離奇的維生素缺乏症正在殺死多種動物
2021年04月22日12:55

  硫胺素,即維生素B1,是任何生命體都離不開的營養物質,然而,一些海洋系統非常缺乏它。

  2020年1月初,在美國加州的科爾曼國家魚類孵化場,迷失方向的魚苗引起了工人的注意。抬頭看著戶外的水缸,工人們發現,在深橄欖色的魚群裡,偶爾會有一些魚苗從魚群裡遊出來,閃著銀光。它們左右翻滾,一會沉到底部,一會又突然向上遊,然後再翻滾。

  在一個容納數百萬條魚的地方有幾百條魚死掉看似平常,真相卻並不簡單。

  孵化場經理佈雷特·加利安(Brett Galyean)說,每天都會有幾千條魚死去,而且這個數字沒有在下降。加利安團隊已經孵化了600多萬條魚,這大約是科爾曼孵化場年產量的一半。

 剛剛孵化出來的鮭魚苗
 剛剛孵化出來的鮭魚苗

  加州內華達魚類健康中心的生物學家檢查了這些魚,卻無法做出診斷,於是樣本被送到加州大學戴維斯分校進行進一步的檢測。

  據加利安回憶,在那時,加州的其他鮭魚孵化場也開始報告魚苗的高死亡率情況。導致科爾曼鮭魚死亡的因素,顯然也影響了其他加州北部的魚群,加利安和同事們擔心某種病毒正在魚群裡蔓延。

  面對每天數以千計的魚的死去,他們決定上網尋求幫助,他們找到了有關五大湖區鱒魚以及東海岸大西洋鮭魚營養缺乏的研究。

  十幾年前,人們發現這些地區生病和瀕死的魚缺乏硫胺素,即維生素B1。維生素B1是生命的基本組成物質,對於細胞的工作和能量的轉化至關重要。

  受到這一發現的啟發,魚類健康中心的生物學家進行了一項試驗,將一半的魚苗浸泡在溶有硫胺粉的水中。加利安說,這就像魔法一樣,幾個小時後,這些魚都恢復了正常,而另一半對照組的魚苗的症狀還在繼續。

魚類孵化場的工人首先觀察到鮭魚苗不規律地游泳且左右側翻
魚類孵化場的工人首先觀察到鮭魚苗不規律地游泳且左右側翻

  科爾曼和其他孵化場一樣,擴大了處理的規模,將其應用於一百多萬的魚苗。這很快就起了作用,卻沒有從根本上解決問題。魚類通過食物攝取硫胺素,而雌魚將營養物質傳遞給魚卵,這表明,問題恐怕出在太平洋——這是魚類進入淡水產卵前最後一次進食的地方。

  如今,加州的研究人員正在調查鮭魚營養問題的成因,他們正在為理解硫胺素缺乏症做出巨大的努力。硫胺素的缺乏正在導致鳥類、魚類、無脊椎動物甚至哺乳動物的生病與死亡,這讓科學家們懷疑,一些無法解釋的過程正在破壞食物鏈的基礎,因為它消耗了生態系統中的重要營養物質。

  硫胺素來源於食物鏈的最底部,某些細菌、真菌、浮遊生物和植物將化合物轉化成維生素B1,從而再合成其他化合物。在自然界,維生素B1以多種形式存在,通過食物鏈的積累,得以最終進入地球上的每一種動植物。任何生命體缺了它都不行。

  在動物體內,硫胺素與幾種酶相互作用,幫助細胞產生能量,維持最基本的代謝過程。缺少硫胺素時,細胞的功能將受影響,動物將表現出異常行為,患上神經系統和生殖系統疾病,最終死亡。

 硫胺素分子結構
 硫胺素分子結構

  近一個世紀以來,科學家們一直認為硫胺素的缺乏只會威脅人類的健康,直到20世紀90年代,加拿大科學家約翰·菲茨西蒙斯(JohnFitzsimons)才發現硫胺素缺乏對野生動物同樣構成了威脅。當時他正在安大略省與加拿大漁業及海洋部公司合作,研究在工業汙染大幅減少、水質改善之後,五大湖區鱒魚產量仍持續下降的原因。

  菲茨西蒙斯在研究圈養環境中出生的湖鱒時,觀察到了一些異常興奮、失去平衡的個體。他想知道這是否為營養缺乏所致,為了驗證這一假設,他在水中溶解了各種維生素,並給處於不同階段的鱒魚注射這些溶液,或讓魚在溶液中浸泡。這樣一來,他就能發現哪種維生素可以治癒魚類的異常症狀。

  “這歸結於一系列維生素B,”菲茨西蒙斯說,“只有硫胺素可以逆轉那些症狀。”他在1995年發表的研究成果啟發了北歐和五大湖地區的其他科學家,後來,他們在北半球的幾十個物種中都發現了硫胺素缺乏症。

科爾曼國家魚類孵化場通過向水中添加硫胺素來暫時解決魚類的問題
科爾曼國家魚類孵化場通過向水中添加硫胺素來暫時解決魚類的問題

  1998年,環境生物學家巴爾克(Lennart Balk)和他來自瑞典斯德哥爾摩大學的同事Gun Åkerman發表研究稱,硫胺素缺乏導致了瑞典達爾河的幼年大西洋鮭魚的高死亡率。幾年後,他們發現硫胺素與一種特殊的麻痹症狀有關,這種症狀影響了波羅的海地區的20多種鳥類。

  在2009年發表的一篇論文中,他們指出,這個症狀明顯導致了雌鳥產卵的減少,同時降低了孵出的幼鳥的存活率,與硫胺素缺乏有關的繁殖失敗可能導致了鳥類種群的普遍減少。

  接下來的幾年里,巴爾克和他的國際團隊發現硫胺素缺乏症影響了在北美東海岸捕獲的波羅的海藍貽貝和鰻魚。在那時,科學家已經關注到了硫胺素缺乏的其他威脅:亞致死作用,除了致死,它還會嚴重影響人的耐力、力量、協調性和記憶力等。

  對於鳥類來說,它可能會導致癱瘓、發聲能力的喪失,以及繁殖失敗。最終,亞致死作用會變得和致死作用一樣嚴重,因為它們可能會在連科學家都意識不到的很長一段時間里傷害生物,使其行為異常。

  硫胺素缺乏症可能不僅限於水生動植物,巴爾克已經檢測了瑞典南部駝鹿的肝臟、大腦和血液樣本,並測量了與硫胺素活性相關的酶的水平,他說該研究結果表明了嚴重的硫胺素缺乏。

  在一篇2016年發表的論文中,巴爾克和20位聯合作者提出了一個假設,認為硫胺素的缺乏會導致野生動物數量的長期下降。他們的論文指出,從1970年到2012年,陸地與海洋脊椎動物物種減半,從1950年到2010年,全球海鳥總量減少了70%。他解釋到,由於對生物多樣性的已知威脅,比如棲息地喪失等,這些數據下降的比預期的還要快。

在世界各地的陸地、淡水和海洋生態系統中都發現了硫胺素缺乏症,其中包括瑞典的達拉芬河,研究人員將這種缺乏症與該河流域幼鮭的高死亡率聯繫在一起
在世界各地的陸地、淡水和海洋生態系統中都發現了硫胺素缺乏症,其中包括瑞典的達拉芬河,研究人員將這種缺乏症與該河流域幼鮭的高死亡率聯繫在一起

  那時,巴爾克和其他科學家已經明確發現全球大部分地區的物種都存在硫胺素不足的情況,但尚未找到導致這一情況的根本原因。

  西雅圖的環境毒理學家特雷西•科利爾(Tracy Collier)與巴爾克合作進行了硫胺素缺乏症的研究,她說: “我們曾經認為,肯定是空氣或者水中的某種物質導致了這一情況”。

  巴爾克同樣感到困惑,卻認為人類應該為此負責。他解釋說,他在缺乏硫胺素的動物身上觀察到的症狀十分嚴重,如果這是自然因素所致,那麼這些物種應該早就消失或者適應了。他認為人類活動在一定程度上破壞了維生素B1的生態系統——要麼是阻礙了它的產生,要麼是阻止了它在不同營養級之間的傳遞。

  在美國地質調查局工作的戴爾·霍尼菲爾德(Dale Honeyfield)持相同觀點,他從20世紀90年代中就開始研究硫胺素缺乏的問題。他說:“人類在某種程度上參與其中,硫胺素的缺乏確實表明我們的生態系統遭到了破壞。”

  對於究竟是什麼剝奪了生物體中的硫胺素,科學家們提出了各種解釋,有人認為海洋中的環境改變會一直硫胺素的產生及其在食物鏈中的傳遞。南加州大學的生物科學教授塞爾吉奧•薩努多·威廉米(SergioSañudo-Wilhelmy)表示,海水變暖可能會影響產生硫胺素和其他維生素的微生物數量,這可能會打破海洋生態系統賴以生存的基本化學平衡。

  他說:“隨著溫度的變化,不同的浮遊植物和細菌有不同的生長速度”。他解釋到,按照這個假設,一些不產生硫胺素的微生物可能通過食物攝取硫胺素,從而擊敗了產生硫胺素的微生物,極大地降低了食物鏈中的硫胺素濃度。

生物學家為雌性奇努克鮭注射硫胺素
生物學家為雌性奇努克鮭注射硫胺素

  這個機製或許解釋了為什麼威廉米團隊會在約十年前的一個研究中,在下加利福尼亞海岸採集的水樣中檢測到較低含量的維生素B族。

  即使微生物產生了大量的硫胺素,它也必須通過食物網傳遞。近期的研究提出了各種假設來解釋這種轉移是如何被阻止的,比如過渡捕撈會破壞硫胺素的傳遞過程。

  由林奈大學的Samuel Hylander和波蘭亞捷隆大學的Maciejejssmond領導的科學家團隊提出,波羅的海的捕食性魚類如鱈魚的減少,可能導致以浮遊動物為食的小型魚類種群過剩,最終讓微型浮遊植物支配整個水域。

  然而,像鳥類或者鮭魚那樣的大型動物不會直接吃浮遊植物。相反,他們通過硫胺素向食物鏈更高級的傳遞獲得硫胺素。根據Ejsmond和Hylander的模型,由於硫胺素不能很有效地從被捕食者傳遞給捕食者,其中大部分都在傳遞過程中流失,在一個被破壞的生態系統中,硫胺素很難到達食物網的頂端。

  在這個故事里,還有一個意想不到的物質存在:硫胺酶,這是一種天然存在、可以分解硫胺素的酶。硫胺酶存在於特定種類的魚、植物和微生物中,某些植物和細菌可以利用硫胺酶降解一些受損的、沒有營養價值的硫胺素。在某些魚類中,硫胺素被認為是有益於免疫系統的。然而,當大型捕食者攝入含有硫胺酶的食物時,這種酶會迅速破壞硫胺素,導致捕食者的營養不良。

  在20世紀早期,一種叫alewife的小型入侵鯡魚物種曾肆虐五大湖生態系統,取代了五大湖原生的飼料物種。這種鯡魚體內含有高濃度硫胺酶,由於它們是湖鱒和其他本地魚類的主要食物來源,較大的魚類得上了慢性硫胺素缺乏症。鱒魚的自然繁殖能力下降,種群數量也急劇減少。這個例子說明單一營養物質可以對整個生態系統產生巨大的影響。

  美國地質調查局的環境毒理學家Donald Tillitt說: “一種單一維生素的缺乏可以導致大面積魚類種群的大量減少,這讓我們大開眼界。”20多年來,他一直在研究五大湖魚類硫胺素缺乏症。

  在加利福尼亞周,硫胺酶的缺乏已經成為了薩克拉門托河鮭魚死亡的罪歸禍首。由於近年來地表水溫的變化,沿海牧草種類發生了變化。奇努克鮭魚在這個地區通常捕食各種小魚、磷蝦和烏賊。然而,在2020年產卵季節前的幾個月甚至幾年里,鮭魚只吃美洲鯷來維持生命,而美洲鯷的體內富含硫胺酶。

 alewife含有硫胺素酶,可破壞硫胺素,導致食物鏈後端的硫胺素缺乏
 alewife含有硫胺素酶,可破壞硫胺素,導致食物鏈後端的硫胺素缺乏

  但是在硫胺酶在這個謎團中的作用已經成為學界不同意見的分水嶺。一些科學家認為,這種酶是導致大型生物缺乏硫胺素的重要原因;其他人則懷疑其中有更複雜的因素導致了大範圍的硫胺素生產中止。

  在加州,美國國家海洋和大氣管理局的漁業生物學家瑞吉兒·約翰遜(Rachel Johnson)正在研究該地營養不良的奇努克鮭魚,試圖弄清楚維生素被剝奪的原因。她說,目前還難以得知硫胺素缺乏症是由於硫胺素酶引起的,還是由於硫胺素的產生及其在食物鏈的傳遞中斷造成的。

  相信硫胺素合成中斷說的巴爾克認為,硫胺素缺乏以不同的方式同時影響了不同生態系統中的幾十個物種,他說,這似乎難以置信,但這種廣泛存在的現象需要一個“有效的假設”,即這些物種具有相似的生理機製。

 大西洋鮭
 大西洋鮭

  霍尼菲爾德同樣提出了一個合理的假設,他認為大範圍的環境變化以及改變了基於食物網的硫胺素產生。他說:“如果食物鏈底部沒有合成的進行,那麼頂部的捕食者就無法獲得硫胺素,至於其中的機製,則是更為複雜的問題了。”

  巴爾克認為,一場生態危機正在形成。他說,硫胺素缺乏已經成為一個普遍存在的問題,現在是時候嚐試確定致病因素及其背後的機製了。

  一些大型的團體也在關注這一問題。2018年,一個由24名專家組成的小組對可能影響地球野生生物和自然系統的100多個新問題進行了梳理。他們發表了一篇關於其中15個問題的論文,包括全球鐵循環的變化和激光在深水捕魚中的應用。

  論文目錄上的第一項就是“硫胺素缺乏症是野生動物數量減少的一個可能的驅動因素”,該研究指出,硫胺素缺乏症通常不會殺死受影響的個體,但會導致亞致死性的影響,如行為和生殖問題,作者認為營養缺乏可能會漸漸侵蝕整個北半球的野生動物種群。

  儘管已有旨在改善淡水環境的保護措施出台,加州的奇努克鮭魚在數十年里一直在減少。現在看來,硫胺素的缺乏讓它們處於了更危險的處境。去年春夏時期,成魚開始返回薩克拉門托河及其支流的中遊產卵,在收集其受精卵時,它們再次顯示出了維生素B1缺乏的跡象。河邊的大多數孵化場都用硫胺素溶液衝洗魚苗,而科爾曼孵化場也向成年雌魚注射硫胺素。

  但是這些手段不能產生長期的效果,當幼鮭魚進入缺乏營養的海洋環境時,其健康狀況可能會惡化。“這就像給發燒的孩子吃了退燒藥之後馬上送他去學校”,約翰遜說。她目前正領導一項有關成年奇努克鮭魚的眼球晶狀體的研究。她說:“晶狀體就像洋蔥,一圈一圈地存儲著鮭魚一生中攝入的物質。這個研究旨在發現飲食與魚卵中較低的硫胺素含量的聯繫。”

  如此,我們就能把問題歸咎於硫胺酶。然而,一些更深層的原因可能也在起作用,這需要更多的研究以說明環境變化是否影響了硫胺素的產生和流動。更多問題也紛至遝來:有多少物種正在受到影響?問題是否變得更嚴重了?如果是人類造成了這個問題,人類是否還能補救呢?

  來源:SME科技故事

  來源 The Atlantic

  作者 Alastair Bland, Hakai magazine

  翻譯 SME科技故事

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