為了研究蚊子的飛行軌跡，他與100只饑腸轆轆的蚊子共處了4分鐘…

我親愛的朋友，你們可曾有過這樣的疑問。

蚊子比蒼蠅遲鈍那么多，一個是隨便一巴掌就能拍死的，另一個則必須靠專業蒼蠅拍打擊；

瘦小那么多，十只蚊子的體重才頂一只蒼蠅；

挑食那么多，一個幾乎只吸血液，另一個進垃圾桶胡吃海塞。

但是蚊子活得不比蒼蠅差，打擾人類生活的頻率比蒼蠅只高不低。從直覺來看，這種對比好像很反直覺。為何一種看起來如此缺乏生存能力的動物，可以在被人類厭惡、傳播多類嚴重疾病的情況下，活到現在蚊丁興旺、仍繞著人類嗡嗡作響？

華裔科學家胡立德(David L. Hu)對蚊子的飛行方式充滿興趣。據他所說，目前科學界仍缺乏關于“蚊子如何具體響應化學和物理信號”“如何根據不同信號而實踐不同飛行軌跡”的認知。

他曾與其他專業的學者合作，并帶領學生開展“百蚊大戰”實驗，最終構建起可預測“蚊子如何在人體附近飛行”的模型。近期，他撰寫科普文章，以第一人稱口吻介紹了自己團隊的工作。

"人蚊"科學

“4分鐘太久了。”克里斯留言道。

收到留言后，我有些吃驚。對于還在佐治亞理工學院讀本科的年輕小伙克里斯來說，4分鐘何以成為一個“太久”的數字？

原因就是，這4分鐘是在小房間內與100只饑餓蚊子共同度過的。讓我吃驚的并非留言本身，而是留言附帶的照片，照片顯示克里斯皮膚上布滿蚊子包，這意味我們本以為能提供保護的網眼防護服難以屏蔽蚊子叮咬。

克里斯被蚊子叮咬后，皮膚出現多處瘙癢紅腫

大家可能都好奇，克里斯為啥要身著防護服與百蚊共處一室？

這里不妨打個比方：熱追蹤導彈是影視劇里的常客，但觀眾只看到導彈被熱源“吸引”進而精確打擊目標，卻不懂導彈運作原理。類似地，我們知道視力極差的蚊子通過一系列化學和物理信號定位人類，但科學家并不理解它們被信號吸引的深層機制，更無法預測它們如何響應人類的存在與行動。

因此，作為一名長期研究動物運動行為的生物物理學家，我想通過“將鮮活人體獻給眾多蚊子并觀察分析其飛行軌跡”的方式，理解它們圍繞人類的各種反應及其內在機制。

而我那“可憐又勇于犧牲”的學生，全名克里斯托弗·左(Christopher Zuo)，選擇為科研獻出自己那有著復雜幾何結構的身體，與我一同開啟為期3年的蚊子行為規律探索項目。

當然，我們的所有操作都嚴格遵循規范，研究方案通過了學校倫理審查委員會的審批，實驗所用蚊子不攜帶病原體，均為佐治亞州本地品種，克里斯的生命安全有充分保障，且全程未受任何脅迫。另外，文章開頭提到的“4分鐘太久”實驗，是整個項目中唯一一次、也是最后一次有人被叮咬。

蚊子如何精準定餐

作為動物，蚊子是如此簡單、微小、脆弱，體重只有一粒大米的十分之一，神經元數量僅20萬，但它們總能輕松找到人類并吸血，總能不斷進化以適應城市生存環境，還借力氣候變化，越發高效地傳播疾病。從瘧疾到乙型腦炎再到登革熱，蚊子攜帶的疾病每年導致全球超70萬人死亡。因蚊子而死的人數多過因戰爭而死的。

數據顯示，全世界每年有至少220億美元的資金投入，用于采購不計其數的殺蟲劑、殺幼蟲劑以及經殺蟲劑處理的蚊帳。

在地球上已知的3500種蚊子中，有超100種嗜好人類血液，以人血為首選食物。部分種類的蚊子，甚至能從牛群中精準鎖定唯一人類并吸血——考慮到它們弱不禁風的飛行動力，這堪稱壯舉了。

蚊子的飛行能力到底有多弱？這么說吧，只需3~5公里/小時的風速(相當于馬甩動尾巴產生的風速)，即可讓它們停止飛行。而在相對平靜的環境下，蚊子能憑借微小卻強大的頭腦，循著順風而來的人體熱量、濕氣和氣味，逆風飛向目標。

動物呼吸產生的二氧化碳會強烈吸引蚊子。它們能在距宿主9米開外的地方檢測到濃度已降至百萬分之幾的二氧化碳，這就好比從奧運泳池里探測出只滴了幾滴的染料。

佐治亞理工學院LOGO圖案“GT”的深色輪廓能吸引大量蚊子圍聚

蚊子的視力幾乎無助于它們尋找血餐。別看那兩只復眼由數百個獨立透鏡，即所謂的“小眼”(ommatidia，透鏡寬度相當于一根人類發絲的直徑)組成，其實它們只能形成模糊、像素化的馬賽克圖像。

受光學原理限制，蚊子只能于幾米外分辨成年人大小的物體；單靠視力，它們無法判斷目標是一名人類還是一棵小樹，每個深色物體都是潛在宿主，都值得其付出探索成本。

采集飛行軌跡數據

研究蚊子飛行的難點在于，它們的大部分行為都是高度隨機、毫無意義的噪音。在空房間內飛來飛去的蚊子，其飛行速度與方向大多隨機變化。只有掌握大量飛行軌跡數據，才能剔除干擾、尋得規律。

身著網眼防護服的克里斯正等待蚊子來襲

我們的合作者、加州大學河濱分校生物學家林·卡德(Ring Cardé)表示，1980年代的科學家做“叮咬實驗”時，會只穿內衣，任由蚊子落到裸露皮膚上再拍死它們。裸露的身體可排除衣物顏色等干擾變量。

我與克里斯最初的選擇則是設計前文提到的網眼防護服。但滿身蚊子包的后果告訴我們必須另尋他法。

之后，克里斯穿上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。

此外，美國疾控中心（CDC）向我們推薦了“光子哨兵”(Photonic Sentry)監測系統。其攝像機能在單身公寓大小的空間內同時追蹤數百只飛行昆蟲，能以每秒100幀、5毫米分辨率的精度記錄下昆蟲們的活動。

實踐結果令人驚喜：短短幾小時內，克里斯等人所采集到的蚊子飛行數據量，已超過此前人類史上所有同類測量數據的總和。

100只蚊子在克里斯身邊飛行10分鐘。視頻展示了其中一小部分的飛行軌跡

在麻省理工學院的數學合作者們指出，克里斯的人體幾何結構太過復雜，不利于研究蚊子反應。數學家擅長將復雜問題向本質簡化，他們建議：何不還克里斯以自由，選擇簡化模型替代人體——一根棍子頂上黑色泡沫球，搭配一罐二氧化碳。

接下來的兩年，克里斯不斷拍攝蚊子無休止圍繞泡沫假人飛舞的畫面；每次拍攝工作結束，他會用吸塵器清理蚊子，同時盡量避免被叮咬。

解析軌跡，建立模型，驗證預測

向左轉，向右轉，加速，減速。飛行中的蚊子還挺像飛機的。為構建關于其飛行行為的模型，第一步工作就是確定函數——將飛行定義為速度、位置和方向的函數(以目標物為參照)。

隨著我們分析的飛行軌跡越來越多，大家也越發有信心參悟行為規律。到最后，項目總計使用了2000萬個關于蚊子位置與速度的數據。這種通過整合觀測驗證數學假設的思路，來自有著兩百年歷史的貝葉斯推斷方法。此外，我們也將觀測到的蚊子行為通過網頁應用作了直觀呈現。

蚊子的飛行模式因目標類型不同而異

建立函數，運用模型。數學工具助我們挖掘出海量飛行軌跡里的規律。我們發現，蚊子呈現的飛行模式因目標類型不同而異。面對視覺目標，蚊子常常飛掠而過；二氧化碳則可令其在目標附近減速慢行、反復確認；如果目標是視覺信號+二氧化碳的組合，蚊子將開展高速環繞飛行。

但光用模型總結規律遠遠不夠，它可否預測現實場景下的飛行軌跡呢？如前文所述，支撐這套模型的數據來自用泡沫假人替換真人的實驗；若將模型應用于真人，其預測準確度如何？

克里斯再次進入實驗空間。

這次他衣著全白、頭戴黑帽，儼然蚊子靶標。結果顯示，蚊子圍繞克里斯的分布規律，高度契合模型預測；此外，模型還鎖定了蚊子高頻環繞的危險區域。

預測行為只是擊敗蚊子的第一步，我們還要精進驅避與誘捕之法。

蚊蟲高發地區的居民常在設計房屋時引入特殊結構，以防蚊子追蹤信號、進入居所。另一方面，現有捕蚊器能吸入靠近的蚊子，不過會產生50%~90%的漏網之蚊。此類設計大多依靠反復試錯。

我們希望自己的工作
最終助力設計出更精準的驅蚊、捕蚊工具，不讓蚊和你一起走進那個良夜！

資料來源：

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