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雌性追你的战略战术(蚊子篇)

2016/03/05 来源:知识分子/邓子卿
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导读
每年全世界死于蛇攻击的人数约为5万,死于战争和谋杀的人数大约有47万,而由于蚊子叮咬而感染疾病死亡的人数超过70万。人们比较熟悉的疟疾、登革热、黄热病等致命疾病主要就是藉由蚊子叮咬在人群中传播,而最近来势汹汹的寨卡病毒主要传播途径就是伊蚊叮咬。蚊子夺得最危险动物桂冠可谓实至名归。


天气一暖,蚊子就开始蠢蠢欲动,在耳边嗡嗡地飞,让人不胜烦躁;一不留神被蚊子叮了,皮肤红肿发痒,叫人怒火中烧,欲除之而后快。想必多数人都有类似的经历。如果是生活在热带地区,情况还要更糟糕些:蚊子的轻轻一叮可能导致你的殒命。

人类和蚊子的战争

现在蚊子的种类超过3000种,并不是每一种都吸血,吸血的蚊子中也只有部分喜欢吸人血。而且吸血的蚊子都是雌性蚊子,即将繁殖后代的雌性蚊子需要吸食血液中的营养物质来帮助卵的成熟。雄蚊子则多是通过吸食植物的汁液来果腹。

对整个人类而言,被蚊子叮咬可不只是烦人这么简单。如今致力慈善事业的比尔·盖茨曾在他的博客上将蚊子评为世界上最危险的动物,因为每年由于蚊子叮咬而感染疾病死亡的人数超过70万。

如果你对这个数字不敏感的话,作为比较,每年死于鲨鱼之口的人数约为10,死于鳄鱼之口的人数约为1000,死于蛇攻击的人数约5万,这些数字都远远低于蚊子的数据。即便把人也算进去,估算死于战争和谋杀的人数平均下来每年也只有47万,蚊子夺得最危险动物桂冠可谓实至名归。

不过蚊子的致命性并不是因为其本身,而是其体内携带的寄生虫和病毒等病原体。这些病原体能通过蚊子的叮咬进入人体内,使人感染疾病。大家比较熟悉的疟疾、登革热、黄热病等致命疾病主要就是藉由蚊子叮咬在人群中传播,而最近来势汹汹的寨卡病毒主要传播途径就是伊蚊叮咬。

根据世界卫生组织的统计, 2015年以来死于疟疾感染的人数已经超过了44万(截止到九月)。近年来登革热的感染人数则急剧上升,一半的世界人口都存在感染风险。而最近频频登上媒体头条的寨卡,已在46个国家或地区传播流行。世界卫生组织预计,仅2016年拉丁美洲感染寨卡病毒案例可能就会达到400万人次,相当于每150人中就会在有一人被感染。截至2月12日,中国也已报告4例寨卡病毒病输入病例。由于这些病毒可以使用的疫苗还不完善,寨卡病毒的疫苗甚至还未研发出来,目前防控此类疾病的主要方式仍是控制蚊子滋生,减少蚊子叮咬。在这场人类和蚊子的战争中,我们的形势可谓不容乐观。

蚊子的阶段作战系统

孙子兵法曰:“知己知彼,百战不殆。”想要赢得这场战争,我们就得先了解敌人。不知你有没有思考过,世界这么大,蚊子是怎么找到人的?

这么有趣的问题,科学家们也很想知道答案。实际上,关于的蚊子搜寻行为的研究早在75年前就开始了。综合过往的研究结果我们知道,蚊子可以通过人呼吸产生的二氧化碳,人体散发出的各种气味,皮肤的轮廓,温度和湿度等线索来追踪人类目标。近年来,研究者们开始研究这些线索对蚊子的交叉影响。有研究发现蚊子可以利用多个线索来帮助搜索,并在搜寻的不同阶段调节对这些线索的感知来精确控制自己的飞行方向,直至找到合适的叮咬目标。

最近,加州大学河滨分校的Ring T. Carde教授在这些最新研究的基础上,提出了一个分阶段搜寻模型来解释蚊子的精准搜寻系统。根据这个模型,蚊子从发现人类到叮咬,简单来说可以分为三个阶段。


母蚊子的分阶段作战系统

1. 二氧化碳波动暴露目标

人类主要通过视觉来采集信息,听觉和嗅觉辅之。狗可以通过灵敏的嗅觉来追踪猎物,蛇则借助红外探测在夜间捕食猎物。而蚊子可以通过感受人类呼吸产生的二氧化碳浓度波动来追踪目标。

人类呼出的空气中二氧化碳浓度大约为4%,而正常空气中二氧化碳浓度大约为0.035%。 因此人的呼吸会导致周围空气中的二氧化碳浓度周期性变化,也就是浓度波动。蚊子长长的嘴边有两根触须,触须上有许多能与二氧化碳结合的受体蛋白。这些蛋白非常灵敏,能检测到低至0.005%的二氧化碳浓度波动。检测到的二氧化碳浓度波动进而激活蚊子的视动趋风性,引导蚊子向人类所在的上风口飞行。

所谓视动趋风性是指利用视觉变化来测定风向并趋于飞向上风口的行为。这个系统的工作原理并不复杂:如果蚊子悬停在空中不动的话,其视觉图像应该是静止的;当有风吹过,蚊子移动中看到的图像就会从前到后变化,藉由这一视觉变化便可以分辨前后,前面即为上风口。二氧化碳浓度波动是顺着风吹到蚊子这的,蚊子顺着上风口飞便能发现呼出二氧化碳的人类。根据实验室实验的一般设计,蚊子能够察觉到大约10米外的人类呼吸造成的二氧化碳浓度波动,不过具体的极限距离还有待进一步实验验证。

2. 通过气味来确认目标

当蚊子慢慢靠近人类目标之后,二氧化碳浓度的波动进一步吸引蚊子上风向飞行,同时蚊子对气味的检测也变得更为灵敏。当蚊子飞到离人类目标足够近的时候(1米左右),嗅觉开始占据主导地位,引导蚊子靠近人的皮肤。二氧化碳导航系统则被关闭,毕竟继续朝着二氧化碳浓度波动方向飞的话就要飞到人类鼻中去了。

人类皮肤散发出的气味中包含上百种分子,到底是哪些分子吸引了蚊子呢?目前,经实验室研究证实对蚊子有吸引力的气味分子主要有乳酸和一些脂肪酸。乳酸正是汗液的主要成分,这可能是出汗的人更容易被蚊子叮的原因之一。不过现有的实验多是测定单一化合物对蚊子的吸引,具体是哪些分子的组合主导着蚊子的飞行方向仍不清楚。

另一个关于气味的有趣的发现是,个人对蚊子的吸引力很有可能是由基因决定的。有研究者测定了同卵双胞胎和异卵双胞胎的气味对蚊子的吸引度,发现基因完全一样的同卵双胞胎对蚊子的吸引力非常相似,而基因不同的异卵双胞胎对蚊子的吸引力相似度则差很多。不过考虑到每个人皮肤散发出的气味千差万别,很难说有一种每个人都共有的标志性气味能决定蚊子的选择,因此蚊子在气味偏好上肯定也有一定的弹性。

另外,蚊子在靠近目标的过程中也有可能使用气味以外的线索来帮助锁定目标。

3. 在深色区域着陆

蚊子想叮咬人类就得先着陆在人的皮肤上,而在着陆过程中起主要作用是视觉线索,湿热的地方对蚊子也有吸引力。总的来说蚊子偏好在深色,湿热的地方着陆。

在飞行过程中,蚊子主要关注视觉的动态信息来帮助导航。而在着陆过程中,蚊子的关注点会转为着陆点的静态信息。蚊子可以通过单一的视觉信息来决定着陆,不需要其他的线索。有研究发现,蚊子在没有二氧化碳浓度波动以及气味线索的情况下,更喜欢飞向深色条纹。而在另一项研究中,蚊子在没有气味线索的环境中偏好在深色的长方形上着陆。这些结果都表明蚊子偏好在深色的地方着陆。结合现实生活,这可能是蚊子比较喜欢叮咬小腿肚子原因之一,人坐着的时候小腿肚子通常处于阴影之中。

温度和湿度对蚊子的着陆也有影响,蚊子偏好在湿热的地方着陆。有研究者研究过温度和湿度对蚊子着陆的影响,发现蚊子喜欢在温度高于室温且潮湿的地方着陆,而单独的提高温度或者湿度并不能吸引蚊子着陆。湿热的环境也比较符合夏天时人体皮肤的环境,人的体温通常高于室温,而出汗则使皮肤湿度高于周围空气。

蚊子也会守株待兔?

蚊子一般是通过感知二氧化碳浓度波动来激活搜寻系统,但也有例外。有研究者发现,东非有种蚊子喜欢搜寻空的人类的居所并躲藏其中。一方面这样可以躲避自然中的恶劣环境,另一方面也是一种非常聪明的守株待兔策略。这些蚊子首先通过气味线索找到人类的居所,然后躲藏其中。当房子中出现二氧化碳浓度波动时,蚊子就知道主人回来了,又可以通过启动常规搜寻系统来锁定人类目标。从这个例子我们也可以看出蚊子对人类生活的适应能力实在惊人。

实际上,蚊子早在恐龙时代就出现在地球上了,那个时候人类还没出现,这也说明喜欢吸食人血的这一族是新演化出来的。新突变出来的吸人血一族之所以能够壮大,很有可能是借助了人类争霸地球的成功。蚊子一生中需要的资源都可以在人类社会中方便的找到。一方面人类喜欢群居而且分布也够广,不愁找不到血库;另一方面人类聚居地通常会有蓄水,这又方便了蚊子产卵孵化(蚊子需要在死水中产卵)。蚊子在与人类共同繁衍的过程中,更适合人类社会形态的“优良”蚊子不断被筛选出来,如今我们发现蚊子的各种精密构造成功的策略也就不足为奇了。

对抗蚊子的秘籍

知道蚊子搜寻人类的机制有什么用呢?最直接的效用当然是帮助开发灭蚊驱蚊方法。例如,在捕蚊的陷阱里增加产二氧化碳的物质可以吸引更多的蚊子自投罗网。通过筛选蚊子不喜欢的气味分子开发出新的驱蚊剂。

实际上,我们经常使用的花露水,就是利用对蚊子嗅觉的干扰来实现驱蚊的。其中的有效成分叫做避蚊胺(DEET),这种物质可以与蚊子的嗅觉受体蛋白结合。不过尽管我们使用这种物质几十年了,效果也很好,但其具体的作用机制仍不是很清楚。有的研究者认为避蚊胺通过阻断蚊子的嗅觉系统来影响蚊子,有的研究者则认为蚊子只是简单的不喜欢避蚊胺的气味而已。对避蚊胺作用机制的更透彻研究也许能给我们带来更多的发现。

在我们的日常生活中,除了使用花露水之类的驱蚊剂,身穿浅色的衣服也是避蚊的一个简单有效的方法。

另外,房间里打开空调,降低蚊子的活跃程度也是一个办法。当然,最好是关闭门窗或使用纱窗,将蚊子隔离在室外啦!

现在,科学家们还在考虑通过基因改造的方式来消灭蚊子。比如,通过构建携带某种基因的雄性蚊子,而这种基因使得其子代不能存活。构建感染沃尔巴克氏体(Wolbachia)的埃及伊蚊也是一种新兴的方法,可对蚊虫体内感染的多种病原体有抑制作用。

不过,以上方案是否存在对生态环境的影响和威胁,还需科学家们深入调查。

如此看来,我们还是从日常做起,保护好自己。至于消灭蚊子的生物工程,还是交给科学家解决吧。

参考文献:

Cardé, Ring T. "Multi-Cue Integration: How Female Mosquitoes Locate a Human Host." Current Biology 25.18 (2015): R793-R795.

Ditzen, Mathias, Maurizio Pellegrino, and Leslie B. Vosshall. "Insect odorant receptors are molecular targets of the insect repellent DEET." Science 319.5871 (2008): 1838-1842.

Syed, Zainulabeuddin, and Walter S. Leal. "Mosquitoes smell and avoid the insect repellent DEET." Proceedings of the National Academy of Sciences 105.36 (2008): 13598-13603.

部分引用数据来源:

Bill Gates, “The Deadliest Animal in the World” Gatesnotes, 25 Apr. 2014. Web. 21 Nov. 2015.

WHO, “Fact sheet of Malaria”, WHO media centre, October 2015. Web. 21 Nov. 2015.

WHO, “Fact sheet of Dengue and severe dengue”, WHO media centre, May 2015. Web. 21 Nov. 2015.

文章作者:邓子卿(香港大学生物科学院博士研究生)

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