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蚊子有秘功? 科学家们怎么发现的?
2019-01-11 |文章来源: 小溪| 浏览次数:  |

  撰文 | 小溪

  审校 | 朱佩平、清川

  誰都知道蚊子令人厭煩,這種小小的飛蟲其雄性是“素食者”只吸食植物汁液,而雌性以吸食人及動物的血液爲主,偶爾吸食植物液汁,一旦婚配就非吸血不可了,因爲只有吸了血才能促進它的卵子成熟。叮人吸血的只是雌蚊。 

正在叮人吸血的蚊子(圖片來自網絡) 

正在吸食植物汁液的蚊子(圖片來自網絡)

  不小心被雌蚊叮咬,讓它吸了血並在皮膚上留個瘙癢包算是輕的,如果它已攜帶了某些病原體那就嚴重了,在它再刺入人體時就會將病原體帶入人的血液。已知經蚊子傳播的可怕疾病有瘧疾、乙型腦炎、登革出血熱、絲蟲病、黃熱病等80余種。據報道,僅瘧疾這一種疾病,每年被蚊子傳播感染的有數億人,其中幾十萬人甚至有可能被奪走生命。

  正因蚊子對人類健康的危害極大,科學家們一直致力于研究蚊子,想弄清它究竟是如何傳播疾病的。研究纖小的蚊子憑肉眼無法進行,必須借助科技手段。隨著科技的發展,光學顯微鏡、電子顯微鏡、離子和X射線顯微技術以及高速攝影等高科技手段的湧現使相關的研究不斷獲得進展。

  近段時間傳來了令人吃驚的消息,科學家們意外發現了蚊子在叮人吸血時一種前所未知的“秘功”,而科學家們說:能夠獲得如此有突破性的成果首先要歸功于粒子加速器技術的發展,使研究者擁有了功能強大的研究手段。

  這是怎麽回事呢?來看看科學家們是怎麽發現蚊子有秘功的吧,這裏可有不少有趣的事。

  蚊子的嘴

  蚊子體型纖小,爲何它能這麽“穩”、“准”、“狠”地吸食呢?通常猜想它應有個尖利的“嘴”。仔細觀察蚊子的頭部,蚊子的確有個針狀的“嘴”,長在它的一對複眼下面,兩邊各有一根帶須毛的觸角。 

蚊子有個針狀的“嘴”(圖片來自網絡)

  借助顯微鏡,發現人們肉眼所看到的蚊子“嘴”其實只是個保護性的外套(稱爲下唇),而出乎人意料的是這個細長的保護套裏居然包裹了6根比頭發絲還細的針狀物:1根是食管(上唇),1根是唾液管(舌),2根是刺針(上腭),還有2根是鋸齒刀(下颚)。

  動物學中將昆蟲的“嘴”稱爲口器,而蚊子這種既能刺入寄主體內又能吸食寄主體液的口器,則稱爲“刺吸式口器”。 

蚊子口器的結構示意圖(圖片來自網絡)

  蚊子的口器又細又軟,怎麽能在人毫無覺察時就穿透皮膚吸飽了血呢?

  顯微鏡下進行的研究顯示:蚊子的口器刺入表皮時用的是一種動態沖擊姿勢,口器繃直後快速刺向皮膚,包裹著6根“針”的“下唇”立即打開並折疊起來,其前端緊貼著皮膚起到引導和支撐作用。

  6根針中的兩根“上颚”尖頭先刺破皮膚表面,再以一種周期性的振動增加刺入深度,帶有鋒利微型鋸齒的兩根“下颚”緊跟著鋸開皮膚。上颚與下颚配合著很快深入到表皮下血管豐富的區域,上颚的尖頭還會不斷變換位置探查血管。

  只要上颚一找到血管,“上唇”立即卷曲成一個吸管(上唇的上端與蚊子體內的食道相連),蚊子擴張自己的食道就可以使血液沿著上唇卷成的吸管吸入體內了。

  與此同時,蚊子通過“舌”將分泌的唾液注入人體。蚊子的唾液裏含有舒張血管、抗凝血以及起麻醉作用的化學物質,便于更快地吮吸血液,也正是這種物質會引起被叮咬者過敏,表現爲皮膚起包並發癢。如果蚊子體內已攜帶某種病原體,就會隨著唾液進入人體——這正是蚊子叮人傳播疾病之時。

  新機遇

  生物學家們一直在探尋更高水平的成像技術手段來深入研究蚊子的吮吸功能,而隨著粒子加速器技術的發展,同步輻射光源的誕生爲他們帶來了全新的機遇。

  X射线是德国物理学家威廉·伦琴(Wilhelm Conrad Rentgen)1895年发现的。此后,常规的X射线在多个研究领域得到了广泛的应用,但只有出现同步辐射光源后X射线成像技术的发展才真正得到了质的飞跃。

  同步輻射是一種電磁輻射。20世紀初,理論研究學者根據電磁場理論預言:真空中接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動時,會沿著彎轉軌道切線方向發射連續譜的電磁輻射,只是在相當長時間內誰也沒真見到過這種輻射。1947年,美國通用電氣公司在調試70MeV電子同步加速器時意外觀察到了這種電磁輻射。同步輻射並非粒子物理實驗所需,但通過對其特性的研究卻發現它具有其它輻射源難以比擬的強度高、准直性好、能量範圍廣等優異特點,可爲多個學科領域的研究提供優良的光源。

  20世紀60年代末、70年代初,利用已建供粒子物理研究用的同步加速器,以“寄生”模式運行的第一代同步輻射光源開始出現,其X射線的亮度(指單位時間、單位面積、單位立體角、一定光子能量範圍內的光子數。亮度越高表明束流品質越好)比常規X射線源約高4-5個量級。80年代初,基于技術的發展,一批發射度(束流尺寸與張角的乘積)較前大大降低、亮度大大提高的專用同步輻射光源陸續建成——被稱爲“第二代”。

  第一、二代同步輻射光源主要利用電子束經過加速器彎轉磁鐵發出的同步輻射光。70年代末開始使用在加速器彎轉磁鐵之間的直線段插入産生周期性磁場部件(稱爲插入件)的技術。當電子束通過插入件時會被往複、周期性地偏轉方向,在近似正弦曲線的扭擺偏轉中發出更多的同步輻射光,可大幅度提高光源品質。第二代同步輻射光源使用部分插入件,光源亮度可達1015-1016

  90年代中期,一批以低發射度和采用大量插入件爲特征的高亮度同步輻射光源建成——被稱爲“第三代”,光源亮度可達1018-1019

  同步輻射光源所具有的高亮度、高通量、高准直度、精確可控、能量連續可調等特點,爲X射線成像研究提供了高水平的平台,使之前無法實施的許多成像研究得以實現。加上近年來相襯成像、相幹衍射成像、吸收譜成像、X射線熒光成像等一系列新的X射線成像方法陸續出現,相關的應用研究如虎添翼,科學家們擁有了全新的X射線成像技術手段。

  以美國阿貢國家實驗室的先進光子源(APS)爲例。

  APS屬第三代同步輻射光源,電子能量爲7GeV,由直線加速器、增強器、儲存環、插入件和實驗大廳組成。

  直線加速器將電子加速到450MeV(電子以接近光速的速度運行),電子束流被注入到增強器後在半秒時間內被加速到7GeV,然後進入安裝了1000多塊磁鐵、周爲長1104米的儲存環,強大的磁場使電子束聚焦後沿接近圓形的多邊形真空軌道運行。在每個多邊形的直邊上安裝具有多周期磁鐵結構的插入件,用于大幅度提高光源品質。

  APS儲存環共設計了40個單元,其中35個單元用于爲科學實驗提供高品質光源。每個單元至少包括兩條引出X射線的光束線,一條用儲存環彎轉磁鐵作爲光源,另一條用插入件作爲光源。

  APS提供的高亮度、高通量、高准直度、精確可控、能量連續可調的X射線爲生命、材料、能源、環境等多種尖端科學研究提供了高水平的研究平台。 

美國阿貢國家實驗室先進光子源(APS)鳥瞰(圖片來自網絡) 

APS組成部分示意圖(圖片來自網絡) 

APS的儲存環(部分)(圖片來自網絡) 

APS的一個插入件裝置(圖片來自網絡)

APS光束線分布示意圖(圖片來自網絡)

  一個由來自東北大學(日本)、弗吉尼亞理工學院(美國)、布魯克海文國家實驗室(美國)和東洋大學(日本)等多個機構研究人員組成的研究團隊在APS上研究蚊子的吮吸功能。

  研究蚊子之類的小型昆蟲,爲了實時捕捉昆蟲系統內部各部分是如何協調配合工作的,需要借助同步輻射性能優異的X射線,透過昆蟲外部輪廓不僅揭示其體內軟組織結構千分之一秒內的運動,而且分辨出長度爲百萬分之一米的細節。一般的顯微鏡顯然不能滿足這些需求,只有同步輻射X射線成像才能滿足這類實驗所需的苛刻條件。

  該研究團隊用APS一個插入件光束線提供的高性能X射線和配套的成像實驗設施,選擇適用的X射線參數,通過極爲精細的實驗控制,可在蚊子不被汽化的情況下觀察它體內的情況,成功地拍攝到了活體蚊子吮吸行爲的高分辨率視頻,捕捉到蚊子在吸食液體時一種前所未知的“秘功”,在蚊子吮吸液體行爲的研究中取得了突破性的研究成果。

  蚊子的秘功

  令人感興趣的是:如此精細的實驗是怎樣進行的呢?沒想到實驗的過程竟這樣有趣,科學實驗真是魅力無窮!

  蚊子雖然既小又脆弱,但卻是世界上最難對付的害蟲之一。研究團隊很明白,沒有獨特的創造性,就不可能揭示新的秘密。

  傳統的X射線成像基于這樣一個原理:用X射線照射被研究的物體,安置在物體後面的成像探測器將接收到的X射線轉化爲圖像。被照物體內密度較高部分(例如骨骼)吸收較多的X射線,成像時表現爲圖像中較暗部分,而密度較低部分(例如液體或軟組織)吸收較少的X射線,成像時表現爲圖像中較亮部分。因而傳統的X射線成像被稱爲“吸收襯度成像”。一般動物體內由于骨骼與肌肉等軟組織的密度差異大,可獲得明暗襯度較大的清晰圖像。然而,蚊子體內沒有骨骼之類高密度的部分,體內各個部分的密度相差不多,吸收X射線的能力差異並不大,無法産生明暗襯度大的清晰圖像。因此,研究蚊子等昆蟲類物體就遇到了難題。

  研究團隊采用“相位襯度成像”技術來解決這個難題。這項技術有兩個關鍵點:首先,雖然密度的微小差異不能産生可觀測的吸收襯度,但這微小的密度差異卻可以使X射線産生敏感的相位變化,導致X射線在蚊子體內發生微小角度折射;其次,第三代同步輻射光源可提供一般X射線光源所沒有的高通量和高准直的X射線,可以使微小角度折射的X射線和背景X射線發生幹涉,産生相位襯度。利用這兩個關鍵點,研究團隊使微小的密度差異産生出十分敏感的相位襯度圖像,所獲圖像甚至可區分昆蟲食道中的液體與空氣。

  研究團隊的傑克?索查(JakeSocha)教授說“這仿佛爲我們揭示了一個全新的世界”,“幾乎所有你能放進這個光束的東西,都會使你首次以一個全新的視角來觀察。”“圖像中昆蟲內部結構的清晰性相當驚人。”

傑克·索查在他位于弗吉尼亞州諾裏斯的實驗室裏(圖片來自網絡)

  實驗的過程並不簡單。

  開展正式實驗之前,研究人員須謹慎地選擇相關的實驗參數,測試比較在什麽條件下才能對昆蟲的傷害最小,得到最好的圖像。當然,X射線的波長越長,穿透能力越弱,所得圖像的吸收襯度越高,吸收襯度對圖像襯度貢獻越大。但X射線的波長越長,對昆蟲的損害就越大。這將使昆蟲的行爲不自然,甚至會立即殺死它們(雖然科學家們在研究實驗結束後常會殺死這些蟲子,但可不希望它們在實驗半途中就死去喲)。測試結果表明:將實驗時間控制在5分鍾之內,對大多數昆蟲沒有太大的負面影響,可是,一旦實驗超過20分鍾,就會使它們發生暫時癱瘓。

  即使有了缜密的預先研究,研究團隊在每次實驗之前仍要花6-8個小時來進行各項實驗參數的調試准備。另外,還有一個具有挑戰性的問題:用什麽方式固定實驗用的蚊子呢?你可沒法對蚊子說:“X光照射時你身子“別動”啊”。

  實驗用的蚊子是在APS旁邊的森林中用陷阱誘惑捕捉的,捉到的蚊子被關在有食物和水的小籠子裏養著。實驗時只選用雌蚊,在進行正式實驗前要將它們餓上48小時。臨近實驗,先用氮氣暫時麻醉蚊子,再用某種品牌的指甲油將蚊子粘在一根針的頂端(這不屬于高技術哈,但研究者們對此種指甲油贊不絕口),然後把蚊子長長的口器浸入含糖的喂食液(含10%葡萄糖),糖溶液中還需混入一種碘同位素,用于增強X射線的吸收,以便拍攝液體流動的清晰圖像。待蚊子蘇醒後就可以開始實驗了。

  研究人员用独创的实验装置在APS的(XSD)2-BM弯铁光束线上拍摄获得了蚊子头部的X射线投影图像,所得的二维投影图像用APS的tomPy软件转换成三维图像。他们还在APS的(XSD)32-ID插入件光束线上,用单色X射线(能量为33.25 keV)拍摄了饥饿蚊子吸吮花蜜时的高清视频,再用相关的软件处理分析视频数据。

  研究团队有了惊人的发现,他们的研究结果发表在2018年2月的《科学报告(Scientific Reports)》期刊上,文章描述他们发现了蚊子的一种前所未见的“爆发式”吮吸模式。 

在APS的(XSD)2-BM彎鐵光束線上捕捉到的蚊子頭部的X射線三維圖像(圖片來自網絡) 

2018年2月發表的論文及相關報道(圖片來自網絡)

  盡管科學家們早就認識到研究蚊子叮人吸血方式的重要性,但以前的研究並不了解蚊子具有兩套不同的吮吸系統。正常情況下,蚊子吸血是“連續模式”的,吮吸以連續運動的方式進行,是較高頻率的多次小體量沖程,就像用吸管小口小口品嘗似地連續吮吸。

  然而,在新發現的這種“爆發模式”下,蚊子的吮吸竟有一次性的大體量沖程——通過吸管的巨大吞咽——産生大量、快速的液體流入,所産生的流量比連續模式中觀察到的要高出27倍。這是以前從未觀察到的,而這種動作所需能量是原來的1000倍。這就引出了問題,爲何蚊子有兩種吮吸模式呢?什麽情況下蚊子會使用爆發模式呢?

  爲了更深入地探索這個問題,研究人員利用觀察到的形態學和運動學參數建立了蚊子吮吸的流體力學數學模型,對蚊子不同的吮吸模式原理進行詳細分析,便于提出更多的假設,指導進一步研究的思路。研究發現,爆發模式允許蚊子按需産生一個低壓真空,可用來驅動吮吸中的障礙物,例如氣泡或小顆粒。也許這是蚊子試圖避免被發現,暫時增加攝入量以更快地吮吸?然而,這種情況似乎發生機會較少,因爲實驗表明爆發模式只是偶爾發生。 

發現蚊子爆發式吮吸模式的實驗示意圖(圖片來自網絡)

  當然,這個實驗的過程對用于實驗的蚊子來說肯定不算愉快的。

  蚊子不僅是一種討厭的東西,也是對人類健康的一種威脅。近年來齊卡(Zika)病毒的大爆發以及一種新黃熱病的流行,都是由蚊子攜帶病毒傳播疾病引起的。關于蚊子吮吸機制和爆發式吮吸模式的新發現僅是研究的開始,還需在未來的研究中深入探索,更好地了解蚊子是如何傳播疾病以及怎樣才能更好地應對蚊子的危害。

  研究团队的马克·斯特里姆勒(Mark Stremler)教授说:“我们越了解它们就越有可能找到控制它们的方法。”“这项研究为我们打开了一个全新的问题和可能性的大门,而这些问题以及可能性在我们观察到这种爆发模式之前甚至没有考虑过。”

  除了蚊子傳播疾病的生物醫學意義之外,這一發現還可能幫助科學家開發新的技術。研究人員設想在微流控裝置中模仿蚊子的雙吮吸系統,研發出可用于在人體內提供有針對性藥物治療的裝置。

  這項研究能成功地在APS上完成並取得可喜進展,並非偶然。21世紀初以來,APS一直是使用X射線研究昆蟲的世界領先者。在進行此項研究之前,APS上已進行過爲數不少的昆蟲活體研究,相襯成像、相幹衍射成像、吸收譜成像、X射線熒光成像、顯微成像、計算機斷層掃描成像,以及大實驗數據處理、圖像重建等等前沿技術已有了紮實的基礎。

  結語

  上述這個有意義、高水平的蚊子吮吸方式實驗令人實實在在地感受到了粒子加速器技術對人類社會發展作出的貢獻。

  基于粒子加速器技術的同步輻射光源建設起步于20世紀70年代,爲科學家們開展科學研究和應用研究帶來了廣闊的前景,這些年來取得了極爲豐碩的成果,關于蚊子爆發式吮吸方式的新發現僅是其中一個例子。

  目前全世界已建成的同步輻射光源已超過50台。20世紀90年代初,國內最先建成的北京同步輻射裝置是基于高能物理實驗的高能對撞機兼用裝置,屬第一代同步光源。合肥建成的是同步輻射專用裝置,屬第二代光源。2009年5月投入使用的上海光源屬第三代同步輻射光源(台灣新竹光源也屬第三代)。

  即將在北京懷柔動工的北京光源屬第四代同步輻射光源(采用比第三代更先進的技術,性能更加優越),合肥先進光源(第四代)的建設構想也已提出,廣東省正積極推動在東莞建設南方光源(第四代)與已建成的中國散裂中子源配套。可以預見,就在並不太遠的未來,中國的幾大高性能同步光源將爲材料、能源、環境、物質與生命科學交叉等廣泛領域的科學研究提供強有力的技術支撐能力,爲科技的發展作出更大的貢獻。

  參考資料

  1、When Your X-Ray Subject Has Wings: PeeringInside Insects with theAdvanced Photon Source

  https://science.energy.gov/news/featured-articles/2018/08-29-18/

  2、What REALLY happens when amosquito bites: Scientists capture how the parasite sucks blood in a gruesomevideo

  https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2385937/

  3、Advanced PhotonSource

  https://science.energy.gov/bes/suf/user-facilities/x-ray-light-sources/aps/

  4、MosquitoesDrink with a Burst in Reserve

  https://www.aps.anl.gov/APS-Science-Highlight/2018/mosquitoes-drink-with-a-burst-in-reserve

  5、Burst modepumping: A new mechanism of drinking in mosquitoes

  https://www.nature.com/articles/s41598-018-22866-w

  6、Mosquitoes drink with a burst in reserve:explaining pumping behavior with a fluid mechanics model

  http://meetings.aps.org/Meeting/DFD14/Session/R7.1

  7、Argonne’sX-rays used to identify new mode of drinking in mosquitos

  https://www.anl.gov/article/argonnes-xrays-used-to-identify-new-mode-of-drinking-in-mosquitos

  8、Newlydiscovered mode of drinking in mosquitoes carries biomedical implications

  https://vtnews.vt.edu/articles/2018/03/mosquito-burst-mode.html

  9、蚊子吸血過程

  http://news.ifeng.com/a/20170807/51578970_0.shtml

  10、關于蚊子你所不知道的10件事

  http://m.sohu.com/a/245804036_297441

  11、蚊子口器爲什麽能刺穿人的皮膚

  https://www.zhihu.com/question/21244651

  12、顯微鏡發展的曆史征程

  http://www.sohu.com/a/167407714_346845

  13、黑科技顯微鏡

  https://baijiahao.baidu.com/s?id=1610666366510896008&wfr=spider&for=pc

  14、同步輻射X射線顯微成像的新方法和新技術

  http://www.docin.com/p-1702165788.html

  15、同步輻射X射線三維顯微成像

  https://wenku.baidu.com/view/ba9730f8941ea76e58fa046b.html

  16、散裂中子源+南方光源

  http://www.sohu.com/a/278644650_356071


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