作為一種被束縛的病原體,霍亂弧菌何以能引發疫情?

2022年07月11日19:02

霍亂源自動物軀體。

霍亂宿居的生物,生活在海洋中,是小型甲殼綱橈足類動物。它們身長約1毫米,身體呈淚滴狀,僅有一隻亮紅色的眼睛。它們無法遊動,故被認為是浮遊生物,在水中漂浮,利用向外張開的長觸角抵禦重力向下的牽引,這些觸角就好像是滑翔機的機翼。

人們很少瞭解這種生物,但它們其實是地球上數量最多的多細胞生物。每一隻海參上都可能附著超過2000個橈足類動物,而一隻人類手掌大小的海星身上也可能附著好幾百個。某些海域的橈足類動物密度過高,海水因此變渾濁,而且僅僅一個季度之內,一隻橈足類動物就可以產出差不多45億個後代。

霍亂弧菌便是這種橈足類動物的微生物搭檔。霍亂弧菌隸屬於弧菌屬,是呈逗號形狀的極微小細菌。儘管能在水面漂浮、自給自足,但宿於橈足類動物體內外時,明顯能讓它們獲得最大滿足。

它們會粘在橈足類動物的卵囊上,排列在它們的內臟里。弧菌在橈足類動物體內發揮了重要的生態功用。甲殼綱動物會將自己包裹在由幾丁質(chitin)聚合物形成的硬殼外表中,橈足類動物也不例外。它們一生中會有幾次類似蛇那樣蛻下過長的皮膚,加起來每年會丟棄1000億噸甲殼。弧菌便以這些豐富的幾丁質為生,它們總共有效循環了海洋里90%的過剩幾丁質。若不是因為它們,橈足類動物外骨骼所形成的山丘,會吸光海洋里所有的碳元素和氮元素。

弧菌和橈足類動物會在溫暖、鹽度較大的近岸海域大肆繁殖,新鮮而富含鹽分的水流會在這些地方相彙,比如位於世界上最大的海灣孟加拉灣灣口的廣闊濕地蘇達班。這是一片海陸相交的低地,長久以來人類難以踏足。

《流行病的故事:從霍亂到伊波拉》,索尼婭·沙阿 著,苗小迪 譯,譯林出版社2021版
《流行病的故事:從霍亂到伊波拉》,索尼婭·沙阿 著,苗小迪 譯,譯林出版社2021版

孟加拉灣的鹹潮,每天不斷衝刷蘇達班低窪的紅樹林和灘塗地,海水甚至可以灌入內陸約500英里,暫時將高地化作島嶼,這些被稱作“焦地”的島嶼會隨著潮漲潮落出現再消失。氣旋風暴、毒蛇、鱷魚、爪哇犀牛、野牛,甚至孟加拉虎都盯上了這片沼澤地。統治南亞次大陸直至17世紀的莫臥兒王朝的皇帝們,都不願染指蘇達班。19世紀的評論家們則乾脆稱它為“叢林密佈、瘧疾頻發、野獸出沒的淹沒之地”,且能“誕育邪惡”。

到了18世紀60年代,東印度公司掌控了孟加拉,自然也包括蘇達班。英國移民、獵虎人和殖民拓荒者擁入這片濕地。他們僱用成百上千的當地人,砍伐紅樹林,建造護堤,種植水稻。不過五十載,蘇達班近800平方英里的森林已經消失。在整個19世紀,人類定居點已經擴張到原本無人踏足、無法穿越、富含橈足類動物的蘇達班90%的區域。

在這些新近為人類征服的熱帶濕地裡,人類與滋生弧菌的橈足類動物之間的接觸,從未如此頻繁。蘇達班的農民和漁民,生活在一個潛於半鹹水域之下的世界里,弧菌在這裏極為繁盛。弧菌穿透人體並不是件難事,比如,一個捕魚人坐在船邊用水洗臉,或是一個村民從被洪水侵入的井裡舀幾口水喝,都能輕易攝入少量肉眼不可見的橈足類動物。而其中,每個橈足類動物都可能包含多達7000個弧菌。

這種親密接觸,使得霍亂弧菌“溢出”或“跳躍”到我們體內。起初,它不會受到款待,人體的防禦機制本就可以驅逐類似的闖入者,我們胃部的酸性環境能消滅大多數細菌,而寄宿於我們消化道的微生物也會與之激烈競爭,更不要說還有免疫細胞在持續巡邏。但假以時日,霍亂弧菌持續接觸人體環境,便會逐漸適應。它會獲得各種能力。舉個例子,其尾部長長的如頭髮般的細絲會提升與其他弧菌細胞結合的能力。有了這樣的細絲,弧菌便能結合形成強大的菌落,粘連在人體消化道壁上,就好像浴簾上的浮垢。

霍亂由此成為人畜共患病(zoonosis)。Zoonosis,源自古希臘語zoon(動物)和nosos(疾病)。霍亂弧菌是一種能夠感染人類的動物微生物。但此時,它還算不上大流行級別的殺手。

霍亂作為人畜共患病,只能感染那些接觸宿主動物(即橈足類動物)的人類。霍亂弧菌是一種被束縛的病原體,無法感染任何位於其受限的感染範圍之外的人,亦即沒有接觸富含橈足類動物的水體的人類。但當許多人同時接觸橈足類動物時,霍亂弧菌還是可以引發疫情,只是這時的疫情往往有其自限性,通常會自行瓦解。

一個病原體若要引發持續的感染潮,必須能直接從一個人傳到另一個人(至於是普通流行還是大流行,要看感染潮能傳播多遠)。

也就是說,它的基本再生數必須大於1。基本再生數(亦即R0,英式英語愛好者一般讀作“R-naught”)描述的是不存在外部干預的情況下,單個感染者所能傳染的易感者平均數。比如,你患了感冒,傳染給了你兒子和他的朋友。如果這個假設的情況就是你所傳染的所有人數,那麼你這場感冒的基本再生數就是2。如果你還傳染給了女兒,那麼基本再生數就是3。

這一數值的計算對疫情暴發至關重要,因為利用它能立即預測疫情未來的發展方向。如果從平均情況來看,每次感染所能引發的新感染數小於1——你傳染給兒子和他的朋友,但他們不再傳染給其他人,那麼這次疫情就會自行消退,就類似每個家庭的生育數少於兩個的情況。這跟感染有多致命沒有關係。但如果平均來看,每次感染還能引發一次新感染,那理論上疫情會無限期持續下去。而如果每次感染引發的新感染數大於1,就意味著大量人口面臨生存威脅,事態緊急,亟須引起關注。在這種態勢下,若缺乏干預措施,疫情會以指數級擴大。

換句話說,基本再生數就是對人畜傳染病病原體與跨過這道門檻的人類病原體之間差異的數學表達。人畜傳染病病原體的感染者無法將之傳染給另一個人,所以這種病原體的基本再生數總是小於1的。但隨著它對人類的攻擊力不斷完善,傳播的能力也會提升。一旦病原體的基本再生數越過1,它就能越過傳染門檻,離開原本的宿主,成為一種真正的人類病原體,在人體內自我維持。

能讓人畜傳染病病原體獲取直接在人與人之間的傳播能力,切斷其與宿主之間聯繫的機制有很多,霍亂弧菌是通過獲得產生一種毒素的能力而做到的。

這種毒素是弧菌的拿手項目。正常情況下,人體的消化系統會將食物、胃液、胰液、膽汁以及各種消化道分泌物輸送到腸道,腸道內層的細胞則會提取其中的營養物質和液體,留下大量固體排泄物排出體外。弧菌毒素改變了人體腸道的生化狀態,使器官正常功能發生逆轉。被弧菌侵占的腸道不再吸收食物和水分來滋養身體組織,反而從組織中吸出水和電解質,並將它們與排泄物一起衝走。

弧菌成功躍為人類病原體,要歸功於毒素在兩個至關重要方面做出的貢獻。

第一,毒素讓弧菌擺脫了競爭者:大量體液捲走了腸道里的其他細菌,(以強勁的小菌落的形式附著於消化道壁的)弧菌便能不被幹擾,定居在人體器官內。

第二,毒素確保了弧菌獲得從一個感染者傳播到另一個感染者的通道。這種排泄物沾在沒洗淨的雙手上,或是落入被汙染的食物和水中,哪怕只是一小滴,都可能將弧菌傳染給新的受害者。現在,只要弧菌能進入某個人的體內並引發疾病,就能再傳播到其他人體內,這些人是否曾接觸橈足類動物、是否曾吞下蘇達班那富含弧菌的水已無關要旨。

這種新病原體引發的第一次大流行發生於1817年8月的一場大雨之後,就在蘇達班一個叫作傑索爾的村莊。鹹海水淹沒了該地區,富含橈足類動物的鹹水灌入人類的農場、房屋,滲進水井。霍亂弧菌悄悄潛入當地居民的身體里,寄居在他們的腸道中。根據現代數學模型的計算,毒素讓霍亂弧菌的基本再生數穩定在2-6之間。一個受感染的病人至多可以再傳染給其他6個人。數小時之內,霍亂的第一批受害者就被活活吸乾了,每人每天排出超過14升的乳白色液狀便,這讓蘇達班的溪流和糞坑裡佈滿糞便。這些糞液滲入了農民的井裡。人們的手和衣服沾到了糞液水滴,每一滴中都滿是弧菌,它們正翹首以盼感染新宿主。

孟加拉人管這種新疾病叫ola(意為“大清洗”)。它取人性命的速度,快過人類已知的所有疾病。一萬人死於那場大流行。不過幾個月時間,這場新瘟疫就已經攫獲孟加拉近20萬平方英里土地。

(作者索尼婭·沙阿為美國科普作家,著有《熱症:瘧疾統治人類五十萬年的奧秘》《人體獵人:在世界上最窮困病人身上進行的新藥試驗》等,本文摘自《流行病的故事:從霍亂到伊波拉》一書,澎湃新聞獲授權轉載。)

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