夏日杀手 — 浅谈蚊子的宿主追寻行为
蚊（mosquito），鼎鼎大名的“四害”之一。属于双翅目（Diptera）、蚊科（Culicidae），又称“蚊子”，是最重要的医学昆虫类群。它们的生活与人类密不可分，人类是蚊子的重要宿主，雌性蚊子通过叮咬吸食宿主的血液来繁殖后代。蚊分布很广，种类很多，迄今为止全世界已记录蚊虫共3亚科（巨蚊亚科、按蚊亚科、库蚊亚科），35属，3600多种和亚种，其中按蚊、库蚊、伊蚊3个属的蚊种超过半数。我国主要的蚊种有中华按蚊（Anopheles sinensis）库蚊（Culex）埃及伊蚊（Aedes aegypti）和亚洲虎蚊（Aedes albopictus）。本次journal club 我们从三个方面系统的探讨了蚊子的追寻宿主行为。
1. 蚊子的研究概述
蚊子，是一种具有刺吸式口器的纤小飞虫。雌蚊和雄蚊在外观上和习性上具有明显的性别二态性，雄蚊触角呈丝状，触角毛一般比雌蚊浓密。通常羽化1-2天完成性成熟的雌蚊和雄蚊完成交配后，雌蚊会寻找宿主吸食血液，而雄蚊则吸食植物的汁液。蚊子的平均寿命不长，雌性为3 – 100天，雄性为10 – 20天。
我们在被蚊子叮咬后为什么会痒呢？这是由于蚊子的唾液中有一种具有舒张血管和抗凝血作用的物质，它的作用是使血液更容易汇流到被叮咬处。被蚊子叮咬后，被叮咬者的皮肤常出现起包和发痒症状。几乎每个人都有被蚊子“咬”的不愉快事，事实上应该说被蚊子“刺”到了。蚊子无法张口，所以不会在皮肤上咬一口，它其实是用6枝针状的构造刺进人的皮肤，这些短针就是蚊子摄食用口器的中心。这些短针吸人血液的功用就像抽血用的针一样；蚊子还会放出含有抗凝血剂的唾液来防止血液凝结，这样它就能够安稳地饱餐一顿。当蚊子吃饱喝足、飘然离去时，留下的就是一个痒痒的肿包。但是，痒的感觉并不是因为短针刺入或唾液里的化学物质而引起的。我们会觉得痒，是因为体内的免疫系统在这时会释出一种称为组织胺的蛋白质，用以对抗外来物质，而这个免疫反应引发了叮咬部位的过敏反应。当血液流向叮咬处以加速组织复原时，组织胺会造成叮咬处周围组织的肿胀，此种过敏反应的强度因人而异，有的人被蚊子咬后的过敏反应比较严重。
每只雌蚊子一生产卵总数约为2000个，它们一般把卵子产于水面，两天后孵化成为水生的幼虫—“孑孓”。孑孓以水中的藻类为食，它们经历4次脱皮后才成长为蛹，漂浮在水面上，最终蛹表皮破裂，幼蚊诞生。蚊子的生活史包括卵、幼虫、蛹、成虫4部分，一般卵1 – 2天，幼虫期5 – 7天，蛹2 – 3天，成虫羽化至吸血产卵3 – 7天，整个世代1 – 2周左右。
除了叮咬给人们带来难忍的痒之外，蚊子更主要的危害是传播疾病。据研究，蚊子传播的疾病达80多种之多。在地球上，再没有哪种动物比蚊子对人类有更大的危害。其中主要的传播疾病有登革热、疟疾、黄热病、丝虫病、寨卡病毒等。1900年，科学家们意识到了这一问题的严重性，因此决定要把蚊虫防治作为一个专门的领域进行系统的研究。这其中最具代表性的人物是来自美国新泽西州的昆虫学家John B. Smith。他通过调研发现了当地的主要蚊种，系统的研究了蚊子的生活习性，迁移习性和叮咬行为。制定出了一系列规范的蚊种消灭准则，为当地的蚊虫防治做出了重要贡献。蚊子研究的新纪元真正到来的时代是2002年，这一年，科学家们首次公布了冈比亚按蚊的全基因组序列，这为之后的蚊子研究带来了质的飞跃。
目前来看，蚊子的研究主要集中在三个方向，第一个也是最为重要的方向是蚊媒疾病的防控。目前的主要思路是针对蚊子载体本身，目的是减少蚊子种群数量从而减少传播，另一种则是通过基因工程改造蚊子，是其对病原体产生抗性，从而减少疾病的传播。第一种方案目前已有的研究是针对蚊子的dsx (doublesex)基因。通过Crispr-Cas9的手段定点将蚊子磁性特异的DSXF转录本破坏，从而产生雄性可育和雌性不育的后代，这样的结果是蚊子的种群数量会逐步减少。来自约翰霍普金斯大学Jacobs教授实验室的王四宝研究员给出了另外一种思路，他们发现了一种蚊子的肠道微生物在蚊子每次吸血后都会得到巨量扩增并且可以在蚊子的子一代，子二代甚至是子三代中传播，于是他们通过基因工程的手段改造了这种肠道菌，是其变成一种可以分泌抗疟疾肽的工程菌，将这样的工程菌植入蚊子体内后，可以有效的抑制疟原虫在蚊子体内的繁殖扩增，从而达到防治疟疾的作用。第二个研究方向是蚊子的宿主追寻行为。这部分研究主要集中在对于蚊子各种感知觉的研究，包括视觉，嗅觉和味觉等，以及宿主的发出的各种信号（如CO2，热量，体表气味等）是如何被蚊子感知的。第三个方向则是蚊子其它行为的研究，如求偶行为，睡眠行为等，当然这部分研究往往最终的落脚点还是在于控制蚊子的数量和疾病的防治。与经典模式动物果蝇不同的是，蚊子的求偶行为过程中雄蚊会成群聚集形成一个交配群，这种现象被称为male mosquito swarming。雌蚊发现雄蚊群后会飞入其中与雄蚊交配，交配完成后飞出雄蚊群。Wang等人2021年的研究报道发现，傍晚时持续光照和不适宜的环境温度都会影响按蚊的婚飞和交配活动。进一步研究发现， 光照和温度对按蚊婚飞和交配的影响是通过调控生物钟基因per (period)和tim (timeless)的表达来实现的，外界光信号和内源生物钟协同调控信息素合成基因desat1的节律性表达，来动态控制按蚊性信息素的合成量，从而促进婚飞时雄蚊的求偶和交配。从而揭示了内源生物钟通过整合外源光照和温度信号来协同调控按蚊在夏季黄昏时进行婚飞和交配的分子机制。
2. 蚊子是如何寻找定位宿主的？
人类作为蚊子的主要宿主，为蚊子的生存提供了重要的营养来源。无论我们走到哪里，都是蚊子的自助餐厅。那么这些夏日的嗡嗡杀手是如何发现并准确找到我们的呢？研究人员发现，CO2对于蚊子定位宿主具有至关重要的作用，当给予一只蚊子CO2刺激时，其运动速度会得到显著的增加，变得极为活跃。蚊子对于CO2的感知是通过其触角上的感觉受体Gr3进行的。那么是否我们将蚊子的Gr3受体突变之后，蚊子就无法感知CO2，从而就不会叮咬宿主了呢？事实并非如此，研究人员发现即使将蚊子Gr3受体突变，蚊子依然可以找到宿主，这就说明蚊子的宿主追寻行为并非是依赖单一因素的。进一步研究发现，在37摄氏度条件下，CO2对于蚊子追寻宿主有着很大的促进作用，此外人类体表的气味也会促进蚊子的宿主追寻行为。因此蚊子的宿主追寻行为是通过对多重因素综合感知来进行的，任意破坏其中一个因素的感知通路不会让蚊子失去追寻宿主的能力。除了以上三种因素的影响，视觉信息对于蚊子追寻宿主也是关键因素之一，研究表明，蚊子更加倾向于穿红橙等暖色调衣服的人。综合来看，蚊子需要通过CO2气味信息来感知远距离的宿主，当其靠近宿主后，热量，体表气味以及颜色则会帮助其准确挑选最合适的宿主进行叮咬。从这些研究结果来看，我们要如何减少自己被蚊子叮咬的机率呢？首先是CO2，这与我们每个人的代谢水平是相关的，我们不可避免的都要产生CO2，而且我们身旁的人也会产生，因此该因素是很难避免的。其次，我们要针对后热量和气味因素进行应对。通常我们在剧烈运动后会更加容易被叮咬，这是因为运动后我们会散发出比周围人更大的热量和体表气味。这时及时的洗澡降温和去除体表气味是十分有必要的，喷涂花露水遮盖自身气味也是一个十分有效的办法。最后，日常生活中进行暗色调的穿搭也会在一定程度上减少被叮咬的机率。
3. 蚊子是否更加偏好人类宿主？
其实，并不是所有种类的蚊子都喜欢咬人。自然界3500多种蚊子中的大多数没有固定的偏好，他们遇到什么就咬什么。大概只有10种蚊子是专门咬人的，但是正是这10种蚊子传播了人类大多数的疾病。很神奇的是，研究人员发现这些专门咬人的蚊子能够准确地区分人和动物，那它们是怎么做到的呢？通过气味吗？是的。研究发现，当雌性埃及伊蚊闻到人类气味时，它们脑内一种被称为“人类嗅小球（human glomerulus）”的独特通路会被激活。这些嗅小球对癸醛和十一醛特别敏感，而这两种分子是人体皮脂的挥发性成分。
埃及伊蚊比其他动物更喜欢人类的气味。未参与该项研究的瑞典隆德大学生物学家Marcus表示，它们具有区分人类宿主和动物宿主的能力，但还不清楚其中涉及的气味分子和神经通路。作者鉴定出了一个识别人体挥发物的特定神经回路，而当你向蚊子展示其他动物的气味时，这个神经回路不会被激活。人类气味与动物相比究竟有哪些不同，能够让埃及伊蚊对我们更感兴趣？研究人员通过一个特殊装置收集了人和不同动物的体表气味进行气象色谱分析。结果表明，人和动物的气味都很复杂，里面有差不多上百种化学分子，而且并没有哪种化学分子是人特有的，也就是说，人的气味里含有的化学分子，动物的气味里面也有，只是具体的含量不一样。这就类似于两个人做菜使用相同的调料，但是最后做出来的菜味道却不一样——这是因为他们使用调料的比例不一样。具体来说，人的气味里面有几种分子特别多，比如说癸醛和甲基庚烯酮这两种分子。
随后，研究人员使用一种新方法将基因编辑后的蚊子暴露在人类、大鼠和绵羊的气味中，按照实验设计，几天没有洗澡的人类志愿者将躺在聚四氟乙烯袋子里，研究者会收集袋子里的空气，并通过几根微小的管道吹向蚊子。而动物的对比实验则是通过将活体动物放在玻璃室中，或者将毛发、毛皮和羊毛放入瓶子中，通过瓶子将空气泵向蚊子。通过记录蚊子大脑的钙信号观测蚊子对于每种气味的反应。令人惊讶的是，不论是蚊子闻到人类，还是大鼠或绵羊的气味时，它们的嗅觉神经元成像都展示出了一定的图景。面对非人类动物时，有两个嗅小球被激活。面对人类气味时，一个人类特异性嗅小球和一个识别其他动物的嗅小球被激活。该项研究还做出了一个惊人的发现，即使气味是复杂的混合物，埃及伊蚊也可以使用简单的神经代码来区分它们的首选宿主（人类）和其他动物。
接下来，研究人员深入研究以确定蚊子的人类特异性嗅小球对哪些化合物有反应。一组突出的化合物是醛类，它们不仅在人类和动物的气味中含量很高，在植物和土壤散发的气味中也很丰富。实验结果表明，长链碳醛类癸醛和十一醛在生理浓度下可强烈激活蚊子的人类特异性嗅小球，而针对人类和动物都有反应的嗅小球则对一系列化合物均有反应。研究人员还发现，闻到癸醛（可激活人类特异性嗅小球）和1-己醇（可激活人类和动物嗅小球）混合物的蚊子会逆风飞行以寻找源头。这个发现不仅很有趣，也很有用，因为这个混合物只有两种化学分子，相比于上百种分子来说，它可以很好地被制造和储存，这样就很方便应用于捕蚊器中。此外，研究人员还发现在“博爱”的蚊子里面有的嗅小球，对人“专一”的蚊子里面也有，而且都在相似的位置上，但是这些嗅小球的大小发生了改变。嗅小球越大意味着它探测化学分子的灵敏度越高，速度越快。他们发现有6个嗅小球在从“博爱”到“专一”的进化过程中变大了，6个嗅小球变小了。之前的研究里，埃及伊蚊的大脑中有一个脑区对人的气味格外敏感，在专门咬人的蚊子里面，这个脑区应该是这六个红色的嗅小球当中的一个，结果表明这个对人敏感的嗅小球在专门咬人的蚊子里体积果然增大了，也就意味着它探测人的气味更敏感，速度更快。
最后，蚊子研究的兴起仅仅才20年，目前对于已有的研究还远不足以让我们了解蚊子的全部，我们在此只是根据几篇代表性的研究泛泛而谈了蚊子的宿主追寻行为，对于想要深入研究的同学来说，还需要更加仔细全面的研读前人的工作。灭蚊事业任重道远，吾辈还需砥砺前行。
本次journal club的 slides 见附件pdf：
by 高灿