蚊子如何找到人類來吸血?
?科學人 2011/09/08
蚊子如何找到人類來吸血？了解箇中奧妙，就能夠能開發更好的蚊子誘餌和驅蟲劑，阻止瘧疾傳播。
【撰文／卡爾森（John R. Carlson）、卡瑞（Allison F. Carey）；翻譯／林雅玲】
(照片提供／科學人)
重點提要
■科學家還沒完全了解蚊子如何辨認環境中人類呼吸與汗水的氣味。
■作者將蚊子基因轉殖到實驗果蠅並產生嗅覺受體，以測試果蠅對110種氣味的感受度。實驗顯示，有些蚊子嗅覺受體對人類氣味非常敏感。
■如果找出能干擾或抑制這些氣味受體的方法，就可以改良誘蚊劑和驅蟲劑，以遏止瘧疾的傳播。
蚊子擁有超強的嗅覺。在非洲撒哈拉沙漠以南的地區傳播瘧疾的蚊子，能精準找到人類血液，牠們追蹤人類呼吸與汗水的氣味，並迅速將口器刺進人類皮膚。當蚊子進食時，瘧原蟲會從蚊子的唾液經由傷口傳入人體，度過後半生。有的蚊子偏好叮咬不同物種，例如牛或鳥類。有時蚊子似乎會偏好目標族群內的特定個體，夏天烤肉時；有人會被無情地攻擊，但是其他人卻沒事；還有些蚊子可以遠在50公尺外聞到目標。
如果研究人員更了解蚊子嗅覺系統的運作方式，知道牠們如何準確偵測血液裡特殊的揮發性化學分子，應該能開發更新、更有效的工具以避免叮咬，也就是掩蓋這些味道或「干擾」蚊子的嗅覺「雷達」。在非洲和許多地方，每年就有將近100萬人感染瘧疾而死亡。
很多研究人員正努力阻擋瘧疾散播，我們也是其中之一。最近，我們很欣慰終於獲得令人振奮的成果：了解攜帶瘧原蟲的瘧蚊（Anopheles gambiae）如何偵測人類身上的味道。這些發現可以用來發展驅蟲劑和誘餌劑，能和其他預防瘧疾的措施（例如蚊帳與將來的疫苗）互補。
負責聞味道的基因
為了研究瘧蚊如何搜尋人類，我們首先採用黃果蠅（Drosophila melanogaster）進行實驗。因為比起蚊子，果蠅可以更快速繁殖，也更容易在實驗室操作，而且牠們的基因比較容易改造。黃果蠅是實驗室的模式動物之一，我們利用牠來研究昆蟲嗅覺的基礎細胞與分子機制，接著可以將這些知識應用到更難操作的蚊子身上。
果蠅和蚊子一樣，利用頭部觸角和小顎鬚偵測氣味，小顎鬚是頭部功用類似鼻子的突出物，上面佈滿細小的剛毛，剛毛內有嗅覺神經細胞的末端。氣味分子穿過剛毛上的孔洞到達裡面偵測氣味分子的受體；當兩者結合，會引發神經元傳送電脈衝到昆蟲腦部，告知有這種氣味。
為了解昆蟲如何精準分辨環境裡難以數計的氣味分子，多年來我們一直在尋找昆蟲嗅覺受體基因，卻總是失敗，後來在1999年有所突破。我們美國耶魯大學的團隊和其他機構的研究人員首先找到受體的基因，之後我們找出60個果蠅的氣味受體基因，知道受體基因的序列讓我們可以探究受體的運作方式，並發現果蠅和蚊子嗅覺系統在遺傳上十分相似，研究果蠅可能有助於了解蚊子的嗅覺。
昆蟲嗅覺研究的一個關鍵，是我們實驗室意外又幸運得到一個黃果蠅突變株。2001年11月，卡爾森（作者之一）在波士頓附近的布倫戴斯大學演講，內容是有關我們實驗室找到的第一個果蠅氣味受體基因Or22a。演講過後，布倫戴斯大學的一名助理教授來到講台，說他剛好有缺少該氣味受體基因的黃果蠅突變株，他詢問這個突變株是否有用處。卡爾森毫不遲疑的回答：「當然有用！」隔天他就帶著突變果蠅回到耶魯大學。
我們主要目標是確認果蠅的氣味受體與氣味的配對方式。不同種受體會和不同類型的氣味分子結合，一個神經元上有數千個完全一樣的受體，而擁有特定受體的神經元會與特定類群的氣味分子結合。因為突變果蠅缺少某個特定的氣味受體基因，我們推想這種果蠅可能會擁有一些沒有受體的「空神經元」。
實際情況的確如此。我們利用研究黃果蠅發展出的精巧遺傳技術，將一個果蠅受體基因轉殖到這種神經元，於是細胞會製造出受體，因此我們可探究哪一種氣味分子會活化特定受體。我們有系統將黃果蠅受體基因一個個放入空神經元，並讓這些神經元接觸許多種氣味分子，藉此了解哪一種化合物能引發昆蟲哪一個受體起反應。
哈勒姆當時是耶魯大學博士班的學生，她接下來的三年就是進行這個研究。她發現單一個受體對於特定的氣味分子有反應，而單一個氣味分子能活化某一類受體，在哺乳動物嗅覺系統的研究也觀察到類似的結果。動物（從果蠅到人類）用相同的方式偵測氣味：不同氣味分子會活化不同受體種類的組合。這個策略有助於解釋為何動物利用相對少數的受體，就能區辨自然界中大量的不同氣味。
擁有蚊子嗅覺的果蠅
分析完果蠅的氣味受體基因，我們嘗試將瘧蚊的受體基因轉殖到果蠅的空神經元。我們與范德比爾特大學的崔貝爾和伊利諾大學香檳分校的羅伯森合作，搜尋瘧蚊和果蠅氣味受體基因相似的DNA序列，找出了79個可能的受體基因。將任一個這種基因轉殖到果蠅的空神經元，理論上能在果蠅身上製造蚊子的氣味受體，不過也很可能失敗，因為這兩種昆蟲在演化上已經分開2億5000萬年，我們當時不清楚蚊子的受體基因能否在果蠅神經元裡發揮功能。