來源 The Atlantic

作者 Alastair Bland, Hakai magazine

翻譯 SME科技故事

硫胺素，即維生素B1，是任何生命體(ti) 都離不開的營養(yang) 物質，然而，一些海洋係統非常缺乏它。

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(men) 發現，在深橄欖色的魚群裏，偶爾會(hui) 有一些魚苗從(cong) 魚群裏遊出來，閃著銀光。它們(men) 左右翻滾，一會(hui) 沉到底部，一會(hui) 又突然向上遊，然後再翻滾。

在一個(ge) 容納數百萬(wan) 條魚的地方有幾百條魚死掉看似平常，真相卻並不簡單。

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

剛剛孵化出來的鮭魚苗

加州內(nei) 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(yu) 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(men) 擔心某種病毒正在魚群裏蔓延。

麵對每天數以千計的魚的死去，他們(men) 決(jue) 定上網尋求幫助，他們(men) 找到了有關(guan) 五大湖區鱒魚以及東(dong) 海岸大西洋鮭魚營養(yang) 缺乏的研究。

十幾年前，人們(men) 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(yu) 細胞的工作和能量的轉化至關(guan) 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(ge) 小時後，這些魚都恢複了正常，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遊泳且左右側(ce) 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(yu) 一百多萬(wan) 的魚苗。這很快就起了作用，卻沒有從(cong) 根本上解決(jue) 問題。魚類通過食物攝取硫胺素，而雌魚將營養(yang) 物質傳(chuan) 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(chan) 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(yang) 問題的成因，他們(men) 正在為(wei) 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(yu) 死亡，這讓科學家們(men) 懷疑，一些無法解釋的過程正在破壞食物鏈的基礎，因為(wei) 它消耗了生態係統中的重要營養(yang) 物質。

硫胺素來源於(yu) 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(cong) 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(ti) 缺了它都不行。

在動物體(ti) 內(nei) ，硫胺素與(yu) 幾種酶相互作用，幫助細胞產(chan) 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(wei) ，患上神經係統和生殖係統疾病，最終死亡。

硫胺素分子結構

近一個(ge) 世紀以來，科學家們(men) 一直認為(wei) 硫胺素的缺乏隻會(hui) 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(yu) 加拿大漁業(ye) 及海洋部公司合作，研究在工業(ye) 汙染大幅減少、水質改善之後，五大湖區鱒魚產(chan) 量仍持續下降的原因。
菲茨西蒙斯在研究圈養(yang) 環境中出生的湖鱒時，觀察到了一些異常興(xing) 奮、失去平衡的個(ge) 體(ti) 。他想知道這是否為(wei) 營養(yang) 缺乏所致，為(wei) 了驗證這一假設，他在水中溶解了各種維生素，並給處於(yu) 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愈魚類的異常症狀。

“這歸結於(yu) 一係列維生素B，”菲茨西蒙斯說，“隻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(men) 在北半球的幾十個(ge) 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(jue) 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(men) 發現硫胺素與(yu) 一種特殊的麻痹症狀有關(guan) ，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(men) 指出，這個(ge) 症狀明顯導致了雌鳥產(chan) 卵的減少，同時降低了孵出的幼鳥的存活率，與(yu) 硫胺素缺乏有關(guan) 的繁殖失敗可能導致了鳥類種群的普遍減少。

接下來的幾年裏，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(dong) 海岸捕獲的波羅的海藍貽貝和鰻魚。在那時，科學家已經關(guan) 注到了硫胺素缺乏的其他威脅：亞(ya) 致死作用，除了致死，它還會(hui) 嚴(yan) 重影響人的耐力、力量、協調性和記憶力等。

對於(yu) 鳥類來說，它可能會(hui) 導致癱瘓、發聲能力的喪(sang) 失，以及繁殖失敗。最終，亞(ya) 致死作用會(hui) 變得和致死作用一樣嚴(yan) 重，因為(wei) 它們(men) 可能會(hui) 在連科學家都意識不到的很長一段時間裏傷(shang) 害生物，使其行為(wei) 異常。
硫胺素缺乏症可能不僅(jin) 限於(yu) 水生動植物，巴爾克已經檢測了瑞典南部駝鹿的肝髒、大腦和血液樣本，並測量了與(yu) 硫胺素活性相關(guan) 的酶的水平，他說該研究結果表明了嚴(yan) 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(ge) 假設，認為(wei) 硫胺素的缺乏會(hui) 導致野生動物數量的長期下降。他們(men) 的論文指出，從(cong) 1970年到2012年，陸地與(yu) 海洋脊椎動物物種減半，從(cong) 1950年到2010年，全球海鳥總量減少了70%。他解釋到，由於(yu) 對生物多樣性的已知威脅，比如棲息地喪(sang) 失等，這些數據下降的比預期的還要快。

在世界各地的陸地、淡水和海洋生態係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(yu) 該河流域幼鮭的高死亡率聯係在一起

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(yu) 巴爾克合作進行了硫胺素缺乏症的研究，她說: “我們(men) 曾經認為(wei) ，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(wei) 人類應該為(wei) 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(yan) 重，如果這是自然因素所致，那麽(me) 這些物種應該早就消失或者適應了。他認為(wei) 人類活動在一定程度上破壞了維生素B1的生態係統——要麽(me) 是阻礙了它的產(chan) 生，要麽(me) 是阻止了它在不同營養(yang) 級之間的傳(chuan) 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(cong) 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(yu) 其中，硫胺素的缺乏確實表明我們(men) 的生態係統遭到了破壞。”

對於(yu) 究竟是什麽(me) 剝奪了生物體(ti) 中的硫胺素，科學家們(men) 提出了各種解釋，有人認為(wei) 海洋中的環境改變會(hui) 一直硫胺素的產(chan) 生及其在食物鏈中的傳(chuan) 遞。南加州大學的生物科學教授塞爾吉奧•薩努多·威廉米(Sergiosesañudo-Wilhelmy)表示，海水變暖可能會(hui) 影響產(chan) 生硫胺素和其他維生素的微生物數量，這可能會(hui) 打破海洋生態係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(ge) 假設，一些不產(chan) 生硫胺素的微生物可能通過食物攝取硫胺素，從(cong) 而擊敗了產(chan) 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(wei) 雌性奇努克鮭注射硫胺素

這個(ge) 機製或許解釋了為(wei) 什麽(me) 威廉米團隊會(hui) 在約十年前的一個(ge) 研究中，在下加利福尼亞(ya) 海岸采集的水樣中檢測到較低含量的維生素B族。
即使微生物產(chan) 生了大量的硫胺素，它也必須通過食物網傳(chuan) 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(hui) 破壞硫胺素的傳(chuan) 遞過程。

由林奈大學的Samuel Hylander和波蘭(lan) 亞(ya) 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(wei) 食的小型魚類種群過剩，最終讓微型浮遊植物支配整個(ge) 水域。

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

在這個(ge) 故事裏，還有一個(ge) 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(yu) 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(yang) 價(jia) 值的硫胺素。在某些魚類中，硫胺素被認為(wei) 是有益於(yu) 免疫係統的。然而，當大型捕食者攝入含有硫胺酶的食物時，這種酶會(hui) 迅速破壞硫胺素，導致捕食者的營養(yang) 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係統，取代了五大湖原生的飼料物種。這種鯡魚體(ti) 內(nei) 含有高濃度硫胺酶，由於(yu) 它們(men) 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(ge) 例子說明單一營養(yang) 物質可以對整個(ge) 生態係統產(chan) 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麵積魚類種群的大量減少，這讓我們(men) 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(ya) 周，硫胺酶的缺乏已經成為(wei) 了薩克拉門托河鮭魚死亡的罪歸禍首。由於(yu) 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(ge) 地區通常捕食各種小魚、磷蝦和烏(wu) 賊。然而，在2020年產(chan) 卵季節前的幾個(ge) 月甚至幾年裏，鮭魚隻吃美洲鯷來維持生命，而美洲鯷的體(ti) 內(nei) 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

但是在硫胺酶在這個(ge) 謎團中的作用已經成為(wei) 學界不同意見的分水嶺。一些科學家認為(wei) ，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(chan) 中止。

在加州，美國國家海洋和大氣管理局的漁業(ye) 生物學家瑞吉兒(er) ·約翰遜（Rachel Johnson）正在研究該地營養(yang) 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(yu) 硫胺素酶引起的，還是由於(yu) 硫胺素的產(chan) 生及其在食物鏈的傳(chuan) 遞中斷造成的。

相信硫胺素合成中斷說的巴爾克認為(wei) ，硫胺素缺乏以不同的方式同時影響了不同生態係統中的幾十個(ge) 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(ge) “有效的假設”，即這些物種具有相似的生理機製。

大西洋鮭

霍尼菲爾德同樣提出了一個(ge) 合理的假設，他認為(wei) 大範圍的環境變化以及改變了基於(yu) 食物網的硫胺素產(chan) 生。他說：“如果食物鏈底部沒有合成的進行，那麽(me) 頂部的捕食者就無法獲得硫胺素，至於(yu) 其中的機製，則是更為(wei) 複雜的問題了。”巴爾克認為(wei) ，一場生態危機正在形成。他說，硫胺素缺乏已經成為(wei) 一個(ge) 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(ti) 也在關(guan) 注這一問題。2018年，一個(ge) 由24名專(zhuan) 家組成的小組對可能影響地球野生生物和自然係統的100多個(ge) 新問題進行了梳理。他們(men) 發表了一篇關(guan) 於(yu) 其中15個(ge) 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(ge) 可能的驅動因素”，該研究指出，硫胺素缺乏症通常不會(hui) 殺死受影響的個(ge) 體(ti) ，但會(hui) 導致亞(ya) 致死性的影響，如行為(wei) 和生殖問題，作者認為(wei) 營養(yang) 缺乏可能會(hui) 漸漸侵蝕整個(ge) 北半球的野生動物種群。

盡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裏一直在減少。現在看來，硫胺素的缺乏讓它們(men) 處於(yu) 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(chan) 卵，在收集其受精卵時，它們(men) 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(chong) 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(chan) 生長期的效果，當幼鮭魚進入缺乏營養(yang) 的海洋環境時，其健康狀況可能會(hui) 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(guan) 成年奇努克鮭魚的眼球晶狀體(ti) 的研究。她說：“晶狀體(ti) 就像洋蔥，一圈一圈地存儲(chu) 著鮭魚一生中攝入的物質。這個(ge) 研究旨在發現飲食與(yu) 魚卵中較低的硫胺素含量的聯係。”

如此，我們(men) 就能把問題歸咎於(yu) 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(chan) 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(yan) 重了？如果是人類造成了這個(ge) 問題，人類是否還能補救呢？

來源：https://www.theatlantic.com/science/archive/2021/01

來源：SME科技故事


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