科學(xué)家發(fā)現(xiàn)瘧原蟲(chóng)在蚊子宿主體內(nèi)需要一段時(shí)間才能獲得進(jìn)化優(yōu)勢(shì)

瘧疾寄生蟲(chóng)是適應(yīng)大師。為了完成其生命周期，寄生蟲(chóng)必須從蚊子傳播到人類(lèi)，然后再傳播回蚊子。經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化，它已經(jīng)完美地適應(yīng)了這兩個(gè)宿主。盡管我們對(duì)瘧疾周期的了解已有100多年的歷史，但許多問(wèn)題仍未得到解答。

其中一個(gè)問(wèn)題涉及瘧疾寄生蟲(chóng)在蚊子體內(nèi)發(fā)育所需的持續(xù)時(shí)間。目前估計(jì)瘧疾寄生蟲(chóng)平均12天后即可傳播。然而，蚊子在自然界中預(yù)計(jì)平均存活兩周。

因此，它們的發(fā)育所需的12天似乎有悖常理：人們會(huì)期望寄生蟲(chóng)盡快傳播給人類(lèi)，因?yàn)榧纳x(chóng)在蚊子體內(nèi)度過(guò)的每一天都會(huì)增加蚊子在寄生蟲(chóng)傳播之前死亡的機(jī)會(huì)咬一口。那么，有什么優(yōu)勢(shì)可以證明不被傳播的風(fēng)險(xiǎn)是合理的呢?

進(jìn)化妥協(xié)

柏林馬克斯·普朗克感染生物學(xué)研究所Levashina實(shí)驗(yàn)室的研究人員現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)了這一優(yōu)勢(shì)，并為更好地了解蚊子體內(nèi)的寄生蟲(chóng)進(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。他們表明，如果寄生蟲(chóng)在傳播給人類(lèi)之前在蚊子中停留更長(zhǎng)時(shí)間，就會(huì)受益于蚊子豐富的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)，最終導(dǎo)致更成功的傳播。因此，寄生蟲(chóng)傳播給人類(lèi)的時(shí)間是“適應(yīng)感染”和“準(zhǔn)時(shí)離開(kāi)”之間的進(jìn)化權(quán)衡。

這些結(jié)果是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，通過(guò)數(shù)學(xué)模型獲得的。該研究的第一作者保拉·卡里洛-布斯塔曼特(PaolaCarrillo-Bustamante)解釋說(shuō)：“在實(shí)驗(yàn)室中追蹤瘧原蟲(chóng)的進(jìn)化幾乎是不可能的。”“為了研究進(jìn)化壓力，需要跟蹤數(shù)百個(gè)傳播周期：蚊子-哺乳動(dòng)物-蚊子。這對(duì)于人類(lèi)瘧疾寄生蟲(chóng)來(lái)說(shuō)是不可能的。”

數(shù)學(xué)模型以數(shù)學(xué)公式捕捉真實(shí)過(guò)程，使研究人員能夠做出預(yù)測(cè)并分析和理解這些過(guò)程在不同條件下的行為。已經(jīng)有瘧疾傳播模型基本上描述了蚊子的生活。然而，它們通常只包括幼蟲(chóng)發(fā)育、叮咬行為、繁殖和蚊子年齡的變量。這些模型預(yù)測(cè)了瘧原蟲(chóng)將在較短的發(fā)育期中進(jìn)化的直觀預(yù)期，如上所述，現(xiàn)實(shí)情況并非如此。

優(yōu)化模型

模型與現(xiàn)實(shí)不完全對(duì)應(yīng)的事實(shí)本身并不是問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兪冀K只是現(xiàn)實(shí)的近似值。但是，如果模型不能正確表示關(guān)鍵機(jī)制，則需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。研究人員的任務(wù)是找到缺失的變量，使傳播模型能夠正確描述寄生蟲(chóng)的發(fā)育時(shí)間。先前對(duì)蚊子新陳代謝的研究為缺失的變量提供了線索。

為了發(fā)育卵，雌性蚊子需要哺乳動(dòng)物血液中的營(yíng)養(yǎng)，這就是它們叮咬人類(lèi)的原因。在吸血過(guò)程中，瘧疾寄生蟲(chóng)進(jìn)入蚊子腸道，并利用相同的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)自身發(fā)育。然而，蚊子一生中往往會(huì)叮咬不止一次。

卡里洛-布斯塔曼特說(shuō)：“我們的模型預(yù)測(cè)，每次吸血后，寄生蟲(chóng)都會(huì)變得更強(qiáng)，因此多次叮咬會(huì)讓寄生蟲(chóng)受益。”“有了這些重要信息，我們修改了傳播模型。多次叮咬需要時(shí)間——這可能是寄生蟲(chóng)在蚊子體內(nèi)等待很長(zhǎng)時(shí)間才能從盡可能多的血液中受益的原因。”

不僅僅是注射器

添加新變量“新陳代謝”后，研究人員隨后利用更新后的傳播模型進(jìn)行了進(jìn)化實(shí)驗(yàn)。他們讓虛擬寄生蟲(chóng)有機(jī)會(huì)隨機(jī)改變它們?cè)谖米芋w內(nèi)的發(fā)育時(shí)間，即發(fā)生突變。然后，他們讓模型運(yùn)行5,000天，這足以讓自然選擇找到最佳的發(fā)育時(shí)間。

無(wú)論起始點(diǎn)是短發(fā)育時(shí)間還是長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間的寄生蟲(chóng)，發(fā)育時(shí)間為12天的寄生蟲(chóng)總是會(huì)在群體中被選擇。這種進(jìn)化最優(yōu)也可以在現(xiàn)實(shí)中觀察到。對(duì)于Carrillo-Bustamante，結(jié)果表明現(xiàn)有模型需要補(bǔ)充。“以前的模型經(jīng)常將蚊子視為將瘧疾寄生蟲(chóng)傳播給人類(lèi)的注射器。我們的研究表明，在傳播模型中必須考慮蚊子與寄生蟲(chóng)的相互作用。”

瘧疾仍然是一個(gè)不斷變化的目標(biāo)。我們需要全面了解這種疾病，以制定有效的對(duì)策，因?yàn)槊磕耆杂?.5億人感染瘧疾。準(zhǔn)確的疾病傳播模型是了解疾病和正確預(yù)測(cè)未來(lái)流行病的重要一步。這在環(huán)境條件不斷變化的時(shí)代尤為重要，因?yàn)闅夂蜃兓瘜懠矌У搅耸澜缧碌貐^(qū)。

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