和修复土壤中的作用。2011年,有一篇关于罕见真菌小孢拟盘多毛孢(Pestalotiopsis microspora)分离物的论文引发了许多讨论。这种真菌能够降解聚氨酯(PU)——一种耐用的塑料,出现在过山车车轮、现代艺术品及其他大量物品中。许多研究显示,蘑菇能吸收毒素,包括重金属等,因此能被用于清洁受污染的土壤。

  归根结底,我们必须与无处不在的真菌达成微妙的平衡。它们当然可以帮助我们减少碳足迹,并治疗一些疾病,但是在真菌学的历史中,有一件事是非常清楚的:真菌完全可以非常可怕。

原文链接:https://www.popsci.com/mushrooms-could-save-world

是谁手中的扯线木偶

File:Ophiocordyceps unilateralis.png

Ophiocordyceps unilateralis

生物界的扯线木偶:真菌、寄生虫与僵尸

By linki

许多人都曾在药店里见过冬虫夏草,顾名思义,这是两种生物的合体。蝙蝠蛾科昆虫幼虫被虫草菌(Cordyceps sinensis)感染,死后虫体与菌丝结成坚硬的假菌核,并在冬季低温干燥的土壤里保持虫形数月之久,到夏天温湿适宜时从菌核长出棒状的子座并露出地面,于是就形成了一半是虫一半是草的冬虫夏草。这里我们要说的这种真菌与虫草菌类似,却又更加离奇。

这种真菌的学名是Ophiocordyceps unilateralis,生活在泰国的热带雨林中。它只感染特定的一种蚂蚁(Camponotus leonardi),通常生活在距离地面18米以上的雨林冠层。偶尔蚂蚁会掉到地上,但通常都会很快地循着蚁径爬到最近的一棵树上。而被真菌感染的蚂蚁,在从树上掉下来之后,不会沿蚁径行走,而是漫无目的地晃荡数个钟头,然后爬到一些矮小的植物上。健康的蚂蚁从拂晓到黄昏都很活跃,而被感染的蚂蚁却只能在中午的时候看到。它们好像说好了,一起进行“死亡之咬”,紧紧地挂在叶片背部。与此同时,真菌在蚂蚁体内不断生长,死亡24小时之后,菌丝从蚂蚁体内穿出,有些能起到固着的作用;第二天,茎状的子实体会从蚂蚁头部伸出,此时蚂蚁已经被菌丝覆盖,变得毛绒绒的。子实体可以长到蚂蚁体长的两倍,产生孢子并于夜间向林下约1平米的区域“喷洒”。

最诡异的是,这些被真菌控制的“僵尸蚁”,98%能准确地咬着叶脉,非常“贴心”地挂在最适合真菌生长的位置:植物的北面或西北面,离地25公分左右,相对湿度94%至95%,温度在20度到30之间。如果把这些树叶挪到树冠,真菌就不能正常生长;而如果放到地面,蚂蚁又常常被其他动物吃掉或者被雨水冲走。除此之外,真菌对蚂蚁的利用可谓无所不用其极。被菌丝覆盖的蚂蚁外骨骼成为“保护壳”,真菌在蚂蚁体内形成管道,以充分利用其体液,并分泌抗生素以阻止其他微生物的入侵。所有这些,都是真菌能够持续数天喷洒孢子,感染尽可能多不幸蚂蚁的成功保证。

除了真菌之外,大自然中还存在着众多能使宿主变成僵尸的寄生虫。在这方面,蚂蚁家族有点悲催,经常扮演的是受害者的角色。枝双腔吸虫(Dicroelium dentriticum)的生活史中有三个宿主,按顺序分别是蜗牛、蚂蚁、羊(或牛),但它们单单就控制蚂蚁的行为。吸虫进入蚂蚁的神经系统后,蚂蚁就开始行为异常了。白天气温高的时候,蚂蚁还是干着自己的本分工作,但是在黄昏降临,气温降低的时候,蚂蚁就爬上野草的叶尖,等待被羊(或牛)吃进肚子里。吸虫的成体就寄生在牛羊的肝脏内。无独有偶,在中南美洲的热带雨林中,有一种学名为Myrmeconema neotropicum的线虫,它们会寄生在树冠蚁(Cephalotes atratus)的腹部,使之长得又圆又大,并透着亮红色,如同熟透的莓果。然后树冠蚁会把腹部挺得高高的,吸引那些以莓果为食的鸟类。线虫由此进入鸟的体内,开始生活史新的阶段。

甚至蝴蝶都可以控制蚂蚁的行为,虽然看上去没那么残忍。欧洲有种蝴蝶(Maculina rebeli),产的卵能散发出蚁后的气味。工蚁会把这些卵搬到巢穴内,并以蚁后幼虫的规格喂养孵化出来的蝴蝶幼虫。甚至在蝴蝶幼虫与蚁后发生冲突的时候,工蚁们还会护着蝴蝶幼虫。这是怎样的一种精神啊?也许你会觉得很不可思议,但其实这都是出于有利物种延续的本能。

说到本能,我们知道许多蜘蛛是天生的织网能手,但这种天赋有时也会被寄生者利用。哥斯达黎加的一种寄生蜂(Hymenoepimecis argyraphaga)会对一种特定的蜘蛛(Plesiometa argyra)下手。寄生蜂将卵产在蜘蛛的腹部,卵孵化后,幼虫紧紧挂在蜘蛛上,通过小孔吸取蜘蛛的血液。将要化蛹时,幼虫会把某种化合物注入蜘蛛体内,使其织起一张完全不一样的网。这张网并不是给蜘蛛捕食用的,而是为寄生蜂量身定做的保护网。网织好后,幼虫就将蜘蛛杀死并吃掉,然后在网的保护中安心地做茧并长成成体。

利用宿主的本能为己牟利,是寄生虫界司空见惯的现象,但有些寄生虫并不满足于此,它们甚至能改变宿主的性别。蟹奴(Sacculina)是一类特别的藤壶,身体是柔软的囊状,没有口器和附肢,只有发达的生殖腺和外套膜。蟹奴寄生在螃蟹腹部,孵育囊突出在螃蟹体外,另一部分则为伸入螃蟹躯干、附肢、内脏等处的分枝状细管,用以吸取营养。更绝的是,蟹奴会使雄蟹“去势”,并将之变成称职的保姆。被寄生的蟹将蟹奴的卵视若己出,当卵孵化时会将其射出,并用钳搅动水流助其扩散。

不仅是蚂蚁、蜘蛛和螃蟹,高等一些的动物,如鱼和老鼠,也会成为小小寄生虫的傀儡。一种学名为Schistocephalus solidus的绦虫把操纵的目标锁定在棘鱼的身上。同许多寄生虫一样,这种绦虫也具有复杂的生活史,它们在水鸟的肠道内完成产卵,卵会随着鸟类的粪便落回海中。接着,孵化出来的幼虫会感染桡足类,一类小型甲壳动物。棘鱼正是以桡足类为食。幼虫到了棘鱼体内之后,真正诡异的事情发生了。棘鱼不再那么害怕冒险,相反更喜欢独来独往。当然,海鸟们是不会拒绝送上门来的食物的。不过故事还没有结束。绦虫需要等体重长到50毫克以上的时候才能成功地感染海鸟,长得越重,排的卵就越多——有些绦虫甚至能长得比鱼还重——因此它们得在棘鱼肚子里待一段时间。另一方面,绦虫在温度较高的环境中能发育得更快,而棘鱼一般生活在16摄氏度左右的低温水域。于是我们看到,一条被感染的棘鱼离开鱼群,朝着更暖和的海水游去,而操纵它的,便是它肚子里的“乘客”。

很多人应该都听说过弓形虫(Toxoplasma gondii),事实上,全世界大概四分之一到三分之一的人身上就带着弓形虫的包囊。弓形虫是细胞内的寄生虫,其生活史一般在猫和猫的猎物之间循环往复。它们会在猫的肠道中进行有性繁殖,产生卵形的后代,即卵囊。卵囊会随猫的粪便排出,可以在环境中存活数周至数月之久。老鼠及其他哺乳动物把卵囊吃进去之后,卵囊会产生包囊,并长期存在于宿主的组织(主要是大脑)中。当猫吃到这些含有包囊的动物及其内脏时,弓形虫便找到了归宿,其生活史循环便完成了。

对人来说,弓形虫的感染对象主要是胎儿和免疫力衰弱的人,只要免疫系统还算健康,弓形虫就不会造成什么伤害。但对于猫的猎物老鼠来说,弓形虫会让它们的行为变得大不同。理论上,在宿主体内比较温和的寄生虫在进化上会有优势,毕竟猫并不喜欢吃腐肉;另一方面,如果有什么策略能增大受感染老鼠被猫吃掉的概率,自然选择也会亲睐与此有关的基因。事实证明,弓形虫真的具有这样的能力。科学家发现,感染弓形虫的老鼠不再害怕猫的气味,甚至,猫的气味还能增强它们的性吸引力。

事实上,弓形虫的作用是如此的精确。受感染的老鼠并未失去对其他事物的恐惧,狗尿依然会使它们受惊吓,通过训练,它们也会害怕新的刺激,唯一改变的,只有与生俱来的对猫的恐惧。科学家在老鼠大脑中发现,弓形虫包囊就围绕在杏仁核的周围,这一区域与恐惧等感受密切相关。如果说其他寄生虫或者真菌只是让宿主成为毫无思维能力的僵尸,那么弓形虫则更像个高超的外科医生,它能钻入患者的大脑,将其对某种特定动物的恐惧清除掉,同时还不忘激发一下患者的性欲望——这一点也使弓形虫成为寄生虫界出乎意表的奇葩。仔细想想,还真有点毛骨悚然,幸好这种事不会发生在人类身上。

当然,还是有些动物不甘心接受宿命,如灯蛾毛虫(Grammia incorrupta)就懂得“自行服药”来抵御寄生虫。寄生蝇和寄生蜂常常把卵产在灯蛾毛虫的幼虫体内,在其中孵化并以虫体为食。被寄生的灯蛾毛虫会取食更多的含有双吡咯烷类生物碱的植物,尽管这些生物碱对其自身也有严重的副作用,但相比而言,生物碱对寄生虫的威力更大。科学家发现,有“吃药”的灯蛾毛虫比感染但是没有吃药的同类,其长成成虫的概率高17%。

当然,大部分动物还是对寄生虫或寄生菌束手无策。无论如何,谁也不想被寄生虫缠上,毕竟就算不死,也有变成行尸走肉的危险。大自然并不总是含情脉脉,有时候生物之间斗争的残酷和离奇远远超出我们的想象,以上真菌和寄生虫便是最好的注脚。

本文修改稿发表于《惠空港》2012年第2期

蘑菇孢子的魔术

同时发表于译言

蘑菇孢子的魔术

作者 Brandon Keim  2009.1.09  类别:生物

译者 linki

高速摄像揭示出:真菌孢子将自身弹射到空气中的方式原来竟是如此神奇,如此多种多样,如此令人难以置信。

数百年来,科学家们这样描述孢子形状的变化范围——已知15000多种的真菌各个不同,这样令人震惊的物类集合更像是来自威利·旺卡(Willy Wonka,电影《查理与巧克力工厂》中的主人公,译者注)大脑里冒出的灵感,而非来自查尔斯·达尔文。

但从几乎所有的观察中,他们还是很难找出孢子为什么会以这些形状出现的答案。有些真菌学家怀疑这只不过是进化噪音(evolutionary noise)。但对真菌孢子形状与繁殖扩散的首次比较分析结果却显示,这些形状的出现并非是进化中的意外。

“人们两百年来所做的无非就是一卷又一卷地对孢子的形状和大小分门别类地加以描述,而从不考虑它为什么就是这样的。你所看到的就是这些古怪而又绝妙的形状,对其原因却一无所知。”俄亥俄州迈阿密大学的植物学家尼古拉斯·曼尼(Nicholas Money)说道。

曼尼的团队利用高速摄像分析的方法对孢子
掷到空气中的生物力学过程进行了研究。这一过程如同草写的小字般优雅简洁。一滴水珠凝结在孢子表面;当接触到孢子另一部分上的水薄层时,水珠便灌注其中,
就好像雨滴落在挡风玻璃上汇合在一起。重量分布的变化如此突然和可观,直接促使整个团块——称为“掷孢子”(ballistospore)——投掷到空
中。

这一过程是真菌无性生殖的一部分,而且多种多样的形状也可能有助于不同的种类在不同条件下生长和繁殖。一棵蘑菇每秒能发射31000个掷孢子,一天下来数目可达27亿个。之前,人们已经了解了该过程,但曼尼和他的同事们是第一批将这一过程用逐帧渐变方式分解呈现出来的研究者。

是什么让他们的文章与众不同?曼尼说,是他们对发生在这一机制中的变化所做的描述。他们发现,孢子形状的微小变化会明显改变水滴的形状,而水滴形状的变化则会影响孢子发射的轨迹。

从某个角度看,这些发现确实只能在显微镜下可见;但从另外一个角度,它们是普遍存在的。

蘑菇是自然工程学的杰作,”曼尼说,“而我们是刚刚开始对其行为方式进行研究。”

此次研究的结果发表在周二的《公共科学图书馆》(Public Library of Science ONE)上。美国国家卫生研究院(National Institutes of Health)为研究提供了部分资助,他们感兴趣的是如何利用曼尼的发现开发防治真菌的方法。当然,这些就是其他人的事了;曼尼关注的,仅仅是蘑菇表演的生物力学魔术。

当被问到孢子发射过程是否可以用投掷棒球或其他易于被读者理解的语句来形容时,曼尼回答说,蘑菇孢子还远不能做到那个程度。

“如果棒球受到的空气粘滞阻力在程度上等同于蘑菇孢子所受阻力的话,你会看到掷出去的球运动了一臂之长后就停下来,垂直地落到地面,”他说,“在小组里,我称这个飞行轨迹为‘大笨狼怀尔’(Wile E. Coyote)轨迹。”

曼尼称,这种说法能说得通,因为它保证了孢子能够从浓密的菌褶——孢子在那里产生——中顺利地掉落下来。

“从技术上说,这种机制实在是帅呆了。”他说。

引用:"Adaptation of the Spore Discharge Mechanism in the
Basidiomycota." By Jessica L. Stolze-Rybczynski, Yunluan Cui, M. Henry
H. Stevens, Diana J. Davis, Mark W. F. Fischer and Nicholas P. Money.
Public Library of Science ONE, Vol. 4 No. 1, Jan. 8 2009

图片:Ernst Haeckel的《源自自然的艺术形式》(Kunstformen der Natur),描绘的是 Basimycetes

视频:1、超高速摄像片段(50000 f.p.s),显示假蜜环菌(Armillaria tabescens)的掷孢子
菌褶上抛射出来的情景/PLoS ONE      2、掷孢子从散发着臭气的小麦网腥黑穗病菌(Tilletia
caries)上发射出来。视频用每秒24帧捕捉;显示发射之前的水滴状态变化/尼古拉斯·曼尼,迈阿密大学      
3、用常规数码相机视频模式捕捉的硬柄小皮伞(fairy ring mushroom)菌盖上孢子释放的情景/尼古拉斯·曼尼,迈阿密大学