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蚊子凭啥只咬你?他们用5年造出一批“脑子发光”的蚊子终于搞懂

2022-05-26  Zhanjh1936   |  转藏
   

为了发篇Nature,他们一天用自己喂了3000只蚊子?!

听起来有些不可思议,但却是普林斯顿大学一群研究人员在做的事情——

他们试图找出这些蚊子专门吸人血的原因。

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我们都知道,有不少蚊子会吸血。但在这些蚊子中,有一批极其“嘴刁”的专门吸人类的血液,对动物血液爱答不理。

最典型的就是埃及伊蚊,也就是我们常提到的“花蚊子”。

哪怕连人影都看不见,只要闻到右边罐子底下有人的气息,它们就会前赴后继,一波波涌上来想要吸血:

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△图源@SciTech Daily,左为豚鼠气味;右为人类气味

这类“咬人蚊”引起了研究人员的兴趣:为什么它们偏偏喜欢人类?

是人类身上带有什么特殊物质?还是蚊子有什么针对人类的特殊构造?这些问题都还困扰着科学家们。

于是,研究人员试着对这批蚊子进行了转基因实验,来搞懂它们的“脑子”究竟是如何区分人与动物的。

期间为了让这批只喝人血的蚊子“吃上饭”,研究人员一天被吸几千次血也是常有的事。

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耗时5年培养出脑子会“发光”的蚊子后,研究人员揭开了它们的神秘面纱,目前研究已经被发表在Nature上。

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为何蚊子只吸你的血?

通常来说,蚊子会通过人和动物身上的气味来区分二者。

但研究发现,不仅人与人之间的气味相差非常大,就连动物和动物之间的气味也各不相同。

研究人员通过收集人类和动物身上的气体证实了这一点:在不同个体之间,产生气味的化学分子成分含量截然不同。

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△不同人/动物散发的化学分子成分

受体质差异、身上菌群分布等影响,每个人闻起来都是独一无二的。

BUT,在这些五花八门的气味中,蚊子却总是能准确区分出“人肉味”和动物的气息。

举个例子,如果你去了一个满地都是花蚊子的跑马场,大概率那些马没什么事,而你会被咬出一身的包。

(这还真不只是因为它有毛挡着…)

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这是怎么回事?

首先,蚊子有着极其敏锐的嗅觉。

如果对蚊子有所观察,我们会发现除了吸血用的口器以外,蚊子还自带两根看起来毛绒绒的触角:

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这些触角上有几千个嗅觉感受器,让蚊子能准确区分出不同的气味,从而用它们的大脑判断“这东西到底能不能吃”。

其次,在蚊子的“脑子”中,存在一个专门处理气味(嗅觉)信号的脑区。

这个脑区中有大约60个叫做“嗅小球”的东西,每个嗅小球处理的都是不同的化学分子信号。

虽然大自然中的气味千千万万,但蚊子却只对“猎物”人类身上散发出来的几类物质特别敏感。

当感知到人体散发出的独特气味后,对应的嗅小球就会变得极其活跃,敦促蚊子赶紧去吸食它们觉得更好喝的人血(手动狗头)。

所以,我们身上到底有哪些独特成分,吸引了这些蚊子前来觅食?

用基因编辑找出答案

在此之前,虽然也有不少针对蚊子的研究,但由于蚊子大脑太小、且只有在活着的时候才能观察脑区活跃度,因此科学家们一直没搞明白,它们究竟是被什么气味所吸引的。

直到科学家们绞尽脑汁想出了一种新方法——

为什么不培育一些转基因蚊子,让它们的脑子自己“发光”呢?

这里提到的让脑子“发光”,其实就是荧光蛋白标记

利用CRISPR技术,研究人员可以对蚊子大脑中的神经细胞进行基因编辑,让它们在被刺激时能够发出荧光。

如下是对蚊子初级嗅觉脑区进行标记的结果。

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这样一来,研究人员就能在蚊子嗅到不同气味气体时,直观看到大脑中嗅小球的刺激变化。

在用人类气味、老鼠气味和羊气味分别刺激蚊子后,他们发现,有一个特殊的嗅小球H只对人类气味敏感(下图绿色箭头所指)。

而还有一个嗅小球A,只对动物气味敏感,对人类气味没有反应(下图橙色箭头所指)。

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并且在更多种气味的测试中发现,蚊子在人类气味和气味的刺激下,嗅小球激活情况最为相近。

研究人员解释这可能是由于狗长期和人类相处,皮肤表面细菌比较相似,所以散发的气味也会相似。

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这里的人类气味,其实就是人体身上存在着两种关键物质:癸醛 (Decanal)和甲基庚烯酮 (Sulcatone)。

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由于人类在进化时,相比动物进化出了裸露的皮肤,为了保护自己的皮肤,就必须分泌出一些动物皮脂中没有的物质,包括一种叫做Sapienic acid的脂肪酸,以及角鲨烯(Squalene)等。

其中,Sapienic acid存在于我们的皮肤和黏膜中,对如血链球菌,微生物链球菌等呈现出抗菌活性,帮助我们抵抗不少细菌;

角鲨烯则存在于像耳垢这样的地方(doge),能增强我们的免疫力,像给皮肤加上一层保护膜一样。

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而这两类物质被身上的细菌分解后,就会出现癸醛和甲基庚烯酮这两种物质,蚊子便是对这两种物质极其敏感。

但其实,发现这两种物质和蚊子之间的关系,科学家们竟然用了5年

研究人员:为实验贡献肉身&体味

事实上,对蚊子进行基因编辑非常难

该论文一作赵志磊在《一席》的演讲中提到,编辑成功的概率甚至低于0.1%

因为基因编辑涉及神经细胞,这很容易影响蚊子的神经系统,导致它们很难存活下来。

为此,研究人员需要培育大量蚊子以供实验筛选。

这次他们pick了埃及伊蚊作为研究对象。

赵志磊表示,选它主要有两方面原因:

第一,因为在过去实验中发现,埃及伊蚊非常喜欢人类的气味。

第二,埃及伊蚊不同于大部分昼伏夜出的蚊子,它们是在白天吸血的,方便实验开展。

毕竟……

谁都不想熬夜做实验对吧?

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确定好品种后,研究人员会从野外采集蚊子卵,拿回实验室来培养。

而众所周知,蚊子是要吸血才能长大的,怎么给它们喂血就是个问题了。

一种方法是拿“动物血+塑料膜”来模拟人类皮肤,当把血液加热到体温时,蚊子就可能来吸血了。

但问题是埃及伊蚊本身不喜欢动物血啊。

所以,就剩下一种更为简单粗暴的方法了——拿人来喂

由此也就有了上面提到的那一幕,一个人、一天内、喂饱3000只蚊子。

赵志磊介绍,他们通常会把手臂伸到饲养蚊子的笼子里,几百只蚊子会立刻蜂拥而上。

十多分钟之内就可以吸饱血,非常高效

唯一的弊端就是被几百只蚊子咬完后,胳膊上会起很多包。

赵志磊印象深刻地记得,自己第一次喂蚊子后,手臂都肿了起来。后来是把手臂放在热水下冲洗,加速皮肤血液循环才消了肿。

不过我们发现几个月之后,再用手喂蚊子就不痒了,因为我们的免疫系统已经适应了。

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解决了蚊子这边的难题,还要搞定不同气味的收集

需要收集的几个对象有人类、狗、羊、老鼠、鸟、豚鼠。

之所以会选择这些动物,是因为它们经常出现在人们的日常生活中。

这篇论文中,研究人员共使用了16个人、2只老鼠、2只松鼠、2只鸟、1只绵羊和4只狗的气味。

先来看人类气味收集的部分。

他们设计了一个可以流通空气的塑料袋装置,受试者需要提前几天不洗澡,然后一丝不挂地躺在里面。

装置一边注入干净空气,另一边抽出沾了人味的气体,整个过程大概需要进行2个小时

为什么不能穿衣服呢?

因为棉线、化纤都会散发气味,对实验造成干扰。至于几天不洗澡……大概是为了提高浓度吧。

这部分当然还有实验小组成员亲自“献身”,赵志磊表示他的导师Lindy McBride就是贡献人之一。

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而动物气味,则可以通过活体样本、毛发等途径来收集。

这其中包括了农场捐赠的羊毛、宠物店剃下来的狗毛……还有一些不怕人的小动物可以直接放在装置里进行气味收集。

由此一来,研究人员就获得了不同种类动物的高纯度体味。

通过特制的系统中释放不同气体,他们就能看到上面所展示的埃及伊蚊大脑荧光成像变化了。

作者介绍

蚊子凭啥只咬你?他们用5年造出一批“脑子发光”的蚊子终于搞懂

△图中男生(右)

本项研究的第一作者是赵志磊

他本科毕业于北京大学生命科学学院,2015年赴普林斯顿大学读博,师从Carolyn (Lindy) McBride。

目前,他在康奈尔大学做博士后工作。

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他的博士导师Carolyn (Lindy) McBride,正是这项研究的共同通讯作者。

Lindy McBride为普林斯顿大学助理教授。

她组建的实验室研究方向为,利用野生蚊子种群进化了解其行为基因及神经元基础、以及行为进化的分子机制。

One More Thing

其实拿自己喂蚊子来做实验,在科研圈还真不是第一次了。

2020年,澳大利亚科学家Perran Ross就展示过让5000只蚊子来叮自己,以此完成研究。

(高能预警!!!)

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△为研究做出亿点牺牲

通过喂给蚊子一种可以阻止登革热病毒的细菌,Ross试图通过这种办法让蚊子不再传染登革热。

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实际上,科学家们如此大力研究如何让人类避免被蚊子叮咬,主要还是因为蚊子可以携带寨卡、登革热、黄热病等病毒在人群之间传播。

而上万年来,如埃及伊蚊等蚊子,已经进化到几乎只叮咬人类了。

所以当下如何抑制蚊子传播病毒,迫在眉睫。

据赵志磊介绍,此次他们的研究对于研发驱蚊剂也有一定帮助,他的同事就正在进行这方面研究。

目前的驱蚊剂很多是通过大量化学筛选得到的,具体的作用机制人们其实并不清楚。如果根据蚊子的大脑活动,能够特异性地寻找到一种驱蚊剂,效果也许会好很多。

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