绵羊的气候变化,迁徙和致命疾病如何改变我们对流行病的理解?

绵羊的气候变化,迁徙和致命疾病如何改变我们对流行病的理解?

图片来自Quang Nguyen Vinh,来自 Pexels

一个新的病原体进化框架使世界比我们以前认为的更容易受到疾病爆发的影响,但同时也揭示了我们如何预测和缓解下一个疾病的新见识。

.数千年来,一种未知的病毒在南非的野生反刍动物中悄悄徘徊。 Kudu。 长颈鹿。 Cape Buffalo。 该病毒通过一种被称为“ Culicoides”的叮咬蚊子传播,与宿主和谐共存,很少引起疾病,直到18世纪末农民开始从欧洲进口纯种美利奴绵羊。 当然,绵羊也是反刍动物,而且不久之后(因为它可以传播),这种病毒就进入了。然而,与他们的本地同行不同,这些新来者没有机会产生任何抵抗力。 法国动物学家FrançoisLevaillant也在牛身上发现了这种疾病。 在1780年代穿越好望角时,他首先记录了他在南非荷兰语中所说的“舌头病”或“ tong-sikte”的临床症状,并指出“舌头出现了巨大的肿胀,然后填充了舌头。整个嘴和喉咙; 而且动物每时每刻都有被窒息的危险。

但是事实证明,进口羊毛特别容易受到影响。 这种疾病逐年持续地,数十年地持续下去,每年夏天在新的鸡群中爆发。 1905年,驻扎在南非Grahamstown的政府兽医James Spreull发表了关于牧羊人当时称之为“蓝舌病”的第一项主要研究。 他写道,比起其同名症,更常见的是出现其他症状:发烧和发烧反复无常,口腔起泡,嘴唇肿胀,黏液过多。 经常腹泻​​。 足部病变。 消瘦。 在他的报告中,鸡群内的死亡率从不到5%到30%不等,但他写道:“对农民的损失,……实际上死去的绵羊的数量并没有很大大部分羊群遭受疾病的损失。”

这位兽医认为这种疾病是“南非特有的”,但在1943年,该病毒在塞浦路斯得以散播。 1956年,它横扫了伊比利亚半岛。 在1960年代中期,世界动物卫生组织(OIE)将蓝舌病归类为可传播的“ A类名单”疾病,担心它会传播到整个南欧。 然后,它蔓延到欧洲南部和地中海,从希腊群岛到至少其他2005个先前未感染的国家。 到XNUMX年,这次疫情已经杀死了超过XNUMX万只绵羊,科学家们开始相互联系,指责气候变化扩大了禽流感的传播范围和传播季节 库里科提斯·伊米科拉(Culicoides imicola),非洲蚊。

IBM Research的数据科学家Anne Jones说:“要使分布在大型水域中的新种群建立在新的位置,您既需要风能运输,又需要合适的气候和环境条件。”这种疾病。“因此,气候变化使向温暖地区扩展的可能性更大。”

库米科伊米科拉(Culicoides imicola)

当蓝舌病毒从图中所示的称为Culicoides imicola的蚊跃升至欧洲本土的蚊时,这种疾病的传播范围就大大超出了先前的预测。 图片由Wikimedia的Alan R Walker提供,授权使用 CC BY-SA 3.0

但是,当第二年夏天它到达北欧,最终从荷兰行进到斯堪的纳维亚半岛南部时,研究人员发现了一些出乎意料的事情:该病毒也跳到了原生蚊虫上 传播疾病的范围远远超出任何气候模型所能预测的范围。 到2010年,欧洲各地的一系列强制性疫苗接种计划最终消除了这种流行病,但是仅仅五年之后,蓝舌病又在法国,后来的德国,瑞士等地重新出现。 随着世界的变暖,为病毒创造更合适的栖息地,几乎每个模型都表明,蓝舌病暴发仅在过去的二十年中就造成了数十亿美元的损失,并且其范围,频率和持续时间在未来几年可能会增加来。

内布拉斯加州大学州立博物馆哈罗德·W·曼特寄生虫学实验室高级研究员丹尼尔·布鲁克斯说:“蓝舌头的故事表明,在全球贸易和旅行加剧的气候变化背景下,疾病如何容易出现。” “地球是等待发生进化事故的雷区。”

欢迎来到新出现的传染病危机。

一场完美的风暴

蓝舌。 非洲猪瘟。 西尼罗河。 登革热。 流感。 禽流感。 Zika。 埃博拉病毒。 MERS。 霍乱。 炭疽病。 小麦锈病。 莱姆病。 疟疾。 恰加斯人。 非典。 而现在,Covid-9的标价至少为19万亿美元,有近一百万的生命。 困扰着从人类到农作物和牲畜的一切事物的新兴传染病(EID)清单还在继续。 等等。 等等。 其中一些疾病是全新的或以前未被发现的; 其他人(例如蓝舌病)是屡犯者,在新主人或新环境中爆发。 有些是高致病性的,有些则不是。 您会认识到很多,但大多数(除非他们亲自感染了您或您所爱的人,或者您所依赖的食物或水),否则您不会意识到。

2019年XNUMX月,布鲁克斯和另外两位寄生虫学家埃里克·霍伯格(Eric Hoberg)和沃尔特·博格(Walter Boeger)发表了 斯德哥尔摩范式:气候变化与新兴疾病。 该书对病原体与宿主之间的关系有了新的理解,从而解释了我们目前对EID的冲击-生态研究中心主任,匈牙利科学院院士EörsSzathmáry称气候危机为“被低估的后果” 。

作者指出,EIDs每年已经花费大约1万亿美元,尽管像Covid-19这样的大流行病,而且它们一直在变得越来越频繁。 “很简单,”布鲁克斯说。 “通过将气候变化与人类推向野地,然后将野地推回去,然后进行全球旅行和全球贸易相结合, 繁荣,它的运行速度非常快。”

研究人员写道,纵观地球的整个历史,气候变化和环境破坏的发作与新出现的疾病,散布超出其自然范围的生物以及将新的病原体引入易感宿主有关。 例如,上次冰河时代的退缩,使阿拉斯加的大部分地区从干旱的草地生态系统变成了灌木丛的湿地,吸引了驼鹿,人类和其他物种向北迁移,使他们不知不觉地暴露于一系列新的病原体中。 从这个意义上讲,人为的全球变暖没有根本的不同。 森林被夷为平地。 永久冻土融化。 发生历史性干旱。 但是,全球化和城市化进程的加剧,通过取代甚至更多物种,开辟更多途径感染新宿主(如非洲的美利奴羊)和新媒介,扩大了这些影响。 在正常的一年里,飞机和货船现在每天在世界各地运送数百万人和无数物种,将病原体运送到新的且经常好客的地方。 换句话说,当前大量的传染病并不是一个全新的现象。 但是在作者所说的气候变化和全球化的“完美风暴”的刺激下,它可能比以前的情节更糟,这是现代人类直接见证的情节。

30万年差异

康拉德·洛伦兹(Konrad Lorenz)进化与认知研究所的科学总监Guido Caniglia表示, 斯德哥尔摩范式 是“有史以来进化生物学与可持续性交叉领域最重要的作品之一。” 但是,为了理解它的重要性,以及作者的突破如何重塑控制EID危机的努力,它有助于理解这些概念最终是如何融合在一起的。

当布鲁克斯在1970年代后期首次作为年轻的寄生虫学家开始他的职业生涯时,对于这种对病原体-宿主关系的新认识至关重要的“系统发育系统学”领域仍然存在很大争议。 将系统进化学视为类固醇的家谱,这是使用可观察的祖先特征揭示共同祖先来重建物种进化史的方法。

“我的第一任妻子与我离婚,部分原因是其他一名博士后说:'这家伙永远都不会找到工作。' 那是有争议的,”布鲁克斯说。 “但是使用这些技术向我展示的是,有寄生虫在四处移动或改变宿主,而原本就不应该这样。”

像他之前的许多人一样,他已经被训练成将病原体与宿主的关系视为高度专业化的单位,事实上,如此专业化,病原体无法在没有幸运突变的情况下偏离其原始宿主。 如此专业,以至于进化史-又名 发展史 -从理论上讲,病原体应与宿主的相像。 霍伯格说,直到今天, 现在是新墨西哥大学西南生物学博物馆的兼职教授, 人们普遍认为,病原体必须采用“神奇的突变”才能采用新的宿主。 他说:“这是长期存在的范例。”

尽管从19世纪后期开始就已经有了普遍的想法,但布鲁克斯在寻找博士学位的证据时实际上创造了“合作规范”一词。 密西西比大学的学生。 然而,布鲁克斯职业生涯中最大的讽刺之一是,他现在已经花了很多钱来弥补整个想法。 在某些方面,斯德哥尔摩范式是一种自我反驳。 在1980年接受英属哥伦比亚大学的教授职位后不久,布鲁克斯遇到了霍伯格(Hoberg)博士。 华盛顿大学的学生,后来成为美国国家寄生虫收藏馆的首席馆长,该馆藏有超过20万个寄生虫标本,被美国农业部用作参考工具。 当时,霍贝格(Hoberg)正在研究北极的海洋鸟类寄生虫,当他尝试使用布鲁克斯的系统发育方法来确定共生物种时,整个系统崩溃了,就好像他试图将方钉锤成一个圆孔一样。 例如,一组tape虫比寄主鸟本身大三千万年前,这表明该寄生虫以前曾存在于另一寄主中。 Hoberg的数据最终揭示了气候变化时期后新感染宿主的模式。

布鲁克斯最初是持怀疑态度的,因为他接受了相反的训练,但是随着岁月的流逝,他自己的研究似乎只能加强霍伯格的发现。 在90年代中期,布鲁克斯(Brooks)签约哥斯达黎加的生物多样性清单项目的顾问,他们在研究区发现的每个先前记录的寄生虫最初都居住在不同的宿主中。

“所有人,”他坦率地说。 “因此,这与埃里克在北极发现的东西完全一样。”

到90年代后期,对于布鲁克斯和霍伯格(即使不是更大的科学共同体)也很清楚,同种共存是例外,而不是规则。 历史和实时的证据表明主机切换是司空见惯的。 尽管他们现在怀疑气候变化是造成这些事件的原因,但他们都无法解释向新宿主的转移是如何发生的。 换句话说:如果不是通过随机突变,病原体如何感染新宿主,例如从水牛角跳到美利奴绵羊,还是从蝙蝠到人类?  

进入斜坡

在接下来的20年中,布鲁克斯和他的合着者停滞不前地拼凑了斯德哥尔摩范式(以一系列开创性工作坊的所在地命名),它融合了一些新旧生态学概念,它们解释了越来越不舒服的情况。显而易见的事实:病原体不仅能够适应变化并利用新宿主,而且还非常擅长。 尽管斯德哥尔摩范式拒绝了长期存在的教条,但似乎已被科学界普遍接受。 这本书的评论 基本上是积极的,布鲁克斯说他没有收到任何退缩。 他说:“我谨慎地认为我们已经产生了影响。”

每个物种都具有许多祖先特征,这些相同的特征被其他相关物种继承。 这对于病原体来说是幸运的,因为尽管它们确实是专家,但他们专注于性状本身,而不是特定宿主。 如果一个遥远但相关的寄主(例如美利奴绵羊)突然被推入病原体的环境中(例如南非),则病原体就具有制造能力。 就蓝舌病而言,它需要一个中介宿主(一种媒介)进行传播,当该病毒采用另一种蚊虫时,该过程会重复进行。 该病原体不需要任何新的能力或随机突变即可采用另一种载体。 病原体找到新家的所有必要遗传资源已经到位。

蓝舌病毒的冷冻电子显微镜图像

在一个 2015研究加州大学洛杉矶分校的研究人员创建了蓝舌病毒的冷冻电子显微镜图像,这有助于他们了解该病毒如何感染健康细胞的更多信息。 照片由周博士和加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所提供

这个过程称为“生态适应”,它的工作原理是生物体永远不会利用其所有潜在资源。 当前病原体存在与存在之间的摆动空间 可以 如果给予适当的机会,则存在-被称为“草率的健身空间”。 传统的寄生虫学认为每种病原体都紧密地结合在其特定的宿主上,“草率适应空间”的概念表明,病原体,无论它们变得多么专业,都至少具有较小的灵活性,或者具有固有的利用资源的能力。他们目前的主人之外。

弗吉尼亚联邦大学生理生态学副教授萨尔·阿格斯塔(Sal Agosta)说:“它为系统响应变化提供了自由度,他在2008年创造了这个名词。如果只是适者生存,物种就会所有这些都可以完美地适应特定的条件,” Agosta说。 “但是当这些条件改变时会发生什么? 一切都灭绝了。 但是,一切都不会灭绝。” 生物具有自己的特征,可以适应新的环境。

正是这些缺陷-继承了利用新宿主的能力-最终导致了新出现的疾病危机。 当环境破坏事件将物种推入新领域时,它们会在此过程中遇到新资源。 例如,斯德哥尔摩大学布鲁克斯的两名同事,生态学家Sö任·尼林和尼古拉斯·扬兹(Niklas Janz)指出,某些将其寄主植物追逐到新生态系统中的蝴蝶在途中遇到了其他合适的寄主植物。 这些新的关系最终会分裂,专门化并与其他事物隔离开来,直到另一个外部干扰将它们再次推入斜坡。 换句话说,当病原体暴露于更大的宿主多样性时,它们会更加多样化。 在很长一段时间内,病原体会在专门化和普遍化之间,隔离和扩张之间振荡,以应对气候变化等环境压力。

布鲁克斯说:“我们现在认为不存在通才和专家之类的东西,因为名词无法进化。” “只有相对于它们占据的草率健身空间多少才是广义的或专门的物种。 这就是进化的动力。”

2015年,巴西巴拉那联邦大学的物理学家Sabrina Araujo建立了一个模型来测试Stockholm范式,尤其是在草率的健身空间内进行生态拟合的假设。 她说,起初,结果令人吃惊。 这种模式似乎只反映了自然选择:那些最适合其宿主的病原体具有最高的生存机会。 但是第二个事实很快就出现了:不合身的病原体也经常也能幸存,正是这种缺陷使它们有更多的机会采用新的宿主。 通过垫脚石的过程,甚至远缘的宿主也可以成为可行的选择,因为原始宿主​​中的边缘,不合适的变体(或现有遗传物质的重组)会在下一个宿主中产生新的变体,如此下去。

“那时,我相信这本书永远不会被引用,但是正如丹所预言的那样,现在这是我引用次数最多的作品,”阿劳霍说。 实际上,美国国家过敏和传染病研究所(NIAID)主任,白宫冠状病毒工作组负责人Anthony Fauci和NIAID高级科学顾问David Morens 最近引用了Araujo的模型 在解释Covid-19在中国武汉的潮湿市场中可能如何从野生蝙蝠变成食用动物。

“我已经开始更清楚地看到它了,对于我们的模型所说的话,我已经感到有些恐惧,” Araujo说。 “这意味着病原体不需要新的有利突变”即可感染另一宿主。

这也意味着病原体已准备好应对变化,而且疾病是变暖星球的另一种症状(如果是间接的话)。

或如布鲁克斯所说:“我们陷入困境,我们真的没有选择忽略它的选择。”

期待与缓解

对于布鲁克斯和他的同事来说,Covid-19大流行每天都在提醒我们,公共政策-仍几乎完全依赖于疫苗接种和其他反应性措施-要么没有赶上,要么不听,或者不想。 因为尽管斯德哥尔摩范式暴露了一个比我们以前认为的更容易遭受疾病暴发的世界,一个迅速将新病原体引入新宿主的世界,但它也揭示了有关我们如何预测和缓解下一个疾病的新见解。

范式转变并不容易。 “我的同胞伊格纳兹(Ignaz)Semmelweis疯了,因为他的同事们不喜欢洗手可以防止感染。”谈到19世纪匈牙利医生的Szathmáry说。 “现有框架集中于特定方面,例如病毒和治愈方法。 但是在流行病学上,预防胜于治疗。”

的作者 斯德哥尔摩范式 根据他们的发现制定了一份蓝图,以积极应对EID危机。 他们称其为DAMA协议(文件,评估,监视,采取行动),并且其目的是为了简化疾病控制和预防中心,世界卫生组织和联合国已经实施的清单和监视计划。 美国国立卫生研究院最近宣布了一项新的82万美元的EID研究计划,该计划“非常类似于DAMA”,Hoberg在一封电子邮件中写道。 但他写道,总的来说,“大多数方法……都集中在已确定的多样性热点上,期望这些热点相对静止,并且将来会成为病原体的来源。 这没有考虑到生物圈的复杂性,特别是与气候和环境变化驱动的范围扩大相关的所有过程。”

如果研究人员不知道存在哪些病原体,他们几乎就无法预料到这种疾病的传播。到目前为止,布鲁克斯,霍贝格和博格估计,全世界已经识别出的病原体不到10%。 DAMA协议强调了一个健壮的清单项目,该项目专门针对公园,城市,牧场,农田-人类,牲畜和野生动物可能重叠的任何地方,以及新的病原体可能导致疾病的地方。 在这些区域内,该协议针对的是已知藏有病原体而没有不良影响的水库宿主(rod,啮齿动物,蝙蝠等)。 他们说,这些宿主中的病原体是不合适的-那些鲜为人知的稀有变种几乎不留在边缘-最有可能直接传播给人类,农作物或家畜,使它们更适合它们,或者间接地通过垫脚石这种机制就像在武汉发现的那样,Covid-19可能从无症状的蝙蝠通过其他食用动物变成了毫无戒心的人类。

“常识的另一个要素是,我们永远无法预测何时会出现新的疾病。 这是基于这样的假设,即必须产生随机突变,恰好能够跳转到新的宿主,”布鲁克斯说。 “ DAMA协议基于这样的认识:由于交换机基于既存的生物学原理,因此我们可以预测大量的信息。”

在调查这些生态边界地区时,研究人员应练习布鲁克斯所说的“系统分类法”,利用病原体的进化史来评估其潜在病害。 应优先考虑将疾病传播到其他地区的物种,或具有近亲传播疾病的物种。 研究人员随后应监测这些病原体的地理范围,寄主范围和传播动态。 最后,所有这些信息都必须迅速转化为公共政策。 他们说,最后一步很关键,而且经常被忽略。 例如,中国的研究人员 首先警告 15年前,蝙蝠中可能传播的冠状病毒的数量, 但是这些信息从未转化为可能阻止Covid-19溢出的公共政策。

“他们已经知道蝙蝠中存在冠状病毒。 他们知道有些人血清反应阳性。 因此,您开始将点点滴滴联系起来,以了解人们的暴露方式。” Hoberg说。 “您尝试打破这些途径。 您试图阻止传播的可能性。”

船头警告

即使完全实现了DAMA协议,EID仍然存在。 专家们说,目标不是预防疾病的出现,而是减轻打击。 只要气候变化继续在生物圈中引起轰动,病原体就会继续运动,甚至在抵抗力演变之后,它们也将继续作为其他物种的所谓“病原体污染”而存在,等待再次袭击。 例如,俄罗斯当局现在 禁止猎取土拨鼠 在六个多世纪前首次肆虐世界的鼠疫鼠疫新病例之后,蒙古才浮出水面。 作者说,Covid-19可能通过人类或更可能是我们的宠物回到野外,直​​到我们最终宣布胜利后才重新出现。 这就是为什么布鲁克斯在大流行病爆发后不久就呼吁对Covid-19的易感非人类水库进行调查的原因,为什么Hoberg鼓励测试潜在的新反刍动物寄主的蓝舌病,以及为什么作者 斯德哥尔摩范式 坚持要在可能因气候变化和全球化而倍受生气的生物圈中积极寻找并继续寻找潜在的致病生物。

布鲁克斯说:“随着Covid-19的经济后果变得可怕,这仅仅是警告。” “与认识到我们庞大,强大,全球化,技术世界异常脆弱的事实相比,Covid的教训与疾病本身无关。”
 
编者注:这个故事是与 食品与环境报告网一家非营利性调查性新闻机构

 

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