温度变化对阿拉伯按蚊种群动态影响的建模研究：揭示气候变化与疟疾传播的新关联

《BMC Research Notes》：Modeling the variability of temperature on the population dynamics of Anopheles arabiensis

编辑推荐：本研究针对气候变化如何通过温度波动影响疟疾主要媒介阿拉伯按蚊(An. arabiensis)种群动态这一关键问题，构建了包含7个发育阶段(卵、4龄幼虫、蛹、成虫)的非自治微分方程模型。通过理论证明和实验数据拟合，发现当非自治基本再生数Rv>1时系统存在周期性正解，确定了14.55-34.35℃为发育阈值范围，32.57℃为最佳发育温度。该模型为预测气候变化下疟疾传播风险提供了量化工具。

　　

在热带和亚热带地区，疟疾仍然是威胁人类健康的主要虫媒传染病，而气候变化正通过温度波动深刻影响着疾病传播格局。作为非洲疟疾主要传播媒介，阿拉伯按蚊(Anopheles arabiensis)的种群动态对温度变化极为敏感，其从卵到成虫的发育过程涉及7个关键阶段：卵、4个幼虫龄期(L₁-L₄)、蛹和成虫。然而，现有研究多聚焦单一生命阶段或静态温度条件，缺乏对温度周期性变化下整个生命周期动态响应的系统研究。更关键的是，关于温度如何通过非线性方式影响阿拉伯按蚊各发育阶段的转换率和死亡率，仍存在显著的知识空白。

针对这一科学问题，来自埃塞俄比亚Jimma大学热带与传染病研究中心(TIDRC)的Ademe Kebede Gizaw团队开展了一项创新性研究。他们通过整合实验室观测数据和数学建模方法，首次构建了包含温度依赖性的阿拉伯按蚊全生命周期动态模型。这项发表在《BMC Research Notes》的研究，不仅揭示了温度对各发育阶段的差异化影响规律，更建立了预测气候变化下疟疾传播风险的理论框架。

研究团队采用了三种关键技术方法：首先在控制条件下开展阿拉伯按蚊全生命周期培养实验，记录14.55-34.35℃范围内各发育阶段的存活率和发育时间；其次建立包含7个 compartments（E, L₁-L₄, P, A_m）的非自治微分方程组，引入温度依赖的 logistic 生长函数；最后运用 Wang 和 Zhao 提出的周期系统理论计算非自治基本再生数 R_v，并通过拟合实验数据确定各参数的温度响应函数。

模型构建与理论分析部分，研究团队创新性地将温度波动纳入各发育阶段的转换过程。模型中的关键创新体现在：卵的产卵率b(T_a)和幼虫发育率β_Li(T_w)均表示为温度的三次多项式函数，如β_E(T_w)=0.0188T_w³+0.0202T_w²+0.0289T_w+0.1422。通过比较定理和一致持续理论，证明了当R_v<1时无病平衡点全局渐近稳定，而R_v>1时系统至少存在一个正周期解。

实验数据与参数拟合部分，研究揭示了温度对各发育阶段的非线性影响：阿拉伯按蚊的发育阈值范围为14.55-34.35℃，低于14.55℃或高于34.35℃时发育完全停止；所有发育阶段在32.57℃达到峰值发育速率；28.37-29.65℃时各阶段死亡率最低，而在15.62-16.62℃和31.55℃以上时幼虫死亡率显著升高。特别值得注意的是，蛹阶段在15.62℃和34.35℃呈现双峰死亡率特征，这与以往对冈比亚按蚊的研究发现形成有趣对比。

数值模拟结果直观展示了温度对种群动态的影响：在29.65℃以上温度条件下，未成熟阶段种群数量达到峰值；而低于14.55℃的温度对所有发育阶段均产生显著抑制作用。这些发现与Abiodun等2016年的研究结论相互印证，但本研究通过更精细的生命阶段划分提供了更全面的动力学洞察。

在讨论与结论部分，作者强调了该研究的双重意义：理论上，首次将阿拉伯按蚊完整生命周期与温度周期性变化相结合，建立了可分析的非自治动力学框架；应用上，模型能准确预测不同温度情景下的种群动态，为疟疾防控提供决策支持。研究特别指出，温度升高可能通过缩短幼虫发育时间（如32.57℃时发育速率最快）和增加成虫存活率双重机制提升传播风险。但同时也发现，极端高温（>34.35℃）反而会抑制种群增长，这一非线性关系对评估未来气候变化的影响至关重要。

该研究的创新性还体现在方法学层面：通过将实验室数据与数学模型紧密结合，既验证了理论预测的可靠性，又克服了纯统计模型外推能力不足的局限。正如作者指出，这种"实验-建模"双轨策略为研究气候-疾病系统提供了范式参考。当然，研究也存在一定局限，如尚未考虑湿度等其他气候因子的交互作用，这为后续研究指明了方向。

这项研究为理解气候变化与疟疾传播的复杂关系提供了重要科学依据。随着全球变暖持续，类似阿拉伯按蚊等热带病媒介的分布范围可能发生改变，而此类温度依赖的种群模型将成为预测疾病传播风险、优化防控策略的关键工具。Jimma大学团队的这项工作，不仅填补了阿拉伯按蚊温度敏感性研究的空白，更为全球疟疾防控提供了量化的决策支持框架。