倾听昆虫振翅有多重要?可帮我们对抗疟疾

网易科学人 网易科学人 05-19 08:08 跟贴 33 条

  出品︱网易科学人栏目组

  作者︱小小

  研究人员正对根植于音乐和生物学领域的振翅频率现象进行研究,这可能有助于我们对抗疟疾。

  这是在坦桑尼亚Lupiro村温暖的夏日午后,迈克尔·布莱德嘉德(Mikkel Brydegaard)正尊坐在砖砌的小屋中,尝试修复坏掉的激光雷达。他旁边有个高高的三脚架,三架望远镜透过窗户指向远处的树上。一台笔记本电脑靠在倒置的盒子上,等待接收信号。布莱德嘉德正修复的激光雷达与雷达功能相似,只是它需要使用激光而非无线电波。这个装置被设计用于收集携带疟疾寄生虫的蚊子的活动精确数据。随着屋外太阳开始落下,布莱德嘉德变得越来越紧张。

  布莱德嘉德和同事们已经坦桑尼亚工作了1周,他们的设备却还没有开始收集数据,他们几乎没有时间了。因为第二天,日食将会遮住坦桑尼亚上空的太阳。每隔数十年,坦桑尼亚就会出现这种现象,来自瑞典隆德大学的布莱德嘉德等人长途跋涉数千公里来此观看。他们的直接目标是观察日食是否会对携带疾病的昆虫行为产生影响,而更大的使命是为了证明激光可以彻底改变对昆虫的研究方式。

  激光雷达能在2个点之间发射激光束。在布莱德嘉德等人的项目中,他们将2个点分别设定为小木屋和树木。当昆虫从激光束间飞过时,它们会将散射和反射的光束传回望远镜,并产生能够帮助科学家确定不同物种的数据。当有害虫毁掉足以供应整个国家的食物时,或携带疾病的昆虫杀死成千上万的人类时,这种激光束和透镜排列或许可以改善数百万人的生活。

  但是在没有激光雷达的支持下,布莱德嘉德等人此次坦桑尼亚之旅将变得毫无意义。这个团队已经接近放弃努力。几天前,他们定制的2台高功率激光雷达出现故障。布莱德嘉德说:“我们最初想到,打包掉头回家吧!在坦桑尼亚,我们找不到任何需要的有用部件。”为了这个项目,布莱德嘉德等人已经花费数万美元。但是当他带着自己的研究生学生塞缪尔·詹森(Samuel Jansson)进入小镇,边喝啤酒边浏览手机上的联系人时,他们开始想到,或许还有挽救这次行程的方法。

  激光雷达可能是识别昆虫的尖端工具,但激光雷达方案的核心依然是优雅而古老的昆虫学原理。几乎所有的飞行昆虫,从飞蛾到蚊子等,都有独特的振翅频率。以雌性Culex蚊为例,它拍动翅膀的频率为350赫兹,而雄性Culex蚊的频率可达550赫兹。正是因为存在这样的差别,昆虫的振翅就像人类指纹那样独特。近年来,有关振翅研究已经经历了复兴期,尤其是在人类健康领域。

  在电脑或激光出现之前,振翅常被误认为听觉甚至是音乐术语。细心的聆听者甚至能将苍蝇的嗡嗡声与钢琴节奏进行匹配。这就是自然哲学家罗伯特·胡克(Robert Hooke)在17世纪取得的成就。胡克的朋友、英国公务员塞缪尔·佩皮斯(Samuel Pepys)写道:“当苍蝇振翅飞行时,胡克能够利用音乐与其相和。”

  但事实上,胡克发现依靠耳朵很难与其他人沟通。这些知识传统上需要通过科学论文、书信以及标本绘图共享,所以昆虫学家倾向于依靠视觉而非听觉。美国康内尔大学昆虫学家和流行病学家劳拉·哈林顿(Laura Harrington)表示:“长期以来,这个领域只受到很少人的关注。”可是到20世纪,研究人员开始打破这种模式。然而主要的振翅检测方法依然是视觉,比如记时摄影法(chronophotography),即快速连续拍摄照片。

  但它依然存在局限性,许多听觉敏锐的研究人员觉得胡克的听觉方法更有优势,特别是芬兰昆虫学家奥拉维·索塔瓦尔塔(Olavi Sotavalta),他拥有罕见的“绝对音感”天赋。就像拥有“绝对音感”的作曲家可通过耳朵抄写乐谱那样,索塔瓦尔塔可在没有钢琴辅助下识别蚊子翅膀发出的精确音调。

  索塔瓦尔塔于1952年在《自然》杂志上撰文称:“声学方法使得观察昆虫自由飞行成为可能。”换言之,因为拥有“绝对音感”,索塔瓦尔塔不仅能用耳朵获得相当于实验室内相机捕捉的振翅细节,同时也能捕捉大自然中的情况。科学家们通常受到他们选择使用的感官所限制,而索塔瓦尔塔特有的方法进行研究显示,当不同的学科发生碰撞时,某种特定的科学见解就会浮现。他灵敏的耳朵不仅可用于研究期间识别物种,也能用于音乐上。索塔瓦尔塔的学生、遗传学教授彼得·波廷(Petter Portin)说:“他还拥有优美的歌喉。”

  索塔瓦尔塔被收藏在芬兰国家图书馆的论文是由书信、昆虫行为专论以及堆叠的乐谱构成的。有些作品甚至是用鸟和昆虫命名的,其中最怪异的论文发布在《芬兰动物学会纪事》上,描述了2只特定夜莺歌声惊人的细节。索塔瓦尔塔待在Lempäälä别墅避暑期间,曾连续倾听这些夜莺歌唱。论文本身似乎很枯燥,直到他试图将音乐理论应用于鸟鸣中。他写道:“这2只夜莺的歌声被连续记录了2年,并被转化成五线谱符号。”以下是近30页的笔记、图表以及对夜莺鸣叫的节奏和音调的分析。在突出2只夜莺鸣叫的相似性后,索塔瓦尔塔宣称:“由于2只夜莺在相距较近的地方鸣叫,我得出的结论是:它们可能是一对父子。”

  然而,这篇论文实际上比人们想象的更为重要。索塔瓦尔塔介绍了自己使用“绝对音感”的“声学方法”确认昆虫物种的能力,即昆虫振翅的微妙理论。昆虫需要消耗多少能量进行振翅,是否需要根据不同的空气压力和身体大小而改变。即使如此,直到几十年后,像布莱德嘉德这样的科学家才重新发现昆虫研究中倾听振翅的重要性,比如对抗携带疟疾寄生虫的蚊子。

  在坦桑尼亚,布莱德嘉德、詹森以及工程师弗莱明·拉斯穆森(Flemming Rasmussen)都没有“绝对音感”,即使他们拥有这种天赋,可能也没有太大帮助。因为这个村庄周围有数以百万计的的昆虫,它们演奏的“交响乐”似乎永远不会停止。然而,这些科学家拥有手机、高科技产品以及激光雷达来代替灵敏的耳朵。当激光雷达出现故障后,布莱德嘉德等人一开始以错误的方法寻找解决方案。Côte d'Ivoire的研究人员能够修复雷达,但他正前往美国途中。布莱德嘉德考虑通过邮件更换设备,但时间上可能来不及。

  最终,布莱德嘉德等人向FaunaPhotonics首席执行官、商业合作伙伴弗雷德里克·塔恩霍奇(Frederik Taarnhøj)发送短信,询问他是否能从瑞典派出科学家携带零件前往坦桑尼亚。塔恩霍奇给出肯定答复,所以3人疯狂打电话,最终说服研究生埃琳·马尔姆奎斯特(Elin Malmqvist)乘坐第二天的飞机赶来。马尔姆奎斯特在手提箱中携带了3个金属盒子。然而麻烦还是没有解决,首次更换激光雷达零部件失败,第二次更换尽管能发出光束,但微弱至无法使用。布莱德嘉德正在拆开第三个零件,希望这次能够有用。当他将激光雷达架设到三脚架上时,已经到了日落时分,但他的激动之情依然无法言表。在1个小时内,天就会黑下来,届时即使有了激光雷达也会显得暗淡。一切希望都在这件设备上。

  劳拉·哈林顿在康内尔大学的实验室看起来有点儿像餐厅厨房,类似于步入式冰箱的门实际上通往孵化室。这里十分潮湿,使用荧光灯照明。架子上都是贴了标签的盒子。哈林顿展示了一次性容器中的蚊子卵。在容器顶部,有防止蚊子逃跑的网状纱布。但是这种方法不太可靠,有少量蚊子已经逃跑,它们总是在我们耳边和脚踝附近徘徊。

  当我们谈及索塔瓦尔塔的方法时,哈林顿称其“绝对超前于那个时代”。即使近年来,认为应该倾听蚊子的研究人员也没有意识到,到底有多少昆虫可以倾听。哈林顿说:“很久以来,科学家们认为雌性蚊子都是聋子,因为它们根本不注意声音。”但是2009年,哈林顿对这个长期假设进行测试。在测试中,哈林顿及其同事将雌性伊蚊拴在麦克风附近的头发丝上,并放在颠倒的鱼缸中。随后他们将雄性蚊子放入鱼缸,并记录结果。

  研究结果让哈林顿等人大吃一惊,并帮助声学和昆虫学研究取得突破性进展。伊蚊表演某种空中交配舞蹈,而且其与声音密切相关。雌性伊蚊不仅会对雄性的声音做出回应,还会通过发声进行交流。哈林顿说:“我们发现雌性或雄性伊蚊实际上在互相歌唱,在交配之前会进行完美协调。”

  这种“交配之歌”不是由声带产生的,而是拍动翅膀所致。在正常飞行中,雄性和雌性伊蚊的振翅方式略有不同。但哈林顿发现,在交配过程中,雄性伊蚊会尝试将自己的振翅频率调整为与雌性同步。她解释说:“我们认为这是雌性在考验雄性,看它是否能够迅速达到和谐。”如果事实如此,蚊子的歌声可能与孔雀的听觉相似,可以帮助雌性确定最适合的伴侣。

  在有了这些发现,并获得比尔与梅琳达·盖茨基金会的资助后,哈林顿的实验室开始研发用于田间研究的新型蚊子诱捕器。澳大利亚的詹姆斯-库克大学以及美国哥伦比亚大学研究团队都在进行类似项目研究。对于研究人员来说,目前存在的蚊子诱捕器存在缺点。化学诱捕器必须重新填充,而电子诱捕器往往会杀死蚊子。哈林顿希望新的诱捕器能利用声音的力量诱捕蚊子作为样本,对对其进行观察和研究。这需要与已有的吸引蚊子方式相结合,比如使用化学品或血液,或模仿“交配之歌”的蚊子声音。更重要的是,这也可以用来捕捉不同性别的蚊子。

  从历史上看,科学家们始终专注于捕捉雌性蚊子,它们每天会外出2次从哺乳动物身上吸血,这种攻击行为可能携带疟疾寄生虫,而雄性则不会。但是科学家们最近发现,雄性文字可能也是控制疟疾的重要部分。举例来说,目前遏制疟疾的建议是,通过释放无法产生后代的转基因雄性蚊子,以减少特定地区蚊子的数量。哈林顿希望使用“交配之歌”吸引雄性蚊子的声音诱捕器能帮助制定类似的新战略。她说:“我们正尝试做的是跳出常规思维去思考,并确定控制蚊子的新方式。”

  最后将激光雷达安装好后,布莱德嘉德打开开关。突然,三脚架旁边的笔记本电脑屏幕上出现白点。所有人都松了一口气,激光雷达终于开始工作。随后,布莱德嘉德等人用了日落前最后15分钟将光束聚焦。除了当地几个孩子,似乎没人特别在以这些正摆弄望远镜的外国人。落日是美丽的,整个Lupiro村都被柔和的夕阳所笼罩,但这也标志着疟疾传播的开始。当黑暗开始降临并笼罩激光雷达系统所在的小屋时,村民们从田野中归家,袅袅炊烟不断升起。当地人以大米为主食,稻壳向秋天的落叶那样堆积起来。但是稻田中必须常年有水,而这些水就是携带疟疾的蚊子滋生的温床。这些蚊子已经开始在我们的腿边嗡嗡作响。

  晚上来临时,激光雷达系统终于开始记录数据洪流,布莱德嘉德等人坐在小屋黑暗中,汽油发电机嗡嗡地运转着,为激光雷达和电脑供电。在笔记本电脑屏幕上,锯齿状的红线显示峰值和低谷,每个都代表着光束的回声。黄昏时分,每分钟都有数十乃至数百只昆虫穿过光束。我们看到昆虫学家所谓的“尖峰时刻”,即雌性蚊子成群结队地涌入村庄开始寻找食物。坦桑尼亚著名的伊法卡拉健康研究所医学昆虫学家尼克戴姆斯·格维拉(Nicodemus Govella)曾看到过成千上万只蚊子成群涌入的景象。他知道被疟疾感染时的感受,颤抖和呕吐,他曾亲身经历过数次。他说:“我小的时候,已经记不清感染了多少次。”

  如果坦桑尼亚流行病学家们正对疟疾宣战,那么伊法卡拉健康研究所就像情报部,它负责追踪蚊子叮咬的分布和时间情况。格维拉说,从传统上看,蚊子监测的“黄金标准”就是被称为“人珥捕捉”的方法。尽管这种方法科技含量低,但却最为可靠。志愿者服用可防止疟疾感染的药物,然后双腿裸露坐在外面,让蚊子降落和叮咬。问题在于,仅仅预防疟疾感染还不够。蚊子还传播许多其他疾病,从登革热到寨卡病毒等。为此,利用志愿者诱捕蚊子的方法被广泛视为不道德的行为。格维拉说:“这会帮你获得信息,但却非常危险。其他国家已经禁止类似研究方式。”随着卫生官员重新使用疟疾监控的老战略,开发新的实验技术更加紧迫,这也是激光雷达引入的重要原因。

  在坦桑尼亚部分地区,由于使用蚊帐和杀虫剂,疟疾感染率已经有了大幅下降。但根除这种疾病依然是个巨大挑战。有些蚊子甚至对杀虫剂产生抗药性。同样,蚊帐可以帮助夜间对抗蚊子,但蚊子已经调整了它们的行为,开始在黄昏或黎明等人类缺少保护的时候发动攻击。

  在感染初期阶段,疟疾看起来很像感冒,这也是科学家利用工具追踪寄生虫及其宿主蚊子分布如此重要的原因。2008年期间,格维拉的女儿曾感染上疟疾,缺少信息的后果非常糟糕。他说:“因为未能很快检测出来,导致很快进入病情严重阶段。”他的女儿最终死于疟疾并发症。自从那以来的每天,格维拉都在想着根除这种疾病。他说:“我憎恨这种疾病!”

  然而,疟疾的顽固让几代科学家都感到沮丧。在这种寄生虫被发现100多年后,它依然每年折磨着数以亿计的人,并且导致50万人死亡。哈林顿对疟疾带来的痛苦记忆犹新:1998年,她曾前往泰国参加一系列实验,同时本人也被疟疾感染。哈林顿说:“我是方圆数里唯一的外国人。”随着开始发烧,她真正理解这种疾病带来的痛苦。她说:“我能将自己想象为患病的泰国村民,距离最近的医院也很远,感到非常孤独。我感觉自己就要死了,可能没有人会发现。”

  幸运的是,最终有人发现了哈林顿,并将她放在皮卡车后面。她记得自己陷入昏迷,并盯着天花板上不断旋转的风扇。她说:“我看到护士拿着装满紫色液体的注射器。”这让她想起了自己的工作。几年前,她曾在兽医诊所工作,那里的人为生病的动物注射紫色液体进行安乐死,她以为自己也面临同样的命运。

  最后烧退了,哈林顿知道自己幸存了下来。这次经历让她全身心地投入到研究中去,她说:“我觉得我有能力为帮助他人的事业上做出贡献。”疟疾为昆虫威胁人类健康提供了生动的例证,但是它们还有很多方法可以造成伤害。昆虫也传播其他微生物疾病,并对农业造成影响。据联合国粮农组织统计,害虫毁掉了全球作物产量的1/5。换言之,如果世界各地的农民有更好的方法控制蝗虫和甲虫之类的害虫,可以帮助多养活数百万人。

  杀虫剂减少了昆虫造成的伤害,但不加区别的使用也导致人类受到伤害,人类赖以生存的昆虫也大量灭亡。我们依然依赖于传粉昆虫,比如蜜蜂、飞蛾以及蝴蝶等,但2016年报告显示,40%的无脊椎传粉动物正受到灭绝威胁。正是因为人类与昆虫之间这种让人又爱又恨的关系,我们迫切需要用更好的方法追踪不同的物种,用更好的方法区分对人类有益或有害的昆虫。在发生日食当天,由于月球从太阳前方经过,导致Lupiro村蔚蓝的天空被遮住,形成黑色的圆盘形状。孩子们聚集起来,手里捧着瑞典科学家带给他们的特殊玻璃。透过这种绿色的玻璃,孩子们可以看到太阳变成狭窄的新月。

  我们周围的村庄变得昏暗,我们的影子也不再清晰。通过光线判断,这让人觉得风暴即将来临,或者某人使用遮光器让太阳变得暗淡。瑞典科学家与伊法卡拉健康研究所、FaunaPhotonics的合作伙伴想要知道,月食引发的昏暗是否让昆虫变得更加活跃,就像黄昏那样。在笔记本电脑屏幕上,我们看到红色的峰值,但与日出或日落时不同,而是与平常差不多。这些数据很重要:如果蚊子在月食期间变得更活跃,那就表明它们需要光线帮助,同时知道在每天早晨或傍晚光线朦胧的状态下出动。

  随着数据增加,科学家们能够更轻松地解释他们所看到的东西。激光雷达最初是为了研究更大规模的现象,比如大气化学变化等。这套系统已经被简化到最低限度,三脚架上的3个望远镜都有独特的功能。第一个可指示激光射向500米外的树。树上订着黑色模板,那是激光束的终点。当昆虫飞过激光束时,它们拍打翅膀时会促使光束反弹,并被第二部望远镜捕捉到。第三部望远镜可让团队对准目标和校对系统。这套设备连接到笔记本电脑上,后者汇总数据。屏幕上的红色峰值代表穿过激光束的昆虫。

  通过记录这些反射(布莱德嘉德称其为大气回波),雷达系统每秒钟可抓拍4000张照片。随后,研究团队会利用算法梳理昆虫的振翅频率,从而识别每个物种的“指纹”。换句话说,这种装置实现了索塔瓦尔塔通过耳朵、哈林顿通过麦克风获得的“绝对音感”。但雷达数据中的许多细节时人类耳朵无法看到的,比如昆虫振翅频率总是伴随着高音谐波。雷达系统可以捕捉那种人类耳朵无法听到的谐波频率。此外,激光束拥有极化特性,当不同表面反射时,它们会发生偏振变化。这种变化可以告诉布莱德嘉德及其同事,昆虫的翅膀是否光滑,这在区分不同物种时也很有用。

  当昏暗的太阳再次亮起,科学家们已经拍下了照片,并尝试向当地孩子解释激光雷达的原理。如今,数据正在流动,伴随着激光雷达系统建立的紧张感也已经消失。最后结果似乎已经明确,这次试验的高额成本并非没有意义。研究团队花费1.2万美元购买雷达系统,这还不包括同样昂贵的运输和劳动力成本。布莱德嘉德承认:“在非洲村庄,这笔钱听起来很多。”而另一方面,用来研究大气层的激光雷达成本可能高达数百万美元,而疟疾造成的伤害往往要以数十亿美元来计算。

  我们使用杀虫剂驱除蚊子,但它们会再次从Lupiro附近的稻田中飞来。随后我们进入村中吃饭,像往常那样依然是米饭。此次实验进行3个月后,我打电话给FaunaPhotonics了解分析进展。经过如此多的努力,我想知道最终研究人员是否得到了需要的结果。但负责分析数据的工程师乔德·普朗斯马(Jord Prangsma)表示,数据很乱。由于当时正处于饭点,空气中充满了烟雾和灰尘。此外,这些数据似乎显示不同昆虫的振翅,尽管图表上却显示振翅模式相似。他说,使用计算机找到正确频率很困难。与进行个体研究的索塔瓦尔塔不同,坦桑尼亚研究团队收集了数以万计的昆虫数据,他们正尝试一次性分析所有的振翅现象。

  但是这些障碍并非不可逾越。詹森表示:“中午时分,我们看到昆虫更加活跃。”这显示蚊子的确需要光线帮助寻找食物。普朗斯马补充说,他开发的算法已经开始分离出关键数据。从科学的观点来看,这是非常丰富的数据集。在随后几个月中,FaunaPhotonics的研究继续取得进展。布莱德嘉德说,经历过最初的激光问题后,该系统提供了我们所有人都感到满意的服务。这套系统每天都在运作,已经记录下10万只昆虫活动。有迹象表明,我们已经可以区分不同的物种,并对它们进行性别区分。

  布莱德嘉德等人即将发布自己的研究成果,他们的商业伙伴FaunaPhotonics将会提供激光雷达装置,并为追踪昆虫的公司和研究组织提供专业的分析经验。普朗斯马解释称:“如果我们有客户对某个特定物种感兴趣,我们会调整算法对其进行追踪。每个数据及都是独一无二的,必须以自己的方式解决。”最近,FaunaPhotonics开始与Bayer展开为期3年的合作,以继续发展其技术。

  自从索塔瓦尔塔利用“绝对音感”识别昆虫以来,有关昆虫振翅频率的研究已经相当多,但从某些方面来看,瑞典科学家们的工作似乎与这位芬兰昆虫学家截然不同。就像索塔瓦尔塔那样,他们将不同的学科整合起来,包括物理学、生物学、激光雷达以及昆虫学,以揭示大自然的独特秘密。但是他们还有很多工作要做。FaunaPhotonics及其合作伙伴试图将光、激光雷达以及蚊子联系起来,并试图证明振翅频率研究有助于人类控制疟疾以及其他疾病,同时可帮助抑制昆虫毁坏庄稼。工程师拉斯穆森说:“这绝不是几个月就能搞定的项目,而是需要数年时间。”(小小)

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