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2012年,一支脾气暴躁的驴队驮着一批贪婪的原生生物,艰难地走下法国比利牛斯山脉。通常情况下,驴子不需要运送单细胞微生物,但这些微小的生物恰好是数百磅湖水中栖息的生物,无论驴子们是否喜欢。科学家德克·施梅勒的团队雇佣了这些驴子,“这有点滑稽,”他说,“因为它表明驴子可以帮助拯救两栖动物。”
使这种看似不可能的情景成为可能的原因是这些微生物对一种同样微小的壶菌——一类具有游泳阶段的真菌,类似于所有真菌的祖先——的食欲,这种壶菌被称为Batrachochytrium dendrobatidis,或Bd,它正在全球范围内消灭两栖动物。事实证明,各种各样的单细胞原生生物和微小的多细胞动物自然而然地在湖泊中捕猎并吃掉Bd,从而防止这种致命真菌感染青蛙和其他两栖动物。尽管Bd是一种外来真菌,但类似的真菌在湖泊中大量存在,并且是这些微型捕食者饮食的天然组成部分,因此它们捕食Bd的能力并不令人意外。令人意外的是它们在野外吞食这种入侵真菌的强烈程度。科学家们此前在实验容器中表明,少数微型捕食者会吃掉游动的Bd孢子,但一项新的研究表明,这种捕猎行为发生在真实的山区湖泊中,并且规模似乎足够大,可以显著减少这些湖泊中两栖动物的感染和死亡。德国亥姆霍兹环境研究中心的施梅勒及其同事于1月份在《当代生物学》杂志上发表了这些结论。
这项研究具有令人鼓舞的意义,即利用本地微生物吞噬Bd的能力可以减少这种流行性真菌的数量,从而提高两栖动物的存活率,而无需依赖于引入外来细菌或部署破坏生态系统的抗真菌化学物质——这两种方法都曾被提出过。相反,保护两栖动物可能就像促进已经生活在湖泊中的微生物的健康和生存,或者在它们已经消失或受到抑制的地方引入它们一样简单。
Bd于1997年被发现正在全球范围内杀死两栖动物。关于其起源和传播的理论有很多。一种流行的说法是,这种真菌主要通过用于实验室研究和早期妊娠测试的青蛙的国际贸易传播(这使得在试纸上小便的进步显得多么具有划时代的意义)。
施梅勒注意到,伦敦帝国学院的同事马修·费舍尔在比利牛斯山脉高处采样的湖泊普遍呈Bd阳性,而离他较近的湖泊则呈阴性。他决定看看他是否能找出可能导致这种差异的原因。他最初怀疑是水质问题,但他们最初的水质分析显示结果甚微。因此,施梅勒和他的同事开始计算他们样本中捕食性微生物的数量。这些微生物包括主动寻找猎物的活跃捕食者,以及更喜欢让食物自己送上门来的滤食性生物。
当研究小组统计了Bd高流行率和低流行率湖泊的水中这些微生物的数量时,一个惊人的差异跃然而出:Bd含量高的湖泊微生物捕食者数量贫乏。
然而,这不足以证明微生物是造成疾病稀缺的原因。在一系列进一步的实验中,施梅勒和德国、法国、比利时和英国的一个同事团队表明,从高流行率湖泊(由驴子带回)中取回的水中,引入的Bd游动孢子比从低流行率湖泊中取回的水中存活的时间长得多。他们还表明,过滤低Bd流行率湖泊的水显著降低了其杀死Bd游动孢子的能力——据推测是因为微生物捕食者已被过滤掉。
此外,与那些生活在来自高流行率湖泊或来自低流行率湖泊的热处理(据推测已消毒)水中的同等尖刺水中的蝌蚪相比,生活在来自低流行率湖泊的Bd尖刺水中的蝌蚪感染率较低,感染程度也较轻。当蝌蚪与单个物种的微型捕食性动物一起饲养时,效果依然存在,其中一种动物是从比利牛斯山脉的湖泊中分离出来的。
微生物吞噬真菌孢子和保护两栖动物的惊人能力——以及这种保护不依赖于环境因素的组合——让科学家们大吃一惊。“我们预计会有减少,但没想到会达到这种程度,”施梅勒说,“[但是]我们在野外看到的所有模式都可以用微生物来解释。”
科罗拉多大学博尔德分校生态学和进化生物学副教授彼得·约翰逊说,人们早就知道本地微型捕食者会以Bd大小范围内的猎物为目标。他研究了寄生虫的捕食者和寄生虫中间宿主在疾病动态中所能发挥的作用,但没有参与这项研究。然而,他说,目前缺少的是找出是否有足够的捕食行为发生以产生影响。他说,这项研究直接解决了这个问题,捕食者和感染模式之间的联系强度让他感到惊讶。
原则上(尽管这种做法需要更多的测试),这些结果指向了一个针对受Bd困扰的池塘的简单、相对自然的解决方案:增加本地微型捕食者种群。这可以通过保持原始湖泊的自然状态并防止外来物种入侵来实现。在其他湖泊中,可以采取移除引入物种的形式,例如鱼类(通常为山区原本没有鱼的湖泊中的垂钓者放养),这些鱼类会吃掉微型捕食者。在Bd成为问题的湖泊中,一旦抑制微型捕食者的条件被逆转或消除,生态学家甚至可以尝试湖水微生物输注,类似于粪便细菌移植可以帮助重建人类肠道生态平衡的方式,这些肠道已被抗生素或感染破坏。因为感染任何特定青蛙都需要Bd密度达到阈值,所以可能没有必要消灭真菌来保护两栖动物。“在大多数情况下,真正尝试从系统中根除疾病是不可能或不切实际的,”约翰逊说。“但是,如果你能找到管理系统的方法,实际上可以将疾病水平保持在理想的低水平,那么这实际上可能是一种非常经济有效的方法来应对某些疾病。”
俄勒冈州立大学综合生物学教授安德鲁·布劳斯坦也研究了微型捕食者对Bd的影响以及它们作为生物防治剂的可能用途(并且没有参与这项研究),他同意这篇论文的研究进行得很好,并且在探索复杂、真实世界的湖泊群落方面具有开创性。
布劳斯坦回顾说,过去在人工池塘中进行的实验,这些池塘中放养了浮游动物(包括许多微型捕食者)、Bd和两栖动物,可能已经为这些微小捕食者惊人的杀伤力提供了线索。在这些人工环境中,传统上很难积累足够的Bd用于实验。他说,原因可能是微型捕食者非常擅长吃掉它。