昆虫跳水自杀，谁在操控它们？

▲螳螂被线形虫感染后表现出觅水和跳水行为。（资料图 / 图）

文｜南方周末特约撰稿 汤波

责任编辑｜朱力远

一些蟋蟀的古怪行为引起了大家的注意。这些蟋蟀平时主要栖息在附近森林的草丛中，一般不喜欢靠近水源。但是这会儿，有些蟋蟀不仅蹦蹦跳跳地来到这个游泳池边，而且还令人惊讶地往水里跳，其中一些甚至潜入水中，直至淹死。

为什么蟋蟀会有这种奇怪的跳水“自杀”行为？其他昆虫有没有类似行为？这些行为的背后原因是怎么样的？这些问题正是托马斯等人不惜冒着被蚊虫叮咬的危险，也要试图揭开的谜团。

其实，这种跳水自杀行为并非只在蟋蟀身上存在，科学家在螳螂、蚱蜢、蜘蛛等昆虫身上都观察到了类似的跳水自杀行为。

通过细心观察，科学家发现这些表现出跳水自杀行为的昆虫都有一个共同特点：它们成虫的肚子都是鼓鼓的。科学家解剖它们鼓鼓的肚子后发现，这些肚子里竟然藏着一些如马毛般细长的寄生虫——马毛虫。

马毛虫属于线形虫动物，目前已知的线形虫动物大约有三百多种，科学家估计全世界的线形虫动物种类超过两千种。马毛虫的体长展开后足有它们宿主体长的3-4倍，一般体长在50-100毫米之间，但是最长也可达2米。目前已知的马毛虫都过着寄生生活，大多数寄生在昆虫体内，极少数也会感染人类和其他哺乳动物。

科学家发现这些马毛虫正是导致其宿主昆虫表现出跳水“自杀”行为的罪魁祸首。当这些“跳水”昆虫跳入水中后不久，就会排出1条或几条马毛虫。不过，跳水的宿主结局并非都是死亡，一旦排出寄生虫，这些昆虫如果没有被淹死，它们又会很快恢复活力，奋力逃回岸边，有一些甚至能继续存活几个月之久。

为了进一步证实蟋蟀是因为感染寄生虫而表现出“跳水”行为，托马斯和同事还利用透明有机玻璃制成了一个1.5米长的Y形迷宫，迷宫三个臂的端部各有一个槽，其中两个槽里没有水，另外一个槽里面不仅有水，研究人员还在水槽中放置一个水族馆的增氧装置，用来制造气泡以吸引昆虫。当研究人员将感染寄生虫的蟋蟀和未感染的蟋蟀分别放入一个无水槽时，所有感染寄生虫的蟋蟀都会顺利找到水槽，并跳入其中。相反，绝大多数未感染的蟋蟀则并没有表现出明显的觅水行为，更很少跳入水中。

现在已经比较清楚，这些寄生虫具有一些特殊的能力，能操控宿主向水源靠近，并跳入水中。因为随着这些寄生虫的长大，宿主的肚子已经容不下它们，它们需要更大的水环境生活。

一旦宿主进入水中，这些寄生虫马上从宿主的肚子里爬出来，开启它们的水中生活，并在水中完成繁殖过程，交配产卵，从而产生大量的幼虫。马毛虫幼虫先会感染一些水生昆虫，这些中间宿主离开水面后，被蟋蟀、螳螂等昆虫捕食，寄生虫就进入了最终宿主的体内，等它们在最终宿主体内快长到成虫阶段时，就会“操控”宿主寻找水源，并跳入水中。

但是，这些如毛发般细长的寄生虫又是如何操控可怜的宿主跳水“自杀”的呢？这正是科学家持续探究的关键问题。

大家知道，昆虫一般具有趋光性，一个典型的例子是飞蛾扑火。为了验证趋光性在被寄生虫感染的昆虫跳水行为中到底发挥何种作用，托马斯等人决定设计一个简单的趋光性实验，用光照射一个区域，看看受感染和未感染的蟋蟀如何反应，结果受感染的蟋蟀大量聚集到光线照射的区域内，而未感染的蟋蟀则很少，表明受感染的蟋蟀更容易受到光的刺激而向有光的区域移动。

这可以在一定程度上解释托马斯等人在法国南部森林附近的游泳池里观察到的受感染昆虫跳水现象。相对于茂密的森林，游泳池和其他水域更加开阔，容易受到夜空中微弱的自然光照射，而且水面也会反射光线，两者相结合，吸引着从附近森林中过来的昆虫，特别是那些被寄生虫感染的蟋蟀、蚱蜢等昆虫。

日本神户大学的佐藤高雅团队也对昆虫跳水现象感兴趣，设计了多组实验，发现水平偏振光是吸引被马毛虫感染的昆虫的重要原因。在第一组实验中，研究人员将一些感染和未感染寄生虫的螳螂放进同一个盒子里，然后向盒子的两端分别投射水平和垂直偏振光，结果显示感染的螳螂更愿意聚集到水平偏振光的一端，而未感染的螳螂则没有这种偏好。

之后，研究人员又在两个温室大棚中开展了一些野外实验。这些大棚中都放置着一些盆栽树木，以及大小相等的一深一浅两个人工水池。最开始，感染的螳螂和未感染的螳螂被分别放养到两个大棚的盆栽树木上，不久约有一半的感染螳螂找到了水池并跳水，而非感染螳螂中只有约5%进入水池。在跳水的16只感染螳螂中，又有14只跳进了深水池，只有2只感染螳螂进入了浅水池。在这项实验中，深水池表面反射出较强烈但亮度较弱的水平偏振光，而浅水池的光线虽然更亮，但是其反射的水平偏振光较弱，这进一步证实了佐藤高雅等人的假设，即感染寄生虫的螳螂是被水平偏振光所吸引。

研究人员还观察到一个有意思的现象，受感染的螳螂在中午和午夜时分活动比未感染的螳螂更频繁，而且活动距离更远，特别是中午前后跳水较为集中，显示受感染的螳螂生物钟可能受到寄生虫生物钟的影响，这将是后续研究的内容。

上述研究只是从一些环境因素来解释昆虫跳水行为，并不能完全解答人们的疑惑，还需要更深入地研究。

既然感染线形寄生虫的昆虫如此“听从”寄生虫的安排，不辞辛劳地寻觅水源，甚至对自身安危弃之不顾而跳水，那么，这种被科学家称为“扩展表型”的操控行为是否存在某些分子机制呢？比如寄生虫分泌一些特殊的成分，把宿主迷得五迷三道而不能自已。

顺着这个思路，托马斯等人比较了马毛虫与它们的宿主——一种习惯陆地生活的蚱蜢的蛋白质表达水平，结果发现与操控觅水之前和之后相比，在觅水操控过程中，寄生虫的确会分泌一些蛋白质分子，影响蚱蜢中枢神经系统的正常功能。比如寄生虫产生的一类蛋白质分子会直接影响中枢神经系统的发育。研究人员还在宿主脑组织和寄生虫体内发现了大量功能还不清楚的类似蛋白质，这种现象被称为“分子拟态”，即寄生虫可能通过分泌一些与宿主自身蛋白质高度同源的蛋白质，在分子水平特别是蛋白质水平模拟宿主的基因表达，作用于宿主的中枢神经系统，进而改变宿主的行为。托马斯团队在受马毛虫感染的蟋蟀身上也观察到类似的现象。

为什么寄生虫会大量合成与它们的宿主高度同源的蛋白质呢？这个问题则由佐藤高雅团队给出了可信的答案。佐藤高雅团队与日本理化学研究所生物系统动力学研究中心、大阪医药大学等单位的研究人员合作，不仅在被寄生虫感染的螳螂身上观察到了与托马斯团队类似的现象，还发现了一个更有意思且非常罕见的现象。

研究人员通过比较寄生虫全身和螳螂脑组织的转录组（所有基因的mRNA）水平，发现在寄生虫操控螳螂觅水过程中，寄生虫身上存在大量其转录水平与操控之前和未感染螳螂存在显著差异的基因，其中3100多个基因转录水平提高，1600多个基因转录水平下降。相反，在螳螂觅水过程中，其脑组织只有少数几个基因转录水平发生了变化。

进一步研究显示，在这些转录水平存在显著差异的基因中，有1300多个基因在寄生虫和它们的宿主螳螂中的序列同源性非常之高，平均接近97%。研究人员还从这些基因中找到了一些与宿主行为操控更加相关的基因。在排除了样品污染的可能之后，研究人员认为寄生虫与螳螂之间发生了大量基因的水平转移。

研究人员推测，鉴于他们所研究的这类线形寄生虫是以螳螂为最终宿主，因此在寄生虫体内存在大量与宿主高度同源的基因序列，可能是源于寄生虫与螳螂属昆虫在长期协同进化过程中发生了大量重复的水平基因转移，即寄生虫的祖先从螳螂属昆虫的远古祖先那里获得了一些关键基因，也就是说，寄生虫为了“操控”宿主，从宿主那里“偷来”了大量基因，转入自己的基因组中，然后通过调控自身这些与宿主高度相似的“外来基因”表达水平，让宿主以为自己的基因表达水平也发生了变化而表现出相应的觅水和跳水等行为，从而实现对宿主行为的操控。

所以，原本并不喜欢水的昆虫之所以觅水并跳水，首先是因为被马毛虫等线形寄生虫感染，感染后的昆虫更容易被水面上的光线所吸引。更关键的是，寄生虫在进化过程中“偷”来了宿主昆虫的大量基因，这些基因表达产物成为操控宿主行为的关键因素。