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御風而行的神祕疾病?

milkdoggy
・2014/05/22 ・2676字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

本文由民視《科學再發現》贊助,泛科學獨立製作

目前人類已知的疾病散播途徑,可能要再增添一筆。2014年5月在PNAS上發表的一篇研究,指出了可能是人類史上第一個發現以風媒散播的發病因子,是甚麼病呢? 這是一種在1960年代在日本發現,但迄今仍未發現病源的川崎氏病

甚麼是川崎氏病?

川崎氏病是一種好發於幼兒的疾病(年齡為六個月至五歲以下),這種病的流行期集中在每年的四月至六月,最初由小兒科教授川崎富作 (Tomisaku Kawasaki) 於1961年在日本首度紀錄;病發初期可注射抗體治療,若初期未治療妥當,則後期會發生冠狀動脈發炎甚至引起心臟病。這個疾病的成因至今仍是個謎,對於是否是單純因環境引起的自體免疫,還是由病原體引起的傳染性疾病,仍未有定論。

到底如何發病?

川崎氏病在固定月份引起高峰期的現象,吸引了理論生態學家羅多 (Xavier Rodó) 的注意,並帶領西班牙的研究團隊與日本合作開始對這現象展開研究。他們注意到日本川崎氏病的高峰期與西北氣流在時間上有重疊,這可能暗示了這種疾病的發生與兩國之間的空氣對流有關係,但要怎麼檢測它們有關聯呢?

他們首先使用了一種電腦模擬系統FLEXPART,這是一種藉由運算大氣流動方向來尋求其中的物質歷史軌跡的軟體,運算後發現,在四月到六月期間,日本受到大量西北風的吹襲,而這些風的路徑在地理上與大陸東北有高度重疊(圖一),在時間上,與日本40幾年來累積的疾病通報資料之川崎氏病高峰期也吻合;另外,調查後發現,大陸東北有著大量的農業區

圖一、黃色區域為計算了來自日本歷年醫療資料中,川崎氏病高峰期的時間其風向來源區域,暗棕色點則為農業區。
圖一、黃色區域為計算了來自日本歷年醫療資料中,川崎氏病高峰期的時間其風向來源區域,暗棕色點則為農業區。圖片截自原始文獻 (Rodó et al., 2014)。

 

傳染還是非傳染?

為了釐清川崎氏病的流行,是否肇因人對人的傳染而引起? 研究團隊調查了東京及其他鄰近城市的發病情形,邏輯是,如果疾病是透過傳染而流行起來,則城市與城市之間的疫情,會有時間差,於是他們建立了一個簡易的易感-暴露-感染-復原模型(susceptible-exposed-infected-recovered, SEIR),輸入各城市的川崎氏病歷史回報資料,看是否有甚麼蛛絲馬跡可循,結論是,目前沒有已知的傳染病有這麼高的傳染效率,因為城市間的疾病通報資料,顯示時間差非常的短,即使把目前已知潛伏期最短的感冒病毒(如鼻病毒及B型流感),再縮短它的潛伏期十倍,在城市間散佈的時間仍高於目前觀察到的資料,因此排除了川崎氏病的流行是走人傳人的途徑。如果不是傳染,那是為什麼呢?很可能是所有的易感個體幾乎同時曝露在發病源下,這也與前者的風向說不謀而合。

風裡到底有甚麼?

為了瞭解這些風與川崎氏病的關係,研究團隊想出蒐集了空氣中的散布物資訊,看看裡面到底有甚麼,於是他們在東京市蒐集空氣中花粉及化學物,但這些物質都與川崎氏病的高峰時間不一致;接著,他們進行分析與川崎氏病流行期重疊的高空氣流內的微生物相(microbiota),他們在高度約2000~3000公尺的對流層(tropospheric)蒐集微生物,並與在地表附近蒐集的對照組看看有甚麼差異;這邊,是利用空氣中含有的微生物樣本下去做PCR擴增實驗,因為只要蒐集到生物,那就會有DNA,有了DNA並進行特定分類群片段的PCR擴增時,若蒐集到的生物裡面,有符合我們特定分類群片段的DNA,那就會有反應,如果沒有該分類群,那就不會有反應(因為沒有該分類群,就不會有該分類群特有的DNA片段,PCR對該片段的合成也不會成功)。

研究團隊就是利用細菌與真菌特有的16S與18S rRNA基因片段進行PCR擴增後,發現了在高空的樣本中充滿大量念珠菌屬(Candida sp.)物種的反應,而地表附近的樣本在經過PCR後只發現麴黴屬(Aspergillus sp.)的反應(圖二)。目前觀察發現,真菌與農作物有相當常見的共生或寄生關係,而念珠菌在動物實驗上,也的確展示出部分與川崎氏病類似的症狀,因此在綜合了檢測大氣中的微生物、測量大氣對流的源頭並且排除傳染的可能性後,在日本的川崎氏病,也許與經由大氣散播的的念珠菌或其製造的毒素有關

圖二、藉由PCR反應分析空氣裡的微生物相,高空中的微生物中,念珠菌屬物種就超過54%,而地表附近的空氣蒐集到的樣本,則全部都是麴黴屬。
圖二、藉由PCR反應分析空氣裡的微生物相,高空中的微生物中,念珠菌屬物種就超過54%,而地表附近的空氣蒐集到的樣本,則全部都是麴黴屬。圖片截自原始文獻 (Rodó et al., 2014)。

 

後記

本研究揭露了在日本的川崎氏病,其發病原因與高空對流帶來的念珠菌有潛在的關聯性,但並沒有辦法直接推論是念珠菌引起的,畢竟這些念珠菌是不是真的由中國的農業區來的還不知道(這可能要再跟中國合作調查農作物),也沒有明確指出念珠菌產生了甚麼東西讓日本的小孩發病,因為目前已知的真菌毒素(mycotoxin)中,並沒有任何一種會讓人類引起川崎氏病的症候群再來是,川崎氏病並非日本獨有的疾病,在美國本土也有發生,那有任何類似的大氣對流活動也發生在美國嗎? 或進一步問,美國的川崎氏病是不是也是因為這種大氣對流帶來的毒物引發的呢? 這些都有待解釋,但這篇研究的貢獻在於,他們用比較巨觀的角度去看一個疾病發生的原因,結合生態學觀點、數學模型與歷年醫學資訊去探索川崎氏病這塊雜亂的拼圖,我認為是非常好的一個起點,相信未來對美國川崎氏病的研究會帶來更多的亮點,為這塊雜亂的未知圖像補上更完整的場景。

延伸閱讀:

  • 川崎氏病-Wikipedia
  • FLEXPART的網站,內有文獻可得知運算機制。
  • SEIR只是疾病擴散的其中一種模型,可至下方wiki連結見到各種擴散模型介紹。
  • PCR,聚合酶連鎖反應(Polymerase Chain Reaction),是目前生物科學廣泛使用的工具,原理可見這個很直白的卡通影片

原始文獻:

Rodó, et al. 2014. Tropospheric winds from northeastern China carry the etiologic agent of Kawasaki disease from its source to Japan. Proceedings of the National Academy of Sciences, early edition. doi: 10.1073/pnas.1400380111

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延伸科學再發現@科技大觀園


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milkdoggy
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以科學、哲學與電玩為精神食糧,曾任學術期刊《Taiwania》、科普雜誌《BBC知識》編輯,現任天下文化科學叢書編輯。


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觀賞蝦身上長蟲?俗稱蝦蛭、也不盡然是寄生蟲的蛭蚓

YTLai_96
・2020/12/29 ・3250字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

近年來觀賞蝦養殖興起,連帶的也讓許多人注意到心愛的蝦子身上有時會出現細長的條狀物。對飼主而言,這些像水蛭一樣用前後吸盤交錯黏附移動的不速之客,通常都稱之為「蝦蛭」,而且看那副噁心的長條模樣,勢必就是寄生在蝦子身上造成病狀的禍首,非除之而後快不可。

不過,這些坊間流傳的資訊裡頭其實有些誤會,且讓我們一一道來。

黏在淡水蝦頭上的兩隻蛭蚓。圖/作者提供

那些很像蛭類的小東西

首先,雖然這些細長條狀的蟲像水蛭一樣,用前後吸盤交錯黏附移動,但是牠們其實並不真的屬於蛭類,而是蛭類的親戚,叫做蛭蚓(Branchiobdellidan)。

蛭蚓,顧名思義,就是長相上介於蚯蚓和蛭類的動物。一般而言,蛭蚓的體型微小,身體圓柱狀,僅有數公釐至一公分出頭。雖然蛭蚓和蛭類一樣都是以頭尾交替吸附的方式移動,但蛭類擁有口吸盤和尾吸盤,蛭蚓卻只有尾吸盤而沒有口吸盤。此外,比起擁有 27 節軀幹體節的蛭類,蛭蚓的軀幹體節數僅有 11 節,加上癒合為頭部的 4 節體節也才 15 節。整體而言,似乎像是簡單版的蛭類,因此 21 世紀之前,蛭蚓被視為是較原始的蛭類。

然而,藉著分子親緣技術與工具的進步,本世紀初的研究發現蛭蚓是與蛭類有共祖的姊妹群,而不是原始的蛭類。因此,蛭蚓身上這些看似簡單版的蛭類特徵,應該只是共祖的後代在適應環境的過程中演化的結果。

蛭蚓在解剖顯微鏡下的模樣,左邊為游離搖擺的頭部,右邊則是吸附於表面的尾吸盤。圖/作者提供

蛭蚓或許礙眼,但並不一定是寄生蟲

和蛭類相比,蛭蚓的生活史實在是更不獨立了點。蛭類當中僅有一部份種類不時得附著在其他動物身上吸血營生,但目前已知的所有蛭蚓終其一生都必須附著在其他動物身上,而且絕大多數是以淡水蝦如螯蝦、米蝦為附著的優先選擇,但也有附著於淡水等足目或其他淡水蝦蟹的記錄,因此蛭蚓對於附著的淡水甲殼類種類並沒有強烈的專一性。

話說回來,蛭蚓雖然整個生活史都要依附在淡水蝦身上,但並不表示牠一定就是對淡水蝦有傷害的寄生蟲。如果蛭蚓的依附讓淡水蝦的生活變得更辛苦,那麼蛭蚓就是對淡水蝦宿主有負面影響的寄生蟲;但如果蛭蚓的依附生活史對淡水蝦不痛不癢,那麼蛭蚓和淡水蝦宿主就是片利共生的關係;而若是蛭蚓的存在讓淡水蝦生活得更好,那麼兩者就是互利共生的關係了。

因此,雖然坊間對蛭蚓在觀賞蝦身上的危害言之鑿鑿,但過去的研究顯示,蛭蚓的食性其實多半是其他更小的無脊椎動物或浮游生物,也會啃食宿主外骨骼上附著的單細胞藻類和其他有機碎屑,況且牠們由兩片硬化的顎構成的口器,實在也不適合啃食宿主的組織或吸食宿主的體液。先前的多數研究也發現,北美洲的蛭蚓待在螯蝦宿主身上,大部分時候既不會提高螯蝦的死亡率,也沒有其他明顯的負面影響,因此蛭蚓和淡水蝦的關係,應該是以對蛭蚓有利、對淡水蝦宿主無害的片利共生為主。

北美螯蝦螯上的蛭蚓。圖/Wikipedia

更進一步而言,蛭蚓依附在淡水蝦身上啃蝕宿主外骨骼黏附的藻類和碎屑,其實可能對宿主是有利的。在一些先前的研究中發現,當蛭蚓在螯蝦宿主身上達到相當密度,則可能因為清理了淡水蝦宿主身上和鰓上沾附的碎屑和藻類,讓宿主變得更身輕如燕而健康,因此蛭蚓和淡水蝦宿主就像是清潔蝦與海鰻一樣,形成了互利共生的雙贏局面。

清潔蝦與海鰻的互利共生關係。圖/Wikipedia

然而,要說蛭蚓在淡水蝦身上一點壞處都不會有,倒也不盡然。近年來的研究發現,當蛭蚓在淡水蝦身上的密度過高,可能就會在吃光了宿主外骨骼上附著的碎屑和藻類之後轉而啃食宿主的鰓組織,因此對宿主造成了負面影響。過高的蛭蚓密度也會限制淡水蝦宿主的移動能力,讓宿主無法正常進食,並且更容易成為捕食者的目標。蛭蚓的胃內含物分析也發現,蛭蚓幼體的消化道中的確有宿主的鰓組織,但蛭蚓成體卻沒有,而且只有棲息在宿主鰓部的蛭蚓,消化道中才會出現宿主的組織。因此,在蛭蚓的生活史中,或許只有早期生活史的幼體階段,而且只有在蛭蚓正好棲息於淡水蝦鰓部的時候,才可能轉以寄生的形式造成宿主負面影響。

台灣的蛭蚓目前僅一種,而且所知不多

話說回來,上述的研究都是以北美的蛭蚓和螯蝦宿主為研究的對象。在台灣,目前已知的蛭蚓只有平頭霍氏蛭蚓(Holtodrilus truncatus一種,這種蛭蚓廣泛分佈在台灣、日本、韓國與中國,而且多半是在俗稱黑殼蝦的擬多齒米蝦(Caridina pseudodenticulata)、台灣米蝦(Caridina formosae)、白斑米蝦(Caridina leucosticta)、多齒米蝦(Caridina multidentata)、甚至玫瑰蝦(Neocaridina davidi)等的小型淡水蝦身上發現。根據研究,目前僅知分佈於日本本州中部紀伊半島的平頭霍氏蛭蚓的確存在著某些宿主偏好,當兩種不同的淡水蝦同時存在時,會選擇特定一種做為宿主,而且對宿主的選擇偏好也符合在野外觀察到的感染盛行率。至於牠們對宿主的影響是否相似於北美的蛭蚓和螯蝦宿主,也還不得而知,或許因為宿主的相對體型更小,使得台灣的蛭蚓和淡水蝦之間更可能趨近於寄生關係也說不定。

尷尬的是,由於近年來台灣在觀賞淡水蝦市場上輸出了不少淡水蝦個體,連帶的也讓平頭霍氏蛭蚓輸出到世界各國,成了異國水族缸裡的新成員。2020 年的波蘭研究發現,120 隻從台北運到華沙的水族賞玩用的台灣米蝦當中,總共找出了 122 隻附在蝦子身上的平頭霍氏蛭蚓,整體來說這些米蝦感染蛭蚓的比例達 23.3%,感染蛭蚓的米蝦身上平均有 4.4 隻蛭蚓。區分米蝦的性別來看,雄蝦感染蛭蚓的比例似乎稍高,但雌蝦感染的蛭蚓平均數量比較多。平頭霍氏蛭蚓感染的位置也有所偏好,有 44.3% 的感染落在胸足區域,22.1% 的感染在額角附近,其次是 21.3% 的感染在腹足與腹部區域,最後才是 12.3% 的鰓部感染。此外,雖然雌雄米蝦同樣在胸足區域有最多的感染,但雄蝦被蛭蚓感染的位置更常發生在腹足與腹部區域(43.3%),卻不曾出現在額角;反觀雌蝦被蛭蚓感染額角區域有29.3%,在腹足與腹部區域則僅有14.1%。

如何去除平頭霍氏蛭蚓

讓淡水蝦玩家皺眉的消息是,在 2020 年這一篇研究中,雌性台灣米蝦的鰓部、腹足和腹部區域的確可見些許損傷,雖然也可能有其他的原因,但這有可能就是因為平頭霍氏蛭蚓活動造成的。所以,即使蛭蚓可能無害,但對淡水蝦玩家來說,或許是看了討厭、或者是為求保險,總之也許還是希望將蛭蚓除之而後快。那麼,到底該怎麼做才好呢?

其實,去除蛭蚓最簡單的方式,就是將水體鹽度升高到 0.5% 以上。根據 2016 年的日本研究,平頭霍氏蛭蚓在水體鹽度達1%時,三小時內就會死光光,不過這個實驗是把蛭蚓從宿主身上取下來以後才進行的,所以各位淡水蝦玩家們哪天要是想依法炮制,千萬務必先確定手上的淡水蝦能夠忍受鹽度 1% 超過三小時,否則為了去除蛭蚓結果也讓心愛的蝦子魂歸西天,宿主因為附生的無害小蟲而玉石俱焚豈不得不償失,你說是不是哪?

參考文獻:

Brown BL, Creed RP, Dobson WE (2002) Branchiobdellid annelids and their crayfish hosts: are they engaged in a cleaning symbiosis? Oecologia 132: 250–255

Brown BL, Creed RP, Skelton J, Rollins MA, Farrell KJ (2012) The fine line between mutualism and parasitism: complex effects in a cleaning symbiosis demonstrated by multiple field experiments. Oecologia 170: 199–207

Farrell KJ, Creed RP, Brown BL (2014) Preventing overexploitation in a mutualism: partner regulation in the crayfish–branchiobdellid symbiosis. Oecologia 174: 501–510

Maciaszek R, Jabłońska A, Prati S, Swiderek W (2020) First report of freshwater atyid shrimp, Caridina formosae (Decapoda: Caridea) as a host of ectosymbiotic branchiobdellidan, Holtodrilus truncatus (Annelida, Citellata). Knowledge & Management of Aquatic Ecosystems 421: 33–40

Niwa N, Archdale MV, Matsuoka T, Kawamoto A, Nishiyama H (2014) Microhabitat distribution and behaviour of Branchiobdellidan Holtodrilus truncatus found on the freshwater shrimp Neocaridina spp. from the Sugo River, Japan. Central European Journal of Biology 9: 80–185

Tanaka K, Wada K, Hamasaki K (2016) Distribution of Holtodrilus truncatus, a Branchiobdellidan Ectosymbiotic on Atyid Shrimps in the Kii Peninsula, Western Japan, with Reference to Salinity Tolerance and Host Preference. Zoological Science, 33: 154–161

大高明史,陳榮宗(2010)台灣內水域新紀錄一種蛭蚓類及四種貧毛類。台灣生物多樣性研究 12: 97–110

大高明史,格爾德,大和茂之,陳榮宗,西野麻知子(2015)台灣匙指蝦類體表兩種外共生蛭蚓目及切頭類之共棲。台灣生物多樣性研究 17: 253–262

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YTLai_96
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也許永遠無法自稱學者,但總是一直努力學著