26岁拿下MIT数学博士：蚊子为啥总咬你？返朴

佐治亚理工学院、麻省理工学院、加州大学河滨分校等多所高校通力合作，完成了一项关于蚊子寻找宿主行为的重磅研究，2026年3月18日，Science Advances在线发表了这项成果。研究首次实现了对埃及伊蚊自由飞行行为的高精度定量预测，把蚊子“找宿主”的模糊常识，变成了可计算、可模拟、可应用的科学模型。

论文截图 | 图源：Science网站

2021年，美国疾控中心的一间实验室里。一个年轻人一动不动，数百只埃及伊蚊正围着他盘旋飞舞。它们一次次俯冲、靠近、折返，而他在实验中要一次性保持静止20分钟。

这一切都是为了解决研究人员心中的疑惑：蚊子究竟是怎么“找到人”的。他以身入局，反复“投喂蚊子”三年，最终，他们研究团队建立起一套可以“预测蚊子飞行轨迹”的数学模型。

用物理学研究生物学

文章开头的年轻人，是佐治亚理工学院的本科生Christopher Zuo。他跟着本校机械工程与生物学系教授胡立德（David Hu）一起，希望搞清楚蚊子是如何飞行的，从而研发出高效捕蚊器。

他们研究方法中的关键一环，用胡立德的说法，正是“将鲜活人体献给众多蚊子，并观察分析其飞行轨迹”，从而理解它们围绕人类的各种反应及其内在机制。

胡立德长期研究动物运动行为，他的头脑中总能蹦出一些奇思妙想。例如，他曾在2015年与2019年两次获得搞笑诺贝尔物理学奖，成果分别是“为什么哺乳动物的排尿时间是21秒”“袋熊为什么会排出立方体状的粪便”；他还在2015年、2016年和2019年，三次获得由浙江省科协指导、浙江省科技馆主办的“菠萝科学奖”，成果分别是“蚊子为什么不会被雨砸死”“苍蝇为什么总在搓手”“猫怎么用舌头清洁身体”。

旺盛的好奇心，是胡立德做科研和认知事物的趁手利器。他兴趣广泛，在本科期间，曾先后涉猎过五个不同专业，包括哲学、生物学、数学等，还加入了体操队。

不得不说，传承也是胡立德研究趣味的重要来源。他在大学时期的导师L.马哈迪文（L. Mahadevan），因研究“床单起皱现象并总结出相关规律”，获得2007年搞笑诺贝尔物理学奖。他导师的导师约瑟夫·B·凯勒（Joseph B Keller）同样是该奖项的常客：他凭借对“为何茶壶倒出的茶水有时会沿壶嘴流下”这一问题的研究，摘得1999年搞笑诺贝尔物理学奖；2012年，又因探究“扎马尾者跑步时头发的摆动规律”，再度获得同奖项。

26岁时，胡立德便获得麻省理工学院数学博士学位。最终他想明白了，无论从事何种职业，关键在于遵从内心，于是选择进入佐治亚理工学院，成为该校唯一一位同时任职于机械工程系与生物系的教授。

那么，预测蚊子飞行轨迹，又是如何进入胡立德的视野呢？

这就要从人蚊之间的战争说起。全球每年要花费220亿美元来对付蚊子，包括购买杀虫剂和各种各样的防蚊用品。

人类很早就从生活经验中感知到，蚊子会被呼吸、体温、汗液气味、衣物颜色等因素吸引，民间也流传着“穿深色招蚊子”“出汗招蚊子”“呼吸重招蚊子”等经验说法。

其实蚊子的视力非常差。它们的复眼由数百个称为小眼的独立透镜组成，每个小眼只有头发丝粗细，所以它们看到的世界并不清晰，更像是打满马赛克的像素画。根据光学原理，蚊子只能在几米范围内勉强认出一个成年人。仅凭视觉系统，它们甚至分不清人和一棵小树，因此会本能地注意所有深色物体。

过去数十年间，昆虫学家、行为生物学家、神经生物学家也陆续证实，二氧化碳、皮肤气味、热量、湿度、视觉对比度等，都是招引蚊子的关键要素。

但一个核心问题，始终没有得到真正解决：蚊子到底是怎么整合这些信息的？为什么它能在黑暗中精准找到你？为什么有的人特别招蚊子？更重要的是这些行为，到底能不能被“计算”？

传统的经典实验绝大数是在风洞中完成，依赖稳定定向气流，但现实中的卧室、客厅、地铁，并不存在稳定气流。在过去很长一段时间里，研究蚊子的寻主行为大多依赖两种并不完美的实验方式。一类实验会把蚊子轻轻固定在支架上，只能观察它振翅的频率和对气味的反应，根本无法记录它在空间里的真实飞行路线。另一类实验虽然让蚊子自由活动，但观测手段有限，科学家只能统计最后有多少蚊子飞向目标、停在哪个区域，却无法捕捉从远处开始、一步步飞向宿主的完整三维轨迹。

学界迫切需要研究一套可计算、可预测、可验证、可迁移的蚊子行为定量模型。这就是胡立德团队开展这项研究的发心。

要突破传统研究的局限，必须同时实现三件事：高精度的三维轨迹观测、贴近真实人居的实验环境、能够从海量数据中自动提取规律的数学建模方法。好在这时，具备计算科学背景的人员上场了。

麻省理工学院Jörn Dunkel团队一直致力于利用数学模型，描述和预测复杂生物系统的行为，如线虫如何解开纠缠、海星胚胎如何发育和游动，以及微生物如何随时间进化其群落结构。Dunkel刚好在佐治亚理工学院发表过一次演讲，试图应用类似的定量技术预测蚊子的飞行轨迹。胡立德便提出了合作，实验在美国亚特兰大州疾控中心开展。

Jörn Dunkel团队的博士后费沉毅收到了Zuo发来的邮件，邮件里还附上被蚊子叮咬的照片。费沉毅本科毕业于北京大学物理系，在普林斯顿取得计算生物学博士学位，目前在MIT担任博士后。

“我当时看到照片特别震惊，我觉得现在还有人做实验做到这个地步，不可思议”，费沉毅回忆，“加上我本来就是物理学、生物学、计算机多重学科交叉背景出身的，可以对生物进行物理建模，所以我就参与进来了。”

左：Christopher Zuo；右：费沉毅 | 图源：本人

用真人吸引蚊子

实验是这项研究最核心的关键步骤。团队专门搭建了一座5米深的梯形网箱实验舱，将环境温度恒定在28℃，空气湿度稳定在45%，最大程度还原日常居室的真实环境。

为了精确捕捉数据，团队使用的整套观测设备可以全方位追踪蚊子动向，精准记录蚊子每时每刻的飞行点位、飞行速度、飞行方向以及飞行状态变化。实验选用的都是羽化成熟3至5天的雌性埃及伊蚊。只有雌蚊会吸食血液来繁育后代，同时它也是各类蚊虫传播疾病的主要元凶。

蚊子围绕人类目标飞行的轨迹 | 图源：论文作者

一开始以肉身诱蚊的，正是Christopher Zuo。他在本科时就加入了胡立德的课题组。一方面，他跟随这个项目时间最长，熟悉如何开展实验，“我从本科就参与实验，喂蚊子三年了”；另一方面，因当时尚处于疫情期间，研究这种可传播疾病的虫媒比较敏感，Zuo的美籍华人身份更方便与疾控中心交涉沟通，预约场地与时间。当然，一定还有一股“我不入地狱谁入地狱”的牺牲精神。

其实早在20世纪80年代，科学家就进行过“叮咬”研究，脱掉衣服只穿内衣，裸露的身体可以避免衬衫面料、颜色等干扰变量。一开始，Zuo穿着网眼防护服，但首次实验，他就被叮了满身的包。好在，实验所用的蚊子是美国疾控中心自繁的，没有安全风险。之后，Zuo改穿经过无香型洗涤剂清洗的长袖衣物，戴好手套和口罩，全副武装，静静站立，任凭大群蚊子团团包围自己。

Zuo的母亲参加其硕士学位论文答辩时，胡立德询问她如何看待儿子以身诱蚊的行为。母亲表示，感到非常自豪。

“我现在出去开会，其他人都会同情地看着我，说我被蚊子咬得太可怜了！”Zuo笑道，“一开始是说我要在房间里当靶子10分钟，后来延长到20分钟，为了不干扰蚊子飞行，我一动不能动！”

Christopher Zuo与蚊子接触后的手臂 | 图源：本人

破译蚊子飞行公式

数学家总是善于将复杂问题简化至其本质。费沉毅指出Zuo的身体结构过于复杂，不如用简单的模型代替真人——黑色泡沫球和二氧化碳。

研究一共设计了四种对照实验：第一种是无干扰自由飞行实验，不给蚊子任何外界引诱，摸清它们最原始的飞行习惯与活动规律；第二种单一信号引诱实验，分别用高对比黑球充当视觉吸引物以及释放和人类平稳呼吸等量的二氧化碳气味，来测试两种信号的吸引力；第三种组合信号实验，同时搭配视觉目标与二氧化碳气味，高度模拟人体散发出来的核心吸引信号；第四种真人实景实验，由实验人员穿上不同颜色的衣服充当真实宿主，直观验证研究结论在真实生活场景中的实际效果。

为了保证数据的统计效力、可靠性与可重复性，团队累计开展了20组独立、平行的控制实验，最终记录下超过5300万个时空数据点、40万条有效蚊子飞行轨迹，数据规模与时空精度均远超此前同类研究。这些轨迹并非简单的位置点序列，而是包含时间戳、三维坐标、速度矢量、加速度矢量的完整动力学数据集，为后续建模提供了前所未有的高质量数据基础。

在获得海量高质量轨迹数据后，如何从中提炼出简洁、可解释、可预测、可泛化的动力学模型，成为研究最核心的挑战。

团队选择贝叶斯动力学推理作为核心数学框架。这套方法相当于把概率判断和物体运动规律融合在了一起，就像顺着蛛丝马迹复盘真相，专门从杂乱繁多的观测数据里，反向摸清蚊虫这类生物的飞行活动规律。