蚊子的行为
蚊子的物理特征及蚊虫病害防治
植物保护121 12112101 马二东
摘要: 几乎每个人都有被蚊子叮咬的经历。被蚊子叮咬后不仅会让人感到奇痒难忍,而且蚊子还可能会传染疾病[1],所以了解蚊子的物理特征,针刺力学行为,复眼防雾,以及蚊子的刺吸式口器耦合针头,并且对蚊子传播的疟疾及皮肤过敏反应进行全面的掌握。从而为人类健康做出更好的保护,对去预防疾病蔓延和流行也有重要的意义,并且可以利用蚊子的一些物理特征,做出仿生针头,对医疗设备的改进做出贡献。
关键词: 针刺力学行为 复眼防雾 仿生耦合 球形芽杆菌 蚊媒传播病害
1蚊子的物理特征
1.1针刺力学
针刺过程,此阶段蚊子正是通过这种振动的方式,利用位于上唇两侧的一对带有微小锯齿的下颗锯入皮肤内层。前期关于蚊子刺入行为的一些研究工作也报道过同样的观察结果一,',川图不成功的攻击,刺入前口器弯曲口针端部成功刺破皮肤,口器没有弯曲·图蚊子的刺入吸血全过程蚊子降落在人体手臂上以后,开始试图用其口器刺向皮肤如果这次攻击的角度,头部位置及攻击力等不合适的话,蚊子会停止攻击,在刺入前将其口器弯曲图接着蚊子将其口器撤回,并开始寻找其他的刺入点,找到合适的点以后,蚊子会将其口器绷直,像一个注射器针头一样快速地刺向皮肤图。此时蚊子口针端部刺破皮肤表面,并将其口针锚定在皮肤里面。蚊子刺入前的这种探索行为的次数是没有规律的,少数蚊子刺入前需要一次甚至更多,不过多数白纹伊蚊攻击性很强,常常不需要这种探索就能直接刺入皮肤吸食血液一旦蚊子确定能够在进一步刺入过程中保持口器不失稳,它便开始轴向上将口器向皮肤推挤并同时保持口器平衡以阻止其弯曲紧接着就会看到蚊子头部在做上下快速地往复运动,同时也会看到此时口器末端靠近头部的位置处下唇的一部分与口针脱离,形成一个小的环状结构,图中红色箭头所示,而口器顶端处下唇继续与口针贴合在一起,对口针提供一个支撑作用。初期阶段随着头部的上下运动,下唇上的这个环状结构以一定的频率在出现和消失之间交替变化,这表明蚊子正在重复地在轴向上推进和缩回口针,从而尝试逐渐刺蚊子浮水与针刺力学行为研究蚊子继续利用其下颖振动刺入,不过振动频率在随着口针刺入皮肤深度的增加而明显降低大约口针整个长度的一刺入皮肤的时候,如果此时蚊子口针能找到毛细血管,那么它会停止刺入运动,并开始吸食血液,如果此时吸血位置不合适,蚊子会将口针拔出,换个位置重复上面几步的运动方式,重新将口针刺入皮肤蚊子吸饱血以后,会快速地将其口针从人体皮肤里面抽出,接着下唇将抽出的口针覆盖,吸血完成,蚊子飞离人体。发现其整个刺入过程大约持续一10—20S,一般情况下,这个时间长短取决于蚊子的饥饿程度和攻击性强弱。在不被打扰的情况下,整个吸血时间大约持续一分钟。经测量统计空腹时白纹伊蚊叩的平均体重约为1.58mg,蚊子的食量很大,一只蚊子能够轻易地吸食约的血液3mg,几乎是其体重的2倍
雌性蚊子(雄蚊子不吸血)能用一个高弹性的大长径比“微针”安全而又无痛地刺入人体及动物皮肤吸食血液。观察口针各个组成部分的微纳观结构,发现口针的两大刺入部件—上唇和下领尖端尺寸均在纳米量级,上唇端部轴向上均有明显的加筋结构,下领端部两侧还分布有精致的微纳米锯齿,。接着发现蚊子口针刺入皮肤的过程不是简单的刺入,而是先用纳米级的上唇端部刺破皮肤表面,将口针锚定在皮肤里面以后,紧接着用带有微纳米锯齿的下领按一定的频率振动锯入皮肤内部。表明蚊子口针的刺入力非常小,平均值约为十几个微牛,比目前报道中所见的人造微针的刺入力要小近三个数量级,令人更为吃惊的是蚊在进一步的刺入皮肤过程中,口针对皮肤的作用力并不像人造微针那样随着刺入深度的增加而持续增加,而是显著下降并保持在一个极小的值附近位置上下波动。由于力的减小,蚊子对刺入的控制能力显著增强,可以合理的控制刺入深度,即时发现毛细血管,及时停止刺入,防止对感觉神经末梢过多的刺激。同时由于上唇及下颚等端部极尖,刺入面积很小,触及感觉神经末梢的概率变得极低。这便是蚊子“无痛吸血之谜”。[2]
1.2蚊子复眼防雾功能
蚊子眼的超疏水性能一般,但却具有防雾能力,这归功于蚊子复眼特殊的微、纳米分级结构及其排列方式。界面稳定性分析表明蚊子眼具有较高的疏水稳定性,其微米、纳米级结构可抵抗的最大压力为67. 2 kPa 和 181 kPa,分别相当于直径 4. 32 μm 和1. 59 μm 的雾滴的拉普拉斯压力,能够有效地抵抗外部雾滴的侵入和润湿。对蚊子复眼的纳米结构而言,由于受尺度和线张力的影响,类 Wenzel状态的自由能高于类 Cassie 状态,这有利于抑制雾滴在基底上形成,即抑制了类 Wenzel 状态的出现[3]。因此在雾化过程中,雾滴倾向于在纳米柱上方形核并随着雾滴的长大和合并而转成 Cassie 状态。对于微米结构而言,虽然雾滴能够部分侵入到微结构中,但由于半球形微米结构排列紧密形成了毛细锥形管,加之纳米结构对这一毛细驱动力的强化,有利于在雾滴长大过程中自内而外的流动和排出,雾滴最终长大成为宏观液滴并脱离表面。蚊子复眼上小尺度的纳米结构是实现从内部防雾的基础和关键[4]。
1.3蚊子浮力
疏水性是指物体表面对水的排斥能力。超疏水性则是指物体表面与水接触时所形成的接触角大于“时的疏水性能。由于超疏水材料在工农业生产、国防建设及人们日常生活中具有极其广阔的应用前景,寻求、开发和研制具有高性能的新型疏水材料一直备受科学家们关注。在这方面,自然界给我们提供了一个天然的学习宝库。自然界中许多生物的表面经过几百万年的演化、进化与优化,已逐渐形成了各种特殊形态的微纳米尺度分级结构,呈现出完美的超疏水性。因此,探索天然超疏水生物表面的奥秘对人工仿生制备高性能的新型疏水材料具有极其重要的意义。蚊子是一种离不开水的常见小型昆虫。成虫前一直在水下生活,成虫以后能够在水面上自由浮立而不弄湿自己的腿。目前对于蚊子的生活习性、吸血绝技以及给人类带来的痛苦和疾病传播,已经进行了大量研究,但是关于蚊子腿表面润湿性能的研究目前还是空白。为了分析蚊子在水面上自由浮立而不弄湿腿的根本原因,本章利用接触角测量仪对蚊子腿部表面润湿性进行了研究,利用傅里叶红外光谱仪对蚊子腿部的组成成分进行了分析,并利用扫描电子显微镜对蚊
子腿部表面的微纳观结构进行了实验观察。根据观察到的微纳观结构,结合经典润湿理论,构建一种“具有多级复合结构”的理论模型,对蚊子腿部的超疏水性能进行了理论分析。另外,我们知道蚊子是一种生物世界中少见的具有水陆“两栖”功能的昆虫,它除了能在水面上随时浮立、自由行走和起落以外,它还像苍蝇、壁虎等昆虫一样能够在陆地、玻璃和天花板上自由行走、长时间粘附停留。蚊子拥有六条长腿,尤其是两条长度在10一12mm的后腿,在其水面承载力方面起到很大的作用。另外,每条长腿都由六小节组成,每两个小节之间都有一个柔性的关节,这样就使得蚊子腿在压向水面的过程中,能够适应水面的深度而发生弹性变形,从而提供更大的水面承载力[2]。
2蚊媒传播病害
2.1蚊子叮咬皮肤反应
夏季是蚊子肆虐的季节,许多人被蚊子叮咬后局部皮肤会出现过敏现象,红肿疼痛,瘙痒难忍,即使涂擦药水药膏也需要几天才能消失,有的人忍不住瘙痒,
[5]用手挠抓后皮肤还出现破溃感染等严重情况。
2.2常见病害
据统计,全球约有3000多种蚊子,其中有50多种携带致命病毒,威胁着人类的健康。蚊子存在多样性的同时,相应的以蚊子为媒介的蚊媒传播疾病也是层出不穷,在人类历史上造成了痛苦的记忆,有些时至今日仍然在兴风作浪,而且在可见的将来还会继续在对人类造成危害,以下是一些常见的蚊媒传播疾病[6]。
登革热
登革热病的初期症状是头痛、发烧、肌肉或关节疼痛;有的还会引起器官出血,导致患者休克、死亡,儿童的发病率和死亡率都很高。1779年前后,在埃及开罗、爪哇巴达维亚(今印尼雅加达)和美国费城一带,开始有登革热的发病记录。有人推测它的原发地在非洲,随着贩卖黑奴的船只流散到世界各地;另有说法是它来自马来半岛森林里的猴子身上,以后才传染给人类,并在医学上找到了证据。三百多年来,在美国、菲律宾、印度等地,多次流行过登革热,南美有几十万病例记录,东南亚也有十几万病例。仅多米尼加一地,在2012年就发现五千多个病例,造成26人死亡。世界卫生组织每年都收到超过50万份的病例报告,全球有24.5亿人受到感染登革热的威胁。由于登革热病毒有4种以上的类型,至今尚无有效的疫苗。
黄热病
黄热病使患者发烧,内脏发生病变,浑身虚弱,头部和四肢疼痛,严重时呕吐,胃部出血,并会出现昏迷和惊厥,最终导致死亡。其死亡率远高于登革热。传病的媒介是埃及伊蚊。[7]
疟疾
2010 年全国报告疟疾 7 855 例, 发病率为 0.06/万,报告疑似病例 34 082 例, 死亡 19 例。 报告病例数较多的依次为云南、 安徽、 河南、 湖北和贵州等 5 个省, 占全国总报告病例数的 79.2% 。南部疟疾高传播地区的云南和海南两省, 报告病例数约占全国总报告病例数的 34.6% , 其中海南省疟疾报告病例数下降幅度较大, 仅占2.9%, 云南省则占 97.1; 中部疫情不稳定地
区的安徽、 湖北、 河南和江苏等 4 省约占全国总报告病例数的 45.5%, 比上年下降 50%以上, 但总报告病例数仍超过南部高传播地区, 其他省市、区 约占全国总报告病例数的19.9%, 比上年约下降 20%[8]。
3蚊子仿生及病害防治
3.1无痛注射针头
蚊子口器的结构特点是在这个喙背部的唇槽内包藏有上唇、一对上颚、一对下颚和舌特化而成的6 根细长的口针。上内唇、舌、上颚与下颚相合成而成刺割器官,下唇仅是保护这些刺割器官的。上颚前端细而光滑,末端较宽如刀状,内侧生有细的锯齿25 30个,是吸血时首先用以切割皮肤的工具。舌位于上唇之下,和上颚共同把开放的底面封闭起来,构成食物管,舌的本身中央也有一细管,位于舌的中部,与涎总管相沟通,以注入涎液。舌的下方是下颚,下颚前端也是细而光滑,其末端较窄呈细刀状,约有粗锯齿 13~15 个。所谓生物耦合,即是在生物界中,两个或两个以上影响生物功能的因素,以适宜的方式联系起来,成为一个具有一定功能的物理实体或系统。所以针头就是利用这个原理来实现的。在口器刺入的过程中,非光滑表面的形态使相对口器表面移动的寄主组织接触界面产生与前进方向垂直的微振,寄主组织不断受到垂直界面的正反两向力的交互作用,微振的产生加速度了组织液体的逸出,添加到空穴中去,增加了润滑的效果,变干摩擦为润滑摩擦,摩擦因数减小,致使摩擦阻力降低,减少了对神经的刺激,可降低人们疼痛感[9]。
3.2蚊虫病害的防治
介于蚊虫病害的流行,所以对于蚊虫病害的防治就显得至关重要,以下是综合防治的方法。
首先改变其生存环境,蚊虫多孳生于水中,不同性质的水质和积水类型孳生不同种类的蚊虫。治理或改造孳生地是防蚊的制本措施,所以在部分可控制的水体中加入低毒杀虫剂,从根本上减少蚊子繁殖数量。灯诱法捕杀,CO2诱蚊灯,可有效诱捕蚊子[10]。医疗卫生防治病害传播,保持卫生清洁,破换蚊子滋生的环境,可以用防蚊蚊帐,可有效防治蚊媒传播病害。化学防治, 可以用国内外有效的防蚊药液,国内有六神,其主要成分多为中药,固化学成分不详。日本KOWA防蚊液,大规模蚊子捕杀可以以菌灭蚊。目前已报告的病原微生物中,苏云金杆H-14和球形芽抱杆菌以及大链壶菌,经实验室或现场实验表明,它们对按蚊、伊蚊、库蚊、脉毛蚊、骚蚊和兰带蚊等幼虫都有毒杀效果[11]。生物防治, 坦桑尼亚阿鲁沙正在培养一种不吸血的蚊子,可能帮助遏制非洲的疟疾。这种蚊子以花汁和蜜以及普通吸血蚊子的幼虫为生。这种新蚊子的科学名称是ToxorhynHites Brevipalpis,iE在东非热带研究所培养。这种蚊子在幼虫阶段非常贪吃,能够至少吃掉5个普通蚊子的幼虫[12]。流动人口检测,加强对流动人员疟疾监测和防治,尽力落实媒介控制措施[13]。根据疟疾发病与河网密度的相关关系,发病率与河网密度存在显著相关关系[14].水生动物灭蚊,据一些资料报道,在水生动物中,鱼类是唯一实际应用于防治蚊幼的捕食者。全世界曾经试验证明能吞食蚊幼的鱼类多达两百余种。放养柳条鱼、网斑花鳞和胡子鳃,可防治稻田、
蓄水池、水井、沟渠、污水和小型积水潭的蚊幼。此外,捕食蚊幼的水生动物尚有腔肠动物绿水媳、扁形动物涡虫以及水生昆虫松藻虫、负子蜡、巨蚊等,同时一些原虫如微抱子虫类簇虫属、肝簇虫属和罗索线虫等可寄生蚊幼体内,导致宿
[11]主死亡。陈皮、白芷、艾叶、藿香、山银花。这些药物均属于理气、解表、解暑、祛湿的芳香药物,在自然环境下散发的味道蚊虫不喜欢,所以能达到一定的驱蚊效果。如果将这些中药研成粉末,药味散发更快,驱蚊效果更好[15]。
参考文献
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