图片来源：Pixabay
人类想骗过蚊子的嗅觉，没那么简单。
(资料图片仅供参考)
撰文 | 栗子
审校 | 二七
波士顿大学的生物学家梅格·杨格（Meg Younger），在实验室养了许多蚊子。
它们生活在一个大大的培养箱里，环境温度保持在25℃-28℃，温暖如春。整个空间就像一座“蚊子旅社”，被分隔成了许多房间：每间的面积约为1平方英尺（不到1000平方厘米），有100多只蚊子同住。
当杨格博士朝着其中一个房间吹口气，里面的住客就兴奋起来。原本在休息的蚊子开始狂野地飞舞，过程要持续几分钟。这样的景象在杨格博士眼中毫不陌生，毕竟人类呼出的二氧化碳和自带的体味，对蚊子来说本就意味着食物的所在。
蚊子依靠人类的血液生存和繁衍，循着嗅觉线索找到我们也是它们与生俱来的能力。科学家一直想方设法破坏这种能力，让蚊子不再被人类的气味吸引，但就算去掉一整个基因家族编码的嗅觉受体，它们仍然能凭借某些线索找到人类。
如今，杨格博士和小伙伴们终于发现，蚊子的嗅觉系统和从前想象的不一样。它们在历史长河中，演化出了一套精密的“防故障系统”，切断一条路还有别的路。想要阻止蚊子找到我们，一点也不容易。
它没遵守一对一的“规矩”
蚊子的嗅觉神经元（olfactory sensory neuron）大多在触角上，也有一部分在下颚须（maxillary palp）。
这些神经元中会有各种各样的受体，用来探测外界的化学线索。而那些受体又可分为三大类：气味受体（odorant receptor，OR）、离子型受体/离子通道型受体（ionotropic receptors，IR）以及味觉受体（gustatory receptor，GR）。虽然，GR主要负责味觉感知，但二氧化碳这个对蚊子而言十分关键的寻人线索，也要靠GR来检测。
当特定的气味袭来时，相应的神经元会变得兴奋，并把消息传递至嗅小球（olfactory glomeruli）。科学家曾经在脊椎动物当中发现，嗅觉系统十分“专业化”。通常，每个嗅觉神经元只表达一种受体，只与一组化学物质结合，检测一种特定的气味。而表达相同受体的那些神经元，又会把信号传递给同一个嗅小球——这样一来，一种动物感知化学线索的受体有多少种，体内嗅小球的数量大致也会有多少个。
传统的嗅觉系统中，一个嗅觉神经元（如图中灰色圆形）通常表达一种受体（如图中红色、蓝色或紫色方块），检测一种气味，并投射到相应的嗅小球（如图中红色、蓝色或紫色圆形）（图片来源：原论文）
后来又有研究者发现，不光是脊椎动物，许多昆虫同样满足这条规律。比如，西方蜜蜂（Apis mellifera）体内的气味受体（OR）和离子型受体（IR）加起来大约180种，嗅小球则有160个左右；在烟草天蛾（Manduca sexta）身上，这两大类受体共有60种左右，对应着约70个嗅小球；而黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）有约60种相关受体，对应约55个嗅小球。
那么，蚊子体内的嗅觉受体种类，也会和嗅小球的数量相近吗？杨格博士和小伙伴们发现，在埃及伊蚊（Aedes aegypti）的身体里，化学感受受体的种类，是嗅小球数量的两倍以上。数字明显不匹配，这让科学家感觉到蚊子的嗅觉系统与众不同，人类气味难以骗过蚊子的原因可能也藏在其中。
化学感受受体的种类，远多于嗅小球的个数，要么是一个嗅觉神经元表达了多种受体，要么是几组表达不同受体的神经元，都汇聚到了同一个嗅小球上。为了确认哪一种才是真实情况，研究者设计了下一步实验。
有人篡改代码也不怕
气味受体（OR）、离子型受体（IR）以及味觉受体（GR），这三类化学感受受体是由三个不同的基因家族编码而来。
首先，研究团队需要观察的是，表达这几类受体的神经元，分别投射到了哪些嗅小球上。科学家从OR、IR和GR基因家族中，找出一些编码受体的基因：Orco、Ir25a、Ir8a、Ir76b以及Gr3。
研究者利用基因编辑，给这些受体基因添加了“尾巴”，追踪神经元的去向。这尾巴是转录因子QF2对应的基因，替换了受体基因的终止密码子，于是细胞在制造那些嗅觉受体的同时，也会把转录因子QF2生产出来。而QF2这种蛋白质，能与DNA上一处名叫QUAS的增强子（也经过基因编辑）结合，引发附近一种荧光蛋白的表达，让人看清哪个神经元伸向了哪个嗅小球。
结果，科学家惊讶地发现，表达Ir25a基因的神经元投射到了蚊子触角叶中的几乎所有嗅小球，并且与表达Orco基因的神经元投射高度重合。另外，触角叶中最大的嗅小球——嗅小球1，既收到了表达Gr3基因的神经元投射，也被表达Ir25a基因的神经元所支配。就是说，表达气味受体（OR）、离子型受体（IR）和味觉受体（OR）的神经元投射之间有所重叠。
研究者十分好奇，这些重叠是怎么来的。Ir25a基因编码的离子型受体，与Orco基因编码的气味受体，究竟是在相同的神经元里表达了，还是两组表达不同受体的神经元汇集到相同的嗅小球了？
特别的嗅觉系统有两种可能性。1为一个神经元表达不止一种受体，2为表达不同受体的几组神经元投射到相同的嗅小球（图片来源：原论文）
想回答这个问题，依然要把QF2转录因子的基因插到受体基因末尾，来观察神经元中有没有Orco基因和Ir25a基因共表达的现象。这次，研究者把QF2转录因子分成两半，一半是DNA结合域，追踪Orco基因表达，另一半是激活域，追踪Ir25a表达，两部分都用亮氨酸拉链标记。假如这两个基因共表达，拉链拉好，QF2的两个部分组合成有功能的QF2分子，才能驱动荧光蛋白的表达。
用这种方式编辑了蚊子的基因后，科学家真的在它们的触角叶中看到荧光，那里有将近一半的嗅小球被dTomato荧光蛋白“染绿”了。这表明，Orco基因（属于OR受体基因家族）和Ir25a基因（属于IR基因家族）存在共表达，而且是广泛存在。我们认知当中“一个神经元表达一种受体”的传统嗅觉系统，大概不适用于蚊子。
QF2分子的其中一半存在时，无绿色荧光呈现；而Ir25a与Orco共同表达时，获得完整QF2，驱动荧光蛋白的表达，可以观察到绿色（图片来源：原论文）
不同类的嗅觉受体能在一个神经元里共表达，也就不难解释，为何去除一个基因家族编码的一大类嗅觉受体，仍然无法阻挡蚊子找到人类。嗅觉系统的“冗余”设定，可能给了它们应对危机的备用方案。
后来，研究团队又在蚊子嗅觉系统中，找到了更多类似的例子。除了触角之外，蚊子还有一种更小也更简单的嗅觉器官，就是下颚须。它可以检测一些重要的寻人线索，比如二氧化碳，以及存在于人类呼吸和汗液中的1-辛烯-3-醇（又叫蘑菇醇）等等。
科学家发现，蚊子下颚须中能够被1-辛烯-3-醇激活的神经元，也能被我们皮肤中释放的挥发性胺类物质激活。这意味着，即便经过基因编辑的蚊子失去了一种嗅觉受体，依靠这种受体工作的神经元也未必会因此丧失功能，它们还可以利用别的受体，检测到人类的气息。
杨格博士对蚊子特别的嗅觉系统感到惊奇，她和小伙伴们把研究成果发表在了《细胞》杂志。但即便如此，科学家们也没有放弃阻挡蚊子对人类的探测。杨格博士说，未来的驱蚊方式，必须考虑到人类对蚊子的吸引力坚不可摧。或许，这项研究可以为研究者提供新的依据，有助于设计出对蚊子更有诱惑力的混合气味陷阱。
这才叫鲁棒。
原论文：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00927-8
参考资料：
https://www.npr.org/sections/goatsandsoda/2022/08/18/1118137632/mosquitoes-surprise-researcher-with-their-weird-sense-of-smell
https://www.eurekalert.org/news-releases/961464
https://www.eurekalert.org/news-releases/961580
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5270762/
来源：环球科学
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