圖片來源：Pixabay
人類想騙過蚊子的嗅覺，沒那么簡單。
撰文 | 栗子
審校 | 二七
波士頓大學的生物學家梅格·楊格（Meg Younger），在實驗室養了許多蚊子。
它們生活在一個大大的培養箱里，環境溫度保持在25℃-28℃，溫暖如春。整個空間就像一座“蚊子旅社”，被分隔成了許多房間：每間的面積約為1平方英尺（不到1000平方厘米），有100多只蚊子同住。
當楊格博士朝著其中一個房間吹口氣，里面的住客就興奮起來。原本在休息的蚊子開始狂野地飛舞，過程要持續幾分鐘。這樣的景象在楊格博士眼中毫不陌生，畢竟人類呼出的二氧化碳和自帶的體味，對蚊子來說本就意味著食物的所在。
蚊子依靠人類的血液生存和繁衍，循著嗅覺線索找到我們也是它們與生俱來的能力。科學家一直想方設法破壞這種能力，讓蚊子不再被人類的氣味吸引，但就算去掉一整個基因家族編碼的嗅覺受體，它們仍然能憑借某些線索找到人類。
如今，楊格博士和小伙伴們終于發現，蚊子的嗅覺系統和從前想象的不一樣。它們在歷史長河中，演化出了一套精密的“防故障系統”，切斷一條路還有別的路。想要阻止蚊子找到我們，一點也不容易。
它沒遵守一對一的“規矩”
蚊子的嗅覺神經元（olfactory sensory neuron）大多在觸角上，也有一部分在下顎須（maxillary palp）。
這些神經元中會有各種各樣的受體，用來探測外界的化學線索。而那些受體又可分為三大類：氣味受體（odorant receptor，OR）、離子型受體/離子通道型受體（ionotropic receptors，IR）以及味覺受體（gustatory receptor，GR）。雖然，GR主要負責味覺感知，但二氧化碳這個對蚊子而言十分關鍵的尋人線索，也要靠GR來檢測。
當特定的氣味襲來時，相應的神經元會變得興奮，并把消息傳遞至嗅小球（olfactory glomeruli）。科學家曾經在脊椎動物當中發現，嗅覺系統十分“專業化”。通常，每個嗅覺神經元只表達一種受體，只與一組化學物質結合，檢測一種特定的氣味。而表達相同受體的那些神經元，又會把信號傳遞給同一個嗅小球——這樣一來，一種動物感知化學線索的受體有多少種，體內嗅小球的數量大致也會有多少個。
傳統的嗅覺系統中，一個嗅覺神經元（如圖中灰色圓形）通常表達一種受體（如圖中紅色、藍色或紫色方塊），檢測一種氣味，并投射到相應的嗅小球（如圖中紅色、藍色或紫色圓形）（圖片來源：原論文）
后來又有研究者發現，不光是脊椎動物，許多昆蟲同樣滿足這條規律。比如，西方蜜蜂（Apis mellifera）體內的氣味受體（OR）和離子型受體（IR）加起來大約180種，嗅小球則有160個左右；在煙草天蛾（Manduca sexta）身上，這兩大類受體共有60種左右，對應著約70個嗅小球；而黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）有約60種相關受體，對應約55個嗅小球。
那么，蚊子體內的嗅覺受體種類，也會和嗅小球的數量相近嗎？楊格博士和小伙伴們發現，在埃及伊蚊（Aedes aegypti）的身體里，化學感受受體的種類，是嗅小球數量的兩倍以上。數字明顯不匹配，這讓科學家感覺到蚊子的嗅覺系統與眾不同，人類氣味難以騙過蚊子的原因可能也藏在其中。
化學感受受體的種類，遠多于嗅小球的個數，要么是一個嗅覺神經元表達了多種受體，要么是幾組表達不同受體的神經元，都匯聚到了同一個嗅小球上。為了確認哪一種才是真實情況，研究者設計了下一步實驗。
有人篡改代碼也不怕
氣味受體（OR）、離子型受體（IR）以及味覺受體（GR），這三類化學感受受體是由三個不同的基因家族編碼而來。
首先，研究團隊需要觀察的是，表達這幾類受體的神經元，分別投射到了哪些嗅小球上。科學家從OR、IR和GR基因家族中，找出一些編碼受體的基因：Orco、Ir25a、Ir8a、Ir76b以及Gr3。
研究者利用基因編輯，給這些受體基因添加了“尾巴”，追蹤神經元的去向。這尾巴是轉錄因子QF2對應的基因，替換了受體基因的終止密碼子，于是細胞在制造那些嗅覺受體的同時，也會把轉錄因子QF2生產出來。而QF2這種蛋白質，能與DNA上一處名叫QUAS的增強子（也經過基因編輯）結合，引發附近一種熒光蛋白的表達，讓人看清哪個神經元伸向了哪個嗅小球。
結果，科學家驚訝地發現，表達Ir25a基因的神經元投射到了蚊子觸角葉中的幾乎所有嗅小球，并且與表達Orco基因的神經元投射高度重合。另外，觸角葉中最大的嗅小球——嗅小球1，既收到了表達Gr3基因的神經元投射，也被表達Ir25a基因的神經元所支配。就是說，表達氣味受體（OR）、離子型受體（IR）和味覺受體（OR）的神經元投射之間有所重疊。
研究者十分好奇，這些重疊是怎么來的。Ir25a基因編碼的離子型受體，與Orco基因編碼的氣味受體，究竟是在相同的神經元里表達了，還是兩組表達不同受體的神經元匯集到相同的嗅小球了？
特別的嗅覺系統有兩種可能性。1為一個神經元表達不止一種受體，2為表達不同受體的幾組神經元投射到相同的嗅小球（圖片來源：原論文）
想回答這個問題，依然要把QF2轉錄因子的基因插到受體基因末尾，來觀察神經元中有沒有Orco基因和Ir25a基因共表達的現象。這次，研究者把QF2轉錄因子分成兩半，一半是DNA結合域，追蹤Orco基因表達，另一半是激活域，追蹤Ir25a表達，兩部分都用亮氨酸拉鏈標記。假如這兩個基因共表達，拉鏈拉好，QF2的兩個部分組合成有功能的QF2分子，才能驅動熒光蛋白的表達。
用這種方式編輯了蚊子的基因后，科學家真的在它們的觸角葉中看到熒光，那里有將近一半的嗅小球被dTomato熒光蛋白“染綠”了。這表明，Orco基因（屬于OR受體基因家族）和Ir25a基因（屬于IR基因家族）存在共表達，而且是廣泛存在。我們認知當中“一個神經元表達一種受體”的傳統嗅覺系統，大概不適用于蚊子。
QF2分子的其中一半存在時，無綠色熒光呈現；而Ir25a與Orco共同表達時，獲得完整QF2，驅動熒光蛋白的表達，可以觀察到綠色（圖片來源：原論文）
不同類的嗅覺受體能在一個神經元里共表達，也就不難解釋，為何去除一個基因家族編碼的一大類嗅覺受體，仍然無法阻擋蚊子找到人類。嗅覺系統的“冗余”設定，可能給了它們應對危機的備用方案。
后來，研究團隊又在蚊子嗅覺系統中，找到了更多類似的例子。除了觸角之外，蚊子還有一種更小也更簡單的嗅覺器官，就是下顎須。它可以檢測一些重要的尋人線索，比如二氧化碳，以及存在于人類呼吸和汗液中的1-辛烯-3-醇（又叫蘑菇醇）等等。
科學家發現，蚊子下顎須中能夠被1-辛烯-3-醇激活的神經元，也能被我們皮膚中釋放的揮發性胺類物質激活。這意味著，即便經過基因編輯的蚊子失去了一種嗅覺受體，依靠這種受體工作的神經元也未必會因此喪失功能，它們還可以利用別的受體，檢測到人類的氣息。
楊格博士對蚊子特別的嗅覺系統感到驚奇，她和小伙伴們把研究成果發表在了《細胞》雜志。但即便如此，科學家們也沒有放棄阻擋蚊子對人類的探測。楊格博士說，未來的驅蚊方式，必須考慮到人類對蚊子的吸引力堅不可摧。或許，這項研究可以為研究者提供新的依據，有助于設計出對蚊子更有誘惑力的混合氣味陷阱。
這才叫魯棒。
原論文：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(22)00927-8
參考資料：
https://link.springer.com/article/10.1007/s11055-021-01159-2
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/
來源：環球科學
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