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Science:颠覆常规!揭示蚊子找到人类来叮咬的新机制

来源:本站原创 2020-02-10 16:51

2020年2月10日讯/生物谷BIOON/---蚊子是地球上最致命的动物之一。每年有数十万人死于诸如疟疾、登革热、西尼罗河病毒和黄热病等蚊媒疾病,其中大多数是儿童。另有2亿人受到感染并出现症状。

在一项新的研究中,美国布兰戴斯大学生物学教授Paul Garrity、博士生Chloe Greppi、博士后研究员Willem Laursen和其他几位同事报道,他们发现了蚊子如何利用人类体温来寻找和叮咬人类的一个重要方面。相关研究结果发表在2020年2月7日的Science期刊上,论文标题为“Mosquito heat seeking is driven by an ancestral cooling receptor”。
图片来自CC0 Public Domain。

这一发现使得人们有朝一日有可能愚弄或破坏这种昆虫的温度传感器,从而让它们不会传播疾病。

Garrity说:“像蚊子温度传感器这样的传感系统是开发新方法来驱除或迷惑蚊子以阻止它们叮咬我们,或者创造新方法来帮助诱捕和杀死这些传播疾病的生物的绝佳靶标。”

快速回顾历史

在20世纪初,在印度工作的英国科学家Frank Milburn Howlett注意到在喝茶的时候,蚊子总是在他的茶壶周围盘旋。作为实验,他将蚊子装在一个松散的纱布袋中,并将这个纱布袋放置在装有热水的试管附近。

Howlett在1910年的一篇研究论文中写道,当从试管传来的热量传到蚊子身上时,“观察到非常有趣的结果”。蚊子被吸引到纱布袋最靠近上升的热空气的一侧。他还观察到蚊子似乎并不攻击冷血动物,这表明是人体热量(即体温)吸引了它们。

此后的其他研究表明,在几英尺(1英尺等于12英寸,相当于30.48里米)远的距离内,蚊子依靠我们呼出的二氧化碳、我们散发出的气味以及视觉线索来找到我们。但是在几英寸以内时,正是我们身体的温度在引导它们方面起着主要的作用。

只有雌性蚊子才有这种行为。后来得知,它们利用我们血液中的蛋白来滋养它们的卵。雄性蚊子仅靠吸水果和植物花蜜为生。

寻找热量还是躲避寒凉

去年,Garrity和他的几位同事在Neuron期刊上发表的一篇论文颠覆了人们对位于果蝇触角尖端的温度感应受体(即温度传感器)的传统看法(Neuron, 2019, doi:10.1016/j.neuron.2018.12.022)。

传统上,这些受体被认为像温度计一样,会测量周围环境的温度让果蝇知道环境是冷还是热。相反,Garrity和他的同事们发现这些受体只能检测温度是否在变化,让果蝇知道周围环境是变热还是变冷。

因此,Garrity将这些温度传感器重命名为“冷却单元(Cooling Cell)”和“加热单元(Heating Cell)”。它们是如此灵敏以至于它们能够以每秒检测出百分之一度的温度变化。与果蝇在进化上有密切亲缘关系的蚊子也有冷却单元和加热单元。

虽然通过研究蚊子的加热单元以了解是什么将它们吸引到人类温暖的身体似乎是有意义的,但Garrity的研究团队还是考虑了另一种违反直觉的假设。也许不是蚊子飞向温暖;也许它们是在飞离寒冷。这意味着冷却单元才是重点关注的对象。

Garrity及其同事们在这项研究中对这些特定冷却单元的研究依赖于一种称为IR21a的分子受体。IR21a中的“IR”代表离子型受体,即一组帮助神经元传输信号的蛋白。IR21a有助于传输指示蚊子周围温度下降的信号。

它们是如何做到的

在实验中,这些研究人员敲除了负责产生IR21a受体的蚊子基因。然后,他们将大约60只突变蚊子(即基因敲除蚊子)放入一个鞋盒大小的容器中,在这个容器的后壁上装有一块板,将这块板加热到接近37℃的核心体温,然后向这些蚊子喷入一小撮二氧化碳,以模仿人类的呼吸。

当非突变蚊子快速地聚集在这块接近37℃的板上试图觅食时,突变蚊子很大程度上忽略了这块板。在没有IR21a受体的情形下,它们将无法再将自己引向附近最热的地方。

在第二个实验中,将这些蚊子放在一个小网眼笼子中。这些研究人员在这个笼子上方放置了两个充满人类血液的小瓶,其中一个加热到22.78℃(室温),另一个加热到31.1℃(人手的表面温度)。相比于处于相同环境下的非突变蚊子,突变蚊子对31.1℃血液的偏好降低了。

“外界是在变好还是在变坏?”

根据Garrity的说法,每当蚊子向较低温度移动时,IR21a受体就会被激活。由于人类通常比周围环境温暖,这意味着在蚊子接近人类时,IR21a保持沉默。但是,如果蚊子偏离路线并开始远离它的温血猎物,那么IR21a会被激活,只有在蚊子改道后它才会关闭。

最终,追踪温度变化对于帮助蚊子精确地确定叮咬我们的位置是非常有用的,这是因为血管是我们皮肤上最温暖的地方。

Garrity说,IR21a的行为似乎像“一个令人讨厌的警报。每当雌性蚊子飞向较冷的地方时,它就会响起。当它们寻找人类时,它们似乎被驱使去做任何事情来降低这种警报声。”

这一切如何开始

IR21基因起源于一个生活在4亿年前的海洋生物,这个海洋生物最终产生了现代的甲壳类动物(如龙虾和螃蟹)和昆虫。

一旦这些现代昆虫的祖先最终进入陆地,这个基因就被传给了果蝇和蚊子的共同祖先。当这两种昆虫的进化轨迹在大约2亿年前分开时,它们对IR21a受体的用途都有不同。果蝇用它来躲避温暖,蚊子用它寻找温暖并以人类血液为食。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Chloe Greppi et al. Mosquito heat seeking is driven by an ancestral cooling receptor. Science, 2020, doi:10.1126/science.aay9847.

2.Claudio R. Lazzari. In the heat of the night. Science, 2020, doi:10.1126/science.aba4484.

3.Gonzalo Budelli et al. Ionotropic Receptors Specify the Morphogenesis of Phasic Sensors Controlling Rapid Thermal Preference in Drosophila. Neuron, 2019, doi:10.1016/j.neuron.2018.12.022.

4.How mosquitoes find humans to bite
https://phys.org/news/2020-02-mosquitoes-humans.html
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