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

瘧疾寄生蟲是適應(yīng)大師。為了完成其生命周期，寄生蟲必須從蚊子傳播到人類，然后再傳播回蚊子。經(jīng)過數(shù)百萬年的進(jìn)化，它已經(jīng)完美地適應(yīng)了這兩個宿主。盡管我們對瘧疾周期的了解已有100多年的歷史，但許多問題仍未得到解答。

其中一個問題涉及瘧疾寄生蟲在蚊子體內(nèi)發(fā)育所需的持續(xù)時間。目前估計瘧疾寄生蟲平均12天后即可傳播。然而，蚊子在自然界中預(yù)計平均存活兩周。

因此，它們的發(fā)育所需的12天似乎有悖常理：人們會期望寄生蟲盡快傳播給人類，因為寄生蟲在蚊子體內(nèi)度過的每一天都會增加蚊子在寄生蟲傳播之前死亡的機(jī)會咬一口。那么，有什么優(yōu)勢可以證明不被傳播的風(fēng)險是合理的呢?

進(jìn)化妥協(xié)

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

這些結(jié)果是根據(jù)實驗室實驗的結(jié)果，通過數(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：“在實驗室中追蹤瘧原蟲的進(jìn)化幾乎是不可能的。”“為了研究進(jìn)化壓力，需要跟蹤數(shù)百個傳播周期：蚊子-哺乳動物-蚊子。這對于人類瘧疾寄生蟲來說是不可能的。”

數(shù)學(xué)模型以數(shù)學(xué)公式捕捉真實過程，使研究人員能夠做出預(yù)測并分析和理解這些過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發(fā)育、叮咬行為、繁殖和蚊子年齡的變量。這些模型預(yù)測了瘧原蟲將在較短的發(fā)育期中進(jìn)化的直觀預(yù)期，如上所述，現(xiàn)實情況并非如此。

優(yōu)化模型

模型與現(xiàn)實不完全對應(yīng)的事實本身并不是問題，因為它們始終只是現(xiàn)實的近似值。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的發(fā)育時間。先前對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物血液中的營養(yǎng)，這就是它們叮咬人類的原因。在吸血過程中，瘧疾寄生蟲進(jìn)入蚊子腸道，并利用相同的營養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)自身發(fā)育。然而，蚊子一生中往往會叮咬不止一次。

卡里洛-布斯塔曼特說：“我們的模型預(yù)測，每次吸血后，寄生蟲都會變得更強(qiáng)，因此多次叮咬會讓寄生蟲受益。”“有了這些重要信息，我們修改了傳播模型。多次叮咬需要時間——這可能是寄生蟲在蚊子體內(nèi)等待很長時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)化實驗。他們讓虛擬寄生蟲有機(jī)會隨機(jī)改變它們在蚊子體內(nèi)的發(fā)育時間，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)育時間。

無論起始點是短發(fā)育時間還是長發(fā)育時間的寄生蟲，發(fā)育時間為12天的寄生蟲總是會在群體中被選擇。這種進(jìn)化最優(yōu)也可以在現(xiàn)實中觀察到。對于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傳播給人類的注射器。我們的研究表明，在傳播模型中必須考慮蚊子與寄生蟲的相互作用。”

瘧疾仍然是一個不斷變化的目標(biāo)。我們需要全面了解這種疾病，以制定有效的對策，因為每年仍有2.5億人感染瘧疾。準(zhǔn)確的疾病傳播模型是了解疾病和正確預(yù)測未來流行病的重要一步。這在環(huán)境條件不斷變化的時代尤為重要，因為氣候變化將瘧疾帶到了世界新地區(qū)。

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