26歲拿下MIT數學博士，兩獲搞笑諾獎，他終于破解蚊子為何總咬你

佐治亞理工學院、麻省理工學院、加州大學河濱分校等多所高校通力合作，完成了一項關于蚊子尋找宿主行為的重磅研究，2026年3月18日，Science Advances在線發表了這項成果。研究首次實現了對埃及伊蚊自由飛行行為的高精度定量預測，把蚊子“找宿主”的模糊常識，變成了可計算、可模擬、可應用的科學模型。

論文截圖 | 圖源：Science網站

撰文 | 路飛

2021年，美國疾控中心的一間實驗室里。一個年輕人一動不動，數百只埃及伊蚊正圍著他盤旋飛舞。它們一次次俯沖、靠近、折返，而他在實驗中要一次性保持靜止20分鐘。

這一切都是為了解決研究人員心中的疑惑：蚊子究竟是怎么“找到人”的。他以身入局，反復“投喂蚊子”三年，最終，他們研究團隊建立起一套可以“預測蚊子飛行軌跡”的數學模型。

用物理學研究生物學

文章開頭的年輕人，是佐治亞理工學院的本科生Christopher Zuo。他跟著本校機械工程與生物學系教授胡立德（David Hu）一起，希望搞清楚蚊子是如何飛行的，從而研發出高效捕蚊器。

他們研究方法中的關鍵一環，用胡立德的說法，正是“將鮮活人體獻給眾多蚊子，并觀察分析其飛行軌跡”，從而理解它們圍繞人類的各種反應及其內在機制。

胡立德長期研究動物運動行為，他的頭腦中總能蹦出一些奇思妙想。例如，他曾在2015年與2019年兩次獲得搞笑諾貝爾物理學獎，成果分別是“為什么哺乳動物的排尿時間是21秒”“袋熊為什么會排出立方體狀的糞便”；他還在2015年、2016年和2019年，三次獲得由浙江省科協指導、浙江省科技館主辦的“菠蘿科學獎”，成果分別是“蚊子為什么不會被雨砸死”“蒼蠅為什么總在搓手”“貓怎么用舌頭清潔身體”。

旺盛的好奇心，是胡立德做科研和認知事物的趁手利器。他興趣廣泛，在本科期間，曾先后涉獵過五個不同專業，包括哲學、生物學、數學等，還加入了體操隊。

不得不說，傳承也是胡立德研究趣味的重要來源。他在大學時期的導師L.馬哈迪文（L. Mahadevan），因研究“床單起皺現象并總結出相關規律”，獲得2007年搞笑諾貝爾物理學獎。他導師的導師約瑟夫·B·凱勒（Joseph B Keller）同樣是該獎項的常客：他憑借對“為何茶壺倒出的茶水有時會沿壺嘴流下”這一問題的研究，摘得1999年搞笑諾貝爾物理學獎；2012年，又因探究“扎馬尾者跑步時頭發的擺動規律”，再度獲得同獎項。

26歲時，胡立德便獲得麻省理工學院數學博士學位。最終他想明白了，無論從事何種職業，關鍵在于遵從內心，于是選擇進入佐治亞理工學院，成為該校唯一一位同時任職于機械工程系與生物系的教授。

那么，預測蚊子飛行軌跡，又是如何進入胡立德的視野呢？

這就要從人蚊之間的戰爭說起。全球每年要花費220億美元來對付蚊子，包括購買殺蟲劑和各種各樣的防蚊用品。

人類很早就從生活經驗中感知到，蚊子會被呼吸、體溫、汗液氣味、衣物顏色等因素吸引，民間也流傳著“穿深色招蚊子”“出汗招蚊子”“呼吸重招蚊子”等經驗說法。

其實蚊子的視力非常差。它們的復眼由數百個稱為小眼的獨立透鏡組成，每個小眼只有頭發絲粗細，所以它們看到的世界并不清晰，更像是打滿馬賽克的像素畫。根據光學原理，蚊子只能在幾米范圍內勉強認出一個成年人。僅憑視覺系統，它們甚至分不清人和一棵小樹，因此會本能地注意所有深色物體。

過去數十年間，昆蟲學家、行為生物學家、神經生物學家也陸續證實，二氧化碳、皮膚氣味、熱量、濕度、視覺對比度等，都是招引蚊子的關鍵要素。

但一個核心問題，始終沒有得到真正解決：蚊子到底是怎么整合這些信息的？為什么它能在黑暗中精準找到你？為什么有的人特別招蚊子？更重要的是這些行為，到底能不能被“計算”？

傳統的經典實驗絕大數是在風洞中完成，依賴穩定定向氣流，但現實中的臥室、客廳、地鐵，并不存在穩定氣流。在過去很長一段時間里，研究蚊子的尋主行為大多依賴兩種并不完美的實驗方式。一類實驗會把蚊子輕輕固定在支架上，只能觀察它振翅的頻率和對氣味的反應，根本無法記錄它在空間里的真實飛行路線。另一類實驗雖然讓蚊子自由活動，但觀測手段有限，科學家只能統計最后有多少蚊子飛向目標、停在哪個區域，卻無法捕捉從遠處開始、一步步飛向宿主的完整三維軌跡。

學界迫切需要研究一套可計算、可預測、可驗證、可遷移的蚊子行為定量模型。這就是胡立德團隊開展這項研究的發心。

要突破傳統研究的局限，必須同時實現三件事：高精度的三維軌跡觀測、貼近真實人居的實驗環境、能夠從海量數據中自動提取規律的數學建模方法。好在這時，具備計算科學背景的人員上場了。

麻省理工學院J?rn Dunkel團隊一直致力于利用數學模型，描述和預測復雜生物系統的行為，如線蟲如何解開糾纏、海星胚胎如何發育和游動，以及微生物如何隨時間進化其群落結構。Dunkel剛好在佐治亞理工學院發表過一次演講，試圖應用類似的定量技術預測蚊子的飛行軌跡。胡立德便提出了合作，實驗在美國亞特蘭大州疾控中心開展。

J?rn Dunkel團隊的博士后費沉毅收到了Zuo發來的郵件，郵件里還附上被蚊子叮咬的照片。費沉毅本科畢業于北京大學物理系，在普林斯頓取得計算生物學博士學位，目前在MIT擔任博士后。

“我當時看到照片特別震驚，我覺得現在還有人做實驗做到這個地步，不可思議”，費沉毅回憶，“加上我本來就是物理學、生物學、計算機多重學科交叉背景出身的，可以對生物進行物理建模，所以我就參與進來了。”

左：Christopher Zuo；右：費沉毅 | 圖源：本人

用真人吸引蚊子

實驗是這項研究最核心的關鍵步驟。團隊專門搭建了一座5米深的梯形網箱實驗艙，將環境溫度恒定在28℃，空氣濕度穩定在45%，最大程度還原日常居室的真實環境。

為了精確捕捉數據，團隊使用的整套觀測設備可以全方位追蹤蚊子動向，精準記錄蚊子每時每刻的飛行點位、飛行速度、飛行方向以及飛行狀態變化。實驗選用的都是羽化成熟3至5天的雌性埃及伊蚊。只有雌蚊會吸食血液來繁育后代，同時它也是各類蚊蟲傳播疾病的主要元兇。

蚊子圍繞人類目標飛行的軌跡 | 圖源：論文作者

一開始以肉身誘蚊的，正是Christopher Zuo。他在本科時就加入了胡立德的課題組。一方面，他跟隨這個項目時間最長，熟悉如何開展實驗，“我從本科就參與實驗，喂蚊子三年了”；另一方面，因當時尚處于疫情期間，研究這種可傳播疾病的蟲媒比較敏感，Zuo的美籍華人身份更方便與疾控中心交涉溝通，預約場地與時間。當然，一定還有一股“我不入地獄誰入地獄”的犧牲精神。

其實早在20世紀80年代，科學家就進行過“叮咬”研究，脫掉衣服只穿內衣，裸露的身體可以避免襯衫面料、顏色等干擾變量。一開始，Zuo穿著網眼防護服，但首次實驗，他就被叮了滿身的包。好在，實驗所用的蚊子是美國疾控中心自繁的，沒有安全風險。之后，Zuo改穿經過無香型洗滌劑清洗的長袖衣物，戴好手套和口罩，全副武裝，靜靜站立，任憑大群蚊子團團包圍自己。

Zuo的母親參加其碩士學位論文答辯時，胡立德詢問她如何看待兒子以身誘蚊的行為。母親表示，感到非常自豪。

“我現在出去開會，其他人都會同情地看著我，說我被蚊子咬得太可憐了！”Zuo笑道，“一開始是說我要在房間里當靶子10分鐘，后來延長到20分鐘，為了不干擾蚊子飛行，我一動不能動！”

Christopher Zuo與蚊子接觸后的手臂 | 圖源：本人

破譯蚊子飛行公式

數學家總是善于將復雜問題簡化至其本質。費沉毅指出Zuo的身體結構過于復雜，不如用簡單的模型代替真人——黑色泡沫球和二氧化碳。

研究一共設計了四種對照實驗：第一種是無干擾自由飛行實驗，不給蚊子任何外界引誘，摸清它們最原始的飛行習慣與活動規律；第二種單一信號引誘實驗，分別用高對比黑球充當視覺吸引物以及釋放和人類平穩呼吸等量的二氧化碳氣味，來測試兩種信號的吸引力；第三種組合信號實驗，同時搭配視覺目標與二氧化碳氣味，高度模擬人體散發出來的核心吸引信號；第四種真人實景實驗，由實驗人員穿上不同顏色的衣服充當真實宿主，直觀驗證研究結論在真實生活場景中的實際效果。

為了保證數據的統計效力、可靠性與可重復性，團隊累計開展了20組獨立、平行的控制實驗，最終記錄下超過5300萬個時空數據點、40萬條有效蚊子飛行軌跡，數據規模與時空精度均遠超此前同類研究。這些軌跡并非簡單的位置點序列，而是包含時間戳、三維坐標、速度矢量、加速度矢量的完整動力學數據集，為后續建模提供了前所未有的高質量數據基礎。

在獲得海量高質量軌跡數據后，如何從中提煉出簡潔、可解釋、可預測、可泛化的動力學模型，成為研究最核心的挑戰。

團隊選擇貝葉斯動力學推理作為核心數學框架。這套方法相當于把概率判斷和物體運動規律融合在了一起，就像順著蛛絲馬跡復盤真相，專門從雜亂繁多的觀測數據里，反向摸清蚊蟲這類生物的飛行活動規律。

在蚊子飛行的研究中，它并不直接假設蚊子想飛往哪里，而是先建立一套包含多種物理可能性的動力學方程，再利用貝葉斯推斷處理40萬條真實飛行軌跡，自動識別出那些能夠影響蚊子飛行的環境信號。為避免研究模型過于繁雜，誤將實驗里的微小干擾當成真實行為規律，研究團隊設定了精簡篩選標準。優先選用結構簡單、原理清晰、說服力強的簡潔模型，再通過貝葉斯信息準則，從各類備選模型里篩選出最為合適的研究架構。

借助這套科學的數據研究方式，團隊揭開了埃及伊蚊最原始的自然飛行特點。在身邊沒有任何吸引蚊蟲的宿主信號時，蚊子主要呈現出兩種特征鮮明、易于區分的飛行狀態，分別是主動飛行模式與閑置飛行模式。

主動模式下，蚊子會保持每秒0.7米的平穩飛行速度，飛得較慢時就自主提速，速度過快便主動減速，專心四處探查周圍環境。閑置模式下，蚊子不再刻意調控飛行速度，飛行姿態隨性自然，整體飛行速度更低，飛行行程也更短。此時它們大多聚集在空間頂部區域，可能是做好了停留歇息的準備。

蚊子到底是怎么鎖定人的

接下來的單一信號引誘實驗和組合信號實驗中，進一步驗證了為什么蚊子“偏愛”人類。

單一刺激對照實驗，分別提供純視覺線索與純二氧化碳線索 | 圖源：論文

復合刺激實驗，同時呈現視覺目標與二氧化碳氣源 | 圖源：論文

在單一信號對照實驗中，經過數據訓練的分析模型精準還原出答案：蚊子面對視覺信號與二氧化碳氣味，演化出兩套界限分明、各司其職的應對方式。

僅投放高對比黑色球體這類視覺信號時，蚊子會明顯朝著目標方向靠攏，但它的視覺感知范圍十分有限，最遠僅能覆蓋0.4米，這一距離也恰好對應蚊子視覺器官的感知極限。在可視范圍內，蚊子會反復往返探查，主動靠近目標又隨即遠離，形成不斷掠飛卻不停留的狀態。究其原因，是缺少氣味、溫度、濕度等關鍵信號支撐，蚊子即便發現視覺目標，也不會停下腳步準備叮咬。

而只釋放二氧化碳氣體時，蚊子無法精準辨別具體方向，不會徑直朝氣源飛去，只會在氣味周邊放慢飛行速度，頻繁變換飛行姿態、隨意調轉方向，慢慢聚攏在氣源0.3米的范圍之內。這種漫無目的的聚集行為，是蚊子專屬的搜尋策略，依靠氣味鎖定大致區域，耐心等候更近、更明確的宿主特征信號。

對比兩組實驗結果，不難發現蚊子的智慧：視覺信號承擔中近距離精準定位的作用，二氧化碳氣味則負責遠距離喚醒蚊蟲感知，完成區域聚攏，二者默契配合，助力蚊子尋找獵物。

當視覺目標與二氧化碳氣味同時出現時，蚊子會切換成效率更高的搜尋模式。此時，蚊蟲在目標周邊的聚集數量遠超單一信號環境，飛行速度穩定保持在0.5米每秒，始終圍繞目標盤旋環繞，極少輕易離開。

經過專業實驗驗證，雙重信號帶來的吸引效果，并不是兩種作用的簡單疊加，而是形成了獨特的感官聯動效應。二氧化碳不只是獨立的吸引源，還能大幅提升蚊子對視覺目標的敏感度與關注度，讓蚊子更加堅定地貼近目標。

這一研究結論，也完美解開了日常疑惑：人類同時散發二氧化碳氣息，又具備清晰的視覺特征，自然而然成為蚊子眼中最理想、最優先選擇的叮咬目標。

人蚊大戰即將落幕？

模型預測真實世界的能力，在真人對照實驗中得到了最終驗證。當Christopher Zuo戴著黑色帽子、穿著白色衣物時，蚊子的飛行軌跡高度集中在頭部區域——這里既是高對比度深色視覺目標，又是人體二氧化碳釋放最集中、最穩定的部位。

這意味著，這套從簡化控制實驗中學習而來的動力學模型，成功實現了向真實人類場景的可靠遷移，具備了直接服務于應用的潛力。

“有一次我去徒步，穿的深色的短袖，胳膊和腿上被叮了很多包，回來就開始后悔”，費沉毅吐槽說，“虧自己還是做蚊子研究的，為什么不穿淺色的衣服！”

值得一提的是，除了本研究實驗中使用的埃及伊蚊，不同種類的蚊子具體怎么找到宿主的機制很不一樣。有些蚊子基本上完全不靠視覺但可以探測熱信號和濕度變化，有些蚊子對人體散發的氣味有特殊嗜好等等。所以并不存在普適的“穿淺色衣服”這樣的防蚊措施。

過去，人類對蚊子的理解，更像經驗主義。知道它怕什么，喜歡什么，卻不知道它到底如何“思考”。而這項研究第一次證明：蚊子的尋人過程，其實是一套可以被計算的導航算法。當人類開始能夠預測：它會飛向哪里、會在何時減速、會被什么組合信號誘導，人類與蚊子的戰爭，才真正進入了“精準時代”。

更重要的是，這套“三維紅外追蹤+貝葉斯動力學學習”的研究范式，具有極強的可擴展性與可遷移性——既可以直接應用于按蚊、庫蚊等其他重要病媒蚊子，也可以拓展到蜜蜂、螞蟻、椋鳥、魚類等集群或獨居動物的行為研究，為整個動物行為定量研究領域提供了一套可復制、可推廣的方法學模板。

參考資料

[1] https://news.mit.edu/2026/new-model-predicts-how-mosquitoes-will-fly-0318

[2] https://futurism.com/science-energy/mosquito-research-experiment[1]

[3] https://theconversation.com/hundreds-of-hungry-mosquitoes-a-student-volunteer-and-a-mesh-suit-helped-us-figure-out-how-these-deadly-insects-reach-their-targets-278486

[4] https://www.sohu.com/a/585327532_121124347

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