綿羊的氣候變化,遷徙和致命疾病如何改變我們對流行病的理解?

綿羊的氣候變化,遷徙和致命疾病如何改變我們對流行病的理解?

圖片來自Quang Nguyen Vinh Pexels

一個新的病原體進化框架使世界比我們以前認為的更容易遭受疾病暴發,但是它也揭示了我們如何預測和緩解下一個疾病的新見識。

.數千年來,一種未知的病毒在南非的野生反芻動物中悄悄徘徊。 Kudu。 長頸鹿。 Cape Buffalo。 該病毒由一種叫庫庫科伊德斯(Culicoides)的叮咬蚊子傳播,與宿主和諧共存,很少引起疾病,直到18世紀末農民開始從歐洲進口純種美利奴綿羊。 當然,綿羊也是反芻動物,而且不久之後(因為它可以傳播),這種病毒就進入了。然而,與他們的本地同行不同,這些新來者沒有機會產生任何抵抗力。 法國動物學家FrançoisLevaillant也在牛身上發現了這種疾病。 在1780年代穿越好望角時,他首先記錄了他在南非荷蘭語中所說的“舌頭病”或“ tong-sikte”的臨床症狀,並指出“舌頭出現了巨大的腫脹,然後填充了舌頭”。整個嘴和喉嚨; 而且動物每時每刻都有被窒息的危險。

但是事實證明,進口羊毛特別容易受到影響。 這種疾病逐年持續,十年又十年持續下去,每年夏天都有新的雞群爆發。 1905年,駐紮在南非Grahamstown的政府獸醫James Spreull發表了關於牧羊人當時稱之為“藍舌病”的第一項主要研究。 他寫道,比起其同名症,更常見的是出現其他症狀:發燒,發燒反复無常,口腔起泡,嘴唇腫脹,黏液過多。 經常腹瀉。 足部病變。 消瘦。 在他的報告中,雞群內的死亡率從不到5%到30%不等,但他寫道:“對農民的損失,……實際上死去的綿羊的數量並沒有很大大部分羊群遭受疾病的損失。”

這位獸醫認為這種疾病是“南非特有的”,但在1943年,該病毒在塞浦路斯得以散播。 1956年,它橫掃了伊比利亞半島。 在1960年代中期,世界動物衛生組織(OIE)將藍舌病歸類為可傳播的“ A類名單”疾病,擔心它會在整個南歐傳播。 然後,它蔓延到歐洲南部和地中海,從希臘群島到至少其他2005個先前未感染的國家。 到XNUMX年,這次疫情已經殺死了超過XNUMX萬隻綿羊,科學家開始聯繫各個環節,將氣候變化歸咎於擴大了禽流感的傳播範圍和傳播季節 墨西哥鱷,非洲蚊。

IBM Research的數據科學家Anne Jones說:“要使分佈在大型水域中的新種群建立在新的位置,您既需要風能運輸,又需要合適的氣候和環境條件。”這種疾病。“因此,氣候變化使向溫暖地區擴展的可能性更大。”

庫米科伊米科拉(Culicoides imicola)

當藍舌病病毒從圖中所示的稱為Culicoides imicola的蚊子躍遷到歐洲本土的蚊子時,這種疾病的傳播範圍就大大超出了先前的預測。 圖片由Wikimedia的Alan R Walker提供,授權使用 CC BY-SA 3.0

但是,當第二年夏天它到達北歐,最終從荷蘭行進到斯堪的納維亞半島南部時,研究人員發現了一些出乎意料的事情:該病毒也跳到了原生蚊蟲上, 傳播疾病的範圍遠遠超出任何氣候模型所能預測的範圍。 到2010年,歐洲各地的一系列強制性疫苗接種計劃最終消除了這種流行病,但是僅僅五年之後,藍舌病在法國,後來的德國,瑞士等地又重新流行了。 隨著世界的變暖,為該病毒創造更合適的棲息地,幾乎每個模型都表明藍舌病暴發僅在過去的二十年中就造成了數十億美元的損失,並且在今後幾年中其範圍,頻率和持續時間可能會增加來。

內布拉斯加州大學州立博物館哈羅德·W·曼特寄生蟲學實驗室的高級研究員丹尼爾·布魯克斯說:“藍舌頭的故事表明,在全球貿易和旅行加劇的氣候變化背景下,疾病如何容易出現。” “地球是等待發生進化事故的雷區。”

歡迎來到新出現的傳染病危機。

一場完美的風暴

藍舌。 非洲豬瘟。 西尼羅河。 登革熱。 流感。 禽流感。 Zika。 埃博拉病毒。 MERS。 霍亂。 炭疽病。 小麥銹病。 萊姆病。 瘧疾。 恰加斯非典。 而現在,Covid-9的標價至少為19萬億美元,有近一百萬的生命。 困擾著從人類到農作物和牲畜的一切事物的新興傳染病(EID)清單還在繼續。 等等。 等等。 其中一些疾病是全新的或以前未被發現的; 其他人(例如藍舌病)是屢犯者,在新主人或新環境中爆發。 有些是高致病性的,有些則不是。 您會認識到很多,但大多數(除非他們親自感染了您或您所愛的人,或者您所依賴的食物或水),否則您不會意識到。

2019年XNUMX月,布魯克斯和另外兩位寄生蟲學家埃里克·霍伯格(Eric Hoberg)和沃爾特·博格(Walter Boeger)發表了 斯德哥爾摩範式:氣候變化與新興疾病。 該書對病原體與宿主之間的關係有了新的理解,從而解釋了我們目前對EID的衝擊-生態研究中心主任,匈牙利科學院院士EörsSzathmáry稱氣候危機為“被低估的後果” 。

作者指出,EIDs每年已經花費大約1萬億美元,儘管像Covid-19這樣的大流行病,而且它們一直在變得越來越頻繁。 “很簡單,”布魯克斯說。 “通過將氣候變化與人類推向野地,然後再將野地推向地球,然後進行全球旅行和全球貿易相結合, 繁榮,速度非常快。”

研究人員寫道,縱觀地球的整個歷史,氣候變化和環境破壞的發作與新出現的疾病,散佈超出其自然範圍的生物以及將新的病原體引入易感宿主有關。 例如,上次冰河時代的退縮,使阿拉斯加的大部分地區從乾旱的草地生態系統變成了灌木叢的濕地,吸引了駝鹿,人類和其他更北部的物種,使他們不知不覺地暴露於一系列新的病原體中。 從這個意義上講,人為的全球變暖沒有根本的不同。 森林被夷為平地。 永久凍土融化。 發生歷史性乾旱。 但是,全球化和城市化進程的加劇,通過取代更多物種,開闢更多途徑感染新宿主(如非洲的美利奴綿羊)和新的媒介,擴大了這些影響。 在正常的一年裡,飛機和貨船現在每天在世界各地運送數百萬人和無數物種,將病原體運送到新的且經常好客的地方。 換句話說,當前大量的傳染病並不是一個全新的現象。 但是在作者所說的氣候變化和全球化的“完美風暴”的刺激下,它可能比以前的情節更糟,這是現代人類直接見證的情節。

30萬年差異

根據Konrad Lorenz進化與認知研究所的科學總監Guido Caniglia所說, 斯德哥爾摩範式 是“有史以來進化生物學與可持續性交叉領域最重要的作品之一。” 但是,為了理解它的重要性以及作者的突破如何重塑控制EID危機的努力,它有助於理解這些概念最終是如何融合在一起的。

當布魯克斯在1970年代後期首次作為年輕的寄生蟲學家開始他的職業生涯時,對於這種對病原體-宿主關係的新認識至關重要的“系統發育系統學”領域仍然存在很大爭議。 將系統進化學視為類固醇的家譜,這是一種利用可觀察的祖先特徵來揭示共同祖先的物種進化史的方法。

“我的第一任妻子與我離婚,部分原因是其他一名博士後說:'這傢伙永遠都不會找到工作。' 那是有爭議的,”布魯克斯說。 “但是使用這些技術向我展示的是,有寄生蟲在四處移動或改變宿主,而原本就不應該這樣。”

像他之前的許多人一樣,他已經被訓練成將病原體與宿主的關係視為高度專業化的單位,事實上,如此專業化,病原體無法在沒有幸運突變的情況下偏離其原始宿主。 如此專業,以至於進化史-又名 系統發育 -從理論上講,病原體應與宿主的相像。 霍伯格說,直到今天, 現在是新墨西哥大學西南生物學博物館的兼職教授, 人們普遍認為,病原體必須採用“神奇的突變”才能採用新的宿主。 他說:“這是長期存在的範例。”

儘管從19世紀末開始就已經有了普遍的想法,但布魯克斯在尋找“博士學位”這一概念時實際上創造了“合作規範”一詞。 密西西比大學的學生。 然而,布魯克斯職業生涯中最大的諷刺之一是,他現在已經花了很多錢來彌補整個想法。 在某些方面,斯德哥爾摩範式是一種自我反駁。 在1980年接受英屬哥倫比亞大學的教授職位後不久,布魯克斯遇到了霍伯格(Hoberg)博士。 華盛頓大學的學生,後來成為美國國家寄生蟲收藏館的首席館長,該館藏有超過20萬個寄生蟲標本,被美國農業部用作參考工具。 當時,霍伯格(Hoberg)正在研究北極的海洋鳥類寄生蟲,當他嘗試使用布魯克斯的系統發育方法來確定共生物種時,整個系統崩潰了,就好像他試圖將方釘錘成一個圓孔一樣。 例如,一組tape蟲比寄主鳥本身大三千萬年前,這表明該寄生蟲以前曾存在於另一寄主中。 Hoberg的數據最終揭示了氣候變化時期後新感染宿主的模式。

布魯克斯最初是持懷疑態度的,因為他接受了相反的訓練,但是隨著歲月的流逝,他自己的研究似乎只能加強霍伯格的發現。 在90年代中期,布魯克斯(Brooks)簽約哥斯達黎加的生物多樣性清單項目的顧問,他們在研究區發現的每個先前記錄的寄生蟲最初都居住在不同的宿主中。

“所有人,”他坦率地說。 “因此,這與埃里克在北極發現的東西完全一樣。”

到90年代後期,對於布魯克斯和霍伯格(即使不是更大的科學共同體)也很清楚,同種共存是例外,而不是規則。 歷史和實時的證據表明主機切換是司空見慣的。 儘管他們現在懷疑氣候變化是引發這些事件的原因,但他們都無法解釋向新宿主的轉移是如何發生的。 換句話說:如果不是通過隨機突變,病原體如何感染新宿主,例如從水牛角跳到美利奴綿羊,或者從蝙蝠到人類?  

進入斜坡

在接下來的20年中,布魯克斯和他的合著者停滯不前地拼湊了斯德哥爾摩範式(以一系列開創性工作坊的所在地命名),它融合了一些新舊生態學概念,它們解釋了越來越不舒服的情況。顯而易見的事實:病原體不僅能夠適應變化並利用新宿主,而且還非常擅長。 儘管斯德哥爾摩範式拒絕了長期存在的教條,但似乎已被科學界普遍接受。 這本書的評論 基本上是積極的,布魯克斯說他沒有收到任何退縮。 他說:“我謹慎地認為我們已經產生了影響。”

每個物種都具有許多祖先特徵,這些相同的特徵被其他相關物種繼承。 這對於病原體來說是幸運的,因為儘管它們確實是專家,但他們專注於性狀本身,而不是特定宿主。 如果一個遙遠但相關的寄主(例如美利奴綿羊)突然被推入病原體的環境中(例如南非),則病原體就具有製造能力。 就藍舌病而言,它需要一個中介宿主(一種媒介)進行傳播,當該病毒採用另一種蚊蟲時,該過程會重複進行。 該病原體不需要任何新的能力或隨機突變即可採用另一種載體。 病原體找到新家的所有必要遺傳資源已經到位。

藍舌病毒的冷凍電子顯微鏡圖像

2015研究加州大學洛杉磯分校的研究人員創建了藍舌病毒的冷凍電子顯微鏡圖像,這有助於他們了解該病毒如何感染健康細胞的更多信息。 照片由周博士和加州大學洛杉磯分校加州納米系統研究所提供

這個過程稱為“生態適應”,它的工作原理是生物體永遠不會利用其所有潛在資源。 當前病原體存在與存在之間的擺動空間 可以 如果給予適當的機會,則存在-被稱為“草率的健身空間”。 傳統的寄生蟲學認為每種病原體都緊密地結合在其特定的宿主上,“草率適應空間”的概念表明,病原體,無論它們變得多麼專業,都至少具有較小的靈活性,或者俱有固有的利用資源的能力。他們目前的主人之外。

弗吉尼亞聯邦大學生理生態學副教授薩爾·阿格斯塔(Sal Agosta)說:“它為系統響應變化提供了自由度,他在2008年創造了這個名詞。如果只是適者生存,物種就會所有這些都可以完美地適應特定的條件,” Agosta說。 “但是當這些條件改變時會發生什麼? 一切都滅絕了。 但是,一切都不會滅絕。” 生物具有自己的特徵,可以適應新的環境。

正是這些缺陷-繼承了利用新宿主的能力-最終導致了新出現的疾病危機。 當環境破壞事件將物種推入新領域時,它們會在此過程中遇到新資源。 例如,斯德哥爾摩大學布魯克斯的兩名同事,生態學家Sö任·尼林和尼古拉斯·揚茲(Niklas Janz)指出,某些將其寄主植物追逐到新生態系統中的蝴蝶在途中遇到了其他合適的寄主植物。 這些新的關係最終會分裂,專門化並與其他事物隔離開來,直到另一個外部干擾將它們再次推入斜坡。 換句話說,當病原體暴露於更大的宿主多樣性時,它們會更加多樣化。 在很長一段時間內,病原體會在專門化和普遍化之間,隔離和擴張之間振盪,以應對氣候變化等環境壓力。

布魯克斯說:“我們現在認為不存在通才和專家之類的東西,因為名詞無法進化。” “只有相對於它們佔據的草率適應空間多少才被概括或專門化的物種。 這就是進化的動力。”

2015年,巴西巴拉那聯邦大學的物理學家Sabrina Araujo建立了一個模型來測試Stockholm範式,尤其是在草率的健身空間內進行生態擬合的假設。 她說,起初,結果令人震驚。 這種模式似乎只反映了自然選擇:那些最適合其宿主的病原體存活的機會最高。 但是很快就出現了第二個事實:不合身的病原體也常常也能倖存,正是這種缺陷使它們有更多的機會採用新的宿主。 通過踏腳石的過程,即使是遠緣親緣的宿主也可以成為可行的選擇,因為原始宿主中的邊緣,不合適的變體(或現有遺傳物質的重組)會在下一個宿主中產生新的變體,以此類推。

“那時,我相信這本書永遠不會被引用,但是正如丹所預言的那樣,現在這是我引用次數最多的作品,”阿勞霍說。 實際上,美國國家過敏和傳染病研究所(NIAID)主任,白宮冠狀病毒工作組負責人Anthony Fauci和NIAID高級科學顧問David Morens 最近引用了Araujo的模型 在解釋Covid-19在中國武漢的潮濕市場中可能如何從野生蝙蝠變成食用動物。

“我已經開始更清楚地看到它了,對於我們的模型所說的話,我已經感到有些恐懼,” Araujo說。 “這意味著病原體不需要新的有利突變”即可感染另一宿主。

這也意味著病原體已準備好應對變化,而且疾病是變暖星球的另一種症狀(如果是間接的話)。

或如布魯克斯所說:“我們陷入困境,我們真的沒有選擇忽略它的選擇。”

期待與緩解

對於布魯克斯和他的同事來說,Covid-19大流行每天都在提醒我們,公共政策-仍幾乎完全依賴於疫苗接種和其他反應性措施-要么沒有趕上,要么不聽,或者不想。 因為儘管斯德哥爾摩範式暴露了一個比我們以前認為的更容易遭受疾病爆發的世界,一個迅速將新病原體引入新宿主的世界,但它也揭示了關於我們如何預測和緩解下一個疾病的新見解。

範式轉變並不容易。 “我的同胞伊格納茲(Ignaz)Semmelweis瘋了,因為他的同事們不喜歡洗手可以防止感染。”談到19世紀匈牙利醫生的Szathmáry說。 “現有框架集中於特定方面,例如病毒和治愈方法。 但是在流行病學上,預防勝於治療。”

的作者 斯德哥爾摩範式 根據他們的發現制定了一個藍圖,以積極應對EID危機。 他們稱其為DAMA協議(記錄,評估,監視,採取行動),並且其目的是簡化疾病控制和預防中心,世界衛生組織和聯合國已經實施的清單和監視計劃的總體政策。 美國國立衛生研究院最近宣布了一項新的82萬美元的EID研究計劃,該計劃“非常類似於DAMA,” Hoberg在一封電子郵件中寫道。 但他寫道,總的來說,“大多數方法……都集中在已確定的多樣性熱點上,並期望這些熱點相對靜止,並將在將來成為病原體的來源。 這沒有考慮到生物圈的複雜性,特別是與氣候和環境變化驅動的範圍擴大相關的所有過程。”

如果研究人員不知道存在哪些病原體,他們幾乎無法預料到這種新疾病的傳播。到目前為止,布魯克斯,霍貝格和博格估計,全世界已經識別出的病原體不到10%。 DAMA協議強調了一個健壯的清單項目,該項目專門針對公園,城市,牧場,農田-人類,牲畜和野生動物可能重疊的任何地方,以及新病原體可能導致疾病的地方。 在這些區域內,該協議針對的是已知藏有病原體而沒有不良影響的水庫宿主(rod,囓齒動物,蝙蝠等)。 他們說,這些宿主中的病原體是不合適的-那些鮮為人知的稀有變種幾乎不留在邊緣-最有可能直接傳播給人類,農作物或家畜,使它們更適合它們,或者間接地通過墊腳石這種機制就像在武漢發現的那樣,Covid-19可能從無症狀的蝙蝠通過其他食用動物變成了毫無戒心的人類。

“常識的另一個要素是,我們永遠無法預測何時會出現新的疾病。 這是基於這樣的假設,即必鬚髮生隨機突變,恰好能夠跳轉到新宿主。 “ DAMA協議基於這樣的認識:由於交換機基於既存的生物學原理,因此我們可以預測大量的信息。”

在調查這些生態邊界地區時,研究人員應練習布魯克斯所說的“系統分類法”,利用病原體的進化史來評估其潛在病害。 應優先考慮將疾病傳播到其他地區的物種,或具有近親傳播疾病的物種。 研究人員隨後應監測這些病原體的地理範圍,寄主範圍和傳播動態。 最後,所有這些信息都必須迅速轉化為公共政策。 他們說,最後一步很關鍵,而且經常被忽略。 例如,中國的研究人員 首先警告 15年前在蝙蝠中可能傳播的冠狀病毒的數量, 但是這些信息從未轉化為可能阻止Covid-19溢出的公共政策。

“他們已經知道蝙蝠中存在冠狀病毒。 他們知道有些人血清反應陽性。 這樣一來,您就可以將人們暴露的方式聯繫起來。” Hoberg說。 “您嘗試打破這些途徑。 您試圖阻止傳播的可能性。”

船頭警告

即使完全實現了DAMA協議,EID仍然存在。 專家們說,目標不是預防疾病的出現,而是減輕打擊。 只要氣候變化繼續在生物圈中引起轟動,病原體就會繼續運動,甚至在抗藥性演變之後,它們也會作為其他物種的所謂“病原體污染”而持續存在,等待再次發生。 例如,俄羅斯當局現在 禁止獵取土撥鼠 蒙古在六個月前首次肆虐世界的鼠疫鼠疫新病例中浮出水面。 作者說,Covid-19可能會通過人類或更可能是我們的寵物回到野外,直​​到我們最終宣布勝利後才重新出現。 這就是為什麼布魯克斯在大流行病爆發後不久就呼籲對Covid-19的易感非人類水庫進行調查的原因,為什麼Hoberg鼓勵測試潛在的新反芻動物寄主的藍舌病,以及為什麼作者 斯德哥爾摩範式 堅持要在可能因氣候變化和全球化而倍受生氣的生物圈中積極尋找並繼續尋找潛在的致病生物。

布魯克斯說:“隨著Covid-19的經濟後果變得可怕,這僅僅是警告。” “與認識到我們龐大,強大,全球化,技術世界異常脆弱的事實相比,Covid的教訓與疾病本身無關。”
 
編者註:這個故事是與 食品與環境報告網一家非營利性調查性新聞機構

 

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