誰都知道蚊子是令人厭煩的。這種小飛蟲雄性是“素食主義者”，而雌性主要使用人和動(dòng)物的血，偶爾吸入植物汁液。因?yàn)橐坏┙Y(jié)婚，只有吸血才能促進(jìn)卵子成熟。咬人吸血的只是雌性。

吸血蚊子(網(wǎng)絡(luò)照片)

吸入植物汁液的蚊子(網(wǎng)絡(luò)照片)

不小心被雌蚊子咬了，吸了血，皮膚上留下瘙癢是很輕的。如果已經(jīng)有幾個(gè)病原體的話，就很嚴(yán)重了。再次滲透人體時(shí)，病原體血液會(huì)進(jìn)入人的血液。(威廉莎士比亞，哈姆雷特，健康) (眾所周知，通過蚊子傳播的可怕疾病有80多種，包括瘧疾、日本腦炎、登革熱出血熱、絲蟲病、黃熱病等。據(jù)報(bào)道，僅瘧疾這一疾病，每年感染蚊子的數(shù)億人中就有數(shù)十萬人可能喪生。

蚊子對(duì)人類健康危害很大，所以科學(xué)家們一直在研究蚊子，試圖弄清楚它到底是如何傳播疾病的。研究小蚊子是肉眼做不到的，必須利用科學(xué)技術(shù)手段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡、離子和x射線顯微技術(shù)、高速攝影等高科技的出現(xiàn)，相關(guān)研究不斷取得進(jìn)展。

最近傳來了驚人的消息?？茖W(xué)家們意外地發(fā)現(xiàn)蚊子吸血時(shí)未知的“鼻孔”，科學(xué)家們表示，能夠取得如此突破性的成果，首先要?dú)w功于粒子加速器技術(shù)的發(fā)展。研究者們擁有強(qiáng)大的研究手段。

這是怎么回事？讓我們看看科學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)蚊子有鼻孔的。這里有很多有趣的事。

蚊子的嘴

蚊子體型小，為什么可以這樣“穩(wěn)定”、“準(zhǔn)確”、“狠毒”地吸入？我認(rèn)為通常要有鋒利的“嘴”。仔細(xì)觀察蚊子的頭部，蚊子的確有針形的“嘴”，長在那對(duì)復(fù)眼下，兩邊各有一根長著胡須毛的觸須。

蚊子有針形的“嘴”

通過顯微鏡發(fā)現(xiàn)，人們?nèi)庋劭吹降奈米拥摹白臁逼鋵?shí)只是一件防護(hù)外套(據(jù)說是下嘴唇)，令人驚訝的是，這個(gè)細(xì)長的保護(hù)膜上包裹著6根比頭發(fā)絲更細(xì)的針。一個(gè)是食道(上嘴唇)，一個(gè)是針管(舌頭)，兩個(gè)是刺針。

動(dòng)物學(xué)中，昆蟲的“嘴”被稱為“吸器”，蚊子是能夠穿透寄主體內(nèi)并吸入寄主體液的口器。

蚊子口機(jī)的結(jié)構(gòu)圖(網(wǎng)絡(luò)照片)

蚊子的嘴又細(xì)又軟。如何在人完全沒有注意到的時(shí)候穿透皮膚吸血？

顯微鏡下進(jìn)行的研究表明，蚊子的嘴刺穿表皮時(shí)使用了一種動(dòng)態(tài)沖擊姿勢，嘴巴伸直后迅速刺穿皮膚，立即打開包裹著6根“針”的“下嘴唇”，折疊起來，其前端緊貼皮膚，起到指導(dǎo)和支撐作用。

六根針中的兩個(gè)“上顎”尖點(diǎn)首先刺穿皮膚表面，然后通過周期性振動(dòng)增加穿透深度，兩個(gè)帶有鋒利微型鋸齒的“下巴”鋸掉皮膚。上顎和下下巴迅速深入表皮下血管豐富的區(qū)域，上顎尖尖不斷改變位置，勘探血管。

上顎一找到血管，上唇就會(huì)立即卷進(jìn)吸管(上唇的上部與蚊子體內(nèi)食道相連)，蚊子如果擴(kuò)大自己的食道，就可以沿著上唇曬干的吸管將血液吸進(jìn)體內(nèi)。

同時(shí)蚊子通過“舌頭”分泌的唾液注入人體。蚊子的唾液中含有有血管擴(kuò)張、抗凝、麻醉作用的化學(xué)物質(zhì)，因此更容易快速吸血。正是這種物質(zhì)引起被咬的人過敏，引起皮膚包裹和發(fā)癢的物質(zhì)。如果蚊子已經(jīng)有某種病原體，那么與唾液一起進(jìn)入人體——就是蚊子咬人傳播疾病的時(shí)候了。

新的機(jī)會(huì)

生物學(xué)家們正在探索將蚊子的吮吸功能提高到更高水平的成像技術(shù)手段，隨著粒子加速器技術(shù)的發(fā)展，同步輻射的誕生給他們帶來了新的機(jī)會(huì)。(莎士比亞)(莎士比亞)。

x射線是德國物理學(xué)家威廉倫琴(Wilhelm Conrad Rentgen)1895年發(fā)現(xiàn)的。此后，傳統(tǒng)的X射線在多個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但直到同步輻射光源出現(xiàn)后，X射線成像技術(shù)的發(fā)展才真正實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

同步輻射是一種電磁輻射。20世紀(jì)初，理論學(xué)家根據(jù)電磁場理論預(yù)測，真空中接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場中進(jìn)行曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，將沿著旋轉(zhuǎn)軌道的切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁輻射。

沒真見到過這種輻射。1947年，美國通用電氣公司在調(diào)試70MeV電子同步加速器時(shí)意外觀察到了這種電磁輻射。同步輻射并非粒子物理實(shí)驗(yàn)所需，但通過對(duì)其特性的研究卻發(fā)現(xiàn)它具有其它輻射源難以比擬的強(qiáng)度高、準(zhǔn)直性好、能量范圍廣等優(yōu)異特點(diǎn)，可為多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究提供優(yōu)良的光源。

20世紀(jì)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(yùn)行的第一代同步輻射光源開始出現(xiàn)，其X射線的亮度(指單位時(shí)間、單位面積、單位立體角、一定光子能量范圍內(nèi)的光子數(shù)。亮度越高表明束流品質(zhì)越好)比常規(guī)X射線源約高4-5個(gè)量級(jí)。80年代初，基于技術(shù)的發(fā)展，一批發(fā)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(xù)建成——被稱為“第二代”。

第一、二代同步輻射光源主要利用電子束經(jīng)過加速器彎轉(zhuǎn)磁鐵發(fā)出的同步輻射光。70年代末開始使用在加速器彎轉(zhuǎn)磁鐵之間的直線段插入產(chǎn)生周期性磁場部件(稱為插入件)的技術(shù)。當(dāng)電子束通過插入件時(shí)會(huì)被往復(fù)、周期性地偏轉(zhuǎn)方向，在近似正弦曲線的扭擺偏轉(zhuǎn)中發(fā)出更多的同步輻射光，可大幅度提高光源品質(zhì)。第二代同步輻射光源使用部分插入件，光源亮度可達(dá)10¹⁵-10¹⁶。

90年代中期，一批以低發(fā)射度和采用大量插入件為特征的高亮度同步輻射光源建成——被稱為“第三代”，光源亮度可達(dá)10¹⁸-10¹⁹。

同步輻射光源所具有的高亮度、高通量、高準(zhǔn)直度、精確可控、能量連續(xù)可調(diào)等特點(diǎn)，為X射線成像研究提供了高水平的平臺(tái)，使之前無法實(shí)施的許多成像研究得以實(shí)現(xiàn)。加上近年來相襯成像、相干衍射成像、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(xù)出現(xiàn)，相關(guān)的應(yīng)用研究如虎添翼，科學(xué)家們擁有了全新的X射線成像技術(shù)手段。

以美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)光子源(APS)為例。

APS屬第三代同步輻射光源，電子能量為7GeV，由直線加速器、增強(qiáng)器、儲(chǔ)存環(huán)、插入件和實(shí)驗(yàn)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(yùn)行)，電子束流被注入到增強(qiáng)器后在半秒時(shí)間內(nèi)被加速到7GeV，然后進(jìn)入安裝了1000多塊磁鐵、周為長1104米的儲(chǔ)存環(huán)，強(qiáng)大的磁場使電子束聚焦后沿接近圓形的多邊形真空軌道運(yùn)行。在每個(gè)多邊形的直邊上安裝具有多周期磁鐵結(jié)構(gòu)的插入件，用于大幅度提高光源品質(zhì)。

APS儲(chǔ)存環(huán)共設(shè)計(jì)了40個(gè)單元，其中35個(gè)單元用于為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供高品質(zhì)光源。每個(gè)單元至少包括兩條引出X射線的光束線，一條用儲(chǔ)存環(huán)彎轉(zhuǎn)磁鐵作為光源，另一條用插入件作為光源。

APS提供的高亮度、高通量、高準(zhǔn)直度、精確可控、能量連續(xù)可調(diào)的X射線為生命、材料、能源、環(huán)境等多種尖端科學(xué)研究提供了高水平的研究平臺(tái)。

美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光子源(APS)鳥瞰(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

APS組成部分示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

APS的儲(chǔ)存環(huán)(部分)(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

APS的一個(gè)插入件裝置(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

APS光束線分布示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

一個(gè)由來自東北大學(xué)(日本)、弗吉尼亞理工學(xué)院(美國)、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室(美國)和東洋大學(xué)(日本)等多個(gè)機(jī)構(gòu)研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)在APS上研究蚊子的吮吸功能。

研究蚊子之類的小型昆蟲，為了實(shí)時(shí)捕捉昆蟲系統(tǒng)內(nèi)部各部分是如何協(xié)調(diào)配合工作的，需要借助同步輻射性能優(yōu)異的X射線，透過昆蟲外部輪廓不僅揭示其體內(nèi)軟組織結(jié)構(gòu)千分之一秒內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，而且分辨出長度為百萬分之一米的細(xì)節(jié)。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(shí)驗(yàn)所需的苛刻條件。

該研究團(tuán)隊(duì)用APS一個(gè)插入件光束線提供的高性能X射線和配套的成像實(shí)驗(yàn)設(shè)施，選擇適用的X射線參數(shù)，通過極為精細(xì)的實(shí)驗(yàn)控制，可在蚊子不被汽化的情況下觀察它體內(nèi)的情況，成功地拍攝到了活體蚊子吮吸行為的高分辨率視頻，捕捉到蚊子在吸食液體時(shí)一種前所未知的“秘功”，在蚊子吮吸液體行為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(xì)的實(shí)驗(yàn)是怎樣進(jìn)行的呢？沒想到實(shí)驗(yàn)的過程竟這樣有趣，科學(xué)實(shí)驗(yàn)真是魅力無窮！

蚊子雖然既小又脆弱，但卻是世界上最難對(duì)付的害蟲之一。研究團(tuán)隊(duì)很明白，沒有獨(dú)特的創(chuàng)造性，就不可能揭示新的秘密。

傳統(tǒng)的X射線成像基于這樣一個(gè)原理：用X射線照射被研究的物體，安置在物體后面的成像探測器將接收到的X射線轉(zhuǎn)化為圖像。被照物體內(nèi)密度較高部分(例如骨骼)吸收較多的X射線，成像時(shí)表現(xiàn)為圖像中較暗部分，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(shí)表現(xiàn)為圖像中較亮部分。因而傳統(tǒng)的X射線成像被稱為“吸收襯度成像”。一般動(dòng)物體內(nèi)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(nèi)沒有骨骼之類高密度的部分，體內(nèi)各個(gè)部分的密度相差不多，吸收X射線的能力差異并不大，無法產(chǎn)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(tuán)隊(duì)采用“相位襯度成像”技術(shù)來解決這個(gè)難題。這項(xiàng)技術(shù)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：首先，雖然密度的微小差異不能產(chǎn)生可觀測的吸收襯度，但這微小的密度差異卻可以使X射線產(chǎn)生敏感的相位變化，導(dǎo)致X射線在蚊子體內(nèi)發(fā)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準(zhǔn)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(fā)生干涉，產(chǎn)生相位襯度。利用這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)使微小的密度差異產(chǎn)生出十分敏感的相位襯度圖像，所獲圖像甚至可區(qū)分昆蟲食道中的液體與空氣。

研究團(tuán)隊(duì)的杰克?索查(JakeSocha)教授說“這仿佛為我們揭示了一個(gè)全新的世界”，“幾乎所有你能放進(jìn)這個(gè)光束的東西，都會(huì)使你首次以一個(gè)全新的視角來觀察?！薄皥D像中昆蟲內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清晰性相當(dāng)驚人?！?/p>

杰克·索查在他位于弗吉尼亞州諾里斯的實(shí)驗(yàn)室里(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

實(shí)驗(yàn)的過程并不簡單。

開展正式實(shí)驗(yàn)之前，研究人員須謹(jǐn)慎地選擇相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，測試比較在什么條件下才能對(duì)昆蟲的傷害最小，得到最好的圖像。當(dāng)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(duì)圖像襯度貢獻(xiàn)越大。但X射線的波長越長，對(duì)昆蟲的損害就越大。這將使昆蟲的行為不自然，甚至?xí)⒓礆⑺浪鼈?雖然科學(xué)家們?cè)谘芯繉?shí)驗(yàn)結(jié)束后常會(huì)殺死這些蟲子，但可不希望它們?cè)趯?shí)驗(yàn)半途中就死去喲)。測試結(jié)果表明：將實(shí)驗(yàn)時(shí)間控制在5分鐘之內(nèi)，對(duì)大多數(shù)昆蟲沒有太大的負(fù)面影響，可是，一旦實(shí)驗(yàn)超過20分鐘，就會(huì)使它們發(fā)生暫時(shí)癱瘓。

即使有了縝密的預(yù)先研究，研究團(tuán)隊(duì)在每次實(shí)驗(yàn)之前仍要花6-8個(gè)小時(shí)來進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)試準(zhǔn)備。另外，還有一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題：用什么方式固定實(shí)驗(yàn)用的蚊子呢？你可沒法對(duì)蚊子說：“X光照射時(shí)你身子“別動(dòng)”啊”。

實(shí)驗(yàn)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(guān)在有食物和水的小籠子里養(yǎng)著。實(shí)驗(yàn)時(shí)只選用雌蚊，在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)前要將它們餓上48小時(shí)。臨近實(shí)驗(yàn)，先用氮?dú)鈺簳r(shí)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(shù)哈，但研究者們對(duì)此種指甲油贊不絕口)，然后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(qiáng)X射線的吸收，以便拍攝液體流動(dòng)的清晰圖像。待蚊子蘇醒后就可以開始實(shí)驗(yàn)了。

研究人員用獨(dú)創(chuàng)的實(shí)驗(yàn)裝置在APS的(XSD)2-BM彎鐵光束線上拍攝獲得了蚊子頭部的X射線投影圖像，所得的二維投影圖像用APS的tomPy軟件轉(zhuǎn)換成三維圖像。他們還在APS的(XSD)32-ID插入件光束線上，用單色X射線(能量為33.25 keV)拍攝了饑餓蚊子吸吮花蜜時(shí)的高清視頻，再用相關(guān)的軟件處理分析視頻數(shù)據(jù)。

研究團(tuán)隊(duì)有了驚人的發(fā)現(xiàn)，他們的研究結(jié)果發(fā)表在2018年2月的《科學(xué)報(bào)告(Scientific Reports)》期刊上，文章描述他們發(fā)現(xiàn)了蚊子的一種前所未見的“爆發(fā)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(wǎng)絡(luò))

2018年2月發(fā)表的論文及相關(guān)報(bào)道(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

盡管科學(xué)家們?cè)缇驼J(rèn)識(shí)到研究蚊子叮人吸血方式的重要性，但以前的研究并不了解蚊子具有兩套不同的吮吸系統(tǒng)。正常情況下，蚊子吸血是“連續(xù)模式”的，吮吸以連續(xù)運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)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(xù)吮吸。

然而，在新發(fā)現(xiàn)的這種“爆發(fā)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——產(chǎn)生大量、快速的液體流入，所產(chǎn)生的流量比連續(xù)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(dòng)作所需能量是原來的1000倍。這就引出了問題，為何蚊子有兩種吮吸模式呢？什么情況下蚊子會(huì)使用爆發(fā)模式呢？

為了更深入地探索這個(gè)問題，研究人員利用觀察到的形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)建立了蚊子吮吸的流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型，對(duì)蚊子不同的吮吸模式原理進(jìn)行詳細(xì)分析，便于提出更多的假設(shè)，指導(dǎo)進(jìn)一步研究的思路。研究發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)模式允許蚊子按需產(chǎn)生一個(gè)低壓真空，可用來驅(qū)動(dòng)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(fā)現(xiàn)，暫時(shí)增加攝入量以更快地吮吸？然而，這種情況似乎發(fā)生機(jī)會(huì)較少，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)表明爆發(fā)模式只是偶爾發(fā)生。

發(fā)現(xiàn)蚊子爆發(fā)式吮吸模式的實(shí)驗(yàn)示意圖(圖片來自網(wǎng)絡(luò))

當(dāng)然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程對(duì)用于實(shí)驗(yàn)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(duì)人類健康的一種威脅。近年來齊卡(Zika)病毒的大爆發(fā)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(guān)于蚊子吮吸機(jī)制和爆發(fā)式吮吸模式的新發(fā)現(xiàn)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(yīng)對(duì)蚊子的危害。

研究團(tuán)隊(duì)的馬克·斯特里姆勒(Mark Stremler)教授說：“我們?cè)搅私馑鼈兙驮接锌赡苷业娇刂扑鼈兊姆椒??！薄斑@項(xiàng)研究為我們打開了一個(gè)全新的問題和可能性的大門，而這些問題以及可能性在我們觀察到這種爆發(fā)模式之前甚至沒有考慮過。”

除了蚊子傳播疾病的生物醫(yī)學(xué)意義之外，這一發(fā)現(xiàn)還可能幫助科學(xué)家開發(fā)新的技術(shù)。研究人員設(shè)想在微流控裝置中模仿蚊子的雙吮吸系統(tǒng)，研發(fā)出可用于在人體內(nèi)提供有針對(duì)性藥物治療的裝置。

這項(xiàng)研究能成功地在APS上完成并取得可喜進(jìn)展，并非偶然。21世紀(jì)初以來，APS一直是使用X射線研究昆蟲的世界領(lǐng)先者。在進(jìn)行此項(xiàng)研究之前，APS上已進(jìn)行過為數(shù)不少的昆蟲活體研究，相襯成像、相干衍射成像、吸收譜成像、X射線熒光成像、顯微成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描成像，以及大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理、圖像重建等等前沿技術(shù)已有了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

結(jié)語

上述這個(gè)有意義、高水平的蚊子吮吸方式實(shí)驗(yàn)令人實(shí)實(shí)在在地感受到了粒子加速器技術(shù)對(duì)人類社會(huì)發(fā)展作出的貢獻(xiàn)。

基于粒子加速器技術(shù)的同步輻射光源建設(shè)起步于20世紀(jì)70年代，為科學(xué)家們開展科學(xué)研究和應(yīng)用研究帶來了廣闊的前景，這些年來取得了極為豐碩的成果，關(guān)于蚊子爆發(fā)式吮吸方式的新發(fā)現(xiàn)僅是其中一個(gè)例子。

目前全世界已建成的同步輻射光源已超過50臺(tái)。20世紀(jì)90年代初，國內(nèi)最先建成的北京同步輻射裝置是基于高能物理實(shí)驗(yàn)的高能對(duì)撞機(jī)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(臺(tái)灣新竹光源也屬第三代)。

即將在北京懷柔動(dòng)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(jìn)的技術(shù)，性能更加優(yōu)越)，合肥先進(jìn)光源(第四代)的建設(shè)構(gòu)想也已提出，廣東省正積極推動(dòng)在東莞建設(shè)南方光源(第四代)與已建成的中國散裂中子源配套。可以預(yù)見，就在并不太遠(yuǎn)的未來，中國的幾大高性能同步光源將為材料、能源、環(huán)境、物質(zhì)與生命科學(xué)交叉等廣泛領(lǐng)域的科學(xué)研究提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐能力，為科技的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

來源：中國科學(xué)院高能物理研究所

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