myle.vnreview
Writer
Các nhà khoa học đã định lượng được những yếu tố thu hút muỗi đến với con người. Điều này có thể giúp tạo ra những chiếc bẫy côn trùng tốt hơn, cứu sống nhiều người.
Các bệnh truyền nhiễm do muỗi truyền như sốt rét, sốt xuất huyết và sốt Zika cướp đi hơn 770.000 sinh mạng trên toàn thế giới mỗi năm. Hiểu được cách muỗi tìm thấy con người từ lâu đã là một thách thức trong việc kiểm soát sự lây lan của các bệnh này. Tuy nhiên, chúng ta biết rất ít về cách muỗi kết hợp nhiều tín hiệu, bao gồm thông tin thị giác và carbon dioxide, để tiếp cận mục tiêu.
Trong bối cảnh này, một nhóm nghiên cứu do Viện Công nghệ Georgia và Viện Công nghệ Massachusetts của Mỹ dẫn đầu đã thành công trong việc tự động xây dựng một mô hình động điều chỉnh đường bay của muỗi bằng cách áp dụng các phương pháp thống kê suy luận Bayes vào một lượng lớn dữ liệu ghi lại chuyển động của muỗi.
Suy luận Bayes là một kỹ thuật thống kê xác định một cách xác suất các tham số mô hình khả thi nhất từ dữ liệu quan sát được. Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã xây dựng được mô hình toán học có thể tái tạo kết quả thí nghiệm với độ chính xác cao trong khi thu gọn hành vi của muỗi xuống còn chưa đến 30 tham số.
“Câu hỏi lớn là, muỗi tìm mục tiêu là con người bằng cách nào?” Cheng-Yi Fei, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT, giải thích. “Trước đây đã có những nghiên cứu thực nghiệm về loại tín hiệu nào có thể quan trọng. Nhưng chưa có nghiên cứu nào mang tính định lượng cụ thể.”
Muỗi có hai chế độ bay
Nhóm nghiên cứu đã thả hai con muỗi cái Aedes aegypti vào một không gian thí nghiệm kín và ghi lại đường bay của chúng theo từng khoảng thời gian 0,01 giây bằng hai camera hồng ngoại. Dữ liệu thu được từ tổng cộng 20 thí nghiệm vượt quá 53 triệu điểm, với hơn 400.000 đường bay được ghi lại. Đây là tập dữ liệu lớn nhất từng được thu thập cho một nghiên cứu đo lường định lượng đường bay của muỗi.
Thí nghiệm bắt đầu bằng việc chụp ảnh muỗi bay xung quanh các đối tượng là con người, những người mặc quần áo tối màu. Quan sát này cho thấy muỗi Aedes aegypti đang tập trung tiếp cận đầu người. Đây là một khám phá cơ bản, là điểm khởi đầu cho toàn bộ nghiên cứu.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với các đối tượng mặc đồ đen ở một bên và đồ trắng ở bên kia. Họ phát hiện ra rằng mặc dù khí carbon dioxide và mùi cơ thể được phát ra đều từ cả hai phía của cơ thể, nhưng quỹ đạo bay của muỗi chỉ tập trung ở phía màu đen. Mặc dù thoạt nhìn có vẻ kỳ lạ, kết quả này đã chứng minh rõ ràng rằng các kích thích thị giác đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm mục tiêu trong môi trường không có gió.
Hơn nữa, phân tích chi tiết về muỗi bay trong môi trường không có chất kích thích cho thấy rằng kiểu bay của chúng có thể được phân loại rộng rãi thành hai loại. Một là trạng thái hoạt động, trong đó chúng tích cực khám phá không gian trong khi duy trì tốc độ khoảng 0,7 mét mỗi giây. Loại kia là trạng thái nhàn rỗi, trong đó chúng bay gần như không cần lực đẩy. Trạng thái nhàn rỗi được cho là giai đoạn chuẩn bị hạ cánh và được quan sát thấy thường xuyên hơn gần trần của không gian thí nghiệm.
Phân tích phản ứng của muỗi đối với các kích thích thị giác cho thấy muỗi bị thu hút bởi các vật thể tối màu và giảm tốc độ khi chúng đến gần khoảng 40 cm. Tuy nhiên, nếu không có các tín hiệu bổ sung như mùi cơ thể, độ ẩm hoặc nhiệt độ, muỗi thường bay đi ngay cả sau khi tiếp cận mục tiêu của chúng. Điều này cho thấy rằng chỉ riêng các kích thích thị giác là không đủ để gây ra việc hạ cánh và hút máu.
Phản ứng với nguồn carbon dioxide thì hoàn toàn khác. Muỗi bay vào trong bán kính khoảng 40 cm quanh nguồn khí carbon dioxide đột nhiên giảm tốc độ xuống còn 0,2 m/s và bắt đầu bay loạn xạ, lắc lư không theo hướng rõ ràng. Mô phỏng số cũng cho thấy muỗi có thể phát hiện nồng độ carbon dioxide thấp tới 0,1% và phạm vi phát hiện của chúng kéo dài đến khoảng 50 cm từ nguồn.
Hơn nữa, phản ứng của muỗi thay đổi mạnh mẽ hơn khi kích thích thị giác và carbon dioxide xuất hiện đồng thời. Muỗi bắt đầu bay vòng quanh mục tiêu, và số lượng muỗi tập trung gần mục tiêu nhiều hơn đáng kể so với khi chỉ sử dụng một trong hai kích thích.
Theo các nhà nghiên cứu, hành vi này không thể được tái tạo bởi một mô hình chỉ đơn giản cộng thêm phản ứng với thị giác và carbon dioxide. Nói cách khác, rất có thể nhiều nguồn cảm giác ảnh hưởng lẫn nhau trong não bộ.
Tại sao muỗi lại nhắm mục tiêu vào đầu người?
Để kiểm tra độ chính xác dự đoán của mô hình toán học, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một người mặc đồ trắng với mũ trùm đầu màu đen làm “quả cầu đen phát ra carbon dioxide” để xem mô hình có thể tái tạo sự phân bố thực tế của muỗi tốt đến mức nào. Kết quả là, họ đã thành công trong việc dự đoán chính xác sự phân bố mật độ muỗi xung quanh đầu người. Đầu người thường có màu tối đối với muỗi và cũng là một phần cơ thể phát ra nhiều carbon dioxide, khiến nó trở thành nơi giao thoa của hai loại kích thích thu hút muỗi.
Ngoài ra, để định lượng nguy cơ bị muỗi đốt, các nhà nghiên cứu đã đo khoảng cách mà 50% quỹ đạo của chúng hội tụ xung quanh mục tiêu, khoảng cách này là khoảng 65 cm khi không có kích thích. Mặt khác, chỉ với kích thích thị giác, khoảng cách là khoảng 40 cm; chỉ với carbon dioxide, khoảng cách là 25 cm. Và với sự kết hợp giữa thị giác và khí carbon dioxide, khoảng cách đã giảm xuống còn khoảng 20 cm. Điều này một lần nữa cho thấy muỗi có xu hướng tiếp cận con người gần hơn khi nhiều kích thích giác quan được chồng lên nhau.
Các nhà nghiên cứu tin rằng mô hình toán học mà họ đã phát triển sẽ cho phép mô phỏng trước và tối ưu hóa thiết kế bẫy muỗi trên máy tính. Họ cũng hy vọng rằng nó sẽ có ứng dụng cho các loài muỗi khác, bao gồm cả muỗi Anopheles, loài truyền bệnh sốt rét.
“Công trình nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng bẫy muỗi cần có mồi nhử đa giác quan được hiệu chỉnh đặc biệt để giữ muỗi đủ lâu để bị bắt”, giáo sư Jorn Dunkel của MIT cho biết. Nhóm nghiên cứu hiện cũng có một ứng dụng web tương tác cho phép người dùng thử các mô hình bay của tất cả các loài muỗi mà họ đã nghiên cứu.
Các bệnh truyền nhiễm do muỗi truyền như sốt rét, sốt xuất huyết và sốt Zika cướp đi hơn 770.000 sinh mạng trên toàn thế giới mỗi năm. Hiểu được cách muỗi tìm thấy con người từ lâu đã là một thách thức trong việc kiểm soát sự lây lan của các bệnh này. Tuy nhiên, chúng ta biết rất ít về cách muỗi kết hợp nhiều tín hiệu, bao gồm thông tin thị giác và carbon dioxide, để tiếp cận mục tiêu.
Trong bối cảnh này, một nhóm nghiên cứu do Viện Công nghệ Georgia và Viện Công nghệ Massachusetts của Mỹ dẫn đầu đã thành công trong việc tự động xây dựng một mô hình động điều chỉnh đường bay của muỗi bằng cách áp dụng các phương pháp thống kê suy luận Bayes vào một lượng lớn dữ liệu ghi lại chuyển động của muỗi.
Suy luận Bayes là một kỹ thuật thống kê xác định một cách xác suất các tham số mô hình khả thi nhất từ dữ liệu quan sát được. Sử dụng phương pháp này, các nhà nghiên cứu đã xây dựng được mô hình toán học có thể tái tạo kết quả thí nghiệm với độ chính xác cao trong khi thu gọn hành vi của muỗi xuống còn chưa đến 30 tham số.
“Câu hỏi lớn là, muỗi tìm mục tiêu là con người bằng cách nào?” Cheng-Yi Fei, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại MIT, giải thích. “Trước đây đã có những nghiên cứu thực nghiệm về loại tín hiệu nào có thể quan trọng. Nhưng chưa có nghiên cứu nào mang tính định lượng cụ thể.”
Muỗi có hai chế độ bay
Nhóm nghiên cứu đã thả hai con muỗi cái Aedes aegypti vào một không gian thí nghiệm kín và ghi lại đường bay của chúng theo từng khoảng thời gian 0,01 giây bằng hai camera hồng ngoại. Dữ liệu thu được từ tổng cộng 20 thí nghiệm vượt quá 53 triệu điểm, với hơn 400.000 đường bay được ghi lại. Đây là tập dữ liệu lớn nhất từng được thu thập cho một nghiên cứu đo lường định lượng đường bay của muỗi.
Thí nghiệm bắt đầu bằng việc chụp ảnh muỗi bay xung quanh các đối tượng là con người, những người mặc quần áo tối màu. Quan sát này cho thấy muỗi Aedes aegypti đang tập trung tiếp cận đầu người. Đây là một khám phá cơ bản, là điểm khởi đầu cho toàn bộ nghiên cứu.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với các đối tượng mặc đồ đen ở một bên và đồ trắng ở bên kia. Họ phát hiện ra rằng mặc dù khí carbon dioxide và mùi cơ thể được phát ra đều từ cả hai phía của cơ thể, nhưng quỹ đạo bay của muỗi chỉ tập trung ở phía màu đen. Mặc dù thoạt nhìn có vẻ kỳ lạ, kết quả này đã chứng minh rõ ràng rằng các kích thích thị giác đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm mục tiêu trong môi trường không có gió.
Hơn nữa, phân tích chi tiết về muỗi bay trong môi trường không có chất kích thích cho thấy rằng kiểu bay của chúng có thể được phân loại rộng rãi thành hai loại. Một là trạng thái hoạt động, trong đó chúng tích cực khám phá không gian trong khi duy trì tốc độ khoảng 0,7 mét mỗi giây. Loại kia là trạng thái nhàn rỗi, trong đó chúng bay gần như không cần lực đẩy. Trạng thái nhàn rỗi được cho là giai đoạn chuẩn bị hạ cánh và được quan sát thấy thường xuyên hơn gần trần của không gian thí nghiệm.
Phân tích phản ứng của muỗi đối với các kích thích thị giác cho thấy muỗi bị thu hút bởi các vật thể tối màu và giảm tốc độ khi chúng đến gần khoảng 40 cm. Tuy nhiên, nếu không có các tín hiệu bổ sung như mùi cơ thể, độ ẩm hoặc nhiệt độ, muỗi thường bay đi ngay cả sau khi tiếp cận mục tiêu của chúng. Điều này cho thấy rằng chỉ riêng các kích thích thị giác là không đủ để gây ra việc hạ cánh và hút máu.
Phản ứng với nguồn carbon dioxide thì hoàn toàn khác. Muỗi bay vào trong bán kính khoảng 40 cm quanh nguồn khí carbon dioxide đột nhiên giảm tốc độ xuống còn 0,2 m/s và bắt đầu bay loạn xạ, lắc lư không theo hướng rõ ràng. Mô phỏng số cũng cho thấy muỗi có thể phát hiện nồng độ carbon dioxide thấp tới 0,1% và phạm vi phát hiện của chúng kéo dài đến khoảng 50 cm từ nguồn.
Hơn nữa, phản ứng của muỗi thay đổi mạnh mẽ hơn khi kích thích thị giác và carbon dioxide xuất hiện đồng thời. Muỗi bắt đầu bay vòng quanh mục tiêu, và số lượng muỗi tập trung gần mục tiêu nhiều hơn đáng kể so với khi chỉ sử dụng một trong hai kích thích.
Theo các nhà nghiên cứu, hành vi này không thể được tái tạo bởi một mô hình chỉ đơn giản cộng thêm phản ứng với thị giác và carbon dioxide. Nói cách khác, rất có thể nhiều nguồn cảm giác ảnh hưởng lẫn nhau trong não bộ.
Tại sao muỗi lại nhắm mục tiêu vào đầu người?
Để kiểm tra độ chính xác dự đoán của mô hình toán học, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một người mặc đồ trắng với mũ trùm đầu màu đen làm “quả cầu đen phát ra carbon dioxide” để xem mô hình có thể tái tạo sự phân bố thực tế của muỗi tốt đến mức nào. Kết quả là, họ đã thành công trong việc dự đoán chính xác sự phân bố mật độ muỗi xung quanh đầu người. Đầu người thường có màu tối đối với muỗi và cũng là một phần cơ thể phát ra nhiều carbon dioxide, khiến nó trở thành nơi giao thoa của hai loại kích thích thu hút muỗi.
Ngoài ra, để định lượng nguy cơ bị muỗi đốt, các nhà nghiên cứu đã đo khoảng cách mà 50% quỹ đạo của chúng hội tụ xung quanh mục tiêu, khoảng cách này là khoảng 65 cm khi không có kích thích. Mặt khác, chỉ với kích thích thị giác, khoảng cách là khoảng 40 cm; chỉ với carbon dioxide, khoảng cách là 25 cm. Và với sự kết hợp giữa thị giác và khí carbon dioxide, khoảng cách đã giảm xuống còn khoảng 20 cm. Điều này một lần nữa cho thấy muỗi có xu hướng tiếp cận con người gần hơn khi nhiều kích thích giác quan được chồng lên nhau.
Các nhà nghiên cứu tin rằng mô hình toán học mà họ đã phát triển sẽ cho phép mô phỏng trước và tối ưu hóa thiết kế bẫy muỗi trên máy tính. Họ cũng hy vọng rằng nó sẽ có ứng dụng cho các loài muỗi khác, bao gồm cả muỗi Anopheles, loài truyền bệnh sốt rét.
“Công trình nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng bẫy muỗi cần có mồi nhử đa giác quan được hiệu chỉnh đặc biệt để giữ muỗi đủ lâu để bị bắt”, giáo sư Jorn Dunkel của MIT cho biết. Nhóm nghiên cứu hiện cũng có một ứng dụng web tương tác cho phép người dùng thử các mô hình bay của tất cả các loài muỗi mà họ đã nghiên cứu.
Nguồn: Wired
