2020年
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飘啊飘的气溶胶:新冠病毒的超长时空传播途径
发布时间:2020-2-8

撰文 | 邓巍巍(南方科技大学力学与航空航天工程系教授)

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喷嚏:唇齿间的小台风

在影视剧里,如果看见一个反派在害人之前发表长篇大论,这个坏蛋九成是要很快挂掉的。病毒传播也类似:声势越引人注目,反而越容易预防。

比如我打喷嚏,在一番忍无可忍之后不仅要做仰天长啸状,还要配合肩带肘、肘带腕、腕带手的遮挡动作,并且发出很大声响。周围几米的人都可以随之做出自我保护动作——远离或捂脸。

从流体力学的角度看,打喷嚏是一个剧烈的雾化 (atomization)过程。人的呼吸道、口腔、鼻腔内都附着液体膜。微微清风可以吹皱一池春水;但风再剧烈些那些褶皱就更加深化,直至破碎、离开水面成为雾滴。喷嚏的气流速度可达50米/秒,堪比15级台风,于是瞬间吹皱了腮帮子、吹碎了口水。MIT的Lydia Bourouiba 教授专门研究打喷嚏,被誉为 “喷嚏女皇”。这张图是女皇团队拍摄喷嚏后的液滴轨迹。绿色代表上百微米的大液滴,惯性强,射程远至两米,但是很快沉降。红色部分是几微米的小液滴飞沫,惯性弱,被空气粘性作用减速,并且瞬间蒸发成为微米级的颗粒,也叫飞沫核。

喷嚏的高速摄影图像(Bourouiba等 [1] )

喷嚏和咳嗽都是人们呼吸活动的最剧烈形式。相比之下,说话属于不那么剧烈的呼吸活动,但仍然会产生飞沫 (唾沫星)和飞沫核。可以想象,针对说话产生飞沫的研究要更加复杂,不仅有语言、音量的区别,还与爆破、平滑等不同音节类型相关。此外,研究的难点之一在于人与人的巨大个体差异 (heterogeneity)。William D. Ristenpart 团队发现,这世界真的有“喷子” (“speech superemitters”)存在——他们讲话的时候释放的飞沫是平常人的十倍以上,并且与所讲的具体语言无关 (Asadi等[2])。

个头小小,如漆似胶,能飞会飘

可能大家都有过这种经历:走在楼道里甚至路上,明明周围几十米之内都没有人,但仍然可以闻到烟味。我们闻到的就是烟草燃烧后形成的几百纳米左右的颗粒。

越小的颗粒,空气的粘性作用就越明显。微米级的颗粒在空气中像是芝麻撒在蜂蜜里,几乎不下沉。定量来说,静止空气中同一高度的小颗粒停留时间跟其表面积成反比。对于1微米的颗粒,在静止空气中沉降时间为1小时以上。而环境中总有风吹草动,于是这些颗粒几乎永远不会沉降,始终停留在空气中。这也是为什么抽烟的人可能早已经消失不见,但余味还久久不散。

这种在气体中稳定分散悬浮的液态或固体小颗粒叫做 气溶胶 (aerosol) [3]。之所以翻译为 “胶”,大约就是取颗粒与媒介之间黏黏糊糊、难分难舍之意。

含有新冠病毒的飞沫核尺寸就在亚微米到微米的范围,与烟草燃烧后的颗粒尺度类似。因此,飞沫核在空气中可以悬浮很久,并且在空气中湍流的推波助澜下漂移到远方。飞沫核中的冠状病毒有蛋白质膜壳的保护, 可能在相当长的时间保持活性。若是被人吸入体内,就有可能导致感染新型冠状病毒。

2020年2月1日深圳第三人民医院 (南方科技大学第二附属医院)在某些新冠肺炎患者的粪便中检测出新冠病毒核酸 (RNA)阳性。虽然检测出 RNA不等同于是有活性的病毒,但可能性是有的,这使 “粪口传播” 引起关注。

不过,“粪口传播” 不大可能通过吃,而主要可能是通过气溶胶和呼吸传播。这是因为与呼吸活动类似,排泄活动也可以产生气溶胶。排泄活动也是牵扯到软物质和复杂流体 (液体和气体)的力学过程,这些过程甚至可能比较剧烈,因此产生气溶胶是也很自然的。

2003年,香港淘大花园E座发生321人感染SARS病毒,致死42人,就被认为极大可能性是气溶胶传播。感染病毒的排泄物在上百米高的污水管道中下落,与气流的相互作用也形成一个雾化过程。这些雾滴通过8楼的管道裂缝和几家住户没有被水封好的U型管逃逸,最终蒸发成为气溶胶形式的感染源。由此可见,公共卫生是一个系统工程,容不得短板。

2003年SARS病毒在香港淘大花园E座传播示意图(其中的“水花”为气溶胶)

气溶胶的传播距离之远可能超过我们的想象。一个相关的研究证据是澳大利亚昆士兰地区涉及437个马场的马流感传播事件 (Davis等 [4] )。这些马场间距平均距离约为1公里,最远达13公里。马流感开始时,隔离政策的宣传和执行都很到位,没有马与马的近距离直接接触,但仍发现很多马被感染。原来,感染区域与风向也密切相关!这些证据说明马流感在气溶胶模式在固定风向的作用下可能具备公里级的超长距离的传播能力。中国城市人口密度极高,比如深圳达到每平方公里1万人,因此具有长距离传播能力的气溶胶不容忽视。

温和的呼吸:防不胜防的危险

与喷嚏、咳嗽、说话相比,病毒携带者的正常呼吸是最温和的活动,但也是最防不胜防的。这是因为, 在呼吸的时候,肺部在做大量、长时间的雾化,并且雾化的颗粒极小。肺是神奇的器官,像一棵倒置的大树,主干分成枝丫,支气管在肺内多次分支可达25级,最后形成基本单元肺泡,直径跟头发丝相当。有种假说是:肺泡在一呼一吸之间,所夹的粘液分开,像一个小肥皂泡破裂,瞬间产生极小的小液滴。这些液滴完全没有惯性,会随着呼出的气流出来进入空气中 (Tellier等 [5] )。此外,肺炎是下呼吸道感染,也就是说下呼吸道的病毒含量更高。而成人约有4亿个肺泡,总表面积上百平米,并且我们每时每刻都在呼吸。通过RT-PCR测量甲流患者每分钟排出3至20个RNA,其中近90%的呼出颗粒直径小于1微米 (Fabian等 [6] )。换算一下,大约15分钟的呼吸,病毒数目即可达到甲流的感染剂量。也就是说,新冠病毒携带者哪怕不咳嗽、不打喷嚏,也会悄无声息不间断地释放含病毒的气溶胶。因此,确诊和疑似的病人要坚决隔离。

科学家发展了动物模型来研究病毒在哺乳动物间的传播途径。值得注意的是甲流的几内亚猪 (guinea pig)模型。感染了甲流的几内亚猪会有发热症状, 但是不咳嗽,这就排除了大飞沫传染的可能性 (Lowen等 [7] )。但研究发现,相距三英尺的两个笼子中的几内亚猪仍然可以被感染,这是呼吸导致的气溶胶传染模式的有力证据。

得了流感也不会咳嗽的几内亚猪(guinea pig)

再来看中国疾病预防控制中心、国家卫健委、人民卫生出版社联合出版的《新型冠状病毒感染的肺炎公众防护指南》中提出的传播途径,就可以理解为什么要重视气溶胶传播。在这三种传播途径里,“直接传播” (即“飞沫传播”)可以通过戴口罩有效防护,而且喷嚏基本上是声势浩大的一锤子买卖;并且通常咳嗽的频率也较低 (流感病人大约每小时咳嗽两次左右)。“接触传播” 途径可以靠勤洗手、勤消毒来切断。早在1982年Bean等[8]就发现流感病毒在硬且光滑的表面可以存活24-48小时,但在皮肤上5分钟内病毒的感染性就减少100至1000倍;流感通过手口典型的感染概率仅为万分之一至百分之一 (Nicas & Best [9] )。也就是说手口接触不大可能成为主要病毒传播途径。相比之下,我们对 “气溶胶传播” 途径的认识还显得薄弱。

有学者报道 [10],在气溶胶状态下,一小时后病毒都可能保持感染能力。他们认为呼吸道上皮细胞可能脱落并成为病毒离开人体的载体,为病毒保持活性提供条件。而这一小时内气溶胶凭借风势可以上青云也可以传播到几公里外的地方。当然我们也不必过于担心,因为长距离伴随着病毒浓度的急剧下降,可能远远低于感染剂量。但是这会引申出不少有意义亟待研究的科学问题。比如,以人流密集的火车站、传染病医院为中心,含病毒气溶胶密度在几公里之内的扩散是怎样的?相对恒定的风向导致的局部病毒浓度偏高是否可达到感染阈值?楼宇的间隙是否有导致局部浓度升高的可能?地貌突变和建筑周围产生的回流对气溶胶是否有富集作用?这些研究可能成为城内公共卫生风险评估提供定量依据,相应的结果甚至对气溶胶形式的恐怖袭击也有借鉴意义。

官宣的新冠病毒传播途径

春天在哪里?

SARS也好,流感也好,都是在冬季肆虐,在春夏之交消亡。这种季节性特征人类早就意识到了,但是对流感季节性的成因至今还有争议 [8],因为四季分明的地区与热带的地区的季节性无法用统一的理论解释。而季节更替对应的是温度和湿度的变化,研究者就继续深究这两个因素。但究竟是温度,还是湿度,抑或是相对湿度 (实际湿度与饱和湿度之比)还是绝对湿度,仍然都没有定论 [5]。持不同意见的文章发表到 Science 的都有 [11]。

一篇最近出炉的论文 [11] 指出还有一种可能,就是颗粒在过饱和水汽中的长大成感染性强的尺寸。气管是个非常湿润的环境,而呼入冷空气,会让气管内温度降低,水汽冷凝在飞沫核上,长大成为非常适合深入到下呼吸道的尺寸,增大感染概率。反之,热带环境中湿度高、气温高,吸入的潮湿空气也会使飞沫核长大。你如果没看懂,一是怪我没说清楚, 二是因为病毒的传播和感染是个非常复杂、跨越超长时空的复杂问题,需要跨越学科的精诚合作,从医学、生物、流体力学等多个角度协作才会给出完整的答案。

对我个人而言,这场疫情也是一个反思自己科研态度和方向的机会。我在读博士期间文章主要发表在气溶胶方向的两大杂志 J ournal of Aerosol Science和 Aerosol Science and Technology,它们的影响因子都只有3左右,在中科院也排不到一区。博士毕业后适逢美国接连经历伊拉克战争、反恐和次贷危机,科研经费变得更加紧张,科研氛围在不知不觉中变味。在州立大学做助理教授的时候,展示影响力 (impact)最 “公平” 且无脑的方式就是去追逐文章的影响因子;而材料科学的许多杂志影响因子高很多,发表也显得短平快。同样研究雾化和液滴,可以为气溶胶服务,也可以为材料处理 (打印、喷涂)服务,于是去蹭钙钛矿的热点,而逐渐远离了气溶胶。写这篇科普小文查阅文献时,自己重拾了若干年前的熟悉,在感觉温暖的同时也内疚和汗颜。许多传统的、朴实的学科都在逐渐让位于时髦的、炫酷的方向。基础学科与实体经济的地位和处境相似,都太难了;但是基础空心化之后迎来的很可能是大厦将倾。我盼望,疫情过后,我们的科研土壤可以滋养朴实无华的学科,可以催生百花百草百树齐放的春天,在下一个风暴来临时有足够充分、足够多样的准备去应对

作者简介

邓巍巍,南方科技大学力学与航空航天工程系教授,研究领域为微小液滴的流体力学过程与应用。

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