基于扫描电镜与闵可夫斯基泛函的按蚊翅形态分析：物种鉴别新策略及其在疾病控制中的意义

本研究针对按蚊物种形态相似性高、传统鉴别方法存在局限的问题，采用扫描电子显微镜(SEM)结合闵可夫斯基泛函(MFs)对Anopheles aquasalis与An. darlingi的翅表面纳米结构进行定量分析。结果表明两种按蚊在翅背腹面均存在显著形态差异，MFs参数（体积V、边界S、连通性χ）有效区分了物种特异性表面特征（如粗糙度、峰谷密度）。该研究为按蚊物种鉴别提供了高分辨率定量新方法，对理解按蚊适应性进化及疾病控制策略具有重要意义。

　　

在热带疾病控制领域，按蚊（Anopheles）作为疟疾的主要传播媒介，其精确物种鉴定一直是困扰研究人员的难题。传统形态学鉴别方法在面对形态高度相似的近缘物种时往往力不从心，特别是被称为"隐存种"（cryptic species）的按蚊种群，它们虽然形态上难以区分，但在遗传特征、生态习性和疾病传播能力上可能存在显著差异。这种鉴别困境直接影响了疟疾监测和防控策略的精准性。更令人担忧的是，随着全球气候变化和生态环境变迁，按蚊的分布范围和形态特征可能正在发生微妙但关键的变化，这使得开发高精度、可量化的物种鉴别技术变得尤为紧迫。

以往的研究主要依赖光学显微镜下的翅脉形态测量（wing morphometrics），虽然这些方法在一定程度上有效，但无法解析微米和纳米级别的表面结构特征。而这些微观结构可能恰恰承载着重要的生物学信息——从飞行空气动力学特性到表面疏水性，从感官功能到与环境因子的相互作用，这些特征都可能影响蚊虫的生存适应性和疾病传播效率。正是为了突破这一技术瓶颈，由Leandro Caio Correa Pinto领衔的研究团队在《The Journal of Basic and Applied Zoology》上发表了创新性研究成果，他们巧妙地将扫描电子显微镜（SEM）的高分辨率成像能力与数学形态学中的闵可夫斯基泛函（Minkowski Functionals, MFs）分析方法相结合，为按蚊物种鉴别开辟了全新的技术路径。

研究人员采用实验室培育的Anopheles aquasalis和Anopheles darlingi雌性成蚊（3-5日龄，未吸血）为研究对象，这些蚊虫来自Funda??o de Medicina Tropical Doutor Heitor Vieira Dourado的昆虫学单位，在严格控制的环境条件（26°C，70%相对湿度，12小时光暗循环）下饲养。通过分子生物学方法（COI DNA条形码）确认物种身份后，采集其右翅样本进行SEM分析。样本制备采用碳胶带固定，金溅射镀膜处理，在5 kV加速电压下获取背腹面高分辨率图像（2560×2048像素，8位灰度），包括37×、1300×和30000×等多级放大图像。形态学定量分析通过Gwyddion 2.59软件完成，依据ISO 25178-2:2012标准，计算闵可夫斯基泛函的三个核心参数：体积（V，反映表面起伏程度）、边界长度（S，表征轮廓复杂度）和欧拉特征（χ，描述拓扑连通性）。

翅表面纳米结构形态特征

SEM显微图像清晰揭示了两种按蚊翅表面的精细结构差异。在低倍镜（37×）下，可观察到鳞片（scales）主要集中分布在翅脉和边缘区域，而长毛状结构（hairs）则遍布整个翅面（图2a-b）。在高倍镜（30000×）下，纳米级结构特征显现出显著的种间差异：An. darlingi在背腹面均表现出丰富的圆形突起结构（rounded protuberances），而An. aquasalis则呈现更为细微的波纹状起伏（subtle undulations）。这些差异通过三维重建图像得到进一步直观展示（图2c-f插图）。

闵可夫斯基泛函定量分析

MFs分析揭示了两种按蚊翅表面在数学形态学上的本质差异（图3）。体积功能（V）曲线显示An. aquasalis背侧面（AaFD）具有最高的表面起伏度，而其腹侧面（AaFV）则呈现最低值，表明该物种翅表面存在更显著的峰谷结构；相比之下，An. darlingi背腹面（AdFD/AdFV）的V曲线几乎重叠，提示其表面结构具有高度对称性。边界长度功能（S）分析表明An. aquasalis具有更宽的边界分布范围，反映其表面高度变异性更大；而An. darlingi则呈现较窄的边界分布，对应其更光滑均匀的表面特性。连通性功能（χ）曲线进一步证实了两种按蚊在拓扑结构上的分化：An. aquasalis表现出更尖锐的峰值和更宽的峰值范围，指示其表面具有更复杂的连通组件和黑白像素交替模式。

研究结论与讨论部分强调，这种翅表面纳米结构的差异可能反映了两种按蚊对不同生态环境的适应性进化：An. aquasalis主要分布于沿海环境，其更复杂的表面结构可能增强其疏水性以适应高湿度环境；而An. darlingi作为森林物种，其光滑表面可能优化其飞行效率。从技术层面看，SEM与MFs的结合首次实现了对按蚊翅表面微纳结构的定量化、数学化描述，克服了传统形态学分析的主观性和分辨率限制。该方法不仅为按蚊物种鉴别提供了可靠的新工具（尤其是对形态相似物种的区分），更重要的是为理解翅表面结构与功能关系开辟了新视角——这些纳米结构可能影响蚊虫的飞行动力学、环境交互能力甚至病原体传播效率。

研究的创新性在于将源于统计物理学的闵可夫斯基泛函引入昆虫形态学研究领域，建立了生物表面特征与数学描述之间的桥梁。未来研究可进一步拓展至野外种群分析、两性形态比较以及功能验证实验（如空气动力学性能、表面润湿性测试等）。这项研究不仅对疟疾防控具有实际应用价值，其方法论框架也可推广至其他医学昆虫甚至更广泛的生物表面表征研究领域，为理解生物结构与功能的关系提供普适性研究范式。