來源：環球科學
一隻埃及伊蚊。圖片來源：DYLAN BECKSHOLT，Science
夏天有冷飲和西瓜，也有不勝其煩的蚊子。如何有效地殺滅蚊子，也成了大家所關心的事情。近期的兩項研究，從基因層面侵入蚊子種群，讓其只產雄蚊，最終導致種群崩潰；配上無人機的協助，有望使蚊子大面積地滅絕！
科學家長期以來一直在尋找能消滅蚊子的方法，比如今年5月，來自倫敦帝國理工學院的Andrea Crisanti研究團隊設計了基於基因驅動的滅蚊技術，該技術可以使瘧蚊種群僅產生雄性後代，造成種群崩潰瓦解。與此同時，另一批科學家開發出了新型自動釋放無人機用於釋放改造的蚊子。這兩者能否「強強聯合」，徹底消滅令人頭疼的蚊子呢？
蚊媒疾病的禍首
根據世界衛生組織（WHO）的資料，以蚊子為媒介傳播的疾病每年造成的死亡人數超過100萬。這些疾病和病毒包括：瘧疾、淋巴絲蟲病、登革熱、黃熱病和寨卡病毒等。在一些發展落後的熱帶地區，每年仍有數十萬人飽受瘧疾之苦。科研工作者們為了根除這種禍害了人類幾千年的疾病，一方面堅持不懈地研製抗瘧藥物，另一方面也將目標瞄準了傳播瘧疾的媒介——蚊子。
蚊媒疾病主要區域地圖。每年約有一百萬人死於蚊媒疾病，32億人處於瘧疾危險之中。藍色：瘧疾、黃色：西尼羅河病毒、紅色：黃熱病、灰色：登革熱、綠色：多種疾病交匯的熱點地區。（圖片來源：rentokil.com）
在基因工程技術發展之初，科學家就一直在利用其進行滅蚊嘗試。起初，科學家只是針對蚊子的個別基因進行改造，希望改造後的蚊子獲得新特徵（如：減少瘧原蟲、後代高致死率、後代不育等）並佔據種群主導地位便於傳播這些特徵。
但釋放大量經過改造的蚊子，又會引發新的問題：因為雌蚊會吸血並且傳播疾病，為了防止放出的改造蚊子叮咬人類，科學家釋放被改造的雄蚊才是最優的策略。如何只放出被改造的雄蚊呢？
高端滅蚊方法
在大多數物種中，雄性（XY型）的個體產生相同數量的X和Y配子，兩種配子與來自雌性（XX型）的X配子結合產生後代，因此導致雄性和雌性後代的數量大致相等，有利於種群延續並維持穩定。
然而，在某些物種中，一小部分個體產生性別比例高度不平衡的後代。雄性個體不平等地傳遞兩種配子，從而導致後代性別比例失衡。早期研究發現，X和Y配子的不均等大多是由在細胞減數分裂時的性染色體驅動（Sex chromosome drive）引起的。在此過程中起作用的基因通常與一個性染色體相關聯，並能夠阻止或幹擾帶有另一個性染色體的配子的產生，這些「自私的」基因便被稱為性染色體驅動因子（Sex chromosome drivers）或減數分裂驅動因子（Meiotic drivers）。
來自父親與母親的性染色體如何控制後代性別：正常情況下，來自父親的X、Y染色體經過減數分裂平均分配到2種（4個）配子中，再與來自母方含有X染色體的配子結合形成XY（雄性）或XX（雌性）（圖源：researchgate.net）
性染色體驅動又可以分為X染色體驅動與Y染色體驅動。X染色體驅動能阻止帶有Y染色體的配子產生，導致後代中雌性遠多於雄性。儘管X染色體驅動更為常見，但Y染色體驅動對於蚊媒控制更有吸引力，因為它們可以逐漸減少雌性的數量。
對於發生有性生殖的種群，性染色體驅動不僅可能使得種群中後代性別比例失衡，引發種群滅絕，還可能導致某些性狀被一代代傳遞並擴大化。基於天然存在的性染色體驅動，結合時下流行的基因編輯CRISPR/Cas9技術，一種控制害蟲的新手段——基因驅動（Gene Drive）誕生了。
傳統突變與運用基因驅動系統突變的傳播示意圖（引自Akbari等）
通過基因驅動技術，「我們可以改變進化的軌跡，也可以導致物種滅絕」，來自倫敦帝國理工學院的生物學家 Andrea Crisanti說。Crisanti和他的團隊一直致力於利用基因編輯技術對瘧疾的傳播載體——甘比亞按蚊進行性別改造以減少該物種並消滅瘧疾，也參與了很多前文提到的「蚊子改造」的研究。
早在2014年，Crisanti和他的團隊就開發出了用於控制瘧蚊的性別比例扭轉系統，初步實現了對於蚊子種群性別比例的調控。在該研究中，團隊利用一種切割DNA的酶I-PpoI的切割特異性，構建了一個能夠扭轉蚊子性別比例的系統，該系統能夠選擇性地切割位於雄蚊X染色體上的基因序列，導致父系X染色體被切碎，無法傳播給下一代。如此一來，在來自雄蚊的配子中，只有含有Y染色體的配子是可育的，所以後代中的雌性（XX型）將會大大減少。
傳統突變與運用基因驅動系統突變的傳播示意圖（引自Akbari等）
在今年5月發表在《自然-生物技術》雜誌上的最新研究成果中，Crisanti研究團隊在上一策略的基礎上，設計出了性彆扭轉系統的升級版——具有雄性偏好的性彆扭轉基因驅動（sex-distorter gene drive， 簡稱SDGD）系統。該系統除了I-PpoI酶外，還增加了與其相連的「基因剪刀」CRISPR/Cas9系統，其能將SDGD系統被插入到常染色體上的保守基因序列中。因此，SDGD系統能隨著繁殖被傳遞到後代中。
相比於此前的研究，該系統的厲害之處在於：SDGD系統能夠使親本產生的配子全部都攜帶該系統，從而連續傳遞「雄性配子的X染色體被切割」這一性狀，使種群後代的性別比例迅速偏向雄性。經過改造的蚊子一代代繁衍，可以使種群產生95%以上的雄性後代。
在針對實驗室種群的實驗中，SDGD系統使得種群的性別比例逐漸偏向雄性，根據計算機模型預測，這些蚊子在10~14代左右就將會產生僅有雄性的種群。這最終會導致蚊子種群崩潰——個體大規模死亡，種群數量迅速下降。
儘管最新開發的基因驅動系統有望成為強大的滅蚊工具，但尚未做好在廣闊地區大規模釋放的準備，如何省時省力地將這些基因改造過的蚊子廣泛地釋放到野生環境中去呢？
無人機助力滅蚊
6月15日，來自歐洲多國的科學家聯合巴西Moscamed項目在《科學-機器人》雜誌上發表了他們開發的一種用於釋放基因改造後的成年不育雄性伊蚊的全自動釋放系統，該系統依託無人飛行器（Uncrewed aerial vehicle， UAV），即我們通常所說的無人機執行釋放功能。
無人機全自動釋放系統結構。（A）釋放裝置的右前視圖（技術設計圖）。（B）釋放裝置的半截面構造（技術設計圖）。（C）裝載了50000隻被標記蚊子的「蚊子貨櫃」，用於安放在全自動釋放系統內。（D）完全組裝後，安裝在DJI M600型無人機的空中蚊子釋放系統。（引自Bouyer等）
為了不使釋放的蚊子受到傷害，科學家們設計了一款包括壓實、冷卻和輸送功能的裝置，以允許每架無人機能堆疊足夠數量的蚊子，並控制釋放流速防止對蚊子造成傷害。釋放系統還包括攝像頭和多種傳感器，以控制和監視設備及蚊子狀態。研究團隊甚至還開發了一個基於Android的應用程式，以控制蚊子釋放無人機的自主運行，這確實使得釋放的規劃和開展高效了不少。
研究人員在巴西的野外測試了無人機技術。測試結果顯示，相比於從地面釋放的、大多都集中在一處的蚊子，利用無人機在高空釋放的蚊子能更多地分散到試驗空間的各個區域，而這些改造過的「不育」雄蚊擴散得越遠，意味著越多的蚊子種群走向滅絕。更引人注目的是，通過設置特定參數，無人機每公頃可以釋放約5000隻蚊子，只需大約12分鐘便可讓蚊子覆蓋20公頃，而這一速度還可以提升，相比之下的人力釋放速度恐怕是望塵莫及了。
也許在不久的將來，製造蚊子性別比例失調系統的Andrea Crisanti團隊會與發明無人機自動釋放系統的研究人員展開合作，齊心合力將瘧疾及其他蚊媒疾病扼殺在傳播的路上。