我親愛的朋友，你們可曾有過這樣的疑問。

蚊子比蒼蠅遲鈍那么多，一個(gè)是隨便一巴掌就能拍死的，另一個(gè)則必須靠專業(yè)蒼蠅拍打擊；

瘦小那么多，十只蚊子的體重才頂一只蒼蠅；

挑食那么多，一個(gè)幾乎只吸血液，另一個(gè)進(jìn)垃圾桶胡吃海塞。

但是蚊子活得不比蒼蠅差，打擾人類生活的頻率比蒼蠅只高不低。從直覺來看，這種對(duì)比好像很反直覺。為何一種看起來如此缺乏生存能力的動(dòng)物，可以在被人類厭惡、傳播多類嚴(yán)重疾病的情況下，活到現(xiàn)在蚊丁興旺、仍繞著人類嗡嗡作響？

"人蚊"科學(xué)

“4分鐘太久了。”克里斯留言道。

收到留言后，我有些吃驚。對(duì)于還在佐治亞理工學(xué)院讀本科的年輕小伙克里斯來說，4分鐘何以成為一個(gè)“太久”的數(shù)字？

原因就是，這4分鐘是在小房間內(nèi)與100只饑餓蚊子共同度過的。讓我吃驚的并非留言本身，而是留言附帶的照片，照片顯示克里斯皮膚上布滿蚊子包，這意味我們本以為能提供保護(hù)的網(wǎng)眼防護(hù)服難以屏蔽蚊子叮咬。

克里斯被蚊子叮咬后，皮膚出現(xiàn)多處瘙癢紅腫

大家可能都好奇，克里斯為啥要身著防護(hù)服與百蚊共處一室？

這里不妨打個(gè)比方：熱追蹤導(dǎo)彈是影視劇里的常客，但觀眾只看到導(dǎo)彈被熱源“吸引”進(jìn)而精確打擊目標(biāo)，卻不懂導(dǎo)彈運(yùn)作原理。類似地，我們知道視力極差的蚊子通過一系列化學(xué)和物理信號(hào)定位人類，但科學(xué)家并不理解它們被信號(hào)吸引的深層機(jī)制，更無法預(yù)測(cè)它們?nèi)绾雾憫?yīng)人類的存在與行動(dòng)。

因此，對(duì)一名長期研究動(dòng)物運(yùn)動(dòng)行為的生物物理學(xué)家，通過“將鮮活人體獻(xiàn)給眾多蚊子并觀察分析其飛行軌跡”的方式，理解它們圍繞人類的各種反應(yīng)及其內(nèi)在機(jī)制是一件平常事。他們選擇為科研獻(xiàn)出自己那有著復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的身體，與我一同開啟為期3年的蚊子行為規(guī)律探索項(xiàng)目。

蚊子如何精準(zhǔn)定餐

作為動(dòng)物，蚊子是如此簡單、微小、脆弱，體重只有一粒大米的十分之一，神經(jīng)元數(shù)量僅20萬，但它們總能輕松找到人類并吸血，總能不斷進(jìn)化以適應(yīng)城市生存環(huán)境，還借力氣候變化，越發(fā)高效地傳播疾病。從瘧疾到乙型腦炎再到登革熱，蚊子攜帶的疾病每年導(dǎo)致全球超70萬人死亡。因蚊子而死的人數(shù)多過因戰(zhàn)爭而死的。

數(shù)據(jù)顯示，全世界每年有至少220億美元的資金投入，用于采購不計(jì)其數(shù)的殺蟲劑、殺幼蟲劑以及經(jīng)殺蟲劑處理的蚊帳。

在地球上已知的3500種蚊子中，有超100種嗜好人類血液，以人血為首選食物。部分種類的蚊子，甚至能從牛群中精準(zhǔn)鎖定唯一人類并吸血——考慮到它們?nèi)醪唤L(fēng)的飛行動(dòng)力，這堪稱壯舉了。

蚊子的飛行能力到底有多弱？這么說吧，只需3~5公里/小時(shí)的風(fēng)速(相當(dāng)于馬甩動(dòng)尾巴產(chǎn)生的風(fēng)速)，即可讓它們停止飛行。而在相對(duì)平靜的環(huán)境下，蚊子能憑借微小卻強(qiáng)大的頭腦，循著順風(fēng)而來的人體熱量、濕氣和氣味，逆風(fēng)飛向目標(biāo)。

動(dòng)物呼吸產(chǎn)生的二氧化碳會(huì)強(qiáng)烈吸引蚊子。它們能在距宿主9米開外的地方檢測(cè)到濃度已降至百萬分之幾的二氧化碳，這就好比從奧運(yùn)泳池里探測(cè)出只滴了幾滴的染料。

佐治亞理工學(xué)院LOGO圖案“GT”的深色輪廓能吸引大量蚊子圍聚

蚊子的視力幾乎無助于它們尋找血餐。別看那兩只復(fù)眼由數(shù)百個(gè)獨(dú)立透鏡，即所謂的“小眼”(ommatidia，透鏡寬度相當(dāng)于一根人類發(fā)絲的直徑)組成，其實(shí)它們只能形成模糊、像素化的馬賽克圖像。

受光學(xué)原理限制，蚊子只能于幾米外分辨成年人大小的物體；單靠視力，它們無法判斷目標(biāo)是一名人類還是一棵小樹，每個(gè)深色物體都是潛在宿主，都值得其付出探索成本。

采集飛行軌跡數(shù)據(jù)

研究蚊子飛行的難點(diǎn)在于，它們的大部分行為都是高度隨機(jī)、毫無意義的噪音。在空房間內(nèi)飛來飛去的蚊子，其飛行速度與方向大多隨機(jī)變化。只有掌握大量飛行軌跡數(shù)據(jù)，才能剔除干擾、尋得規(guī)律。

身著網(wǎng)眼防護(hù)服的克里斯正等待蚊子來襲

1980年代的科學(xué)家做“叮咬實(shí)驗(yàn)”時(shí)，會(huì)只穿內(nèi)衣，任由蚊子落到裸露皮膚上再拍死它們。裸露的身體可排除衣物顏色等干擾變量。

研究者最初的選擇則是設(shè)計(jì)前文提到的網(wǎng)眼防護(hù)服。但滿身蚊子包的后果告訴我們必須另尋他法。

之后，研究者穿上經(jīng)過無香型洗滌劑清洗的長袖衣物，戴好手套和口罩，全副武裝，靜靜站立，任憑大群蚊子團(tuán)團(tuán)包圍自己。

此外，通過使用“光子哨兵”(Photonic Sentry)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其攝像機(jī)能在單身公寓大小的空間內(nèi)同時(shí)追蹤數(shù)百只飛行昆蟲，能以每秒100幀、5毫米分辨率的精度記錄下昆蟲們的活動(dòng)。

實(shí)踐結(jié)果令人驚喜：短短幾小時(shí)內(nèi)，研究者等人所采集到的蚊子飛行數(shù)據(jù)量，已超過此前人類史上所有同類測(cè)量數(shù)據(jù)的總和。

100只蚊子在研究人員身邊飛行10分鐘。視頻展示了其中一小部分的飛行軌跡

在麻省理工學(xué)院的數(shù)學(xué)合作者們指出，研究者的人體幾何結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，不利于研究蚊子反應(yīng)。數(shù)學(xué)家擅長將復(fù)雜問題向本質(zhì)簡化，他們建議：何不還克里斯以自由，選擇簡化模型替代人體——一根棍子頂上黑色泡沫球，搭配一罐二氧化碳。

接下來的兩年，他們不斷拍攝蚊子無休止圍繞泡沫假人飛舞的畫面；每次拍攝工作結(jié)束，他會(huì)用吸塵器清理蚊子，同時(shí)盡量避免被叮咬。

解析軌跡，建立模型，驗(yàn)證預(yù)測(cè)

向左轉(zhuǎn)，向右轉(zhuǎn)，加速，減速。飛行中的蚊子還挺像飛機(jī)的。為構(gòu)建關(guān)于其飛行行為的模型，第一步工作就是確定函數(shù)——將飛行定義為速度、位置和方向的函數(shù)(以目標(biāo)物為參照)。

隨著分析的飛行軌跡越來越多，大家也越發(fā)有信心參悟行為規(guī)律。到最后，項(xiàng)目總計(jì)使用了2000萬個(gè)關(guān)于蚊子位置與速度的數(shù)據(jù)。這種通過整合觀測(cè)驗(yàn)證數(shù)學(xué)假設(shè)的思路，來自有著兩百年歷史的貝葉斯推斷方法。此外，我們也將觀測(cè)到的蚊子行為通過網(wǎng)頁應(yīng)用作了直觀呈現(xiàn)。

蚊子的飛行模式因目標(biāo)類型不同而異

建立函數(shù)，運(yùn)用模型。數(shù)學(xué)工具助我們挖掘出海量飛行軌跡里的規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)，蚊子呈現(xiàn)的飛行模式因目標(biāo)類型不同而異。面對(duì)視覺目標(biāo)，蚊子常常飛掠而過；二氧化碳則可令其在目標(biāo)附近減速慢行、反復(fù)確認(rèn)；如果目標(biāo)是視覺信號(hào)+二氧化碳的組合，蚊子將開展高速環(huán)繞飛行。

但光用模型總結(jié)規(guī)律遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它可否預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下的飛行軌跡呢？如前文所述，支撐這套模型的數(shù)據(jù)來自用泡沫假人替換真人的實(shí)驗(yàn)；若將模型應(yīng)用于真人，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度如何？

研究人員再次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)空間。

這次他們衣著全白、頭戴黑帽，儼然蚊子靶標(biāo)。結(jié)果顯示，蚊子圍繞研究人員的分布規(guī)律，高度契合模型預(yù)測(cè)；此外，模型還鎖定了蚊子高頻環(huán)繞的危險(xiǎn)區(qū)域。

預(yù)測(cè)行為只是擊敗蚊子的第一步，還要精進(jìn)驅(qū)避與誘捕之法。

蚊蟲高發(fā)地區(qū)的居民常在設(shè)計(jì)房屋時(shí)引入特殊結(jié)構(gòu)，以防蚊子追蹤信號(hào)、進(jìn)入居所。另一方面，現(xiàn)有捕蚊器能吸入靠近的蚊子，不過會(huì)產(chǎn)生50%~90%的漏網(wǎng)之蚊。此類設(shè)計(jì)大多依靠反復(fù)試錯(cuò)。

希望未來會(huì)有更精準(zhǔn)的驅(qū)蚊、捕蚊工具，不讓蚊和你一起走進(jìn)那個(gè)良夜！

資料來源：

來源：世界科學(xué)

編輯：小鹿

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