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当西尼罗河病毒(WNV)最初在1999年夏天在纽约州皇后区的一家医院被隔离时，人们很难预测一种常见的蚊子库蚊(Culex pipiens)有多快会开始在整个西半球传播病毒。
咬伤，海岸到海岸的蚊子种群将这种病毒 - 最初在75年前在乌干达西尼罗河省发现 - 在短短三年内传播给美国44个州的人口。
今天地球上已知有超过2,500种不同种类的蚊子，昆虫学家和疾病控制专家仍面临着许多挑战，这些专家旨在监测不断变化的蚊子种群和传染性蚊子传播的疾病 - 这种疾病影响全球近7亿人口并导致超过100万人每年人类死亡。
物理学家现在正在探索传统上用于研究大气条件的基于激光的技术 - 例如光探测和测距(LIDAR) - 来揭示蚊子活动的最微妙特征，并更好地追踪可携带病毒的人群威胁。
由NJIT物理学助理教授Benjamin Thomas领导的一项调查采用了LIDAR，这是一种红外光学遥感技术，能够捕捉蚊子在飞行中击败翅膀的速度，称为机翼拍频(WBF)。
通过了解蚊子中WBF的变异，Thomas的实验室正在学习两个关键特征，这些特征可以帮助区分哪些蚊子可能是传染病的载体，而不是物种和性别。
“到目前为止，蚊子仍然是地球上最致命的动物，”托马斯说。“不幸的是，我们目前用于跟踪和收集有关它们的数据的方法通常在时间和资源方面花费很多，因此我们缺少很多关于许多物种及其雌性种群的昆虫学数据，这些数据通常是疾病的传播者。”
目前的策略 - 如基于信息素的物理陷阱 - 已被用于准确研究小规模的蚊子种群。然而，托马斯表示，他的团队的工作可以帮助填补大规模昆虫学数据的空白，为研究人员提供更好的方法来调查昆虫种群及其生态系统的更广泛演变，以及跟踪蚊子传播疾病的传播。
“在像寨卡病毒爆发的情况下，我们主要通过跟踪疾病报告来传播它们，总是让我们落后于蚊子传播病毒的一步，”托马斯说。“我们一直在开发一种能够扫描环境并实时测量数百只昆虫的新型光学仪器。这可以为我们提供更好的方法来收集大规模的昆虫学数据，同时帮助我们跟踪我们知道危险的特定物种为了应对爆发。“
记录蚊子的节拍
尽管雄性和雌性蚊子都具有嘴状解剖结构，但只有雌性蚊子拥有能够刺穿哺乳动物皮肤吸入血液的下颚 - 这种适应性可以为繁殖提供必要的营养。由于雌性蚊子以这种方式专门从人体中提取血液，因此在较大的群体中识别它们是追踪潜在疾病传播者的重要一步。
托马斯基于激光的方法可以准确地识别女性蚊子WBF，这些WBF通常平均每秒约500次翼鸣，来自男性同伴的WBF，平均每秒平均600次。
“在我们的实验室中，蚊子被放置在一个管壳内，并将穿过我们仪器的激光路径，并且根据它们的机翼运动，它们将产生特定的光线特征，反射回仪器，”托马斯解释说。“那些反向散射的光线可以保存我们需要识别光束的信息......无论是蜜蜂，家蝇，雄性蚊子还是雌性蚊子。除了我们的激光，我们还有一台收集所有这些光线的望远镜。我们可以实时分析这些数据。“
在实验室的对照实验中，托马斯的团队测试了其系统能够准确区分以前被确定为疾病载体的四种不同物种的雄性和雌性蚊子的能力：白纹伊蚊，白纹伊蚊，埃及伊蚊和另一种库蚊属。 。
在测试中，该仪器证明能够识别蚊子性别，准确率为96.5%。然而，托马斯实验室的一个棘手的前景是识别昆虫物种;目前，该实验室可以75%的准确度识别蚊子种类。在最近发表在SPIE会议论文集上的一项研究中，Thomas的研究小组开始探索新的光学参数，以更好地表征昆虫的形状和颜色，从而改善物种的整体鉴定。
“我们的激光系统现在在同一光路中包含两种不同的红外波长，因此根据物种是棕色，黑色还是条纹，它将影响从两个通道之一回来的信号强度，”托马斯说。 。“我们还开始测量光线是如何偏振的，以便更好地了解昆虫的表面和形状。例如，只要通过测量返回给我们的光线的偏振，我们现在可以判断蚊子是否携带鸡蛋。”
托马斯的实验室目前正在优化其现场使用方法 - 不仅要进一步提高物种识别的准确性，还要改进其系统望远镜的射程。该团队正在扩大其望远镜的收集范围，用于将光线从目前的100米范围收集到几百米，以便从更大的蚊子数量居住的室外环境中收集数据。通过安全测试和对设计的改进，Thomas表示现场测试可能会在2019年开始。
“一旦我们的仪器部署在现场，我们可以在几天内通过互联网连接理想地收集数据，”托马斯说。“这可以为我们提供有关蚊子和其他昆虫在环境中的大量信息。从长远来看，未来的研究甚至可以告诉我们特定人口的空间分布是如何因气候变化而演变的。”
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