蚊子感应红外线发文Nature

蚊子叮咬通常只是暂时的麻烦，但在世界上的许多地方，它可能是可怕的。埃及伊蚊(Aedes aegypti)传播的病毒每年导致超过1亿例登革热、黄热病、寨卡病毒和其他疾病。另一种是冈比亚按蚊，它传播引起疟疾的寄生虫。世界卫生组织估计，每年仅疟疾就造成40多万人死亡。事实上，蚊子传播疾病的能力为它们赢得了最致命动物的称号。

雄性蚊子是无害的，但雌性蚊子需要血液来产卵。毫无疑问，人们对它们如何找到寄主进行了100多年的严格研究。在这段时间里，科学家们发现这些昆虫所依赖的线索并不是单一的。相反，它们会整合来自不同距离的不同感官的信息。

由加州大学圣巴巴拉分校的研究人员领导的一个研究小组在蚊子的记录技能中增加了另一种感觉:红外探测。当与二氧化碳和人类气味结合在一起时，来自一个大致与人类皮肤温度相当的热源的红外辐射使昆虫的总体寻找宿主行为增加了一倍。蚊子在寻找宿主的同时，绝大多数都朝着这个红外源前进。研究人员还发现了这种红外探测器的位置，以及它在形态和生化水平上的工作原理。研究结果发表在《Nature》杂志上。

“我们研究的蚊子，埃及伊蚊，在寻找人类宿主方面非常熟练，”共同主要作者Nicolas DeBeaubien说。“这项工作揭示了他们是如何做到这一点的。”

热红外制导

众所周知，埃及伊蚊(Aedes aegypti)等蚊子利用多种线索从远处锁定宿主。“这些包括我们呼出的二氧化碳、气味、视觉、皮肤的(对流)热量和身体的湿度，”共同主要作者Avinash Chandel解释说，他目前是加州大学圣巴巴拉分校蒙泰尔小组的博士后。“然而，这些线索都有局限性。”

这些昆虫的视力很差，强风或人类宿主的快速移动会使它们失去对化学感官的追踪。因此，作者想知道蚊子是否能探测到更可靠的方向线索，比如红外辐射。

在大约10厘米的范围内，这些昆虫可以探测到从我们皮肤上升的热量。一旦它们着陆，它们可以直接感知我们皮肤的温度。这两种感觉对应于三种传热中的两种:对流，由空气等介质带走的热量，传导，通过直接接触产生的热量。但是，当热能转化为电磁波时，也可以传播更远的距离，通常在光谱的红外(IR)范围内。红外线可以加热它碰到的任何东西。像蝮蛇这样的动物可以感知温暖猎物的热红外，研究小组想知道像埃及伊蚊这样的蚊子是否也能做到这一点。

研究人员将雌性蚊子放在笼子里，并在两个区域测量它们寻找宿主的活动。每个区域都暴露在人类的气味和二氧化碳中，浓度与我们呼出的浓度相同。然而，只有一个区域也暴露在皮肤温度源的红外下。热源和腔室之间有一道屏障，阻止了通过传导和对流进行的热交换。然后，他们计算了有多少蚊子开始像寻找静脉一样进行探查。

添加来自34摄氏度源(约皮肤温度)的热红外后，昆虫寻找宿主的活动增加了一倍。这使得红外线辐射成为蚊子用来定位我们的一种新记录。研究小组发现，它在70厘米(2.5英尺)深的地方仍然有效。

DeBeaubien说:“这项研究最让我震惊的是，红外信号的暗示效果非常强。一旦我们把所有参数都弄对了，结果就无可否认地清晰了。”

之前的研究没有观察到热红外线对蚊子行为的任何影响，但资深作者克雷格·蒙泰尔怀疑这归结为方法。一个勤奋的科学家可能会试图通过只提供红外信号而不提供任何其他线索来分离热红外对昆虫的影响。“但任何单一的暗示都不会刺激寻找宿主的活动。“只有在其他线索的背景下，比如二氧化碳浓度升高和人类气味，IR才会产生影响，”达根大学分子、细胞和发育生物学杰出教授Craig Montell说。事实上，他的团队在仅使用红外线的测试中也发现了同样的事情:单独使用红外线没有影响。

感应红外线的技巧

蚊子不可能像探测可见光那样探测到热红外辐射。红外线的能量太低，不足以激活动物眼中检测可见光的视紫红质蛋白。波长超过700纳米的电磁辐射不会激活视紫红质，而体热产生的红外波长约为9300纳米。事实上，没有一种已知的蛋白质会被如此长波长的辐射激活，Montell说。但是还有另一种方法来探测红外辐射。

以太阳散发的热量为例。热量被转化为红外，通过真空流动。当红外线到达地球时，它会撞击大气中的原子，传递能量并使地球变暖。“热量被转换成电磁波，电磁波再被转换回热量，”Montell说。他指出，来自太阳的红外线与我们身体热量产生的红外线波长不同，因为波长取决于光源的温度。

作者认为，也许我们身体产生红外线的热量会击中蚊子体内的某些神经元，通过加热来激活它们。这将使蚊子能够间接地探测到辐射。

科学家们已经知道，蚊子触角的尖端有热感神经元。研究小组发现，去除这些尖端会消除蚊子探测红外的能力。

事实上，另一个实验室在天线末端发现了温度敏感蛋白TRPA1。UCSB的研究小组观察到，没有trpA1基因的动物无法检测到IR。trpA1基因是蛋白质的编码基因。

每个天线的尖端都有能很好地适应感应辐射的钉入式结构。坑屏蔽了peg从导电和对流的热量，使高度定向的红外辐射进入和加热结构。然后蚊子使用TRPA1(本质上是一种温度传感器)来探测红外辐射。

深入研究生物化学

仅热激活TRPA1通道的活性可能无法完全解释蚊子能够探测到IR的范围。一个完全依赖于这种蛋白质的传感器可能在团队观察到的70厘米范围内不起作用。在这个距离上，坑钉结构可能没有收集到足够的红外线来加热它来激活TRPA1。

幸运的是，Montell的研究小组认为，基于他们2011年对果蝇的研究，可能存在更敏感的温度感受器。他们在视紫红质家族中发现了一些对温度小幅升高非常敏感的蛋白质。虽然最初视紫红质被认为是光探测器，但Montell的研究小组发现，某些视紫红质可以被各种刺激触发。他们发现，这一组蛋白质非常多才多艺，不仅与视觉有关，还与味觉和温度感知有关。经过进一步调查，研究人员发现，在蚊子体内发现的10种视紫红质中，有两种与TRPA1在相同的触角神经元中表达。

敲除TRPA1消除了蚊子对IR的敏感性。但是在视紫红质Op1或Op2中有缺陷的昆虫则不受影响。即使同时去除两种视紫红质也不能完全消除动物对红外的敏感性，尽管它会显著削弱这种感觉。

他们的研究结果表明，更强烈的热红外——就像蚊子在近距离(例如大约1英尺)处所经历的那样——直接激活了TRPA1。同时，Op1和Op2可以在较低的热红外水平下被激活，从而间接触发TRPA1。由于我们的皮肤温度是恒定的，扩大TRPA1的灵敏度可以有效地将蚊子的红外传感器的范围扩大到2.5英尺左右。

战术优势

世界上有一半的人口面临蚊子传播疾病的风险，每年约有10亿人受到感染。更重要的是，气候变化和全球旅行使埃及伊蚊的活动范围超出了热带和亚热带国家。这些蚊子现在出现在美国一些几年前从未发现过的地方，包括加州。

该团队的发现可能为改进抑制蚊子数量的方法提供了一种方法。例如，结合来自皮肤温度附近的热源的热红外可以使捕蚊器更有效。这一发现也有助于解释为什么宽松的衣服在防止咬伤方面特别有效。它不仅能阻止蚊子接触到我们的皮肤，还能让红外线在我们的皮肤和衣服之间消散，这样蚊子就探测不到它了。

DeBeaubien说:“尽管蚊子体积很小，但它们造成的人类死亡人数比其他任何动物都多。我们的研究增强了对蚊子如何针对人类的理解，并为控制蚊媒疾病的传播提供了新的可能性。”

此外，在Montell团队中，前巴斯夫的Vincent Salgado和他的学生Andreas Krumhotz也对这项研究做出了贡献。