蚊子的科学思考及对人的启示

蚊子的科学思考及对人的启示张月霞杨振华董川*山西大学环境科学与工程研究中心030006摘要：本文从蚊子的基本形态、如何咬人、咬人利弊、如何灭蚊、蚊子与诺贝尔奖等谈起，对蚊子进行了科学思考和研究，并从这些方面得出了一些人文启示，为我们的科研工作和做人提供了一个全新的思维。关键词：蚊子思考启示蚊子是人类生活中一种常见的昆虫，属无脊椎动物，节肢动物门，昆虫纲，双翅目，蚊科。全世界共38属，4000余种。我国有记载的蚊科昆虫共l8属，374种。蚊子与其它昆虫一样，整体可分为头、胸、腹三部分。胸部三节各有一对足，中胸背部有一对翅，后胸背部的翅退化为一对平衡棒。蚊子有一对复眼，两眼之间有一对触角，触角头上有轮毛。雌蚊轮毛疏而短，雄蚊则密而长。蚊子头下部有一长喙，是蚊子用于吸血的刺吸式口器。雄蚊的口器退化，因而不能吸血，只吸植物汁液。雌蚊偶尔吸食植物汁液，但在交配后非吸动物血不可。雌蚊不仅叮咬人类，也叮咬猪、牛、羊等动物，本文重点阐述蚊子与人的关系。蚊子一生分为卵、幼虫、蛹、成虫四个时期，雌蚊可把卵子产于水面，两天后孵化成为水生的幼虫—孑孓。孑孓以水中藻类为食，经历4次脱皮后成长为蛹，漂浮于水面，最终蛹表皮破裂，幼蚊诞生。蚊子虽然微不足道，且有其令人可恨之处：吸人血、传染疾病。但事物总是一分为二的，我们不妨从另一方面思考，看看蚊子到底能做出多少大文章。众所周知，艾滋病是一种严重的获得性免疫缺陷综合症，国际医学界至今尚无防治艾滋病的有效药物和疗法，因此也被称为“超级癌症”和“世纪杀手”，全世界每年有数百万人死亡。蚊子叮咬艾滋病人却能使自身不被感染，对艾滋病毒“免疫”，如能将其机理破解，必将对人类治疗艾滋病起到重要作用。目前，国内外有关蚊子的研究很多。人类利用蚊子特有的结构制造出许多装置，如美国市售的“蚊子磁铁”，就是利用蚊子捕食原理，像磁铁那样将蚊子吸引过来，再消灭它们；美国佛罗里达州唐纳德·霍尔的两项灭蚊专利装置，原理简单，造价低，适于发展中国家和非洲地区使用。2007和2008年，《Nature》杂志*博导，教授。Email:dc@sxu.edu.cn先后刊登多篇文章对蚊子的相关研究做了报道1-5。2009年1月2日《Science》杂志刊登了澳大利亚科学家利用寄生虫缩短蚊子寿命的研究成果6。特别值得一提的是，历史上有4个诺贝尔奖的研究成果与蚊子有关。由此可见，蚊子并非一无是处，它的研究对人类的生存发展有其不可替代的作用。随着对蚊子的研究越来越多，人类对蚊子的认识也越来越全面。在对蚊子进行科学思考和研究的同时，我们还发现，它对我们的人生也有借鉴和启示。科技工作者在科学研究中本应将科学精神和人文精神统一起来，科学精神与人文精神的有机结合，可促进科技工作者的全面发展。以下就是我们有关蚊子的一些思考及启示，希望能起到抛砖引玉之作用。1蚊子微观结构的思考与启示蚊子的头部呈球形，一对复眼由数百颗大小均一的、直径为26μm的半球组成，有很好的防雾性能。复眼、腿及翅膀在显微镜下可见微纳米结构，有超强的疏水性7。有关信息见下图。图1蚊子复眼图2蚊子复眼的电镜图图3蚊子翅膀的电镜图图4蚊子腿的电镜图图5蚊子短暂停留在水面实物图启示：从图5看出蚊子可短暂停留在水面，这是我们看到事物的宏观方面。仔细研究发现，蚊子翅膀和腿所具有的纳米结构（图3，图4）才是蚊子能停留水面的内在原因，即事物的微观方面。我们通常看问题只看到事物的宏观方面，而忽略了微观方面。宏观方面就是事物所表现出的现象，而微观方面往往才是事物的本质所在。要想看清问题就得透过现象看本质，即宏观、微观并重。这正应了宋代著名诗人苏轼在《题西林壁》里的诗句：横看成岭侧成峰，远近高低各不同；不识庐山真面目，只缘身在此山中。因此，我们看待问题一定要全面，切不可以偏概全，一叶障目而不见泰山。思考：图1，2告诉我们蚊子的复眼具有宽视野、疏水性强的特点。在照相机镜头的研究方面，是否可以借鉴蚊子的这一特点而对其加以改进从而获得视野更宽，抗水性更强的产品。在新材料的研制方面，是否可以借鉴蚊子翅膀和腿的微纳米结构，做成强疏水性的抗水材料。2蚊子寿命的启示（1）蚊子从卵、幼虫、蛹到成虫通常需15天左右。蚊子春夏寿命一般为1－2周，冬天最多可存活4－5个月。启示：一般情况下当温度降低，化学反应特别是生化反应速度减慢，从而造成生命历程的延长，即动物在低温下寿命较长。这让我们联想到，人类所处环境越艰苦，越能锻炼人，人的生命内涵也就更丰富，更有意义。（2）雌蚊一生产卵3-4次，每次150-250粒，孵化7-14天变成孑孓，然后才变成蚊子。启示：低等动物的蚊子每次产卵百余粒，而高等动物生产每次只有一个或数个。低等动物采用的是“广种薄收”的策略，注重数量；而高等动物则“精心打造”，注重质量，即越高等，越进化；越低等，越落后。因此，世界存在两极分化的趋势，这正如古人所曰：圣愈圣，愚愈愚。（3）雄蚊交配后存活7-10天，而雌蚊交配后存活30-60天。启示：雄蚊寿命短于雌蚊，这是因为雄蚊一旦交配后就完成繁衍后代的任务，使命结束，故命不久矣；而雌蚊交配后还需卵巢发育，寻找水源产卵等过程，这样才可完成繁衍后代之重任，所以寿命较长。人生何尝不是如此，一旦没有了需要、追求和理想，生命也就失去意义，离寿终正寝也就不远了。因此，人没有什么也不能没有理想，理想是人类生活的重要指标。（4）2009年1月2日澳大利亚科研人员在《Science》杂志上发表关于缩短蚊子寿命的文章。他们在实验室中培育出了携带寄生虫—果蝇的蚊子，这样可大幅缩短蚊子的寿命，减少其危害人类的时间。启示：有关蚊子寿命的文章发表在《Science》上，这让很多人惊羡不已。其实，《Science》上刊登的文章更注重的是原创性，即注重的是思想。我们做科研工作并不在乎用的是多高级的仪器，而在乎的是表达的什么思想。有些人总埋怨自己科研条件不行，没有经费，没有仪器。其实，最主要的是没有“Idea”（思想）。思想才是科研工作最重要的一环，即思想第一。3雌雄蚊子的启示（1）雌雄蚊摄食习惯不同，雄蚊吸食植物茎、叶、果、花蜜的液汁；雌蚊偶吃，然交配后非吸血不可，血液成分使卵巢发育和卵子成熟，然后到水源处产卵。启示：我们一提到蚊子就认为蚊子都是吸血的，其实只有雌蚊才吸血。这告诉我们看待问题一定要全面，不可以偏概全，要具体问题具体分析。毛泽东说：谁是我们的敌人，谁是我们的朋友，这是革命的首要问题。（2）雌蚊卵巢发育必须吸血，因此不断使得口器变长变锋利；雄蚊吸食植物汁液即可生存，口器便退化，变短变钝。启示：事物在不断使用过程中不断进步；如果很少使用，甚至束之高阁，功能必将退化。正如逆水行舟，舟不进则退。（3）雄蚊远离动物，以植物汁液为食，往往寿终正寝；雌蚊叮咬动物，往往死于非命。启示：为了生存需要，雄蚊选择植物汁液为食，同时对植物异花授粉，“利人利己”；雌蚊选择叮咬动物，往往传染疾病，“损人利己”。这让我们联想到人类，为了生存，有人行善，有人做坏。行善者人民永远牢记，做坏者必将遗臭万年。（4）2004年美国在发表蜜蜂基因组序列的评论中称：“如果没有蜜蜂，整个生态系统将会崩溃”。人类所利用的1330种作物中，有1100多种需要蜜蜂授粉，否则这些植物将无法繁衍生息。”然而雄蚊在吸食植物花蜜过程中，也像蜜蜂一样起到异花授粉的作用，雄蚊对生态系统同样是有益的。启示：雄蚊与蜜蜂一样对生态系统有益，然而人类将蜜蜂看作益虫，将蚊子看作害虫。这是人类以自身利益为出发点和对蚊子认识不足所做出的片面结论。由此可见，人的认识是往往片面的、狭隘的、自私的，而这都是源于我们的无知、愚昧。所以，人需要学习研究，才能全面客观认识世界。4如何咬人的思考及启示蚊子吸血前将含抗凝素唾液注入皮下与血混和，使血变成不会凝结的稀血浆，以便吸食，同时释放一种麻醉剂，麻醉周围的神经，使人没有痛感。启示：蚊子咬人似乎很平常，司空见惯。然而，如果深入研究便可寻找出对人类有用的信息。因此，世上事物皆有用，所谓的“无用”是人类认识有限，人类无知的结果。思考：蚊子的抗凝物是什么，如何提取？是否可借鉴其使血液稀释而不凝结，以此来治疗人类凝血异常所引起的血管阻塞、心肌梗塞、脑梗等重大疾病。另外，蚊子释放的麻醉剂是什么，如何制备？如何将其用于医疗实践的麻醉和无痛注射中。5蚊子“口味”的启示不同蚊子“口味”不同，有的蚊子嗜吸A型血人的血液，有的嗜吸B型血。如传播疟疾的中华按蚊嗜吸B型血，传播黄热病和登革热的埃及伊蚊嗜吸O型血。我们发现，有的人很少被蚊子叮咬，这些人体内有何特殊物质，这些物质为何有驱蚊作用。这些物质一旦被科学家发现并能够人工制备出来，将可以开发一种防蚊叮咬的疫苗或药物。由此可见，对蚊子咬人的研究有待深入进行。如为何蚊子在环境温度低的时候，活性下降，低于10℃后，就不咬人了？为什么在下雨前，蚊子咬人猖狂了？它们是如何知道要下雨了？为什么北方人到南方或南方人北方后，对当地的蚊子敏感？……启示：科学研究中不是没有问题研究，而是我们没有发现问题。发现问题才能思考问题、研究问题，故发现问题最重要，即创新思想才是科研的前提。爱因斯坦说，提出一个问题比解决十个问题还重要。实践是理论的源泉，科学家要积极参加社会实践，注重观察生活，从生活中发现问题，这样科研才不会成为无本之木，无源之水。6咬人利弊的启示不同蚊子传播不同的疾病：乙脑（库蚊）、丝虫病（库蚊）、登革热（伊蚊）、疟疾（按蚊）等。其中疟疾严重危害人类健康和生命。19世纪末，世界上每年至少3亿人患疟疾，有300万人死于疟疾。现在，疟疾每年会感染5亿人，100万人死亡，仍是热带国家健康的头号敌人。启示：蚊子害处人尽皆知，然而“存在即合理”，“一分为二”等哲学思想告诉我们，蚊子存在了几百万年必有其存在意义。蚊子向动物传染疾病的过程同时也是动物自身进化的过程，它激活并加强了动物对一些传染病的免疫能力，使动物生存能力得到进一步提升。蚊子叮咬其它动物并传染疾病，在一定程度上起着平衡和控制自然界物种种群数量的作用。人类数量在不断增加，然而想独占大自然，限制其它物种存在，一意孤行灭“四害”等，违背自然规律，必会遭致自然的报复。7灭蚊的启示（1）在一些地方香叶天竺葵、艾蒿等天然植物有驱蚊作用人尽皆知。然而这其中到底有什么科学道理，很少有人能说得上来。为此，有人选定四种植物（香叶天竺葵、天竺葵、艾蒿、黄花蒿），对其进行蚊虫驱避效果测定。研究发现四种植物均有驱蚊作用，香叶天竺葵效最佳；天竺葵、艾蒿、黄花蒿的驱蚊有效时间达1－2h，香叶天竺葵可达12h以上；四种植物中含多种已知的有驱蚊作用的化学物质。启示：经验的背后往往有科学的依据。科学研究的本质就是要知道“是什么”和“为什么”，我们研究事物不仅要知其然还要知其所以然，这样才能抓住事物本质。要想应用规律必须先认识规律。（2）高温、高湿和微光可促进蚊虫吸血活动，蚊虫多在光线较暗的早晚或夜间活动。蚊子最喜欢300至400nm的紫外光，用它诱引蚊虫加以捕杀。蚊子最怕的光线是桔红色光线，夏日在室内安装桔红色的灯泡，或用透光的桔红色纸套在灯泡上，蚊子会敬而远之。启示：要想对付蚊子，首先得了解蚊子的习性，喜欢什么不喜欢什么。利用其喜欢的将其诱来进而杀灭；利用其不喜欢的将其赶走即驱蚊。我们做事情也一样，事先应该充分了解事物的特点，对症下药，才能效果最佳。知己知彼，百战不殆。（3）20世纪中期，马来半岛婆罗洲疟蚊猖厥、疟疾流行。世卫组织大面积喷射二氯二苯三氯乙烷（DDT），药到蚊除，疟疾得到控制，其他一些昆虫亦同归于尽。接着怪事发生，村中房屋坍塌，伤寒又流行起来。这是因为DDT杀死了爱吃毛虫的黄蜂，毛虫失去天敌成灾，使茅草屋顶坍塌。壁虎吃了DDT毒死的蚊子而身亡；猫又因吃了死壁虎暴毙，使鼠辈横行，四处散布带伤寒菌的鼠蚤，面临爆发大规模伤寒和鼠疫的威胁。世卫组织不得不向婆罗洲空降1.4万只猫去缓解这场人为的生态灾害。启示：（a）马来半岛的事件表明，DDT不能结束灾难，世卫组织还得求助于猫来解决问题。启示我们人类智慧虽然伟大，但永远不能战胜自然，人不能胜天。我们一定要尊重规律，按规律办事。保护自然，就是保护人类自己，人与自然和谐共存，才能可持续发展。（b）若无蚊子，那些靠其传粉的植物会绝种。蜻蜓、蜘蛛、蛙、壁虎、蝙蝠等食蚊者会灭减，依赖这些物种为食的低等哺乳动物随之势弱，地球出现灾难性连锁反应，活在自然界食物链最顶端的人也难独善其身，所以人类要注重生态平衡。（c）和谐的“和”左边是禾，右边是口。禾即粮食即饭，口乃每个生物，“和”即每个生物都有饭吃。“谐”的言字旁是说话，即话语权；皆乃大家，即每个人，每个生物。“谐”，即每个生物都有发言权、生存权。因此，要想真正和谐，人类必须尊重其它生物，与它们共存。8灭四害的启示中国1958年提出灭“四害”，“四害”在不同时期说法不同，蚊虫、老鼠、苍蝇固定，另一害初为麻雀，而后臭虫，现为蟑螂。启示：（1）“四害”这个词是人类为了追求自身利益而强加给其他物种的。自然界无绝对的好，也无绝对的坏，好坏是相对的，可以转化的。（2）“四害”生命力强，繁殖迅速。生物学家说，如果有一天地球上发生了全球核战，在影响区内的所有生物包括人和鱼等都会消失殆尽，只有蟑螂会继续它们的生活！一种事物能够经历数百万年而存在下来，必有其存在的道理。我们应深入认识并研究其机理，并为人类所用。存在就是真理，我们不能只按我们人的想象行事，要按自然规律办事。（3）人类以诸多办法灭“四害”，然“四害”仍存在，且不断进化，最后产生变异，耐药性等，故灭“四害”用农药应适可而止。人不可胜天，任何违背自然规律的活动，注定要失败。做事要有度，和谐中庸。9蚊子如何找人的启示蚊子触须和三对步足有轮生感觉毛，其上密集排列着圆形细孔。凭此传感器蚊子在1‰秒内感知二氧化碳、水、热，敏捷地找到吸血对象。为验证蚊子是如何找到人的，做如下实验：在一个通风道里，设置四个容器，第一个模拟人的体温（37度的空气），第二个是二氧化碳，第三个为水蒸气，最后一个则模拟人体环境：37度空气、二氧化碳、水蒸气的复合。然后，将蚊子在通道内放飞。实验发现，绝大多数蚊子停留在第四个容器内。启示：任何事情的发生都是有原因的，事物是有因果关系的。蚊子能找到人是结果，而人所散发出的水分、热气、二氧化碳才是蚊子找到人的原因。我们看事物，不仅要看结果，更要找其原因。美国市售的“蚊子磁铁”就是利用蚊子捕食原理，像磁铁那样将蚊子吸引过来，再消灭它们。42120210蚊子仿生学的思考（1）蚊子吃饱后，体内发出的化学信号让其终止吮吸过程。若这个信号丧失，蚊子就会一直吮吸，直到撑破肚皮。思考：可否为肥胖病人研制一种节食药？2007年澳籍科学家发现癌细胞可产生“食欲开关”分子MIC-1，还发现一种抗体能阻止MIC-1发挥作用，找到控制饥饿的分子开关。（2）雌蚊吸血后，卵巢得到养分，卵粒逐渐成熟，4-5日后产卵。吸血量约2-5亳克，是其体重的两倍多，其中绝大部分是水及盐分，蚊子经一系列生化反应快速将水及盐分排出体外，约2-3小时后，才会再叮人吸血。思考：蚊子食量是其体重两倍多，消化时间约2-3小时，它是如何在很短的时间内，将如此多的食物分解掉的？如何将复杂体系中的蛋白质与水、盐快速分离？如何将蛋白质快速拆分，并重新组装？这些都是我们人类需要向蚊子学习的地方，将这些“机密”破解，从而为人类自身服务。11蚊子与诺贝尔奖的启示1897年，英国军医罗斯不顾生命安危，深入到印度疟疾流行地区考察，证实了疟疾是疟原虫传染的假说，即疟疾可由蚊子从一个病人传给另一个病人。并提出了通过扑灭疟原虫预防疟疾的 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。方案实施后，疟疾流行的势头得到控制。1902年获诺贝尔生理和医学奖。1880年，法国医生拉维朗发现了发热病人血液中从未见过的病原体,1897年提出了疟疾是疟原虫传染的假说，并经证实，于1907年获诺贝尔生理和医学奖。1939年，瑞士化学家米勒发现DDT具有杀灭蚊虫作用。1948年获诺贝尔生理和医学奖。1965年美国有机合成大师伍德沃德合成了治疗疟疾的特效药奎宁等，获得1965年诺贝尔化学奖。启示：（1）研究蚊子也能获诺贝尔大奖。做事不分大小，不分岗位，不分地位。科学研究不要跟风，不要谋大，而一定要有特色，你无我有，你有我优。（2）一心想得诺贝尔奖，但不努力的人很难成功，只有勤于耕种不断积累的人，才能有很大收获。总之，做任何事情，只要有思想，肯下功夫，就有可能成功。（3）小事中蕴涵着大道理，自然界的各种规律散落在不同的事物中，要细心观察，不要忽视身边小事，问题就在身边，学问就在眼前。我们要从身边做起，从现在做起。综上所述，蚊子虽小，给我们的思考与启示却不少。作为一个搞科研的人，就应该有这种从身边小事中看出大道理的能力。苹果从树上掉落，大家习以为常，然而牛顿由此发现了万有引力。只要你做生活的有心人，勤于思考，努力科研，也许下一个诺贝尔奖的获得者就是你。参考文献1.WilsonR.I.Neurobiology:Scentsecretsofinsects.Nature,445,30-31,2007.2.JonesW.D.,CayirliogluP.,KadowI.G.,etal.TwochemosensoryreceptorstogethermediatecarbondioxidedetectioninDrosophila.Nature,445,86-90,2007.3.KrishnanM.N.,NgA.,SukumaranB.,etal.RNAinterferencescreenforhumangenesassociatedwithWestNilevirusinfection.Nature,455,242-245,2008.4.JaneM.C.,JohnH.A.,JoanaC.S.,etal.ComparativegenomicsoftheneglectedhumanmalariaparasitePlasmodiumvivax.Nature,455,757-763,2008.5.PainA.,BohmeU.,BerryA.E.,etal.ThegenomeofthesimianandhumanmalariaparasitePlasmodiumknowlesi.Nature,455,799-803,2008.6.McMenimanC.J.,LaneR.V.,CassB.N.,etal.Stableintroductionofalife-shorteningwolbachiainfectionintothemosquitoAedesaegypti.Science,323,141-144,2009.7.WuC.W.,KongX.Q.Micronanostructuresofthescalesonamosquito'slegsandtheirroleinweightsupport.Phys.Rev.E,76,017301,2007.