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尋找人類目標
蚊子對人類健康具有不可忽視的影響。它們常被稱為是世界上最危險的動物,因為這些吸血昆蟲會傳播瘧疾、登革熱、西尼羅病毒、寨卡以及其他致命疾病,這些疾病每年能導致超過77萬人死亡。在已知的3500種蚊子中,大約有100種已經進化成嗜人性蚊種,也就是說,它們會優先以人類為目標。埃及伊蚊(Aedes aegypti)就是這樣一種嗜人性蚊種,其雌性埃及伊蚊會利用一整套線索來定位人類宿主。
過去,科學家已經研究過某些線索如何吸引蚊子。他們的主要測試方法是在風洞中搭建實驗,讓氣味分子和二氧化碳等化學線索隨氣流飄散,然后研究蚊子如何作出反應。除了化學線索外,視覺刺激也能引導蚊子飛行到距離人類目標數米的范圍內。一旦與目標直接接觸,皮膚氣味、熱量和濕度等線索就會幫助蚊子降落,并選擇一個位置刺探毛細血管。
盡管相關研究已經持續了幾十年,但關于蚊子究竟是如何整合這些線索來定位目標的,仍然沒有得到很好的理解。由于還無法預測蚊子的飛行行為,目前的捕蚊器等常用裝置在捕獲來襲蚊子方面的效率通常只有10%到50%。
現在,在一項新發表于《科學進展》的研究中,一個研究團隊基于蚊子在不同感覺線索存在條件下飛行的實驗,建立了首個蚊子飛行的三維模型,識別出了蚊子在響應感覺刺激時表現出的三種飛行模式。研究人員表示,這一新模型可以用來預測蚊子在受到其他線索影響時會如何飛行,例如熱量、濕度以及某些氣味等線索。這將有助于設計出更有效的誘捕器和蚊蟲防控策略。
三類實驗
在這項新的研究中,研究人員讓雌性埃及伊蚊在一個狹長、白色、略微傾斜的長方形房間內飛行,房間周圍布置的攝像機記錄下每只蚊子飛行時的詳細三維軌跡。在房間中央,他們放置了一個物體,用來代表某種視覺或化學線索。
他們開展了三類實驗,包括自由飛行實驗、人體模擬實驗和真人實驗。在自由飛行試驗中,他們將100只蚊子釋放到一個空艙室中,讓它們飛行20分鐘。
在人體模擬實驗中,他們將直徑分別為0.10、0.20、0.30 和 0.41米的膨脹聚苯乙烯球體置于一個距離地面152厘米高的支架上,它們有的被涂成黑色,有的保持原本裸露的白色,作為人類目標的模擬物。在房間白色背景的映襯下,蚊子能夠看到黑色的球。這可以測試視覺線索的影響。
為了研究二氧化碳的影響,他們設置了一個白球,讓一根管子從球體穿過,以與人類呼氣相近的速率釋放二氧化碳。這部分測試的是化學線索的影響。此外,他們還利用一個會釋放二氧化碳的黑球,來研究蚊子在同時面對視覺和化學線索時的反應。
最后,他們觀察了蚊子在一名人類志愿者周圍的行為,該志愿者穿著一系列不同服裝,包括“日常服裝”(深色運動衫和牛仔褲)、一套一側為黑色另一側為白色的服裝,以及一套帶有黑色包裹層的白色服裝。
三種飛行模式
在20組實驗中,團隊總共獲得了超過5300萬個數據點,以及超過477,220條蚊子飛行軌跡。研究人員基于這些測量結果建立了蚊子飛行行為模型。
他們提出了一大類動力學方程。起初,預測蚊子飛行路徑的方程非常復雜,包含很多項,其中也包括視覺線索與化學線索相對重要性的權重。接著,研究人員根據數據的不斷迭代,逐步降低方程的復雜度,直到得到那個仍然與數據吻合的最簡模型。最終,研究團隊將模型精簡為一個簡單的形式,只要給定視覺線索、化學線索,或兩者同時存在的情況,它就能準確預測蚊子會如何飛行。
研究人員發現,蚊子對單獨某一種線索作出的飛行反應明顯不同。而有趣的是,當兩種線索同時存在時,最終形成的飛行路徑并不是“疊加”的。換句話說,當蚊子既能看見目標、又能聞到目標時,它并不會簡單地把分別看到和聞到目標時的飛行路徑疊加起來。
具體來說,研究表明:
當蚊子只能看到一個潛在目標時,它們會采取一種“飛掠式”接近方式:迅速朝目標俯沖過去;如果沒有探測到任何其他能夠確認宿主存在的線索,就會再飛離開來。
當蚊子看不見目標、但能夠聞到諸如二氧化碳這樣的化學線索時,它們會采用一種“來回試探”的方式:放慢速度,在源頭附近來回穿梭,以便靠近目標。
當蚊子同時接收到視覺和化學線索時,例如既看到一個輪廓、又聞到二氧化碳,它們就會切換到一種“環繞式”模式,在準備降落時以穩定速度繞著目標飛行,就像鯊魚環繞獵物那樣。
讓捕蚊器更懂蚊子
這樣的結果表明,當設計捕蚊器時,捕蚊器需要經過專門校準的“多感官”誘餌,才能讓蚊子保持足夠長時間的關注,從而被捕獲。
顯然,人類還會釋放出其他線索,比如氣味、熱量和濕度。研究人員表示,對于埃及伊蚊來說,視覺線索和二氧化碳線索最為重要。另外,研究人員表示,這個模型還能被應用到其他物種上,研究它們對其他感覺線索的反應。
#參考來源:
https://news.mit.edu/2026/new-model-predicts-how-mosquitoes-will-fly-0318
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz7063
#圖片來源:
封面圖&首圖:MIT News
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