交互式多途徑中國蚊蟲屬級檢索鑒定系統(tǒng)

楊天賜，Pradya SOMBOON，廖靜

（1.杭州國際旅行衛(wèi)生保健中心/杭州海關(guān)口岸門診部，杭州 310012；2.清邁大學(xué)醫(yī)學(xué)院寄生蟲研究室，泰國 清邁 50200）

蚊蟲是重要的吸血昆蟲，也是重要的檢疫昆蟲，其中不乏許多外來入侵種，包括19世紀(jì)50年代由非洲侵入亞洲的埃及伊蚊（Aedes aegypti）、19 世紀(jì)90 年代末從亞洲入侵美國夏威夷的白紋伊蚊（Ae.albopictus）等[1]，因此，對于中國海港、陸港、空港口岸衛(wèi)生檢疫工作者而言，如何有效完成入境截獲蚊蟲的形態(tài)學(xué)鑒定[2]至關(guān)重要。

早在2001 年，法國科學(xué)家SCHAFFNER 等[3]就開發(fā)了CD-ROM 單機(jī)版歐洲蚊蟲分類鑒定系統(tǒng)“The Mosquitoes of Europe”，開創(chuàng)了交互式在線智能鑒定蚊蟲的先河，也即通過互聯(lián)網(wǎng)（Internet）進(jìn)行線上鑒定。該系統(tǒng)雖然在蚊種鑒定時(shí)能夠提供多個(gè)形態(tài)特征選擇項(xiàng)，但需要很強(qiáng)的專業(yè)性，而且只能在Windows 98 或2000 英文操作系統(tǒng)下安裝運(yùn)行，不適合在國內(nèi)推廣應(yīng)用。

Lucid 軟件由澳大利亞昆士蘭大學(xué)開發(fā)，在昆蟲形態(tài)學(xué)分類上的應(yīng)用最早始于21 世紀(jì)（http://lucidcentral.org）[4]，如浙江大學(xué)昆蟲科學(xué)研究所分別于2002年和2006年在國內(nèi)率先開發(fā)的基于Lucid植物檢疫信息管理與輔助決策系統(tǒng)[5-6]，但在國內(nèi)蚊科上的應(yīng)用始見于2019年[7]。近年來，Lucid已廣泛應(yīng)用于鞘翅目[8]、雙翅目[9]、半翅目[10]、膜翅目[11]和螳螂目[12]等昆蟲的形態(tài)分類上。與傳統(tǒng)的二項(xiàng)式（圖解）檢索表相比，Lucid具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能和可視化操作界面，用戶可以通過數(shù)據(jù)庫里儲存的高清相片和生物多樣性基本信息描述，尤其是對于形態(tài)不完整、肢體破損等檢疫截獲的標(biāo)本在圖像識別與信息比對的協(xié)助作用下完成在線鑒定，即使是非專業(yè)人士也能通過“Key”完成在線鑒定任務(wù)?？傊?，交互式多途徑檢索表無疑給用戶帶來了更加直觀的檢索體驗(yàn)，尤其是對于全新修訂后的中國蚊科分類系統(tǒng)[13-16]，具有非常重要的借鑒作用。本文主要利用Lucid系列軟件，完成中國蚊蟲屬級交互式檢索表的繪制和在線發(fā)布，以期為用戶提供更加便捷的在線圖像比對與識別，從而確保鑒定結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

1 材料與方法

本文中交互式蚊屬鑒定系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1 交互式蚊屬鑒定系統(tǒng)框架圖Fig.1 Framework diagram of interactive identification system for mosquito genera

1.1 蚊科分類系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建

打開生物多樣性自動(dòng)化建庫軟件Fact Sheet Fusion v1.0（Identic Pty.Ltd.，澳大利亞）[17]，點(diǎn)擊左下角“Entities”菜單欄，按照“亞科-族-屬-代表種”4級階元[18-19]依次錄入，在左上角“Topics”文檔中，將每個(gè)蚊屬按“詞源內(nèi)涵、中文譯名、拉丁名縮寫、生態(tài)習(xí)性、醫(yī)學(xué)重要性”等有關(guān)內(nèi)容依次錄入，以“*.Fusion”格式保存，自動(dòng)批量化生成每個(gè)蚊屬詳細(xì)的基本信息頁面，并形成超文本標(biāo)記語言（hypertext markup language,HTML），構(gòu)建中國蚊科分類系統(tǒng)最新基本信息數(shù)據(jù)庫。同理，構(gòu)建蚊科“屬-亞屬”或“亞屬-種”基本信息數(shù)據(jù)庫。

1.2 多途徑蚊蟲矩陣檢索表的繪制

利用國際流行的昆蟲分類診斷軟件Lucid Professional v3.5（Identic Pty. Ltd.，澳大利亞），在“Builder”組件左側(cè)“Features Zone”特征工作區(qū)，依次按照雌蚊“頭、胸、腹”3 部分（不涉及雄蚊尾器和幼蟲鑒定），按“二叉平行模式”將每個(gè)蚊屬關(guān)鍵特征逐一羅列于該結(jié)構(gòu)名稱下，每個(gè)“Features”又細(xì)分成2個(gè)子項(xiàng)，依此類推，從而將“頭、胸、腹”逐層劃分成若干個(gè)多元“Features”和子項(xiàng)，并將相關(guān)圖片或HTML鏈接于“Features”和子項(xiàng)下。

同時(shí)，在Lucid右側(cè)“Entities Zone”對象工作區(qū)，按照“亞科-族-屬-代表種”4級階元，羅列出待檢索的“Entities”蚊屬名錄，然后將“Entities”中的每個(gè)蚊屬逐一與其相應(yīng)的“Features”和子項(xiàng)進(jìn)行多重交互關(guān)聯(lián)，從而使單個(gè)蚊屬通過多條特征途徑完成分類檢索診斷，也即形成所謂的交互式多途徑檢索表。

除本實(shí)驗(yàn)室專屬圖片外，本系統(tǒng)所有圖片分別來自歐美等一些國家最新分類鑒定網(wǎng)站[20]、書籍與期刊等。

1.3 蚊蟲分類診斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)（Web版）的發(fā)布

待上述Lucid Professional v3.5 和Fact Sheet Fusion v1.0 創(chuàng)建完成后，利用分類診斷網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)Lucid Key Server v1.0（Identic Pty. Ltd.，澳 大 利亞）將交互式蚊蟲檢索表發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要采用阿里云服務(wù)器，用戶可根據(jù)自身現(xiàn)有的標(biāo)本、圖片等進(jìn)行在線檢索與鑒定。

2 結(jié)果與分析

2.1 蚊科分類系統(tǒng)屬級基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

在用Fact Sheet Fusion v1.0 構(gòu)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，本分類系統(tǒng)主要采用英美等國普遍認(rèn)可的傳統(tǒng)復(fù)合分類系統(tǒng)[1,21-23]：世界蚊科分為按蚊亞科（Anophelinae）和庫蚊亞科（Culicinae），共11 族41 屬188 亞屬3 598 種；我國現(xiàn)有2 亞科10 族21 屬59 亞屬400余種（表1），蚊屬數(shù)約占世界總屬數(shù)的1/2，亞屬數(shù)約占世界總亞屬數(shù)的30%，但蚊種數(shù)不及世界總種數(shù)的15%。另外，不同蚊屬與亞屬名稱縮寫參考REINERT[24]、WILKERSON等[25]和在線世界蚊蟲分類名錄（http://mosquito-taxonomic-inventory.info）[26]；同時(shí)，對以拉丁語、希臘語、人名、地理分布、生境等詞源命名的亞屬漢譯名[23]重新進(jìn)行了規(guī)范整理。

2.2 中國蚊蟲交互式檢索表

如 圖2 所 示，在Lucid Professional v3.5 軟 件“Features”工作區(qū)，參照國內(nèi)外蚊科形態(tài)學(xué)分類工具書[18-19,21]，按“頭、胸、腹”結(jié)構(gòu)順序，將蚊蟲頭部特征細(xì)分為喙、頭頂、觸須、觸角。其中：喙部特征按其與前足股節(jié)長短、喙末端是否彎曲與膨脹、喙細(xì)直程度又分為4個(gè)子項(xiàng)；根據(jù)觸須與喙的長短和比值，又將觸須分為2 個(gè)子項(xiàng)。同理，胸部特征包括中胸盾片、小盾片、翅、胸部側(cè)面、足等，共涉及上腋瓣、翅瓣、徑脈、中胸后側(cè)片、前胸前背片、氣門鬃、氣門后鬃、跗節(jié)等23 個(gè)子項(xiàng)。腹部分為腹部第Ⅷ節(jié)、腹部第Ⅸ節(jié)、背板鱗片3 個(gè)子項(xiàng)。通過以上方法形成的交互式檢索表共包含34個(gè)備選特征、68個(gè)子項(xiàng)和89張典型圖片。在“Entities”待檢索名錄中，主要收錄有按蚊亞科和庫蚊亞科2 亞科10 族21 屬以及阿蚊亞屬和厲蚊亞屬2亞屬（表1）。其中：按蚊亞科僅按蚊屬1 屬，庫蚊亞科主要包括伊蚊族（伊蚊屬、阿蚊屬、領(lǐng)蚊屬、尤蚊屬和奇陽蚊屬）、庫蚊族（庫蚊屬和路蚊屬）、脈毛蚊族（脈毛蚊屬）、費(fèi)蚊族（費(fèi)蚊屬和小蚊屬）、霍蚊族（霍蚊屬）、曼蚊族（軻蚊屬和曼蚊屬）、直腳蚊族（直腳蚊屬）、煞蚊族（金蚊屬、鉤蚊屬、局限蚊屬和杵蚊屬）、巨蚊族（巨蚊屬）和藍(lán)帶蚊族（藍(lán)帶蚊屬）。原阿蚊族（Armigerini）和原軻蚊族（Coquillettidiini）予以撤銷，將阿蚊屬移入伊蚊族，原軻蚊屬移入曼蚊族，原小蚊屬劃入費(fèi)蚊族，原霍蚊屬從煞蚊族中分離出來，成立新的霍蚊族。

圖2 中國蚊蟲屬級交互式多途徑檢索示意圖Fig.2 Schematic diagram of interactive multiplex key to mosquito genera in China

表1 中國蚊科最新屬級分類一覽表Table 1 Checklist of the current taxonomy of mosquito genera(Diptera:Culicidae)in China

表1（續(xù)） Continuation of Table 1

在新分類系統(tǒng)中，除奇陽蚊屬、路蚊屬和金蚊屬為新增蚊屬外，伊蚊屬分類變化最大，由原先的14 個(gè)亞屬變更至27 個(gè)亞屬，其余17 個(gè)蚊屬變化基本不大。

在本檢索表中，由于阿蚊亞屬（Armigeres）和厲蚊亞屬（Leicesteria）雌蚊觸須和氣門后鬃有明顯的差異，所以阿蚊屬又分為2個(gè)亞屬。另外，伊蚊屬的分類也較為復(fù)雜，根據(jù)“氣門后鬃”的有無，將其分為2個(gè)部分。

2.3 蚊蟲在線智能鑒定

利用Lucid Key Server v1.0將創(chuàng)建完成的交互式蚊蟲檢索表發(fā)布至互聯(lián)網(wǎng)。打開“重要吸血昆蟲交互式智能鑒定系統(tǒng)”在線網(wǎng)頁（http://medentomology.top），選擇“蚊科”跳轉(zhuǎn)至種類鑒定頁面（試用版），整個(gè)頁面分為“備選特征-已選特征-保留對象-排除對象”4 大版塊。用戶可以根據(jù)自身現(xiàn)有圖片或所掌握的標(biāo)本信息，任意瀏覽系統(tǒng)左上角“備選特征”中的“頭、胸、腹”等關(guān)鍵部位圖片或子項(xiàng)信息，隨機(jī)選擇34 個(gè)備選特征中任一子項(xiàng)，在左下角“已選特征”中將自動(dòng)顯示用戶已經(jīng)選中的特征子項(xiàng)條目或圖片，后臺也將自動(dòng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)與匹配，并根據(jù)系統(tǒng)提供的每個(gè)物種的“唯一或最佳性狀”，在現(xiàn)有“Entities”的21屬和2亞屬中逐一篩選和匹配，最后在界面的右上角顯示為“保留對象”（即顯示為具體檢索蚊屬或代表種），表明用戶待檢標(biāo)本為何種蚊屬，同時(shí)，在右下角顯示所有被“排除對象”（即排除干擾蚊屬或代表種），這樣就可以在線完成21 屬蚊蟲形態(tài)鑒定。另外，根據(jù)Fact Sheet Fusion v1.0提供的基本信息數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)一步快速瀏覽每個(gè)蚊屬外部形態(tài)特征、鑒定技術(shù)要點(diǎn)、生態(tài)習(xí)性、醫(yī)學(xué)重要性、現(xiàn)有種類數(shù)量等詳細(xì)信息。

3 討論與結(jié)論

本研究構(gòu)建的蚊科分類系統(tǒng)作為檢疫昆蟲信息平臺的一個(gè)分支，其中最重要的一環(huán)是必須掌握國內(nèi)外現(xiàn)有蚊科分類[1,21,23]最新動(dòng)態(tài)，按照國際蚊蟲最新分類如英國自然博物館蚊媒分類名錄和國際上一些知名數(shù)據(jù)庫[20,26]構(gòu)建基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)庫，這也是中國蚊蟲交互式多途徑檢索表開發(fā)的重要一步。本分類系統(tǒng)不僅融合了國外最新理念，也延續(xù)了中國特色的分類層級，特別是對于伊蚊屬，建議將國際上新增的許多亞屬仍列于伊蚊屬名錄下。

本研究建立的交互式多途徑智能鑒定系統(tǒng)不僅為初學(xué)者或蚊蟲工作者提供了單個(gè)蚊種鑒定所需要的關(guān)鍵鑒別特征信息，也提供了大量相關(guān)附加圖片、HTML 動(dòng)態(tài)鏈接和基本信息數(shù)據(jù)庫，為今后識別輸入性重要蚊種提供了最為有效的鑒定工具，也為新發(fā)或再發(fā)蚊媒傳染病傳播媒介監(jiān)測提供了技術(shù)保障。在前期開發(fā)過程中，我們試圖在“Entities Zone”對象工作區(qū)將中國蚊科常見種羅列在一個(gè)“Key”上，然而對應(yīng)的備選特征和子項(xiàng)高達(dá)70 余項(xiàng)，導(dǎo)致Lucid Professional v3.5數(shù)據(jù)矩陣難以將有些蚊屬或種類完全分開，尤其是對外部形態(tài)差異甚微的相似種與近似種。而美國同行則在“Entities Zone”中僅涉及“屬”或“種”[20]，從而確保在每個(gè)獨(dú)立的“屬”或“種”檢索表中數(shù)據(jù)矩陣演算更簡捷，更易于區(qū)分出不同的“屬”或“種”，但該檢索表無法顯示“科-屬-種”層級關(guān)系。因此，本文按“亞科-族-屬-代表種”首先編制“Genus Key”，再根據(jù)“屬-亞屬”編制“Subgenus Key”，最后再編制“Species Key”，這樣形成的檢索表層次分明、相互貫通，為今后蚊蟲智能在線鑒定系統(tǒng)的升級改造提供了重要的參考依據(jù)。

盡管Lucid在國內(nèi)外蚊科分類鑒定上的應(yīng)用還未全面推廣，但與傳統(tǒng)的二項(xiàng)式（圖解）檢索表相比，基于Lucid 的交互式檢索表不僅可以用于網(wǎng)頁版，也支持手機(jī)版應(yīng)用程序（App），它不但克服了傳統(tǒng)形態(tài)分類與種類鑒別中相關(guān)術(shù)語與部位特征晦澀難懂的問題[21,30]，而且提供了非常直觀的在線鑒別圖片，初學(xué)者即使沒有很強(qiáng)的分類學(xué)知識，也能按圖索驥完成鑒定。

本項(xiàng)研究對于近緣種或相似種等的鑒別也起到了非常重要的輔助作用，尤其是有助于口岸一線查驗(yàn)人員及時(shí)識別與截獲在口岸捕獲到的蚊蟲，為今后新發(fā)或再發(fā)蚊媒傳染病重要傳播媒介的形態(tài)鑒定提供了較為有效的工具。