出品：科普中國
製作：大阪大學 張昊 陸修遠
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
炎熱的夏季裡，被蚊子叮咬可以說是家常便飯，痛癢之餘，接踵而至的可能是更加險惡的後果。據統計，全世界17%的傳染病病例都與伊蚊、瘧蚊、庫蚊這三種臭名昭著的蚊子有關。人類與蚊子間的血海深仇從史前時代綿延至今，蚊媒傳染病仍然在頻繁製造各種公共衛生浩劫。
（圖片作者：James Gathany， Public Domain）
△白紋伊蚊，也叫亞洲虎蚊，是傳播登革熱、寨卡病毒的元兇之一
不過，在這場沒有硝煙的戰爭中，人類已然看到了勝利的曙光，讓蚊子斷子絕孫不再是來自人類的"惡毒"詛咒，而是現代科學幻化乾坤的又一神蹟。
7月初，一項由澳洲聯邦科學產業研究所（CSIRO）主導的大規模實驗，利用生物工程技術實現了對埃及伊蚊種群的高效撲殺。科學家們在昆士蘭州北部的一處實驗地區釋放了兩千萬隻經過不育處理的雄蚊，從而將該地埃及伊蚊的種群數量削減了80%。由於雄蚊並不叮咬動物及人類，釋放雄蚊幾乎不會造成任何生態問題。
在數千萬只蚊子中準確高效地篩選出其中的雄性個體已經堪稱神來之筆，更絕的是，上面提到的不育處理中竟然利用了一種名為沃爾巴克氏體的神奇細菌？！
它們到底是何方神聖？又如何令雄蚊"斷子絕孫"？
這項研究背後的奧秘充滿了詭譎狡詐與兇惡殘忍，當小小細菌將自身的生存之道演化為在物種進化過程中上位的策略乃至哲學，無數寄主昆蟲終將難逃被扭曲的宿命。
沃爾巴克氏體——神秘而殘忍的寄生細菌
沃爾巴克氏體（Wolbachia）是一種寄生在細胞內的細菌，它的宿主主要為節肢動物（包括昆蟲綱，蛛形綱，多足綱以及甲殼綱）和一些線蟲，不會感染包括人類在內的脊椎動物。由於節肢動物分佈廣泛，種類龐雜，沃爾巴克氏體也被認為是世界上最常見的寄生微生物。
與其它寄生菌類似，沃爾巴克氏體同樣靠寄主提供的養分生存繁殖。不少烈性細菌一旦侵入寄主細胞就會在短時間內大量擴散繁殖，直到造成寄主死亡。寄主一旦死去，寄生菌也就失去了安身立命的土壤，自然地消亡。
沃爾巴克氏體（圖片作者：Scott O'Neill，Public Domain）
與之不同的是，沃爾巴克氏體既沒有短期內讓寄主斃命的本事，也沒有迅速擴散增殖的能力——它絕大多數時候只能通過蟲的繁殖過程進行母子之間的垂直傳播，而不能在個體之間進行橫向傳播。同時，寄主感染沃爾巴克氏體後雖然會發生一系列異常，但是這些異常卻很少危及寄主生命。
這樣來看，沃爾巴克氏體的生存策略反而有聰明之處：母子垂直傳播策略可以保證其在蟲類群體中的穩定存在；不急於殺死寄主又能讓其在單一個體中生存足夠的時間，以便尋求更多的感染機會。
很多讀者看到這裡，不由得會對沃爾巴克氏體產生些許好感——這樣溫和的寄生細菌與人們對致病菌的固有印象確實大相徑庭。不過，筆者要提醒大家的是，千萬不要小看沃爾巴克氏體"千秋萬代，一統江湖"的企圖，它們的種種生存策略簡直是極盡殘忍詭譎之能事。
非我族類，其心必異——細胞質不相容(精卵不相容)
沃爾巴克氏體主要生活在寄主細胞質中，擁有豐富細胞質的卵子是最容易被其感染繁殖的場所。而在幾乎沒有細胞質的精子中，沃爾巴克氏體難以存活。但是，這絕不意味著被感染的雄性可以產生健康的精子——狡詐的沃爾巴克氏體會放出毒素汙染被感染雄性的精子。
健康雌性的卵子會和這些"毒精子"產生細胞質不相容效應，無法正常受精發育。但同樣被感染的雌性產生的卵子卻自帶解毒劑，能夠發育成帶菌後代。如此一來，健康雌性只能和健康雄性繁殖產下健康後代，被感染雌性卻可以和所有雄性繁殖產下被感染後代，造成種群內被沃爾巴克氏體感染的個體比例迅速擴增。這樣的策略被稱為"細胞質不相容"，也是最常見的一種策略。
本次由CSIRO主持的研究正是利用了被感染的雄性伊蚊在繁殖時會發生的細胞質不相容現象。大量被感染的雄蚊在與正常雌蚊交配後，無法產生後代，從而使伊蚊種群規模遭遇斷崖式下跌，慘遭滅頂之災。
細胞質不相容策略
予取予求，唯女獨尊——雄性致死
雄性致死策略更為深刻地體現了沃爾巴克氏體的陰損之處。在胚胎髮育階段，幾乎所有的雄性寄主胚胎都會因為染毒而夭亡，從而失去與雌性爭奪有限食物資源的可能；與此同時，雄性胚胎的死骸還可以為孵化出的雌性幼蟲提供餌料。雄性致死現象在感染沃爾巴克氏體的雙翅目、鱗翅目、鞘翅目、半翅目昆蟲以及蛛形綱擬蠍目生物中均有發現。
日本科學家曾經報道過一個有趣的案例。琉球紫蛺蝶是一種在熱帶、亞熱帶地區分佈甚廣的蝴蝶，科學家們認為，該種蝴蝶感染沃爾巴克氏體已經有近百年曆史。在這一百年間，部分地區的琉球紫蛺蝶種群飽受雄性致死現象的困擾，族群內部性別失衡嚴重。
雄性琉球紫蛺蝶（圖片來源：維基百科，Public Domain）
近年來，科學家們發現琉球紫蝶種群內部出現了能夠抵抗雄性致死的基因突變，並且這一突變以不可思議的速度在蝶群內部擴展，從而令絕大多數新生雄性個體都免於早夭的悲慘宿命。
然而，接下來科學家們卻發現了另一個悲慘的事實——雖然沃爾巴克氏體的雄性致死策略失靈了，細胞質不相容策略又開始重新發揮作用了！
在此之前，細胞質不相容被雄性致死所掩蓋，一旦後者失靈，前者立刻補刀。總而言之，沃爾巴克氏體牢牢把握著這場戰爭的主動權，堅持遵循重女輕男的策略，讓自己在琉球紫蛺蝶種群中逐步蔓延。
這一案例似乎暗示雄性致死相較細胞質不相容策略更為高級，沃爾巴克氏體在昆蟲種群中的蔓延很可能以雄性致死作為目標和發展方向。
雄性致死策略
顛倒黑白指鹿為馬——強制雌性化
這種策略可以令攜帶沃爾巴克氏體的受精卵會無視基因型，全部發育為雌性。
軟甲綱的潮蟲遭到感染生下帶菌幼蟲後，雄性子代的性激素分泌受到沃爾巴克氏體抑制，直接發育為雌性。寬邊黃粉蝶在染菌後，同樣會出現雄性轉變為雌性的現象。
受驚後縮成一團的潮蟲（圖片作者：Franco Folini，CC 3.0）
葉蟬科的葉蟬（Zyginidia pullula）則屬於另外一種情形，受感染雌性產下的後代將無視基因型全部發育為雌性。然而，這些子代雌性中，卻有一半個體有著發育不完全的雄性外生殖器官。
葉蟬科的Graphocephala coccinea，圖片作者：Bruce Marlin，CC3.0
這些本來是雄性的不完全雌性化個體幾乎沒有正常雌性具備的生育能力，更鬱悶的是，作為雄性的生殖功能也已不復存在，只能煢煢孑立孤獨終老。因此，部分學者也建議將這種情形歸結為雄性致死……雄風不再等於死？！簡直殘酷至極。
強制雌性化策略
自力更生艱苦奮鬥——孤雌生殖
沃爾巴克氏體只在一些可以單性生殖的物種中採用這種策略，比如黃峰和蟎蟲。正常黃蜂的未受精卵會發育成雄性（單倍體），受精卵發育成雌性（二倍體）。然而在沃爾巴克氏體的作用下，黃蜂的未受精卵在開始發育進行分裂的時候，兩個單倍體細胞核會融合成一個二倍體細胞核，進而發育成雌性個體，從而將細菌繼續傳播下去。
某種黃蜂頭部特寫（圖片作者：H. Zell，CC3.0）
在蟎蟲中的情形則稍有不同：在母體制造卵子的時候，沃爾巴克氏體會干擾減數分裂，形成二倍體的卵子，隨後直接發育成雌性後代。
孤雌生殖策略
沃爾巴克氏菌——來自百年前基礎研究的滅蚊利器
沃爾巴克氏體的花式殺蟲手段早在60年代就引起了科學家的關注，一系列防控有害昆蟲的應用場景也繪就好了藍圖。然而在當時的條件下，基礎研究和工程應用的發展水平還不足以支撐這種野望。
如今，科學家們巧妙地利用了自然界中業已存在了數千萬年的自然"設計"，將人類智慧和現代科技融合於具體的應用場景。CSIRO的CEO對此發表評論稱："我們將與學術界和產業界共同合作，以科學作為武器來解開人類面臨的難題。我們有信心（通過消滅蚊子）讓澳大利亞成為地球上衛生狀況最好的國度。"
沃爾巴克氏體如今能夠為人所用，離不開1924年沃爾巴克先生（S. Burt Wolbach）日復一日捉蟲子、找細菌的單調時光。也許當年沃老先生只是沉迷於奇妙的自然設計，不想人類今日竟然得益於此。這樣的故事大概是"基礎研究有什麼用"這個問題的最好詮釋。
最後，為大家奉上來自夏槳MM的原創小漫畫——沃爾巴克氏體生存手冊。
參考文獻
1. http://science.sciencemag.org/content/292/5519/1093.full
2. http://www.sas.rochester.edu/bio/labs/WerrenLab/WerrenLab-WolbachiaBiology.html
3. http://www.sohu.com/a/122978014_119097
4. John H. Werren, Laura Baldo & Michael E. Clark, Wolbachia: master manipulators of invertebrate biology, Nature Reviews Microbiology, volume 6, pages 741–751 (2008)
5. https://www.technologyreview.com/s/608280/alphabet-has-built-a-robot-that-is-releasing-millions-of-sterile-mosquitoes-in-california/
6. https://jp.techcrunch.com/2017/07/15/20170714googles-life-sciences-unit-is-releasing-20-million-bacteria-infected-mosquitoes-in-fresno/
7. https://verily.com/projects/interventions/debug/
8. https://www.jstage.jst.go.jp/article/konchubiotec/83/3/83_3_243/_pdf/-char/ja
9. http://natgeo.nikkeibp.co.jp/nng/article/news/14/2220/
10. https://www.news-medical.net/news/20091228/20/Japanese.aspx
11. https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20160803_01web.pdf
12. https://www.huffingtonpost.jp/nature-publishing-group/wolbachia-bacteria_b_15272806.html
13. https://www.natureasia.com/ja-jp/research/highlight/10716
14. https://www.natureasia.com/ja-jp/nature/highlights/83856
15.https://jp.techcrunch.com/2017/07/15/20170714googles-life-sciences-unit-is-releasing-20-million-bacteria-infected-mosquitoes-in-fresno/
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
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