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数学家“解剖”喷嚏与咳嗽流体机制以了解传染病

 请问你是怎样让研究对象恰好在那个时候打喷嚏呢?

  麻省理工学院的Lydia Bourouiba利用数学模型研究喷嚏液滴如何传播。图片来源:Courtesy of L. Bourouiba

  那么,请问你是怎样让研究对象恰好在那个时候打喷嚏呢?

  “这个问题被问到过很多次。”Lydia Bourouiba笑着说。方法出乎意料地简单:用一个小木棒之类的东西连续轻挠受试者的鼻孔几秒钟,一会儿他们就会——“阿嚏!”

  对于数学家与流体力学家Bourouiba来说,这样的喷嚏就是回报。她和美国剑桥市麻省理工学院的同事会利用一到两个每秒成千上万帧的高速摄像机,详细记录打喷嚏后的余波。然后,他们会通过慢动作回放这一过程,录像显示嘴里喷出的唾液和黏液薄雾会分裂成水滴状,然后所有的水滴会形成躁动的雾气。

  Bourouiba通过这种方式采集的视频让她可以研究喷嚏液滴的直径以及传播速度等,这些数据可以使她进一步了解这些携带病毒和其他病原体的粒子如何传播给下一个宿主。她的研究表明,喷嚏与咳嗽形成的粒子能够在大多数的屋子范围内传播,甚至能够向上传播至通风井道,这表明那些液滴中的微生物会比现有理论认为的传播得更远、更久。

  Bourouiba表示,她的最终目标是用物理和数学方式研究疫病和公共健康。她表示,为了设法控制疾病猖獗地传播,“我们希望基于实验室的科学证据提出建议”。

  流体“暴力”事件

  Bourouiba在加拿大蒙特利尔麦吉尔大学当研究生期间曾攻读流体机制,随着对湍流理论问题的关注度越来越集中,她的兴趣日益浓厚。随后,她于2008年完成了流体动力学方面的博士研究。此后,她在多伦多约克大学做博士后期间将目标定位于数理流行病学,正是在那里,她开始研究关于打喷嚏和咳嗽的问题。

  正如Bourouiba在一篇论文中所说的,这些“暴力呼吸事件”是呼吸道疾病传播的主要方式之一。但是它们究竟如何传播呢?通常的流行病研究以人们被感染时的工作和活动背景为基础,以此评估一种疾病如何传播。比如,患者接触到疾病是通过直接的人与人接触的方式吗?他们是否通过握住感染病菌的手,或是通过接触被污染的表面如门把手而感染?还是通过从一个人的呼吸道飞出的大液滴经过短途跳跃后进入另一个人的呼吸道,或是通过悬浮在空气中的可传播更远的更小的气溶胶粒子感染的?或者其传播方式是这些模式的组合体?

  这些研究帮助科学家了解到,麻疹通常由气溶胶传播,而埃博拉主要通过直接接触感染者的体液传播。但对于很多病原体来说,其传播仍有许多不确定性。因此阻碍了公共卫生官员在疫情暴发时控制疾病传播的能力,以及应对未来疫情的准备能力。例如,非典型性肺炎(SARS)被认为主要通过亲密接触传播,然而2003年的疫情表明,至少一些病例会通过空气传播。一些研究人员认为,埃博拉病毒在某种程度上也可能通过空气传播。

  在约克大学期间,Bourouiba认识到,这些不确定性能够通过搞清打喷嚏和咳嗽的一些关键物理学细节而被降低,而常规的疾病传播模式则忽视了这些内容。

  2010年,麻省理工学院的一项博士后任务使她有机会用翔实的数据填充那些空白。在那之前,她一直在进行理论性的研究,直到彼时她才投入了实验性研究,学习通过高速摄像机和光线捕捉一个喷嚏的细枝末节。“数学家在实验室中常常会感到不舒服。”Bourouiba在麻省理工学院的导师、流体力学家John Bush说,“但Lydia却非常喜欢它。”

  悬浮的云雾团

  Bourouiba尤其想确定的一点是口中喷出的液滴的大小,这会影响到一颗液滴中含有多少微生物以及它能在空气中传播多远。

  在2014年发表的第一篇实验成果中,她研究了喷出的整个液滴。Bourouiba在麻省理工学院张贴告示招募志愿者,并采集了大约10名健康人的咳嗽和喷嚏样本。她录制的视频表明,那些液滴以一种湍急、活跃的云雾形式从嘴中喷射而出。这团“云雾”在进入周围的空气后逐渐扩大、速度变缓,使液滴升起并远离打喷嚏者。

  Bourouiba将视频线索输入数学模型后,总结认为由于“云雾”的动力学特征,打喷嚏时根据周围的环境状态,很多较大的液滴能够传播8米,咳嗽时液滴可传播6米,并可在空气中悬浮10分钟,这一距离足够远,足以抵达一个大房间另一头的一个人,更不用说是天花板上的通风系统。

  这一结论对卫生工作人员有重要意义,亚特兰大艾莫利大学传染病流行病学家James Hughes说。如果一种疾病被认为能够传播一到两米,医疗人员会认为他们在该范围外是安全的。“我认为我们可能需要对此更慎重一点。”他说。

  在Bourouiba接下来的一个实验中,她将镜头聚焦在距离嘴部更近的地方,拍摄150毫秒长的喷嚏。从喷嚏上部和侧面拍摄的每秒8000帧的视频显示,液滴会分步骤破碎,就像好莱坞制作的慢动作爆炸一样:液滴从嘴部喷出时呈薄片状,然后在气流拉伸下破裂并形成环形。环形破碎后会留下细丝,细丝上会附着小液珠,它们随后会拉长、破裂,最终形成液滴。

  液体在嘴外会发生如此多的过程,这项发现让Bourouiba感到惊奇,这与普遍流行的观点相反,后者认为液滴在喷出嘴外时已完全形成。亚特兰大佐治亚大学数学流行病学家Gerardo Chowell认为这项发现非常重要,它意味着液滴的形成会受到湿度和温度等周围环境的强烈影响。这有助于解释为什么诸如流感等疾病在一些年份会出现得更加频繁,他补充说,这可能是因为周围的环境支持了特定微生物的传播和生存。

  下一步的研究

  去年的一次背部受伤阻止Bourouiba进行更加雄心勃勃的户外活动。但是她和团队正在准备转入一个新建的生物安全Ⅱ级防护实验室,这使得他们不仅能够研究健康受试者的喷嚏和咳嗽,还可以对感染风寒、感冒的患者展开研究。为了给相关研究作准备,她聘请了一名微生物学家,帮助团队了解液滴中的微生物负载以及病原体在空气中或物体表面能传播多久,同时具有感染力。

  回答这些问题非常关键,Hughes说。“我们需要了解更多关于液滴中各种大小的微生物的集中程度以及这些病原体致病时的感染剂量。”防护实验室还能让Bourouiba控制空气的流通、温度以及湿度,这样她就能模仿医院、飞机或是热带,探索喷出的液滴在环境中的行为。

 

 

      Bourouiba的终极目标是将所有的数据编纂到一个能够被公共卫生官员使用的数学模型中,以此分辨液滴的传播路径以及如何减少疾病的传播风险。例如,该模型可能显示污染的最大风险是来自于空气还是物体表面,或者如何改变空气的流动或温度,从而降低医院的传播风险。它可以预测个人是否处于“高级传播者”的高风险中,因此应该被迅速隔离。

  对于Bourouiba来说,其中的一个职业风险是很难逃离自己的工作:无论何时,当她在飞机上或是教室中听到打喷嚏声,都会忍不住想到空气中飞舞着的液滴。尽管她并不能管住那些液滴,但它们却可以提醒她为什么在研究生阶段会如此迷恋流体机制:因为流体无所不在。

  一名学生曾一度警告她,她的录像可能会让自己拥有“喷嚏女士”的称号,但她表示并不介意。“如果人们因为幽默而对这个话题产生兴趣,那么我对此没有任何问题。”Bourouiba说。(红枫)

 

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