炭-ju杆菌并未走远:从牲畜带来的传染病,到人类研究的生物武器

2021-05-01 18:21:22 科学声音

作者:科学声音知识写作训练营第四期学员

唐洁凤

注:用拼音实属无奈。海涵海涵~


2001 年 10 月 2 日,中国人正在享受着一年一度的国庆假期,而大洋彼岸的美国人却显得有点忧心忡忡。就在 3 周前的 9 月 11 日,暴恐者劫持了 4 架民航客机,制造了震惊世界的 911 事件[1]。恐袭就像一团不散的阴云笼罩在美国的上空,让整个社会动荡。

亚特兰蒂斯医疗中心主任,传染病学家布什(Larry Bush)站在办公室的落地窗前。清晨的阳光从窗外射进来,照在他的脸上。这几天,布什教授有点儿心神不宁。前不久,他刚刚参加了一个由美国疾控中心发起的会议,会上专门讨论了极端的人使用致命细菌和病毒的可能性。他透过窗子,看着窗外的城市,现在美国全境都增加了对机场和公共设施的安保措施,但是他清楚地知道,防止一场生物袭击,比防止劫机的难度要大得多。

突然,一阵急促的电话铃声打断了布什的思绪。他接起电话,听筒里传来了一个急切的声音:“布什教授,有一例奇怪的脑膜炎病例需要您参与会诊。患者是4个小时前入院的,高烧不退,现在已经昏迷不醒了,您是否能马上过来看一看?”
一个不好的念头在布什教授的头脑里划过。他摇摇头,觉得自己可能想多了。放下电话,他就立即赶往了病区。当他赶到时,病人已经上了呼吸机了。
病历显示,患者名叫史蒂文斯,今年 63 岁。他在住院之前已经连续发烧 4 天了。凌晨的时候,史蒂文斯感觉头晕,并且开始呕吐,他的妻子这才带他到医院接受治疗。
布什教授立即安排工作:“马上抽取一份脑脊髓液样本,然后送到我的实验室来。”
很快,病人的脊髓液涂片就出现在显微镜的视野里。看着显微镜下那一串串形状好像竹节,没有一丝鞭毛的杆状细菌。布什教授的手禁不住抖了起来,因为他看到了他最不愿意看到的东西。

布什教授马上喊来了助手,说道:“快,马上把脑脊髓液样本送到杰克逊维尔州立实验室去。对了,先给疾控中心打电话,让他们抓紧时间派人过来。”
2 天后,患者史蒂文斯不治去世。由于这种疾病实在恐怖,疾控中心特地召开了新闻发布会。会上,公共服务部部长汤普森声称:“这只是一个孤立的病例。感染可能来自于没有处理过的羊毛。目前没有证据表明,亚特兰蒂斯市存在生物袭击。民众可以无需恐慌。”
但是,这样的新闻报道,却让公众更加恐慌。在舆论的压力下,疾控中心对上万名密切接触者进行了进行了检测。然而,这一切都太迟了,生物污染已经无法阻止,多处政府机构被迫关闭。光是用于环境清理的费用,就高达 6500 万美元,而直接经济损失,更是高达 10 亿美元。
那么到底是什么疾病,引发了如此大的公共灾难呢?

炭-ju特征及历史

这个恐怖的疾病,名叫“炭-ju病”。引发这种疾病的病原体,名叫炭-ju杆菌[2]。也许你对这种疾病已经非常陌生,那就让我为你从头讲起。
炭-ju是一种非常古老的病菌。“炭-ju”的命名也是来源于希腊语,这个词的本意就是煤炭。患上炭-ju病的人,皮肤上会出现斑疹或水疱。随着病程的发展,患病的皮肤区域会向外扩大,并且结成黑色的,像是煤炭一样的结痂。这就是炭-ju病名字的由来。
《圣经》里就曾记载过一段上帝给牲畜降灾的故事,牲畜的瘟疫传染给了人类,患者的皮肤上就出现了黑色的,像煤炭一样的皮肤损伤。

现代学者们基本上已经肯定,《圣经》里的这段描述,确实就是炭-ju病。因为除了被感染后的皮肤颜色符合炭-ju病的特征之外,由患病的牲畜向人类传播,也是炭-ju病的重要特点。作为一种人畜共患的急性传染病,炭-ju病很可能从人类豢养牲畜起,就开始在社会上流行了。
此后的三千年里,炭-ju病就像幽灵一样,时常出现在人类社会中。但是,古代文献关于炭-ju病的可靠记载却不太多。这是因为患上炭-ju病的人,因为感染方式的不同,会表现为完全不同的症状。
被古人们格外关注的,主要是通过皮肤感染,能让皮肤伤口发黑的炭-ju病。因为这个症状实在非常特殊,很容易与其他疾病区分开来。但是,如果患者是从口鼻吸入炭-ju芽孢而感染,那么临床表现就是打寒颤、发高烧并且伴随呼吸困难。如果患者是因为吃了患病的牲畜的肉而感染,那么临床表现就是类似急性肠炎的症状。
现在我们把通过呼吸道感染的炭-ju病叫做肺炭-ju,把因为食物感染的炭-ju病叫做肠炭-ju。这两种炭-ju病几乎无法在古代文献里找到蛛丝马迹,因为如果不做深入研究的话,它们的早期症状与其他的肺部和肠道传染病非常相似。

炭-ju病的科学史

19 世纪中叶,随着工业革命的推进,牛羊养殖场的规模也变得越来越大。当时的人们观察到,养殖场、毛纺厂、皮革厂的工人们常常会患上一种让皮肤溃烂变黑的怪病。由于剪羊毛的工人们患病率最高,所以也被称之为“毛工病”。

当时的很多医生都意识到,牛羊的毛皮与患病的工人之间,似乎存在着一些因果关系,但是他们的研究却始终没有进展。

当时,人们相信一种叫做“自然发生论”的理论。这种理论认为,蚯蚓可以在土壤里产生,螨虫可以在灰尘里产生。其实现代人里也有人仍然相信,自己家的花是因为不通风而“生了虫子”。既然虫子都能自发地产生出来,那么医生们相信微生物能够在腐败的环境里自己长出来,也就不足为奇了。
“自然发生”理论的害处是,它成了人们探究微生物传播路径和来源的巨大阻力。既然微生物可以自己“生”出来,那就没有必要讨论什么传播问题了。
但是,有一位年轻的德国医生很反感这种说法,他并不相信微生物可以凭空地产生出来。这位德国医生,就是后来鼎鼎大名的现代细菌学之父——罗伯特·科赫。

1876 年,科赫在患病牛羊和毛工病患者的皮肤组织中,找到了一种相同的杆状微生物,他把这些微生物叫做炭-ju杆菌。他还用患病的牛的脾脏组织感染了老鼠,而死去的老鼠身上的组织,还能进一步感染健康的老鼠。这些实验让他相信,正是这种微生物,导致了牛羊和人的感染。
不过,科赫并没有满足于这些发现,他还想进一步搞清楚,这些炭-ju杆菌是如何感染了牛羊,又是如何感染工人的。科赫暗暗决定,要在这项研究上走得更远。
在自然环境中,老鼠肯定不会用受伤的尾巴去触碰患病的牛的脾脏。想要找到炭-ju杆菌的传播链条,就必须了解它们在离开生物体之后的生长和变化。为了做好这项研究,科赫在玻璃片上涂上各种炭-ju杆菌可能“爱吃”的食物,然后把它们接种到玻璃片上,观察它们的生长繁殖。这个玻璃片,就是微生物研究的重要工具——培养皿——的原型。

科赫在培养炭-ju杆菌的过程中意外发现,如果玻璃片上的培养基不适合炭-ju杆菌的生存,它们就会形成一种椭圆形半透明的小体,这就是芽孢。科赫敏锐地觉察到,芽孢形态的炭-ju杆菌与生长在生物体内的炭-ju杆菌很不一样。
科赫通过切换不同的培养基和培养条件,尝试找到炭-ju杆菌形成芽孢的条件。他发现,炭-ju杆菌会用环境中的氧气是否充足来判断自身所处的环境。在富含氧气的环境里,炭-ju杆菌就会在自身内部产生椭圆形的芽孢,外部的细胞组织也会形成一层坚硬的外壳,对芽孢进行保护。当芽孢重新进入缺氧的体内环境后,就会再发育成炭-ju杆菌的形态,开始大肆繁殖。

简单地说就是,炭-ju杆菌的状态负责繁殖,而炭-ju芽孢的状态则负责感染。这些芽孢具有极强的存活能力。它们在羊皮上可以存活几年的时间,在直接的阳光暴晒下也能存活上百小时。在 150℃ 的干燥空气中,它们可以在一小时后仍然保持感染力。即便是在一些常见的消毒水中,它们也能存活几十分钟的时间。
了解了炭-ju杆菌在两种状态下切换的机制后,科赫心中的谜团彻底解开了。炭-ju杆菌的芽孢长期存在于土壤之中,污染草场。当牛羊吃了被污染的草,就会染病死亡,而患病牛羊的粪便和尸体则会进一步地污染土壤。牛羊在被污染的草场上活动时,草场上的芽孢会污染牛羊的皮毛,这就是剪羊毛的工人受到感染的原因所在。
比起科赫来说,他的老对手巴斯德在炭-ju病的研究中显然更加务实。巴斯德有着化学家和微生物学家的双重身份。比起寻找事物的原理,他更注重解决实际问题。他首先告诫农民,应该用焚烧的方式处理患了炭-ju病死去的牲畜,不要把死去的牲畜埋在土里。这个方法大大减轻了炭-ju病的流行。随后,他又开始尝试制作炭-ju疫苗。

巴斯德选择的方向是制作减毒疫苗。1881 年,他发现在 42℃ 的温度下,炭-ju杆菌似乎失去了发育成芽孢的能力。化学家的思维方式帮助了巴斯德,他马上开始尝试在 42℃ 的富氧环境下用各种化学氧化剂来处理炭-ju杆菌。然后用老鼠进行实验,看看它们的毒力有没有降低。
终于,在一次实验中,巴斯德观察到,用重铬酸钾处理过的炭-ju杆菌不能够杀死老鼠了,而接种过的老鼠也不会再次被炭-ju杆菌感染。巴斯德终于看到了成功的希望。
消息很快传到了巴黎一位有名的兽医罗欣约尔的耳朵里。罗欣约尔是一位坚定的疫苗否定者,他听说巴斯德在制作疫苗,觉得特别荒唐,于是向巴斯德发起了挑战:他出钱来购买实验用的绵羊,只要注射了疫苗的绵羊全部活下来,而没有注射疫苗的绵羊全部死掉,就算巴斯德获胜。
我们都知道,疫苗的保护率不可能是百分之百。要注射过疫苗的绵羊一只都不死,这是一个非常苛刻的条件。但是巴斯德知道,争论是毫无意义的,疫苗管不管用,应该用事实说话。虽然巴斯德并没有十分把握,但还是欣然应战了。
巴斯德提前两周为疫苗组的绵羊注射了疫苗,然后开始了实验。随后的结果显示,所有注射疫苗的绵羊均没有患上炭-ju热,其他没有注射疫苗的对照组绵羊却全部死亡。巴斯德一战成名,针对牛羊使用的炭-ju疫苗也从此推广开来。

仅仅在 1882 年初,法国就有 8 万多头绵羊注射了巴斯德研究所提供的炭-ju疫苗。随着炭-ju杆菌培养技术的提高,越来越多的牛羊注射了疫苗。经常与牛羊打交道的工人,因为防范手段和生产消毒措施的完善,感染率也陡然降低。
根据世界卫生组织的统计,1900 ~ 1940 年间,每年平均只有 40 例工业性炭-ju病例。炭-ju病在人用疫苗发明之前,就因为严格的畜牧业管理,而变成了一种罕见疾病。

炭-ju病与生物武器

说到这里,好像炭-ju病的故事就该结束了。毕竟在 100 年前,就已经没有多少炭-ju病的病例了。但是,炭-ju杆菌作为一种能够广泛感染哺乳动物的病菌,有着非常多的天然宿主。再加上炭-ju芽孢有着强大的生存能力,这注定了炭-ju病不可能被彻底消灭。直到今天,牧场里的牛羊每年都需要接种炭-ju疫苗,而这些疫苗全部都是减毒活疫苗。
大量的疫苗需求,让培养炭-ju杆菌的技术变得越来越成熟。炭-ju疫苗本质上就是减弱了毒性的炭-ju杆菌芽孢悬浊液。只需要简单的培养罐,37℃ 左右的温度,极普通的培养液以及适当的含氧量,便可以让炭-ju杆菌 24 小时不间断地分裂增殖。当获得足够数量的炭-ju杆菌后,就可以蒸干溶液,得到能够忍耐极端环境的炭-ju杆菌芽孢粉末。
炭-ju芽孢粉末容易携带而又极难被发现,一旦污染了环境,又极难清除,简直是隐形杀人武器。一些野心家正是看中了这一点,才利用炭-ju芽孢发起了一场又一场的生物战争。
第一次世界大战期间,德国人就特地派出人员,在协约国军队的战马草料中撒下了这种神秘的芽孢粉末,但不知如何,笨拙的德国人却阴差阳错地毒死了自己的大量马匹。

图:军马戴着防毒面具以防御德国毒气袭击

虽然这项计划并没有产生根本性的破坏,但是这次行动却点燃了各国军事方心中研究生物武器的黑色火焰。
1942 年,正处在二战期间,英国在与苏格兰隔海相望的格林纳德岛上,投放了炭-ju芽孢弹。实验人员在岛上放了 80 只绵羊[3],然后向岛上投放了细菌弹。仅仅三天时间,绵羊就开始大规模死亡,岛上到处是流血的绵羊尸体。实验人员虽然对绵羊的尸体进行了焚烧处理,但整片岛屿已经被彻底污染。
英国人进行炭-ju实验的目的,其实是想通过细菌袭击来消灭德国北部的牛群,从而达到扰乱德国肉类供给的目的。他们为牛专门制作了 500 万个含有大量炭-ju芽孢的“牛蛋糕”,只等着丘吉尔一声令下,就会投放到德国的后方。不过,直到二战结束,丘吉尔也没有下令使用这些细菌武器。最终,这些用于感染牛的“牛蛋糕”被扔进焚化炉彻底销毁。
30 年后,科研人员对岛上的土壤进行了采样分析,发现每克土壤里依然存活 4000-5000 个炭-ju芽孢。英国人最终动用了 300 吨甲醛杀毒剂,仔细喷洒了格林纳德岛的每一寸土地,才算化解了这场生物危机。

与英国灭杀德国牛群的计划相比,身为二战轴心国的日本则要残忍得多。他们成立了 731 细菌部队,以研究疾病防治和饮水净化作为伪装,对超过 5000 名中国平民及战俘实施了惨无人道的人体细菌实验。1940 ~1944 年间,侵华日军多次发起大规模细菌战,范围遍及我国的山东、浙江、湖南等地,造成了至少 20 万人的伤亡。
为了应对可怕的细菌战,用于人类的炭-ju疫苗终于提上了研发日程。第一款人用炭-ju疫苗是苏联在上个世纪 30 年代末开发出来的,40 年代初就正式投入了使用。
战争结束后,生物武器的使用得到了国际组织的关注。1969 年,美国总统尼克松下令终止了美国生物武器的研发计划。这项政令不仅停止了进攻性生物武器的研发,还销毁了现存的生物武器,只有少量病菌样本被保存下来,供医疗研究使用。

1971 年 9 月 28 日,美国、英国和苏联等 12 个国家向联合国大会提出了《禁止生物武器公约》草案。现在,已经有 183 个国家成为缔约国。可怕的炭-ju战争终于归于平静。

可惜的是,人类从未真正吸取教训。发生在 2001 年的炭-ju袭击事件,让人类明白,我们必须对生物袭击时刻保持警惕。

恶魔的来信

2001 年 9 月 25 日,911 事件刚刚过去两周[4][5],《太阳报》的图片编辑鲍勃·史蒂文斯[6]像往常一样来到办公室。桌角上堆放着几封读者来信。史蒂文斯把信封拆开,想看看读者们有什么猛料报过来,但结果让他有点儿失望,没有什么有用的东西。
尤其是最后一封信,里面只写了几行字,内容写了一些“你阻止不了我们,我们有了炭-ju”之类的不着边际的话。史蒂文斯毫不在意地把信件扔进了纸篓。
然而两天之后,史蒂文斯就开始发烧,浑身的肌肉都疼得厉害。10月2日,病情不断加重的史蒂文斯被妻子送到了亚特兰蒂斯医疗中心,这才发生了本文开头讲到的故事。
整个 20 世纪,只有 18 名美国人感染炭-ju病。他们中的大多数在动物皮的工厂里工作,呼吸着从患病的山羊和绵羊的残余部分飘出的看不见的芽孢,才会感染。每天坐在办公桌前做文案工作的史蒂文斯,几乎没有患上炭-ju的可能。这不是偶然的事件。在场的医生都压抑不住自己内心的恐慌,他们几乎就要喊出声来:“噢,该死,这是一场生物袭击!”
一克的炭-ju芽孢粉末中,含有超过上亿个芽孢。如果在城市的上风口释放 100 公斤的炭-ju芽孢,飘散在空气中的芽孢足够感染十几万人,其中超过 70% 的人都会死亡。每延迟一分钟,都可能有更多人被感染,防疫人员必须与时间赛跑。

接到布什教授的报告后,美国疾控中心开始排查 2 周内与史蒂文斯有过密切接触的所有人。所有他住过或去过的地方,都被翻了个底朝天。最后,《太阳报》的办公室被锁定了。防疫人员在办公室里找到了许多阳性样本,最终确定那封奇怪的来信才是罪魁祸首。

发给史蒂文斯的信件,来自于新泽西州的普林斯顿。警方立即行动排查了全城的 600 个邮箱,终于找到了那个寄出信件的邮箱。所有尚未寄到的信件,都被警方截获,其中还包括 2 封寄给两位美国参议员的信。每一封信里,都封存着上亿个炭-ju芽孢。警方的快速行动,救了 2 位美国参议员的性命。
糟糕的是,由于邮件的传播,不少建筑物都受到了炭-ju杆菌的污染。为了彻底扑灭炭-ju病,美国邮局启用了 γ 射线灭菌技术和专有酶配方来处理邮件。整个净化工作耗时 26 个月,耗资高达 1.3 亿美元。

纽约邮报和福克斯新闻洛克菲勒中心都安装了新型的新风系统,比如一种负压空气洗涤器,来过滤炭-ju芽孢。污染最严重的新泽西州普林斯顿邮局则一直关闭到了 2005 年 3 月。
FBI 也介入了调查[7],面谈了 9000 多人,进行了 67 次搜查,发出了 6000 多张传票,最后发现炭-ju菌株的来源大概率来自弗雷德里克(Fort Detrick)的政府生物防御实验室。

科学家布鲁斯·爱德华兹·艾文斯被列入最可疑的嫌疑人。就在真相似乎要被揭开时,艾文斯因过量服用对乙酰氨基酚而自杀身亡。

直到今天,这一事件的真相依然扑朔迷离。但是美国始终认为伊拉克是这次生物袭击的幕后黑手,并且以打击的名义,在 2003 年对伊拉克发动了战争。
德国哲学家黑格尔说过:历史给人的唯一教训,就是人们从未在历史中吸取过任何教训。近年来,美国德特里克堡生物实验室屡次被曝出从事非法生化研究。国际社会多次呼吁美国开放实验室[8],让世卫组织参与调查。人类对生物武器的研究,似乎从未停止。

警惕生物武器

回顾战胜炭-ju的历史,我们一代又一代的科学家不甘于人类被细菌和病毒折磨,他们经历了一次又一次的失败,跨过了一道又一道的槛,为我们构筑了细菌防疫的护城河。当我们正准备为成功喝彩时,技术的成果又被野心家所窃取,为我们种下新的恶果。
在野心家眼中,细菌只是能够杀死敌人的武器。但实际上,每一个生物,它们都是活的生命。人类有人类的计划,但生命必然另有计划。生物武器最值得人类警惕的,就是不可避免的失控。
从二战时开展的荒岛炭-ju试验,到美国遭遇的邮件袭击,每一次事件都印证着,炭-ju杆菌从未按照人类的计划行动过。它们从来就不是人类的工具,它们写入基因的逻辑,就是不断地复制自己。人类要对它们始终保持敬畏之心。

信源

  1. https://www.ph.ucla.edu/epi/bioter/criticaldoctorfirstFLcase.html
  2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK310478/
  3. https://www.163.com/dy/article/FG7SUV7E0523N4JT.html
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/2001_anthrax_attacks
  5. https://www.fbi.gov/history/famous-cases/amerithrax-or-anthrax-investigation
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/Death_of_Robert_Stevens
  7. https://www.fbi.gov/history/famous-cases/amerithrax-or-anthrax-investigation
  8. https://www.fmprc.gov.cn/ce/cgrj/chn/zlghd/t1785995.htm

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