Penyakit menular yang ditularkan oleh nyamuk—seperti malariademam berdarah, dan demam Zika—merenggut lebih dari 770.000 nyawa di seluruh dunia setiap tahunnya. Memahami caranya nyamuk menemukan manusia telah lama menjadi tantangan dalam mengendalikan penyebaran penyakit ini. Namun, masih sedikit yang diketahui tentang bagaimana nyamuk mengintegrasikan berbagai isyarat, termasuk informasi visual dan karbon dioksida, untuk mendekati targetnya.
Dalam konteks ini, tim peneliti yang dipimpin oleh Georgia Institute of Technology dan Massachusetts Institute of Technology telah berhasil secara otomatis menurunkan model dinamis yang mengatur penerbangan nyamuk dengan menerapkan metode statistik inferensi Bayesian pada sejumlah besar data yang merekam pergerakan nyamuk.
Inferensi Bayesian adalah teknik statistik yang secara probabilistik menentukan parameter model yang paling masuk akal dari data observasi. Dengan menggunakan metode ini, para peneliti dapat membangun model matematika yang dapat mereproduksi hasil eksperimen dengan akurasi tinggi sambil mengompresi perilaku nyamuk hingga kurang dari 30 parameter.
“Pertanyaan besarnya adalah, bagaimana nyamuk menemukan target manusia?” menjelaskan Cheng-Yi Fei, peneliti postdoctoral di MIT. “Ada penelitian eksperimental sebelumnya mengenai isyarat apa yang mungkin penting. Namun belum ada penelitian yang bersifat kuantitatif.”
Nyamuk Memiliki Dua Cara Terbang
Tim peneliti melepas dua ekor betina Aedes aegypti nyamuk ke dalam ruang percobaan tertutup dan mencatat jalur penerbangan mereka dalam waktu 0,01 detik menggunakan dua kamera inframerah. Data yang diperoleh dari total 20 percobaan melebihi 53 juta titik, dengan lebih dari 400.000 jalur penerbangan tercatat. Ini mewakili kumpulan data terbesar yang pernah dikumpulkan untuk penelitian yang mengukur penerbangan nyamuk secara kuantitatif.
Percobaan dimulai dengan memotret nyamuk yang terbang di sekitar subjek manusia yang mengenakan pakaian berwarna gelap. Pengamatan ini mengungkapkan hal itu Aedes aegypti nyamuk memusatkan pendekatannya pada kepala manusia. Ini adalah penemuan mendasar yang menjadi titik awal seluruh penelitian.
Selanjutnya, para peneliti bereksperimen dengan subjek berpakaian hitam di satu sisi dan putih di sisi lain. Mereka menemukan bahwa meskipun karbon dioksida dan bau badan dikeluarkan secara merata dari kedua sisi tubuh, lintasan terbang nyamuk hanya terkonsentrasi pada sisi yang berwarna hitam. Meskipun sekilas terlihat aneh, hasil ini dengan jelas menunjukkan bahwa rangsangan visual memainkan peran penting dalam pencarian target di lingkungan yang tidak berangin.
Lebih jauh lagi, analisis rinci terhadap nyamuk yang terbang di lingkungan bebas stimulan mengungkapkan bahwa pola terbang mereka secara umum dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis. Salah satunya adalah keadaan aktif, di mana mereka aktif menjelajahi ruang angkasa dengan tetap menjaga kecepatan kurang lebih 0,7 meter per detik. Yang lainnya adalah keadaan menganggur, di mana mereka terbang hampir tanpa menggunakan daya dorong. Keadaan idle dianggap sebagai tahap persiapan pendaratan dan lebih sering diamati di dekat langit-langit ruang percobaan.
Analisis respons nyamuk terhadap rangsangan visual mengungkapkan bahwa nyamuk tertarik pada benda gelap dan melambat ketika berada dalam jarak sekitar 40 sentimeter. Namun, tanpa petunjuk tambahan seperti bau badan, kelembapan, atau panas, nyamuk sering kali terbang menjauh bahkan setelah mendekati sasarannya. Hal ini menunjukkan bahwa rangsangan visual saja tidak cukup untuk menyebabkan pendaratan dan penghisapan darah.
Respons terhadap sumber karbon dioksida sangat berbeda. Nyamuk yang masuk dalam radius sekitar 40 sentimeter dari sumber karbon dioksida tiba-tiba melambat menjadi 0,2 m/s dan mulai terbang tidak menentu, bergoyang tanpa arah yang jelas. Simulasi numerik juga menunjukkan bahwa nyamuk dapat mendeteksi konsentrasi karbon dioksida serendah 0,1 persen dan jangkauan deteksinya mencapai sekitar 50 sentimeter dari sumbernya.
Selain itu, respons nyamuk berubah lebih dramatis ketika rangsangan visual dan karbon dioksida diberikan secara bersamaan. Nyamuk mulai mengelilingi target, dan secara signifikan lebih banyak nyamuk yang terkonsentrasi di dekat target dibandingkan saat stimulus digunakan sendiri.
Menurut para peneliti, perilaku ini tidak dapat direproduksi oleh model yang hanya menambahkan respons terhadap penglihatan dan karbon dioksida. Dengan kata lain, kemungkinan besar berbagai sumber sensorik saling mempengaruhi di otak.
Mengapa Nyamuk Mengincar Kepala Manusia?
Untuk menguji keakuratan prediksi model matematika, tim peneliti menggunakan subjek berpakaian putih dengan tudung hitam sebagai “bola hitam yang mengeluarkan karbon dioksida” untuk melihat seberapa baik model tersebut dapat mereproduksi distribusi nyamuk yang sebenarnya. Hasilnya, mereka berhasil memprediksi secara akurat sebaran kepadatan nyamuk di sekitar kepala manusia. Kepala manusia seringkali tampak gelap bagi nyamuk dan juga merupakan bagian tubuh yang banyak mengeluarkan karbon dioksida, menjadikannya tempat dua jenis rangsangan yang menarik nyamuk saling tumpang tindih.
Selain itu, untuk mengukur risiko gigitan nyamuk, para peneliti mengukur jarak di mana 50 persen lintasan mereka berkumpul di sekitar target, yaitu sekitar 65 cm tanpa rangsangan. Sebaliknya, dengan stimulus visual saja, jaraknya sekitar 40 cm; dengan karbon dioksida saja, sekitar 25 cm; dan dengan kombinasi visual dan karbon dioksida, jaraknya dikurangi menjadi sekitar 20 cm. Hal ini sekali lagi menunjukkan bahwa nyamuk cenderung mendekati manusia lebih dekat ketika berbagai rangsangan sensorik diterapkan.
Para peneliti percaya bahwa model matematika yang mereka kembangkan akan memungkinkan dilakukannya pra-simulasi dan optimalisasi desain perangkap nyamuk di komputer. Mereka juga berharap bahwa hal ini dapat diterapkan pada spesies nyamuk lain, termasuk Anopheles nyamuk yang menularkan penyakit malaria.
“Penelitian kami menunjukkan bahwa perangkap nyamuk memerlukan umpan multisensor yang dikalibrasi secara khusus agar nyamuk dapat bertahan cukup lama untuk dapat ditangkap,” mengatakan Profesor MIT Jorn Dunkel. Tim sekarang juga memiliki aplikasi web interaktif itu memungkinkan pengguna untuk mencoba model penerbangan dari semua nyamuk yang mereka pelajari.
Cerita ini pertama kali muncul di KABEL Jepang dan telah diterjemahkan dari bahasa Jepang.
