为了研究蚊子的飞行轨迹，他与100只饥肠辘辘的蚊子共处了4分钟……

我亲爱的朋友，你们可曾有过这样的疑问。

蚊子比苍蝇迟钝那么多，一个是随便一巴掌就能拍死的，另一个则必须靠专业苍蝇拍打击；

瘦小那么多，十只蚊子的体重才顶一只苍蝇；

挑食那么多，一个几乎只吸血液，另一个进垃圾桶胡吃海塞。

但是蚊子活得不比苍蝇差，打扰人类生活的频率比苍蝇只高不低。从直觉来看，这种对比好像很反直觉。为何一种看起来如此缺乏生存能力的动物，可以在被人类厌恶、传播多类严重疾病的情况下，活到现在蚊丁兴旺、仍绕着人类嗡嗡作响？

华裔科学家胡立德(David L. Hu)对蚊子的飞行方式充满兴趣。据他所说，目前科学界仍缺乏关于“蚊子如何具体响应化学和物理信号”“如何根据不同信号而实践不同飞行轨迹”的认知。

他曾与其他专业的学者合作，并带领学生开展“百蚊大战”实验，最终构建起可预测“蚊子如何在人体附近飞行”的模型。近期，他撰写科普文章，以第一人称口吻介绍了自己团队的工作。

"人蚊"科学

“4分钟太久了。”克里斯留言道。

收到留言后，我有些吃惊。对于还在佐治亚理工学院读本科的年轻小伙克里斯来说，4分钟何以成为一个“太久”的数字？

原因就是，这4分钟是在小房间内与100只饥饿蚊子共同度过的。让我吃惊的并非留言本身，而是留言附带的照片，照片显示克里斯皮肤上布满蚊子包，这意味我们本以为能提供保护的网眼防护服难以屏蔽蚊子叮咬。

克里斯被蚊子叮咬后，皮肤出现多处瘙痒红肿

大家可能都好奇，克里斯为啥要身着防护服与百蚊共处一室？

这里不妨打个比方：热追踪导弹是影视剧里的常客，但观众只看到导弹被热源“吸引”进而精确打击目标，却不懂导弹运作原理。类似地，我们知道视力极差的蚊子通过一系列化学和物理信号定位人类，但科学家并不理解它们被信号吸引的深层机制，更无法预测它们如何响应人类的存在与行动。

因此，作为一名长期研究动物运动行为的生物物理学家，我想通过“将鲜活人体献给众多蚊子并观察分析其飞行轨迹”的方式，理解它们围绕人类的各种反应及其内在机制。

而我那“可怜又勇于牺牲”的学生，全名克里斯托弗·左(Christopher Zuo)，选择为科研献出自己那有着复杂几何结构的身体，与我一同开启为期3年的蚊子行为规律探索项目。

当然，我们的所有操作都严格遵循规范，研究方案通过了学校伦理审查委员会的审批，实验所用蚊子不携带病原体，均为佐治亚州本地品种，克里斯的生命安全有充分保障，且全程未受任何胁迫。另外，文章开头提到的“4分钟太久”实验，是整个项目中唯一一次、也是最后一次有人被叮咬。

蚊子如何精准定餐

作为动物，蚊子是如此简单、微小、脆弱，体重只有一粒大米的十分之一，神经元数量仅20万，但它们总能轻松找到人类并吸血，总能不断进化以适应城市生存环境，还借力气候变化，越发高效地传播疾病。从疟疾到乙型脑炎再到登革热，蚊子携带的疾病每年导致全球超70万人死亡。因蚊子而死的人数多过因战争而死的。

数据显示，全世界每年有至少220亿美元的资金投入，用于采购不计其数的杀虫剂、杀幼虫剂以及经杀虫剂处理的蚊帐。

在地球上已知的3500种蚊子中，有超100种嗜好人类血液，以人血为首选食物。部分种类的蚊子，甚至能从牛群中精准锁定唯一人类并吸血——考虑到它们弱不禁风的飞行动力，这堪称壮举了。

蚊子的飞行能力到底有多弱？这么说吧，只需3~5公里/小时的风速(相当于马甩动尾巴产生的风速)，即可让它们停止飞行。而在相对平静的环境下，蚊子能凭借微小却强大的头脑，循着顺风而来的人体热量、湿气和气味，逆风飞向目标。

动物呼吸产生的二氧化碳会强烈吸引蚊子。它们能在距宿主9米开外的地方检测到浓度已降至百万分之几的二氧化碳，这就好比从奥运泳池里探测出只滴了几滴的染料。

佐治亚理工学院LOGO图案“GT”的深色轮廓能吸引大量蚊子围聚

蚊子的视力几乎无助于它们寻找血餐。别看那两只复眼由数百个独立透镜，即所谓的“小眼”(ommatidia，透镜宽度相当于一根人类发丝的直径)组成，其实它们只能形成模糊、像素化的马赛克图像。

受光学原理限制，蚊子只能于几米外分辨成年人大小的物体；单靠视力，它们无法判断目标是一名人类还是一棵小树，每个深色物体都是潜在宿主，都值得其付出探索成本。

采集飞行轨迹数据

研究蚊子飞行的难点在于，它们的大部分行为都是高度随机、毫无意义的噪音。在空房间内飞来飞去的蚊子，其飞行速度与方向大多随机变化。只有掌握大量飞行轨迹数据，才能剔除干扰、寻得规律。

身着网眼防护服的克里斯正等待蚊子来袭

我们的合作者、加州大学河滨分校生物学家林·卡德(Ring Cardé)表示，1980年代的科学家做“叮咬实验”时，会只穿内衣，任由蚊子落到裸露皮肤上再拍死它们。裸露的身体可排除衣物颜色等干扰变量。

我与克里斯最初的选择则是设计前文提到的网眼防护服。但满身蚊子包的后果告诉我们必须另寻他法。

之后，克里斯穿上经过无香型洗涤剂清洗的长袖衣物，戴好手套和口罩，全副武装，静静站立，任凭大群蚊子团团包围自己。

此外，美国疾控中心（CDC）向我们推荐了“光子哨兵”(Photonic Sentry)监测系统。其摄像机能在单身公寓大小的空间内同时追踪数百只飞行昆虫，能以每秒100帧、5毫米分辨率的精度记录下昆虫们的活动。

实践结果令人惊喜：短短几小时内，克里斯等人所采集到的蚊子飞行数据量，已超过此前人类史上所有同类测量数据的总和。

100只蚊子在克里斯身边飞行10分钟。视频展示了其中一小部分的飞行轨迹

在麻省理工学院的数学合作者们指出，克里斯的人体几何结构太过复杂，不利于研究蚊子反应。数学家擅长将复杂问题向本质简化，他们建议：何不还克里斯以自由，选择简化模型替代人体——一根棍子顶上黑色泡沫球，搭配一罐二氧化碳。

接下来的两年，克里斯不断拍摄蚊子无休止围绕泡沫假人飞舞的画面；每次拍摄工作结束，他会用吸尘器清理蚊子，同时尽量避免被叮咬。

解析轨迹，建立模型，验证预测

向左转，向右转，加速，减速。飞行中的蚊子还挺像飞机的。为构建关于其飞行行为的模型，第一步工作就是确定函数——将飞行定义为速度、位置和方向的函数(以目标物为参照)。

随着我们分析的飞行轨迹越来越多，大家也越发有信心参悟行为规律。到最后，项目总计使用了2000万个关于蚊子位置与速度的数据。这种通过整合观测验证数学假设的思路，来自有着两百年历史的贝叶斯推断方法。此外，我们也将观测到的蚊子行为通过网页应用作了直观呈现。

蚊子的飞行模式因目标类型不同而异

建立函数，运用模型。数学工具助我们挖掘出海量飞行轨迹里的规律。我们发现，蚊子呈现的飞行模式因目标类型不同而异。面对视觉目标，蚊子常常飞掠而过；二氧化碳则可令其在目标附近减速慢行、反复确认；如果目标是视觉信号+二氧化碳的组合，蚊子将开展高速环绕飞行。

但光用模型总结规律远远不够，它可否预测现实场景下的飞行轨迹呢？如前文所述，支撑这套模型的数据来自用泡沫假人替换真人的实验；若将模型应用于真人，其预测准确度如何？

克里斯再次进入实验空间。

这次他衣着全白、头戴黑帽，俨然蚊子靶标。结果显示，蚊子围绕克里斯的分布规律，高度契合模型预测；此外，模型还锁定了蚊子高频环绕的危险区域。

预测行为只是击败蚊子的第一步，我们还要精进驱避与诱捕之法。

蚊虫高发地区的居民常在设计房屋时引入特殊结构，以防蚊子追踪信号、进入居所。另一方面，现有捕蚊器能吸入靠近的蚊子，不过会产生50%~90%的漏网之蚊。此类设计大多依靠反复试错。

我们希望自己的工作最终助力设计出更精准的驱蚊、捕蚊工具，不让蚊和你一起走进那个良夜！

参考文献

[1]Hundreds of hungry mosquitoes, a student volunteer and a mesh suit helped us figure out how these deadly insects reach their targets

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