科学家揭开蚊子如何闻到人类气味的神秘面纱

现在，一项富有启发性的新科学研究解释了为什么蚊子的嗅觉如此难以被破坏。这项研究最近发表在《Cell》上，其揭示了一个极其复杂的嗅觉系统--能让埃及伊蚊专门猎杀人类并传播登革热、寨卡、基孔肯雅和黄热病等病毒。关于蚊子如何感知和解释气味的长期假设被该论文中提出的数据所颠覆。

“乍一看，蚊子的嗅觉是没有意义的，”洛克菲勒大学Robin Chemers Neustein教授和霍华德-休斯医学研究所的首席科学官Leslie Vosshall说道，“蚊子组织其嗅觉的方式完全出乎意料。但对蚊子来说，这是很有意义的。每一个解释气味的神经元都是冗余的，以至于嗅觉系统基本上是牢不可破的。这可能解释了为什么我们还没有找到打破蚊子迷恋人类的方法。”

违反嗅觉的规律

从昆虫到哺乳动物，科学家普遍认为大脑通过1:1:1的系统处理气味。每个嗅觉神经元表达一个气味受体从而跟一簇神经末梢--血管球沟通。在昆虫中，一个神经元-一个受体-一个肾上腺模型的证据之一是观察到许多物种的嗅觉受体跟肾上腺的数量几乎完全相同。果蝇拥有约60个受体和55个血管球；蜜蜂则有180个受体和160个血管球；烟草天峨分别有60个和70个。

研究表明，即使在进化遥远的生物体如苍蝇、小鼠甚至人类中也存在同样的、干净的1:1:1比例。并且尽管蚊子的受体数量是血管球的两倍，但Vosshall实验室之前的工作表明，它们也会遵守相同的嗅觉基本规律。论文共同第一作者Margaret Herre说道：“假设每个生物体都会以这种方式工作是合理的。”

跟味觉不同的是，一个负责检测苦味的细胞可能会表达许多苦味受体以确保苦味食物的味道一致，而1:1:1的嗅觉模型似乎是必要的。Herre说道：“这将使动物有能力生活在一个丰富的嗅觉空间中检测和区分大量的气味。”

但在研究埃及伊蚊如何闻到人类散发的独特的体味和二氧化碳花束时，沃斯霍尔实验室的前博士后、现为波士顿大学的助理教授Meg Younger有了一个惊人的发现。尽管1:1:1的规则决定了蚊子应该有一个神经元、受体和血管球来闻到体味并有一个单独的方案来闻到二氧化碳，但Younger跟Herre合作发现了个别气味神经元跟多个不同受体的证据。

进一步的调查产生了更令人困惑的结果。Vosshall说道：“几乎每个细胞都表达了所有的东西。蚊子的嗅觉系统应该是保持不变的，但在蚊子身上却完全混乱了。”研究论文联合第一作者livia Goldman是沃斯霍尔实验室的博士生，她进行的单核RNA测序证实了伊蚊的嗅觉系统与传统模型不同；体内电生理学则直接测量了蚊子的脑细胞活动，并证明这些细胞实际上是在检测多种气味分子--而这些都公然违反了嗅觉教条。

研究小组怀疑，跟小鼠和其他在许多不同地方寻找食物的通用物种不同，蚊子进化出一种独特的嗅觉系统，以此来帮助它们不惜一切代价追踪血食。对于不喝血就无法繁殖的埃及伊蚊来说，聚焦于嗅出人类的气味感应可能比检测大量气味的能力更重要。

与此同时，该系统的冗余和弹性可能解释了为什么之前试图敲除嗅觉的核心基因并没有阻止蚊子对人类的定位。“了解蚊子是如何定位人类的对于我们操纵这一系统并使人们不那么容易受到蚊子传播的疾病的影响至关重要。研究这个系统将帮助我们更好地理解为什么蚊子的嗅觉是如此牢不可破，”Goldman说道。

超越教条的发展

就在Vosshall对她的发现感到困惑的同时，由约翰霍普金斯大学的Christopher Potter领导的一个科学家小组在果蝇中观察到了类似的杂乱的气味感应模式。曾在昆虫嗅觉方面的教条开始迅速解开。但Vosshall--其先前的研究在建立昆虫嗅觉的传统模型方面发挥了重要作用--对此却毫不畏惧。“我觉得这很令人兴奋。这意味着我的早期工作错过了这种复杂性，它表明科学的进步是向真理弯曲的。”

Vosshall指出，另一项研究甚至更早地记录了果蝇中非常规气味编码的证据，但研究人员们将他们的发现视为随机噪音，另外还不恰当地得出结论--他们的数据支持而不是推翻了传统模型。

“教条是有用的，但也是有问题的，”Vosshall说道，“当你发现一些不寻常的东西时可能很难说出来，因为你的第一直觉是认为你的实验没有成功，这只是噪音。我们的发现应该激励人们，如果他们看到了什么，就说出来。”

就目前而言，“坏消息是，要打破蚊子对人类的迷恋可能是不可能的，”Vosshall说道。他引用了蚊子嗅觉系统的纯粹弹性。然而，好消息是，这些结果为科学家们提供了一个机会--使他们能够超越小鼠和果蝇并重新审视其他不太出名的生物体如何感知气味。

“除了大家研究的物种之外，还有更多的物种。我们想知道：蜱虫有常规的嗅觉吗？还有蜜蜂呢？研究非模型生物体的系统并发现我们最喜欢的原则并不总是适用，这很令人兴奋，”Vosshall说道。