6月12日，徐州市传染病医院接诊1例重症疟疾病人，该病例之前未听取医生劝告自行回家，网上搜索配方，在家自行煎服，导致病情加重，被送医时已经昏迷，所幸经过救治病人意识终于有所恢复。什么是疟疾？疟疾是由疟原虫引起的疾病，俗称“打摆子”。按蚊是传播疟疾的元凶。带有疟原虫的按蚊叮咬人体后，把疟原虫注入人体，一般10-20天后就会发病。发病前往往有疲乏、不适、厌食等症状，发病时经历发冷期、发热期、出汗期和间歇期四个阶段。

据世界卫生组织报告，2021年全球估计有2.47亿疟疾病例，死亡人数估计为61.9万人。主要流行于热带和亚热带地区，包括非洲中部、南亚、东南亚及拉丁美洲。早在1955年，我国就制定了国家疟疾控制规划。2010年，我国政府提出消除疟疾行动计划。经过几代人数十年持续的疟疾控制和消除行动，我国于2021年6月获得世界卫生组织消除疟疾认证。

黄昏交配？生物钟在作祟

每到夏日黄昏时分，成百上千的雄性疟蚊集结成群，在空中飞舞，吸引雌蚊 “坠入情网”，完成求偶交配。而此时雌蚊一旦受精，便不再与其他雄蚊交配。早在1634年，人们便已观察记载了这种蚊虫在交配时发生的集群飞行行为（婚飞，swarming）。

现在，科学家们对这种现象的关注，集中在探究其背后的生物学调控机制，以此达到抑制蚊虫繁殖、减少蚊虫种群数量，进而控制蚊媒传染病的目的。蚊子是疟疾、登革热和前几年流行的寨卡病毒等病原体的传播媒介，每年造成大约75万人丧生。其中，疟蚊是疟疾的主要传播媒介，据统计每年由疟蚊引发2-3亿疟疾病例，导致约50万人死于疟疾。

2021年1月22日，美国《科学》杂志发表的一篇论文，将疟蚊的繁殖现象与生物钟基因、自然环境联系了起来，揭示出疟蚊集群婚飞的分子机制和雌雄求偶的化学通讯奥秘。该研究由中国科学院分子植物卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员王四宝的团队完成。

为了研究调控疟蚊婚飞和交配的基因，王四宝团队首先利用基因芯片对比野外采集的同一时间下婚飞雄蚊和非婚飞雄蚊的头部基因转录组的差异，并由此发现了上调表达的几十个基因。其中，令人惊奇的是两个核心生物钟基因（period/timeless）显示出的表达差异。在婚飞雄蚊的头部，这两个基因表达明显上调，暗示它们可能参与雄蚊婚飞的调控。

生物钟受地球昼夜周期性变化的光照和温度所调控，无独有偶，按蚊的婚飞也主要集中在夏日的黄昏时分，科学家们进一步推断，黄昏时相对昏暗的光照和不冷不热的温度可能作为重要的环境因素促进了按蚊的婚飞和交配。通过进一步研究，该团队发现光照和温度对按蚊婚飞和交配的影响可能是通过调控生物钟基因per/tim 的表达来实现，从而揭示了内源生物钟、光照、温度协同调控按蚊婚飞和交配的机制。

“传统的化学杀虫剂已经造成了严重的环境污染，并导致蚊虫抗药性的产生。”王四宝说道，“未来可以尝试通过操纵蚊虫婚飞来进行干扰交配或集中诱杀、或者通过鉴定出的性信息素增强遗传控制的雄蚊对野外雌蚊的吸引力”。该研究极大地促进了我们对疟蚊婚飞交配发生机制的理解，还为蚊虫遗传防治计划的高效应用提供了理论支持，对于研发基于蚊虫行为调控的新策略，减少化学杀虫剂的使用，最终实现蚊虫绿色防控具有重要意义。

激光雷达，助力探测蚊子活动时间

在2016年，日食发生的时候，一个研究团队向天空中投射了一束红外线激光。这并不是普通的激光，而是用于检测空中昆虫种类和数量的“激光雷达”。在日食结束后，研究团队继续观察了四天五夜。在此期间内，激光雷达检测到了超过30万个昆虫，收集到了大量宝贵的数据。

这次探测中，大部分被探测到的昆虫是蚊子。蚊子是世界上最致命的昆虫。有些蚊子的身上携带有疟疾寄生虫。每年有50万人死在疟疾的魔爪之下，这种蚊子就是疟疾的帮凶。

这次的研究收集到了大量有价值的数据。研究指出，清晨和黄昏是蚊子最活跃的时间段。几乎是每天同一时间，科学家们在空中观测到了大量的蚊子。同时，在日食开始和结束的时候，也有成片的蚊子在空中飞舞。研究表明，在自然界中，蚊子的活动主要受到光照的影响，而不是昼夜节律。

在这项研究中，研究人员们使用了一种新型的激光雷达。每个飞过的昆虫都会把激光信号反射到检测装置中。反射回来的激光信号可以用于分析昆虫翅膀振动的频率。科研人员可以通过反射的频率信号，确定飞过光束的昆虫的数量和种类。通过对信号的简单分析，科学家们就能分辨出飞过的昆虫到底是蚊子、飞蛾还是苍蝇。甚至可以通过振翅频率的不同，分辨出蚊子是雄性还是雌性。

以往的时候，科学家们想要分析一片区域里昆虫的数量和种类，只能采用捕虫器。捕虫器会捕捉大部分的昆虫，然后科学家们把捕获结果拿到实验室中，分析昆虫的种类和数量。这种方法需要消耗很长的时间，而且，最重要的是，捕虫器通常需要全天工作，这使得科学家们很难分析一天内不同时间段的昆虫数量。

而通过这种激光雷达，科学家们可以更好地观测昆虫数量随时间的变化。激光雷达能够同时观测成百上千的昆虫。参与研究的科学家激动地说：“这是科学史上人们第一次在野外分析这么多种类的昆虫！”

此外，这项研究的成功证实了激光雷达在收集昆虫数据方面的潜力。科学家指出，就像天气预报可以预测暴风雨一样，随着这种雷达的普及，我们很快就可以预测疟疾的流行趋势。当然，跟踪蚊子的活动只是这项技术的应用之一。这项技术也可以用于监测当地的生物多样性，在环保方面也有巨大的应用前景。

红外高光谱激光雷达，监测昆虫多样性

据麦姆斯咨询报道，丹麦NKT Photonics和瑞典隆德大学（Lund University）研究了如何使用高光谱激光雷达平台来计数昆虫、测量其翅膀拍动的频率，以及解析翅膀的相干散射以区分不同的物种。该研究结果以“Remote Nanoscopy with Infrared Elastic Hyperspectral Lidar”为题发表在 Advanced Science 期刊上，可能彻底改变昆虫监测现状。

研究人员开发的平台采用了一种称为弹性高光谱Scheimpflug激光雷达（EHSL）的技术。Scheimpflug原理最初源自航空摄影，涉及镜头和探测器相对于彼此倾斜，从而增加系统可以实现的焦深。在图像传感器根据Scheimpflug原理定向的激光雷达系统中，指向大气的激光束的反向散射可以到达倾斜的传感器，所有反向散射回波同时聚焦，这是一条通过大光学孔径达到理论上无限焦深的途径。

在瑞典南部的试验中，NKT Photonics和隆德大学搭建了其实验设备，让夜间活动的昆虫穿过固定的激光束，并记录与昆虫的距离和反射光谱数据。该项目研究人员说道：“昆虫翅膀是一种薄膜。当激光照射到昆虫翅膀时，一些光从第一个表面反射，一些光穿过翅膀后从第二个表面反射。这会产生翅膀干涉图案。”

不同的昆虫物种具有特定的翅膀拍打频率和翅膀干涉图案，并且从这两种特征属性捕获数据可以使区分自然栖息地中的数百种自由飞行的昆虫物种成为可能。

实验监测平台采用连续波Scheimpflug激光雷达以及同一架构的非弹性高光谱版本，该版本之前已在荧光模式下开发和使用。项目研究团队表示，在激光雷达中结合光谱技术可以检索远距离的微小特征。该项目在其发表的论文中表示：“此前已通过偏振激光雷达和双频激光雷达远程探昆虫测翅膀拍打。但到目前为止，还没有远程设备能够捕捉到翅膀干涉图案，通过光谱解析并唯一地确定翅膀厚度。”

该项目证明，新方法在夜间部署在野外时，成功捕获了飞行中昆虫的翅膀拍打信号，并为远程获取纳米级精度的昆虫翅膀厚度提供了可能性。研究人员表示：“到目前为止，用于检测自由飞行昆虫的激光雷达技术主要依赖于翅膀拍打模式的频率分析，这需要在光束传输过程中进行多次翅膀拍打。我们的EHSL技术原则上可以通过单次微秒闪光（flash）来确定翅膀厚度。”

其它形式的光学遥感或环境监测也可以利用基于相同原理的探测设备。该项目指出，用于植被冠层的高光谱激光雷达可以改善树种分类并报告叶子水分、施肥或内部叶子结构，同时也可以对温室气体和其它分子进行大气传感。

文章来源： 中科爱好小达人，科学新知识，北京日报客户端，知识分子