离奇的维生素缺乏症正在杀死多种动物

SME科技故事 2021-04-21 18:41


来源  The Atlantic
作者  Alastair Bland, Hakai magazine
翻译  SME科技故事

硫胺素,即维生素B1,是任何生命体都离不开的营养物质,然而,一些海洋系统非常缺乏它。


2020年1月初,在美国加州的科尔曼国家鱼类孵化场,迷失方向的鱼苗引起了工人的注意。抬头看着户外的水缸,工人们发现,在深橄榄色的鱼群里,偶尔会有一些鱼苗从鱼群里游出来,闪着银光。它们左右翻滚,一会沉到底部,一会又突然向上游,然后再翻滚。

在一个容纳数百万条鱼的地方有几百条鱼死掉看似平常,真相却并不简单。

孵化场经理布雷特·加利安(Brett Galyean)说,每天都会有几千条鱼死去,而且这个数字没有在下降。加利安团队已经孵化了600多万条鱼,这大约是科尔曼孵化场年产量的一半。

刚刚孵化出来的鲑鱼苗

加州内华达鱼类健康中心的生物学家检查了这些鱼,却无法做出诊断,于是样本被送到加州大学戴维斯分校进行进一步的检测。

据加利安回忆,在那时,加州的其他鲑鱼孵化场也开始报告鱼苗的高死亡率情况。导致科尔曼鲑鱼死亡的因素,显然也影响了其他加州北部的鱼群,加利安和同事们担心某种病毒正在鱼群里蔓延。

面对每天数以千计的鱼的死去,他们决定上网寻求帮助,他们找到了有关五大湖区鳟鱼以及东海岸大西洋鲑鱼营养缺乏的研究。

十几年前,人们发现这些地区生病和濒死的鱼缺乏硫胺素,即维生素B1。维生素B1是生命的基本组成物质,对于细胞的工作和能量的转化至关重要。

受到这一发现的启发,鱼类健康中心的生物学家进行了一项试验,将一半的鱼苗浸泡在溶有硫胺粉的水中。加利安说,这就像魔法一样,几个小时后,这些鱼都恢复了正常,而另一半对照组的鱼苗的症状还在继续。

鱼类孵化场的工人首先观察到鲑鱼苗不规律地游泳且左右侧翻


科尔曼和其他孵化场一样,扩大了处理的规模,将其应用于一百多万的鱼苗。这很快就起了作用,却没有从根本上解决问题。鱼类通过食物摄取硫胺素,而雌鱼将营养物质传递给鱼卵,这表明,问题恐怕出在太平洋——这是鱼类进入淡水产卵前最后一次进食的地方。

如今,加州的研究人员正在调查鲑鱼营养问题的成因,他们正在为理解硫胺素缺乏症做出巨大的努力。硫胺素的缺乏正在导致鸟类、鱼类、无脊椎动物甚至哺乳动物的生病与死亡,这让科学家们怀疑,一些无法解释的过程正在破坏食物链的基础,因为它消耗了生态系统中的重要营养物质。

硫胺素来源于食物链的最底部,某些细菌、真菌、浮游生物和植物将化合物转化成维生素B1,从而再合成其他化合物。在自然界,维生素B1以多种形式存在,通过食物链的积累,得以最终进入地球上的每一种动植物。任何生命体缺了它都不行。

在动物体内,硫胺素与几种酶相互作用,帮助细胞产生能量,维持最基本的代谢过程。缺少硫胺素时,细胞的功能将受影响,动物将表现出异常行为,患上神经系统和生殖系统疾病,最终死亡。

硫胺素分子结构

近一个世纪以来,科学家们一直认为硫胺素的缺乏只会威胁人类的健康,直到20世纪90年代,加拿大科学家约翰·菲茨西蒙斯(JohnFitzsimons)才发现硫胺素缺乏对野生动物同样构成了威胁。当时他正在安大略省与加拿大渔业及海洋部公司合作,研究在工业污染大幅减少、水质改善之后,五大湖区鳟鱼产量仍持续下降的原因。

菲茨西蒙斯在研究圈养环境中出生的湖鳟时,观察到了一些异常兴奋、失去平衡的个体。他想知道这是否为营养缺乏所致,为了验证这一假设,他在水中溶解了各种维生素,并给处于不同阶段的鳟鱼注射这些溶液,或让鱼在溶液中浸泡。这样一来,他就能发现哪种维生素可以治愈鱼类的异常症状。

“这归结于一系列维生素B,”菲茨西蒙斯说,“只有硫胺素可以逆转那些症状。”他在1995年发表的研究成果启发了北欧和五大湖地区的其他科学家,后来,他们在北半球的几十个物种中都发现了硫胺素缺乏症。

科尔曼国家鱼类孵化场通过向水中添加硫胺素来暂时解决鱼类的问题。

1998年,环境生物学家巴尔克(Lennart Balk)和他来自瑞典斯德哥尔摩大学的同事Gun Åkerman发表研究称,硫胺素缺乏导致了瑞典达尔河的幼年大西洋鲑鱼的高死亡率。几年后,他们发现硫胺素与一种特殊的麻痹症状有关,这种症状影响了波罗的海地区的20多种鸟类。

在2009年发表的一篇论文中,他们指出,这个症状明显导致了雌鸟产卵的减少,同时降低了孵出的幼鸟的存活率,与硫胺素缺乏有关的繁殖失败可能导致了鸟类种群的普遍减少。

接下来的几年里,巴尔克和他的国际团队发现硫胺素缺乏症影响了在北美东海岸捕获的波罗的海蓝贻贝和鳗鱼。在那时,科学家已经关注到了硫胺素缺乏的其他威胁:亚致死作用,除了致死,它还会严重影响人的耐力、力量、协调性和记忆力等。

对于鸟类来说,它可能会导致瘫痪、发声能力的丧失,以及繁殖失败。最终,亚致死作用会变得和致死作用一样严重,因为它们可能会在连科学家都意识不到的很长一段时间里伤害生物,使其行为异常。

硫胺素缺乏症可能不仅限于水生动植物,巴尔克已经检测了瑞典南部驼鹿的肝脏、大脑和血液样本,并测量了与硫胺素活性相关的酶的水平,他说该研究结果表明了严重的硫胺素缺乏。

在一篇2016年发表的论文中,巴尔克和20位联合作者提出了一个假设,认为硫胺素的缺乏会导致野生动物数量的长期下降。他们的论文指出,从1970年到2012年,陆地与海洋脊椎动物物种减半,从1950年到2010年,全球海鸟总量减少了70%。他解释到,由于对生物多样性的已知威胁,比如栖息地丧失等,这些数据下降的比预期的还要快。

在世界各地的陆地、淡水和海洋生态系统中都发现了硫胺素缺乏症,其中包括瑞典的达拉芬河,研究人员将这种缺乏症与该河流域幼鲑的高死亡率联系在一起

那时,巴尔克和其他科学家已经明确发现全球大部分地区的物种都存在硫胺素不足的情况,但尚未找到导致这一情况的根本原因。

西雅图的环境毒理学家特雷西•科利尔(Tracy Collier)与巴尔克合作进行了硫胺素缺乏症的研究,她说: “我们曾经认为,肯定是空气或者水中的某种物质导致了这一情况”。

巴尔克同样感到困惑,却认为人类应该为此负责。他解释说,他在缺乏硫胺素的动物身上观察到的症状十分严重,如果这是自然因素所致,那么这些物种应该早就消失或者适应了。他认为人类活动在一定程度上破坏了维生素B1的生态系统——要么是阻碍了它的产生,要么是阻止了它在不同营养级之间的传递。

在美国地质调查局工作的戴尔·霍尼菲尔德(Dale Honeyfield)持相同观点,他从20世纪90年代中就开始研究硫胺素缺乏的问题。他说:“人类在某种程度上参与其中,硫胺素的缺乏确实表明我们的生态系统遭到了破坏。”

对于究竟是什么剥夺了生物体中的硫胺素,科学家们提出了各种解释,有人认为海洋中的环境改变会一直硫胺素的产生及其在食物链中的传递。南加州大学的生物科学教授塞尔吉奥•萨努多·威廉米(SergioSañudo-Wilhelmy)表示,海水变暖可能会影响产生硫胺素和其他维生素的微生物数量,这可能会打破海洋生态系统赖以生存的基本化学平衡。

他说:“随着温度的变化,不同的浮游植物和细菌有不同的生长速度”。他解释到,按照这个假设,一些不产生硫胺素的微生物可能通过食物摄取硫胺素,从而击败了产生硫胺素的微生物,极大地降低了食物链中的硫胺素浓度。

生物学家为雌性奇努克鲑注射硫胺素


这个机制或许解释了为什么威廉米团队会在约十年前的一个研究中,在下加利福尼亚海岸采集的水样中检测到较低含量的维生素B族。

即使微生物产生了大量的硫胺素,它也必须通过食物网传递。近期的研究提出了各种假设来解释这种转移是如何被阻止的,比如过渡捕捞会破坏硫胺素的传递过程。

由林奈大学的Samuel Hylander和波兰亚捷隆大学的Maciejejssmond领导的科学家团队提出,波罗的海的捕食性鱼类如鳕鱼的减少,可能导致以浮游动物为食的小型鱼类种群过剩,最终让微型浮游植物支配整个水域。

然而,像鸟类或者鲑鱼那样的大型动物不会直接吃浮游植物。相反,他们通过硫胺素向食物链更高级的传递获得硫胺素。根据Ejsmond和Hylander的模型,由于硫胺素不能很有效地从被捕食者传递给捕食者,其中大部分都在传递过程中流失,在一个被破坏的生态系统中,硫胺素很难到达食物网的顶端。

在这个故事里,还有一个意想不到的物质存在:硫胺酶,这是一种天然存在、可以分解硫胺素的酶。硫胺酶存在于特定种类的鱼、植物和微生物中,某些植物和细菌可以利用硫胺酶降解一些受损的、没有营养价值的硫胺素。在某些鱼类中,硫胺素被认为是有益于免疫系统的。然而,当大型捕食者摄入含有硫胺酶的食物时,这种酶会迅速破坏硫胺素,导致捕食者的营养不良。


在20世纪早期,一种叫alewife的小型入侵鲱鱼物种曾肆虐五大湖生态系统,取代了五大湖原生的饲料物种。这种鲱鱼体内含有高浓度硫胺酶,由于它们是湖鳟和其他本地鱼类的主要食物来源,较大的鱼类得上了慢性硫胺素缺乏症。鳟鱼的自然繁殖能力下降,种群数量也急剧减少。这个例子说明单一营养物质可以对整个生态系统产生巨大的影响。

美国地质调查局的环境毒理学家Donald Tillitt说: “一种单一维生素的缺乏可以导致大面积鱼类种群的大量减少,这让我们大开眼界。”20多年来,他一直在研究五大湖鱼类硫胺素缺乏症。

在加利福尼亚周,硫胺酶的缺乏已经成为了萨克拉门托河鲑鱼死亡的罪归祸首。由于近年来地表水温的变化,沿海牧草种类发生了变化。奇努克鲑鱼在这个地区通常捕食各种小鱼、磷虾和乌贼。然而,在2020年产卵季节前的几个月甚至几年里,鲑鱼只吃美洲鳀来维持生命,而美洲鳀的体内富含硫胺酶。

alewife含有硫胺素酶,可破坏硫胺素,导致食物链后端的硫胺素缺乏

但是在硫胺酶在这个谜团中的作用已经成为学界不同意见的分水岭。一些科学家认为,这种酶是导致大型生物缺乏硫胺素的重要原因;其他人则怀疑其中有更复杂的因素导致了大范围的硫胺素生产中止。

在加州,美国国家海洋和大气管理局的渔业生物学家瑞吉儿·约翰逊(Rachel Johnson)正在研究该地营养不良的奇努克鲑鱼,试图弄清楚维生素被剥夺的原因。她说,目前还难以得知硫胺素缺乏症是由于硫胺素酶引起的,还是由于硫胺素的产生及其在食物链的传递中断造成的。

相信硫胺素合成中断说的巴尔克认为,硫胺素缺乏以不同的方式同时影响了不同生态系统中的几十个物种,他说,这似乎难以置信,但这种广泛存在的现象需要一个“有效的假设”,即这些物种具有相似的生理机制。

大西洋鲑

霍尼菲尔德同样提出了一个合理的假设,他认为大范围的环境变化以及改变了基于食物网的硫胺素产生。他说:“如果食物链底部没有合成的进行,那么顶部的捕食者就无法获得硫胺素,至于其中的机制,则是更为复杂的问题了。”
巴尔克认为,一场生态危机正在形成。他说,硫胺素缺乏已经成为一个普遍存在的问题,现在是时候尝试确定致病因素及其背后的机制了。

一些大型的团体也在关注这一问题。2018年,一个由24名专家组成的小组对可能影响地球野生生物和自然系统的100多个新问题进行了梳理。他们发表了一篇关于其中15个问题的论文,包括全球铁循环的变化和激光在深水捕鱼中的应用。

论文目录上的第一项就是“硫胺素缺乏症是野生动物数量减少的一个可能的驱动因素”,该研究指出,硫胺素缺乏症通常不会杀死受影响的个体,但会导致亚致死性的影响,如行为和生殖问题,作者认为营养缺乏可能会渐渐侵蚀整个北半球的野生动物种群。


尽管已有旨在改善淡水环境的保护措施出台,加州的奇努克鲑鱼在数十年里一直在减少。现在看来,硫胺素的缺乏让它们处于了更危险的处境。去年春夏时期,成鱼开始返回萨克拉门托河及其支流的中游产卵,在收集其受精卵时,它们再次显示出了维生素B1缺乏的迹象。河边的大多数孵化场都用硫胺素溶液冲洗鱼苗,而科尔曼孵化场也向成年雌鱼注射硫胺素。

但是这些手段不能产生长期的效果,当幼鲑鱼进入缺乏营养的海洋环境时,其健康状况可能会恶化。“这就像给发烧的孩子吃了退烧药之后马上送他去学校”,约翰逊说。她目前正领导一项有关成年奇努克鲑鱼的眼球晶状体的研究。她说:“晶状体就像洋葱,一圈一圈地存储着鲑鱼一生中摄入的物质。这个研究旨在发现饮食与鱼卵中较低的硫胺素含量的联系。”

如此,我们就能把问题归咎于硫胺酶。然而,一些更深层的原因可能也在起作用,这需要更多的研究以说明环境变化是否影响了硫胺素的产生和流动。更多问题也纷至沓来:有多少物种正在受到影响?问题是否变得更严重了?如果是人类造成了这个问题,人类是否还能补救呢?
 
来源:https://www.theatlantic.com/science/archive/2021/01