问题

一些病原体是如何做到操控宿主行为的?

回答
病原体与宿主之间的博弈,远比我们想象的要复杂和惊心动魄。它们并非只是被动地入侵和繁殖,而是以一种极其高明的方式,如同影子操纵着提线木偶,悄无声息地改变着宿主的命运。这种操控并非直接的生物指令,而是通过精巧地绕过甚至利用宿主自身的生物化学和神经系统来实现的。下面我们就来深入剖析一下,这些微小的生命是如何做到这一点的。

1. 大脑的“黑客”:直接影响神经递质与情绪

病原体最直接的操控方式之一就是干扰宿主大脑的化学平衡,特别是影响神经递质的水平。神经递质是大脑中传递信号的化学信使,它们对我们的情绪、决策、行为都起着至关重要的作用。

改变血清素水平: 例如,一些寄生虫,比如某些钩虫,被发现能够影响宿主肠道中血清素的产生和代谢。血清素与情绪调节、食欲和睡眠密切相关。通过操纵血清素,这些寄生虫可以诱导宿主产生一些有利于其生存和传播的行为,比如增加对特定食物的渴望,或者让宿主变得更加迟钝,降低其逃跑或抵抗的意愿。
影响多巴胺通路: 多巴胺与奖赏、动机和成瘾有关。一些研究表明,某些细菌或病毒感染可能改变大脑的多巴胺能神经元的活动。这可能导致宿主行为模式的改变,例如,变得更具探索性,增加了接触其他个体(潜在的传播途径)的机会,或者产生一些异常的冲动行为。
炎症反应的连锁效应: 许多病原体都会引发宿主的炎症反应。炎症过程中释放的细胞因子(signal molecules)可以穿过血脑屏障,直接作用于大脑的神经细胞,改变神经递质的释放和信号传导。这种“脑部炎症”常常导致宿主出现“病态行为”(sickness behavior),如疲劳、食欲不振、社交退缩等。虽然这些行为对宿主本身是有害的,但它们也可能间接地有利于病原体,例如,通过降低宿主的活动度,减少其消耗能量,从而为病原体提供更稳定的资源。

2. 嗅觉的“魔术师”:改变气味,吸引或排斥

气味是我们感知世界、识别同类、寻找食物和躲避危险的重要方式。病原体巧妙地利用这一点来操纵宿主之间的互动。

吸引捕食者: 这是最为人熟知的一种策略,尤其在一些寄生虫身上表现得淋漓尽致。例如,一种名叫“眼盘吸虫”(Dicrocoelium dendriticum)的肝吸虫,它的生活史需要经过蜗牛、蚂蚁和草食动物。当虫卵进入蜗牛体内后,它们会形成幼虫囊,其中一部分幼虫会聚集在蚂蚁的神经节中,特别是控制蚂蚁触角的神经节。这种侵扰会改变蚂蚁的气味,使其产生类似草地蚂蚁的气味。在凉爽的夜晚,饥饿的食草动物(如绵羊)在觅食时,它们通常会避开已经被吃过的草地。然而,被寄生虫操控的蚂蚁会在夜间爬到草叶的顶端,并且呆立不动,就像露珠一样。此时,草食动物更容易将这些带有寄生虫的蚂蚁吞食下去,从而完成了病原体的生命周期。
改变宿主吸引力: 另一些病原体可能通过改变宿主的化学信号,使其对其他宿主(尤其是潜在的配偶或传播者)更具吸引力,或者使其对天敌更加显眼。例如,一些寄生蜂会感染某些蝴蝶幼虫,并在幼虫体内产卵。当幼虫化蛹后,它们可能会分泌一种化学物质,这种物质能吸引一种特定的寄生蜂。这种寄生蜂会进一步将它们的卵产入这个已经被感染的蛹中,从而继续传递病原体。

3. 免疫系统的“双刃剑”:利用宿主自身的防御机制

病原体并非总是与宿主的免疫系统硬碰硬。一些病原体的高明之处在于,它们能够巧妙地利用宿主免疫系统的某些反应来达到自己的目的。

诱导特定免疫应答: 有些病原体可以诱导宿主产生某种类型的免疫细胞或释放特定的细胞因子,而这些免疫产物恰好能为病原体的生存或传播提供便利。比如,一些病原体会促使宿主产生某些抗体,但这些抗体反而能够帮助病原体更有效地感染其他细胞。
免疫抑制与免疫逃逸的平衡: 大多数病原体都需要在一定程度上逃避宿主的免疫监视。然而,某些病原体可能通过“适度”地抑制宿主的免疫反应来维持自身的生存,同时又不至于让宿主的整体免疫功能崩溃,那样反而会削弱其作为宿主的生存能力,从而影响病原体的传播。这种微妙的平衡,使得病原体能够长期潜伏并伺机传播。

4. 改变宿主的社会行为:促进传播,孤立个体

社交性是许多动物生存和繁衍的关键。病原体能够通过改变宿主的社会行为来促进自身的传播。

增强社交性: 某些病原体可能会让感染者变得更具社交性,更倾向于与其他个体互动。例如,一些引起狂犬病的病毒,在病毒感染晚期会引起宿主攻击性增加,表现出易怒、攻击性强、更愿意主动接近其他动物的行为。这种行为无疑增加了将病毒传播给健康个体(包括其他动物或人类)的风险。
引起社交退缩: 与之相反,有些病原体也可能通过诱导宿主社交退缩来达到目的。例如,一些寄生虫会让宿主变得孤僻,躲避群体活动。这看似不利于传播,但实际上,如果病原体通过这种方式延长了宿主的生存期,或者使其在更隐秘的环境中繁殖,那么这种策略也可能是有益的。例如,某些引起脑部感染的寄生虫可能会让宿主变得迟钝、躲藏起来,这在某种程度上降低了它们被天敌发现的概率,也为病原体提供了更长的潜伏期。

5. 直接的神经侵扰:进入大脑,操纵指挥中心

一些病原体,尤其是那些能够穿过血脑屏障的,可以直接侵入宿主的中枢神经系统,从而实现更直接的操控。

感染神经元: 例如,狂犬病病毒会沿着神经纤维扩散,最终感染大脑。一旦进入大脑,它就会直接影响神经元的活动,导致神经信号的异常传递,引发一系列与攻击性、恐惧、麻痹等相关的行为改变。
影响脑部结构: 一些寄生虫,如弓形虫(Toxoplasma gondii),即使在形成休眠囊(囊合子)的状态下,也可以在宿主的大脑中长期潜伏。研究发现,弓形虫感染会改变啮齿类动物大脑中与恐惧和风险评估相关的区域(如杏仁核)的活动,使得感染的啮齿类动物对猫的气味不再恐惧,甚至产生一种“吸引力”。这直接促成了弓形虫通过猫科动物完成其生命周期的可能性,因为猫是它们主要的终宿主。

总结

病原体操控宿主行为的策略多种多样,它们往往并非孤立使用,而是多种机制协同作用,构成了一张精巧的“行为控制网”。这背后是对宿主生理、神经和行为机制的深刻理解和“利用”。它们通过干扰神经递质,改变气味信号,利用免疫反应,操纵社会行为,甚至直接侵入神经系统,最终以一种看似“自然”的方式,引导宿主做出有利于病原体生存和传播的行为。

理解这些操控机制,不仅让我们对生命本身的复杂性和演化充满敬畏,也为我们开发新的治疗方法和预防策略提供了重要的思路。这场微小生命与大型宿主之间无声的战争,还在继续,而每一次新的发现,都让我们更加惊叹于自然界那令人难以置信的精巧设计。

网友意见

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谢邀!

20160310〖补充〗

没想到这个比较偏门的话题,还受到大家如此欢迎!

我尽量再补充更多有趣内容,也希望大家多多喜欢上动物学!

另外,

关于寄生虫-宿主的主题,可见我的【参考文献】的第一本书。

再有关于从演化论角度,阐释寄生虫的演化意义的论文与专著,这些年也不少。从更宏观的生态角度,而不限于生理学/病理学的研究。

更多可参见我的【参考文献】!

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若干著名的例如有——

1.鼎鼎大名的弓形虫



弓形虫可以改变宿主的多巴胺分泌。 从而克服恐惧感

为啥克服恐惧感呢? 是为了让老鼠不再怕猫(从躲避猫的气味到被猫的气味来吸引)。 那么弓形虫就可以再次传播了

弓形虫对人类的影响,按照目前的研究包括: 增加精神分裂的几率, 同时研究表明统计上弓形虫提高了感染者的交通事故率,另外的研究表明,会造成人类对猫的气味的响应改变。

2.鱼类寄生虫 Crassiphiala bulboglossa

这货能让被感染的鳉鱼killifish发生反社会行为。。。就是脱离鱼群,变得孤单,反应也变慢, 从而更容易让翠鸟捕捉。 研究也表明翠鸟捕捉了更多的感染寄生虫的鳉鱼


3.Gordian knot格尔迪奥斯绳结? Gordian线虫!

这货其实抓螳螂的小朋友经常知道。就是很多螳螂肚子里面的寄生虫

这货的恐怖在于。比如说感染的蟋蟀, 它能驱使蟋蟀跑到河边,然后跳河自杀。。。然后这虫子再破体而出在水中产卵

如果在奔向水边的路途上宿主快要挂了。。。 就直接破体而出

这是人们最熟悉的,棒子的《铁线虫入侵》


4.线虫类的Myrmeconema neotropicum

这货的nb之处在于, 它能把昆虫装饰成水果。。。

被感染的热带蚂蚁的腹部会变成如同熟透的红色浆果。。。同时这蚂蚁还主动的抬高腹部从而更显眼一些

然后就会别食果鸟类觅食。

5. 人类的常见寄生虫病及寄生虫性脑病

当然大名鼎鼎的羊肝双腔吸虫。。。已经讨论的太多了, 这里仅仅给出链接。

Dicrocoelium dendriticum

再比较著名的是大脑绦虫,又称 Neurocysticercosis, NCC,即脑囊虫病

普通的发生史是这样的——

但NCC是这样的——


6.蚂蚁僵尸&大自然中的双重寄生

科幻作家 杰克·威廉森有一部超级好看的小说 :Darker Than You Think 《比你想象的更黑暗》

那么, 这里就有一个例子。。。 比你想象的更黑暗。。。


蚂蚁社会生物生态的双重寄生真菌


大家都知道所谓的僵尸蚂蚁。。。 这个帖子里也提到过, 就是一种虫草真菌会寄生控制蚂蚁, 蚂蚁的行为就如同僵尸一样, 在感染后会被真菌控制爬到高处, 然后让真菌爆开孢子来传播繁殖孢子

蚂蚁的整个行为就如同生化危机的僵尸一样

其中僵尸蚂蚁的图片好像还得了那一届的NG图片大奖之类的

然而神奇的是, 一般的研究观察发现, 蚂蚁的社群即使有被感染的僵尸蚂蚁, 并没有造成整个社会的全军覆没。

最近的研究发现了答案。。。。。。。。。。 原来, nnd, 一种真菌可以寄生 (僵尸蚂蚁的真菌), 这种现象被称为双重寄生

这种寄生的真菌 hyperparasitic fungus, 可以有效的阻断蚂蚁僵尸真菌的孢子繁殖

同时,发现感染蚂蚁僵尸的蚂蚁社会, 这两种真菌的感染率都很高, 在两种真菌的博弈下。。。 整个蚂蚁社会的僵尸蚂蚁数量就很小了, 维持了一个蚂蚁社会的平衡运转

其实啊,第一次看到这个新闻,就想到今年的片子 “僵尸世界大战”, 那个以毒攻毒的皮特的注意。。。还真不算是反科学


参考文献:

http://www.plosone.org/article/i ... ournal.pone.0036352

Disease Dynamics in a Specialized Parasite of Ant Societies

PLoS ONE 7(5)

有15页的论文资料如下——

http://digitalcommons.unl.edu/cg ... ext=plantpathpapers

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7.殖民细菌:控制昆虫+植物的双线殖民策略

双重”寄生动物(双重寄生真菌 hyperparasitic fungus)如同吸血鬼猎人。

然而这还没完, 最近的研究揭示了, 植物界也有“僵尸植物” , 研究显示,一种寄生性的细菌(phytoplasmas)通过复杂的策略达成它们传播繁殖的路径

- 首先他们会分泌一种蛋白SAP54, 这种蛋白会影响植物,使它们的花朵看起来更像叶子(花瓣象叶子,花蕊色呈现绿色),同时丧失花朵的繁殖能力
- 接下来, 这种被改造外形的花朵对叶蝉(Leafhopper)更有吸引力 (这货喜欢吸取树叶的新鲜汁液)。 同时叶蝉在这种类似于叶子的僵尸花朵上产下了更多的卵。
- 再接下来,叶蝉吃了类似于叶子的感染细菌的花朵, 这些细菌会侵入叶蝉的唾液腺
- 而叶蝉唾液的分泌会有助于把这种殖民细菌传播到更多的植物上去

这里展示了一种殖民细菌,控制昆虫+控制植物的双线操作殖民的高超技艺。。。





参考文献

Bacterial tricks for turning plants into zombies

Bacterial tricks for turning plants into zombies : Nature News & Comment

推荐书目——

B. Zuckerman,(1971)Cytogenetics, Host–Parasite Interactions, and Physiology. (Eds.) Academic Press

Janice Moore (2002). Oxford Series in Ecology and Evolution Parasites and the behavior of animals [1 ed.] OxfordUniversity Press

Robert Poulin. (2007). Evolutionary ecology of parasites. PrincetonUniversity Press

Salmon Lice (2011): An Integrated Approach to Understanding Parasite Abundance and Distribution Wiley-Blackwell


Serge Morand, Boris R. Krasnov, D. Timothy J. Littlewood (2015) Parasite Diversity and Diversification: Evolutionary Ecology Meets Phylogenetics [1 ed.] CambridgeUniversity Press


一个TED 关于寄生虫脑控的演讲

Ed Yong: Zombie roaches and other parasite tales

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