数学家“解剖”喷嚏与咳嗽流体机制以了解传染病

你当时是怎么让受试者打喷嚏的？

麻省理工学院的莉迪亚·布鲁瓦用数学模型来研究喷嚏液滴是如何传播的。资料来源:由L. Bourouiba提供

那么，你是如何让受试者在正确的时间打喷嚏的呢？

"这个问题已经被问过很多次了。"丽迪雅·布鲁瓦笑着说道。这种方法出奇的简单:用一根小棍子或类似的东西轻轻挠受试者的鼻孔几秒钟，不一会儿他们就会“阿嚏！”

对数学家和流体力学家布鲁巴来说，这样的打喷嚏是一种奖励。她和她在剑桥麻省理工学院的同事将使用一两个每秒数万帧的高速摄像机来详细记录打喷嚏后的情况。然后，他们会以慢动作回放这个过程。视频显示，从口中喷出的唾液和粘液雾会分裂成液滴，然后所有的液滴会形成不稳定的雾。

Bourouiba以这种方式收集的视频让她能够研究喷嚏液滴的直径和传播速度，这有助于她进一步了解这些携带病毒和其他病原体的粒子是如何传播到下一个宿主的。她的研究表明，由打喷嚏和咳嗽形成的颗粒可以在大多数房间传播，甚至可以传播到通风井，这表明这些液滴中的微生物可以传播得比现有理论认为的更远更久。

Bourouiba说，她的最终目标是通过物理和数学方法研究流行病和公共卫生。她说，为了试图控制疾病的蔓延，“我们希望在实验室里根据科学证据提出建议”。

流动“暴力”事件

在加拿大蒙特利尔麦吉尔大学攻读研究生期间，布鲁瓦研究了流体力学。随着对湍流理论问题越来越多的关注，她的兴趣也越来越浓厚。随后，她在2008年完成了她的流体动力学博士研究。从那以后，在多伦多约克大学的博士后生涯中，她一直专注于数学流行病学，并开始研究打喷嚏和咳嗽。

正如Bourouiba在一篇论文中所说，这些“暴力呼吸事件”是呼吸道疾病传播的主要途径之一。但是它们是如何传播的呢？常见的流行病学研究是基于人们被感染时的工作和活动背景来评估疾病是如何传播的。例如，患者是否通过直接的人际接触而接触到疾病？他们是否因握住被感染的手或触摸被污染的表面(如门把手)而被感染？它是被从一个人的呼吸道中飞出并在一次短暂的跳跃后进入另一个人的呼吸道的大水滴感染的，还是被悬浮在空气中的气溶胶粒子感染的，这些气溶胶粒子可以传播得越来越小？还是传输模式是这些模式的组合？

这些研究帮助科学家理解了麻疹通常是通过气溶胶传播的，而埃博拉主要是通过直接接触感染者的体液传播的。然而，对于许多病原体来说，它们的传播仍然存在许多不确定性。因此，它阻碍了公共卫生官员在疾病爆发时控制疾病传播和为未来疾病爆发做准备的能力。例如，非典被认为主要是通过亲密接触传播的。然而，2003年的疫情表明，至少一些病例将通过空气传播。一些研究人员认为埃博拉病毒也可能在某种程度上通过空气传播。

在约克大学期间，Bourouiba意识到，通过澄清打喷嚏和咳嗽的一些关键物理细节，可以减少这些不确定性，而传统的疾病传播模型忽略了这些细节。

2010年，麻省理工学院的一项博士后任务让她有机会用详细的数据来填补这些空白。在那之前，她一直在进行理论研究。直到那时，她才开始进行实验研究，并学会用高速摄像机和光线捕捉打喷嚏的细节。"数学家在实验室里经常感到不舒服。"“但是莉迪亚非常喜欢它，”约翰·布什说，他是一名流体力学专家，也是布鲁瓦在麻省理工学院的导师。

悬浮的云

Bourouiba特别想确定的是从口中喷出的液滴的大小，这将影响一个液滴中含有多少微生物以及它能在空气中传播多远。

在2014年发表的第一个实验中，她研究了喷出的整个液滴。Bourouiba在麻省理工学院贴出招聘志愿者的通知，并收集了大约10名健康人的咳嗽和打喷嚏样本。她录下的视频显示，这些水滴从她嘴里快速、活跃地喷出。这种“云”在进入周围空气后逐渐膨胀和减速，导致水滴上升并远离喷嚏者。

Bourouiba在将视频线索输入数学模型后得出结论，由于“云雾”的动态特性，许多大水滴在打喷嚏时可移动8米，咳嗽时可移动6米，并可在空气中悬浮10分钟。这个距离足够到达一个大房间另一端的人，更不用说天花板上的通风系统了。

亚特兰大埃默里大学传染病流行病学家詹姆斯·休斯说，这个结论对卫生工作者来说意义重大。如果一种疾病被认为能够传播一到两米，医务人员会认为他们在这个范围之外是安全的。“我认为我们可能需要对此更加小心。”他说。

在Bourouiba的下一个实验中，她将镜头聚焦在离她嘴更近的地方，拍摄了一个150毫秒长的喷嚏。从喷嚏的上部和侧面每秒拍摄的8000帧视频显示，水滴会逐步分解，就像好莱坞的慢动作爆炸一样:当水滴从嘴里喷出时，它们呈薄片状，然后在气流的拉伸下爆裂形成一个环。当环破裂后，细丝将会留下，小液珠将会附着在细丝上，然后细丝将会伸长并破裂，最终形成液滴。

Bourouiba惊讶地发现如此多的过程发生在嘴外，这与人们普遍认为液滴在嘴外喷出时完全形成的观点相反。亚特兰大佐治亚大学的数学流行病学家杰勒多·乔威尔认为这一发现非常重要，这意味着水滴的形成受到周围环境如湿度和温度的强烈影响。他补充说，这有助于解释为什么流感等疾病在某些年份出现得更频繁，这可能是因为周围环境支持特定微生物的传播和生存。

研究的下一步

去年的一次背部受伤阻止了Bourouiba参加更有雄心的户外活动。然而，她和她的团队正准备转移到一个新建的生物安全二级保护实验室，使他们不仅能研究健康受试者的打喷嚏和咳嗽，还能研究受风寒和感冒感染的患者。为了准备相关的研究，她聘请了一位微生物学家来帮助团队了解液滴中的微生物数量、病原体在空气或物体表面传播的时间以及它们的传染性。

休斯说，回答这些问题至关重要。“我们需要更多地了解液滴中不同大小的微生物的浓度，以及这些病原体导致疾病时的感染剂量。”保护性实验室还允许Bourouiba控制空气的循环、温度和湿度，这样她就可以模拟医院、飞机或热带地区，并探索环境中喷射液滴的行为。

Bourouiba的最终目标是将所有数据汇编成一个数学模型，公共卫生官员可以使用该模型来区分液滴的传播途径以及如何降低疾病的传播风险。例如，该模型可以显示污染的最大风险是否来自空气或物体表面，或者如何改变空气的流量或温度以降低医院传播的风险。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Bourouiba来说，职业风险之一是她很难逃避工作:每当她在飞机上或教室里听到喷嚏声时，她都会不由自主地想起飞散在空中的水滴。虽然她不能控制这些液滴，但它们能提醒她为什么她在研究生院对流体机制如此着迷:因为流体无处不在。

一名学生曾警告她，她的视频可能会给她起名叫“打喷嚏女士”，但她说她不介意。“如果人们对这个话题感兴趣是因为幽默，那么我对此没有问题。”布鲁巴说。(红枫)

中国科学新闻(2016-07-07第三版国际版)

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