蚊子“無間道”: 一場防控登革熱的“絕後”科學戰
2019年08月19日07:41

原標題:蚊子“無間道”: 一場防控登革熱的“絕後”科學戰

“特工”是一群精力旺盛的年輕雄蚊,它們野心勃勃地來到沙仔島,要和島上的“土著”雄蚊爭奪與雌蚊們的交配權,一旦得手,它們體內的“生化武器”能夠讓雌蚊“絕後”,降低傳病蚊子的種群數量,進而達到防控登革熱的目的。

8月13日,研究人員正在成蚊車間進行日常檢查。 新京報記者 韓沁珂 攝

2015年3月,一群科學家帶著幾萬名神秘“特工”來到了廣州沙仔島。

沙仔島是廣州的一處離島,面積約3平方公里,與廣州僅有一橋相連。這裏氣候溫暖潮濕,草木繁盛,堪稱蚊子的天堂。沙仔島的島民一直飽受蚊子困擾,每晚出去遛彎兒,幾乎總會帶上幾個紅疙瘩回來。

看似微不足道的蚊子,實則是地球上最致命的動物。據世界衛生組織2016年通報,全球每年有超過72萬人因蚊子而死。這一數字超過最致命動物排行榜第2至10名致死人數的總和。

即使到了2017年,全球人口中仍有2/5面臨蚊子傳播的登革熱威脅。廣東省曾在2014年大規模爆發過一次登革熱疫情,當時感染人數超過4萬人。

科學家們此行的目的,就是讓這群神秘“特工”來消滅傳播登革熱的蚊子。

“特工”是一群精力旺盛的年輕雄蚊,它們野心勃勃地來到沙仔島,要和島上的“土著”雄蚊爭奪與雌蚊們的交配權,一旦得手,它們體內的“生化武器”能夠讓雌蚊“絕後”,降低傳病蚊子的種群數量,進而達到防控登革熱的目的。

一年後,它們取得了壓倒性的勝利。

“特工”們來自廣州的一座巨大的蚊子工廠,由中山大學-密歇根州立大學熱帶病蟲媒控製聯合研究中心的科學家們耗費數年製造。今年7月末,他們的最新研究成果發表在頂級學術期刊《自然》上。

製造“特工始祖”

全球已命名的蚊子超過3500種,但會叮咬人類並吸食人血的只是很少一部分。

在咬人的蚊子中,白紋伊蚊是登革熱和寨卡病毒病的主要傳播媒介之一。因此,科學家們選中了白紋伊蚊,準備將其培養成為“特工”。

在中國,這種蚊子主要分佈在廣東和海南地區,隨著交通便利、人員流動增加,分佈範圍也擴大到北方多地。

要想成為“特工”,需要體內穩定攜帶一種“生化武器”——某種特殊的沃爾巴克氏體。

沃爾巴克氏體是一種細菌,有多種型別,在節肢動物體內廣泛存在,不會感染人類。中山大學-密歇根州立大學熱帶病蟲媒控製聯合研究中心主任奚誌勇告訴新京報記者,就像人類腸道內的益生菌一樣,沃爾巴克氏體也可以共生在蚊子體內。

這種菌之所以能成為蚊子界的“生化武器”,是因為其具備一種“絕後”的特性——攜帶不同型別的沃爾巴克氏體的雌雄蚊子交配後,產生的卵不發育。這一特性也是奚誌勇製造“特工”的生物學基礎。

廣州的白紋伊蚊,每隻體內都攜帶有兩種型別的沃爾巴克氏體。如果能培育出一種雄蚊,體內攜帶第三種型別的沃爾巴克氏體,讓它們去和本地雌蚊交配,產生無法發育的卵,不就可以讓蚊子“絕後”了嗎?

8月13日,蚊子工廠保種間內的蚊子。 新京報記者 韓沁珂 攝

原理看似簡單,實現卻很睏難。

科學家們從其他蚊種體內得到了第三種型別的沃爾巴克氏體,然而,如何將其注射到蚊子體內,在不影響蚊子生存的前提下還能實現穩定遺傳,成了困擾科學家們的難題。

“蚊子的生殖系統是沃爾巴克氏體含量最高的地方。”奚誌勇說,需要在胚胎階段,把菌注射到未來將會發育成生殖系統的地方,這樣菌就可以和生殖細胞共同發育。

一枚蚊卵的長度只有1-2毫米左右,15萬枚卵僅有1克重。要在這麼小的卵上找準生殖系統發育的位置,並完成注射,這對研究人員的操作水平要求極高。

將直徑1毫米的石英針打磨到更細,在放大200倍的顯微鏡下進行注射。奚誌勇表示,不僅要紮得準,還要紮得快。注射的最佳時間是蚊子卵產下後的60-90分鍾內,為了給注射操作爭取更多的時間,研究人員通過降溫來減緩胚胎的發育速度。在胚胎注射室,室溫被保持在18-20℃,比蚊子發育的最適宜溫度低了10℃左右。

這是一項熟能生巧的工作。“最開始的時候,一天也就注射十幾個。”一位實驗室研究人員說,後來,大家操作越來越嫻熟,最多每個小時可以完成約100枚蚊子卵的注射。

8月13日,蚊子工廠顯微注射間內,研究人員正在對蚊卵進行胚胎注射。 新京報記者 韓沁珂 攝

然而,注射只是第一步。因為後期要在戶外大規模釋放,需要的“特工”蚊子數量極大,僅靠科研人員注射生產遠遠不夠,需要此類蚊子自身之間可以繁衍,在實驗室內生出大量的後代才能供得上。

但在最初,被注射的蚊子無法將體內的沃爾巴克氏體傳給第二代。從2011年開始,奚誌勇的團隊在幾年時間內注射了上百萬個蚊卵,並對蚊子的胚胎進行了徹底的研究,經過無數次的失敗,最終篩選出了可以穩定遺傳的“特工始祖”。

奚誌勇也因此成為全球第一個將沃爾巴克氏體轉到登革病毒和瘧疾控製的蚊子中併成功建立穩定共生的科學家。他表示,在胚胎注射技術領域,他所在的團隊仍然保持全球領先地位。

幾年艱難的科研過程中,研究人員甚至對蚊子產生了感情。為了養活這些來之不易的“蚊才”,有的科研人員會讓蚊子在自己手上吸血,因為吸食過人血的蚊子通常比吸食動物血液的蚊子更具活力。

繁殖“蚊子蚊孫”

有了“特工始祖”,可以讓它們大量繁殖“蚊子蚊孫”了。

一隻“特工”的成長分為卵、幼蟲、蛹、成蟲四個階段,都在實驗室內進行。廣州黃埔區科學城內有一處全球最大的蚊子工廠,占地3500平方米,這裏就是批量製造“特工”的基地。

在產卵區,銀色金屬紗網蚊子籠密密麻麻並排擺放著,每個籠子裡有約1.6萬隻蚊子,為提高繁殖效率,其中近四分之三是雌蚊。

雌蚊“專情”,從一而終,一生只交配一次,雄蚊“多情”,可以多次交配。

待蚊子交配後,研究人員會給蚊子喂食羊血,1萬多隻雌蚊一頓可以消滅十幾毫升的血。吃飽血後,雌蚊會產卵,一次產下上百枚。這些卵會粘在籠子底擺放著的濕潤紙條上。每隔幾天工作人員來收取,一張紙條上的卵可多達數十萬枚。

粘附在紙條上的蚊子卵。 新京報記者 韓沁珂 攝

在工作人員喂食和取卵的過程中,不甘身陷囹圄而趁機出逃的蚊子不在少數。新京報記者在短暫的探訪過程中,雖然身著長袖防護衣和長褲,也遭遇了蚊子的三次叮咬。不過,等待這些漏網之蚊的只有死路一條,工廠里不少房間內都配備了電蚊拍。

雌蚊產下的卵被分置於裝有培養液的瓶中,緊接著被送入幼蟲飼養車間。

那是一個空氣中瀰漫著發麵團酸味兒的車間。為了節約空間,一個個“水盤”像碟片一樣疊摞在一人多高的架子上。帶著養蜂面罩的工作人員將培養瓶里的液體和卵一同倒入水盤,然後再倒入黃褐色的“營養液”,這些卵很快就會變成孑孓,也就是蚊子的幼蟲。

8月13日,工作人員將新的蚊卵倒入剛清理過的“水盤”中。 新京報記者 韓沁珂 攝

經過約5天的自然發育,孑孓們將會發育成蛹,在這個階段,蚊子的適應能力有所提升,可以離開水一段時間。研究人員將趁這段時間對其進行雌雄分離,選拔出目標培養對象——雄性“特工”。

蚊子的雌雄差異在這一階段格外明顯。雄蛹比雌蛹要小,雄蚊頭胸寬在1.05毫米-1.2毫米之間,雌蚊則大概是1.3毫米-1.4毫米,且雄蚊羽化時間比雌蚊早,此外,雌雄蛹對不同劑量射線的敏感程度也有所不同。這些差異都為選拔提供了依據。

工作人員首先利用大小差異,通過水流和篩網對蛹進行物理分離,這一步驟分離率超過99%。在隨後的輻射階段,漏網的不到1%的雌蛹也會被剔除出來。

2016年,世界上首台專門用於蚊子雌蛹輻射處理的X光射線儀在蚊子工廠投入使用,處理能力達每小時60萬隻。

8月13日,工作人員操作自動化設備對雌雄蛹進行分離。 新京報記者 韓沁珂 攝

在這個階段,實驗室的質檢員們會對通過篩選的“特工”進行抽檢,以再次確認它們的性別。每隔兩三個月,質檢員們還會檢查一下,第三種型別的沃爾巴克氏體是否還存在在蚊子體內。

通過選拔的雄性蚊蛹將被送往成蟲飼養車間。兩天后,它們將完成羽化,變成人們熟悉的蚊子的樣子。

在成蟲飼養車間,一排排紗網有序地掛在架子上,像一艘艘航母,裝滿了即將奔赴戰場的“特工”雄蚊。它們將以最快的速度被送往戰場,同雌蚊交配。

“蚊海戰術”

從2014年6月開始,“特工”們已經進行過多場演習。2015年3月,第一場蚊子大戰在沙仔島正式開打。

之所以稱之為戰爭,是因為每隻雌蚊一生只會選擇一位伴侶。它們會選擇本地“土著”雄蚊,還是選擇攜帶著“生化武器”的“特工”雄蚊?

“特工”們必須想盡一切辦法獲得這場交配權戰爭的勝利。

科研人員首先採取的是“蚊海戰術”,以數量取勝。經過測算,研究人員認為,按照試驗地雄性野生白紋伊蚊數量的5倍釋放“特工”雄蚊,可以達到比較理想的效果。“讓每隻雌蚊身邊都圍繞著多隻我們的雄蚊。”奚誌勇稱。

“特工”的身體素質也格外重要。年輕力壯的雄蚊將更能獲得雌蚊的青睞。“特工”奔赴戰場之前,科研人員會奉上糖水供其飽腹,確保它們擁有足夠的能量。

雌雄蚊子之間的吸引力是天然的,釋放後,“特工”們將會自發尋找雌蚊。考慮到白紋伊蚊主要在白天活動,雄蚊在野外存活時間約2周,釋放後3-4天內交配能力較強,試驗團隊在3月至10月蚊子活躍期間,每隔3天就會在清晨釋放7萬-10萬隻雄蚊。研究人員除了步行或開三輪車沿路釋放,也會選擇在植物茂盛的潮濕處定點釋放。

為了讓“特工”們能以最快速度和最佳狀態抵達現場,團隊選擇讓它們在睡夢中急行軍。運輸過程中,溫度將降低到10℃左右。“特工”們會進入睡眠狀態,一個緊挨一個縮成一團。“如果能維持低溫,航空運輸的話,幾個小時是沒問題的。”工作人員表示,到了戰場,蚊子將在常溫下甦醒過來,投入戰鬥。

經過將近一年的艱苦鬥爭,“特工”們最終獲得了勝利。從現場試驗的效果來看,奚誌勇團隊在沙仔島的成蟲壓製效果達97%。也就是說,在不使用滅蟲劑的情況下,試驗區白紋伊蚊的數量只有對照區的3%。

初戰告捷,“特工”們又乘勝追擊,開闢了第二戰場,位於廣州番禺的大刀沙島。

2年後,大刀沙島戰區的野生白紋伊蚊種群幾乎全被清除,每年野生蚊種的數量平均減少了約83%-94%,且在長達6周內都監測不到任何白紋伊蚊。這一結果遠優於使用農藥等傳統滅蚊技術的對照區。

“我們所說的清除是指在人類聚居區建立起一個無蚊或接近無蚊的人類保護區,不是在生態上去掉某一蚊種。”奚誌勇表示,無需擔心殺滅這種蚊子會對生態鏈產生破壞。

另一種擔心來自島民,“居民通常會擔憂釋放大量蚊子會給生活帶來不便。普通人對蚊子的瞭解不多,甚至不知道雄蚊子不會咬人。”一位參與社區溝通的研究人員表示,他們需要在前期進行充分的社區溝通工作,取得島民的理解和配合。

擴大戰場

在兩處小島取得勝利後,“特工”們轉戰內陸,開始更大規模的實戰應用。

從去年開始,廣州市區內的“以蚊治蚊”試點已經逐步展開。廣州市疾控中心副主任張周斌告訴新京報記者,他們在白雲區選擇了一處登革熱疫情反複發作的區域作為試點。

張周斌說,過去,用藥物殺蚊、清除蚊子滋生地是控蚊、防控登革熱的主要方式。然而對於包括城中村和老舊小區在內的城市複雜地形,傳統殺蚊方法效果有限。“像握手樓之間的溝渠、天台積水等地方都難以清理到位,這也會造成部分疫點登革熱疫情的持續反複。”

蚊子“特工”投放一年後,張周斌稱,就這一年的情況來看,控蚊效果已逐步顯現,對於登革熱的防治效果也在預期之中。他表示,試點將首先從傳統防治方法難以處理的疫點開始,逐步擴大範圍。

奚誌勇團隊也在改進“特工”投放方法,考慮到城市中高層建築較多,在小島上騎著三輪車釋放蚊子的方式將不再適用。奚誌勇表示,如果“陸軍”效果有限,引入“空軍”將是必要的。

在他看來,比較理想的釋放方式是在目標區域製高點以上幾十米的高度用無人機進行釋放。“這樣可以在4分鍾內完成約22公頃範圍內的均勻釋放。”

奚誌勇說,“以蚊治蚊”技術綠色環保,還可以幫助解決大量使用殺蟲劑後蚊子會產生抗藥性問題,“我們可以通過這種方式根除具有抗藥性的種群”,一些因長期使用而殺蟲效果逐漸減弱的農藥或許會因此獲得再次投入使用的機會。

蚊子“特工”們在廣州取得的勝利正在引發全球關注。全球最大的種子農藥公司德國拜耳正在與奚誌勇團隊進行溝通,希望合作開發微生物農藥。此外,美國的多家化學殺蟲劑企業也在關注這一技術的進展。

此前有一項市場研究預計,2016年至2021年,生物農藥市場價值將維持18.3%的復合年均增長率,到2021年,該市場份額可達31.8億。

目前,廣州的蚊子工廠正逐步成為絕育蚊技術培訓及輸出的中心,工廠本身也作為樣本被複製到多個地方。一位長期駐紮在孟加拉國的工作人員在參觀蚊子工廠後表示,希望將技術和工廠引進到“一帶一路”國家。

不過,想要拓展到更大範圍的戰場,“特工”們還面臨一些困難。

中國疾控中心傳染病防治控製所媒介生物控製室主任劉起勇告訴新京報記者,“如何在長距離運輸中保持蚊子的活力,如何在無人機釋放過程中進行協調控製,這些都有待進一步解決。”

此外還有成本問題。奚誌勇說,“以蚊滅蚊”技術在前期試驗中主要關注科學性的驗證,並未把重點放在成本控製上,但是隨著使用範圍的擴大,生產、運輸、釋放各環節的優化,成本有必要逐漸降低。

廣州的蚊子工廠已經準備好養成更多“特工”。工廠工作人員表示,車間目前只佔用了不到一半,還有快速擴產的空間。

在成功培養白紋伊蚊“特工”之後,奚誌勇團隊還在試圖培養庫蚊“特工”、稻飛虱“特工”和柑橘飛虱“特工”。這些物種有著與白紋伊蚊類似的生長過程和習性,新“特工”的養成將為農業害蟲綠色防控做出貢獻。日前,湖南省農業科學院(湖南省水稻研究所)已經就相關技術與奚誌勇團隊展開合作。

柑橘飛虱的保種間,燈光被設置為模擬其生活環境的紅色。 新京報記者 韓沁珂 攝

新京報記者 韓沁珂

編輯 王婧禕 校對 劉越

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