飄啊飄的氣溶膠：新冠病毒的超長時空傳播途徑

大夢未覺W 2020-02-10

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噴嚏：唇齒間的小臺風

在影視劇里，如果看見一個反派在害人之前發(fā)表長篇大論，這個壞蛋九成是要很快掛掉的。病毒傳播也類似：聲勢越引人注目，反而越容易預防。

比如我打噴嚏，在一番忍無可忍之后不僅要做仰天長嘯狀，還要配合肩帶肘、肘帶腕、腕帶手的遮擋動作，并且發(fā)出很大聲響。周圍幾米的人都可以隨之做出自我保護動作——遠離或捂臉。

從流體力學的角度看，打噴嚏是一個劇烈的霧化（atomization）過程。人的呼吸道、口腔、鼻腔內都附著液體膜。微微清風可以吹皺一池春水；但風再劇烈些那些褶皺就更加深化，直至破碎、離開水面成為霧滴。噴嚏的氣流速度可達50米/秒，堪比15級臺風，于是瞬間吹皺了腮幫子、吹碎了口水。MIT的Lydia Bourouiba 教授專門研究打噴嚏，被譽為 “噴嚏女皇”。這張圖是女皇團隊拍攝噴嚏后的液滴軌跡。綠色代表上百微米的大液滴，慣性強，射程遠至兩米，但是很快沉降。紅色部分是幾微米的小液滴飛沫，慣性弱，被空氣粘性作用減速，并且瞬間蒸發(fā)成為微米級的顆粒，也叫飛沫核。

噴嚏的高速攝影圖像（Bourouiba等[1]）

噴嚏和咳嗽都是人們呼吸活動的最劇烈形式。相比之下，說話屬于不那么劇烈的呼吸活動，但仍然會產生飛沫（唾沫星）和飛沫核?？梢韵胂螅槍φf話產生飛沫的研究要更加復雜，不僅有語言、音量的區(qū)別，還與爆破、平滑等不同音節(jié)類型相關。此外，研究的難點之一在于人與人的巨大個體差異（heterogeneity）。William D. Ristenpart 團隊發(fā)現(xiàn)，這世界真的有“噴子”（“speech superemitters”）存在——他們講話的時候釋放的飛沫是平常人的十倍以上，并且與所講的具體語言無關（Asadi等[2]）。

個頭小小，如漆似膠，能飛會飄

可能大家都有過這種經歷：走在樓道里甚至路上，明明周圍幾十米之內都沒有人，但仍然可以聞到煙味。我們聞到的就是煙草燃燒后形成的幾百納米左右的顆粒。

越小的顆粒，空氣的粘性作用就越明顯。微米級的顆粒在空氣中像是芝麻撒在蜂蜜里，幾乎不下沉。定量來說，靜止空氣中同一高度的小顆粒停留時間跟其表面積成反比。對于1微米的顆粒，在靜止空氣中沉降時間為1小時以上。而環(huán)境中總有風吹草動，于是這些顆粒幾乎永遠不會沉降，始終停留在空氣中。這也是為什么抽煙的人可能早已經消失不見，但余味還久久不散。

這種在氣體中穩(wěn)定分散懸浮的液態(tài)或固體小顆粒叫做氣溶膠（aerosol）[3]。之所以翻譯為 “膠”，大約就是取顆粒與媒介之間黏黏糊糊、難分難舍之意。

含有新冠病毒的飛沫核尺寸就在亞微米到微米的范圍，與煙草燃燒后的顆粒尺度類似。因此，飛沫核在空氣中可以懸浮很久，并且在空氣中湍流的推波助瀾下漂移到遠方。飛沫核中的冠狀病毒有蛋白質膜殼的保護, 可能在相當長的時間保持活性。若是被人吸入體內，就有可能導致感染新型冠狀病毒。

2020年2月1日深圳第三人民醫(yī)院（南方科技大學第二附屬醫(yī)院）在某些新冠肺炎患者的糞便中檢測出新冠病毒核酸（RNA）陽性。雖然檢測出 RNA不等同于是有活性的病毒，但可能性是有的，這使 “糞口傳播” 引起關注。

不過，“糞口傳播” 不大可能通過吃，而主要可能是通過氣溶膠和呼吸傳播。這是因為與呼吸活動類似，排泄活動也可以產生氣溶膠。排泄活動也是牽扯到軟物質和復雜流體（液體和氣體）的力學過程，這些過程甚至可能比較劇烈，因此產生氣溶膠是也很自然的。

2003年，香港淘大花園E座發(fā)生321人感染SARS病毒，致死42人，就被認為極大可能性是氣溶膠傳播。感染病毒的排泄物在上百米高的污水管道中下落，與氣流的相互作用也形成一個霧化過程。這些霧滴通過8樓的管道裂縫和幾家住戶沒有被水封好的U型管逃逸，最終蒸發(fā)成為氣溶膠形式的感染源。由此可見，公共衛(wèi)生是一個系統(tǒng)工程，容不得短板。

2003年SARS病毒在香港淘大花園E座傳播示意圖（其中的“水花”為氣溶膠）

氣溶膠的傳播距離之遠可能超過我們的想象。一個相關的研究證據(jù)是澳大利亞昆士蘭地區(qū)涉及437個馬場的馬流感傳播事件（Davis等 [4]）。這些馬場間距平均距離約為1公里，最遠達13公里。馬流感開始時，隔離政策的宣傳和執(zhí)行都很到位，沒有馬與馬的近距離直接接觸，但仍發(fā)現(xiàn)很多馬被感染。原來，感染區(qū)域與風向也密切相關！這些證據(jù)說明馬流感在氣溶膠模式在固定風向的作用下可能具備公里級的超長距離的傳播能力。中國城市人口密度極高，比如深圳達到每平方公里1萬人，因此具有長距離傳播能力的氣溶膠不容忽視。

溫和的呼吸：防不勝防的危險

與噴嚏、咳嗽、說話相比，病毒攜帶者的正常呼吸是最溫和的活動，但也是最防不勝防的。這是因為，在呼吸的時候，肺部在做大量、長時間的霧化，并且霧化的顆粒極小。肺是神奇的器官，像一棵倒置的大樹，主干分成枝丫，支氣管在肺內多次分支可達25級，最后形成基本單元肺泡，直徑跟頭發(fā)絲相當。有種假說是：肺泡在一呼一吸之間，所夾的粘液分開，像一個小肥皂泡破裂，瞬間產生極小的小液滴。這些液滴完全沒有慣性，會隨著呼出的氣流出來進入空氣中（Tellier等 [5]）。此外，肺炎是下呼吸道感染，也就是說下呼吸道的病毒含量更高。而成人約有4億個肺泡，總表面積上百平米，并且我們每時每刻都在呼吸。通過RT-PCR測量甲流患者每分鐘排出3至20個RNA，其中近90%的呼出顆粒直徑小于1微米（Fabian等 [6]）。換算一下，大約15分鐘的呼吸，病毒數(shù)目即可達到甲流的感染劑量。也就是說，新冠病毒攜帶者哪怕不咳嗽、不打噴嚏，也會悄無聲息不間斷地釋放含病毒的氣溶膠。因此，確診和疑似的病人要堅決隔離。

科學家發(fā)展了動物模型來研究病毒在哺乳動物間的傳播途徑。值得注意的是甲流的幾內亞豬（guinea pig）模型。感染了甲流的幾內亞豬會有發(fā)熱癥狀，但是不咳嗽，這就排除了大飛沫傳染的可能性（Lowen等 [7]）。但研究發(fā)現(xiàn)，相距三英尺的兩個籠子中的幾內亞豬仍然可以被感染，這是呼吸導致的氣溶膠傳染模式的有力證據(jù)。

得了流感也不會咳嗽的幾內亞豬（guinea pig）

再來看中國疾病預防控制中心、國家衛(wèi)健委、人民衛(wèi)生出版社聯(lián)合出版的《新型冠狀病毒感染的肺炎公眾防護指南》中提出的傳播途徑，就可以理解為什么要重視氣溶膠傳播。在這三種傳播途徑里，“直接傳播”（即“飛沫傳播”）可以通過戴口罩有效防護，而且噴嚏基本上是聲勢浩大的一錘子買賣；并且通?？人缘念l率也較低（流感病人大約每小時咳嗽兩次左右）?！敖佑|傳播” 途徑可以靠勤洗手、勤消毒來切斷。早在1982年Bean等[8]就發(fā)現(xiàn)流感病毒在硬且光滑的表面可以存活24-48小時，但在皮膚上5分鐘內病毒的感染性就減少100至1000倍；流感通過手口典型的感染概率僅為萬分之一至百分之一（Nicas & Best [9]）。也就是說手口接觸不大可能成為主要病毒傳播途徑。相比之下，我們對 “氣溶膠傳播” 途徑的認識還顯得薄弱。

有學者報道 [10]，在氣溶膠狀態(tài)下，一小時后病毒都可能保持感染能力。他們認為呼吸道上皮細胞可能脫落并成為病毒離開人體的載體，為病毒保持活性提供條件。而這一小時內氣溶膠憑借風勢可以上青云也可以傳播到幾公里外的地方。當然我們也不必過于擔心，因為長距離伴隨著病毒濃度的急劇下降，可能遠遠低于感染劑量。但是這會引申出不少有意義亟待研究的科學問題。比如，以人流密集的火車站、傳染病醫(yī)院為中心，含病毒氣溶膠密度在幾公里之內的擴散是怎樣的？相對恒定的風向導致的局部病毒濃度偏高是否可達到感染閾值？樓宇的間隙是否有導致局部濃度升高的可能？地貌突變和建筑周圍產生的回流對氣溶膠是否有富集作用？這些研究可能成為城內公共衛(wèi)生風險評估提供定量依據(jù)，相應的結果甚至對氣溶膠形式的恐怖襲擊也有借鑒意義。

官宣的新冠病毒傳播途徑

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。這種季節(jié)性特征人類早就意識到了，但是對流感季節(jié)性的成因至今還有爭議 [8]，因為四季分明的地區(qū)與熱帶的地區(qū)的季節(jié)性無法用統(tǒng)一的理論解釋。而季節(jié)更替對應的是溫度和濕度的變化，研究者就繼續(xù)深究這兩個因素。但究竟是溫度，還是濕度，抑或是相對濕度（實際濕度與飽和濕度之比）還是絕對濕度，仍然都沒有定論 [5]。持不同意見的文章發(fā)表到 Science 的都有 [11]。

一篇最近出爐的論文 [11] 指出還有一種可能，就是顆粒在過飽和水汽中的長大成感染性強的尺寸。氣管是個非常濕潤的環(huán)境，而呼入冷空氣，會讓氣管內溫度降低，水汽冷凝在飛沫核上，長大成為非常適合深入到下呼吸道的尺寸，增大感染概率。反之，熱帶環(huán)境中濕度高、氣溫高，吸入的潮濕空氣也會使飛沫核長大。你如果沒看懂，一是怪我沒說清楚，二是因為病毒的傳播和感染是個非常復雜、跨越超長時空的復雜問題，需要跨越學科的精誠合作，從醫(yī)學、生物、流體力學等多個角度協(xié)作才會給出完整的答案。

對我個人而言，這場疫情也是一個反思自己科研態(tài)度和方向的機會。我在讀博士期間文章主要發(fā)表在氣溶膠方向的兩大雜志 Journal of Aerosol Science和 Aerosol Science and Technology，它們的影響因子都只有3左右，在中科院也排不到一區(qū)。博士畢業(yè)后適逢美國接連經歷伊拉克戰(zhàn)爭、反恐和次貸危機，科研經費變得更加緊張，科研氛圍在不知不覺中變味。在州立大學做助理教授的時候，展示影響力（impact）最 “公平” 且無腦的方式就是去追逐文章的影響因子；而材料科學的許多雜志影響因子高很多，發(fā)表也顯得短平快。同樣研究霧化和液滴，可以為氣溶膠服務，也可以為材料處理（打印、噴涂）服務，于是去蹭鈣鈦礦的熱點，而逐漸遠離了氣溶膠。寫這篇科普小文查閱文獻時，自己重拾了若干年前的熟悉，在感覺溫暖的同時也內疚和汗顏。許多傳統(tǒng)的、樸實的學科都在逐漸讓位于時髦的、炫酷的方向?；A學科與實體經濟的地位和處境相似，都太難了；但是基礎空心化之后迎來的很可能是大廈將傾。我盼望，疫情過后，我們的科研土壤可以滋養(yǎng)樸實無華的學科，可以催生百花百草百樹齊放的春天，在下一個風暴來臨時有足夠充分、足夠多樣的準備去應對。