好文回顧|炭疽桿菌並未走遠:從傳染病到生物武器

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2001 年 10 月 2 日,中國人正在享受著一年一度的國慶假期,而大洋彼岸的美國人卻顯得有點憂心忡忡。就在 3 周前的 9 月 11 日,恐怖分子劫持了 4 架民航客機,製造了震驚世界的 911 恐怖襲擊事件[1]。恐襲就像一團不散的陰雲籠罩在美國的上空,讓整個社會人心惶惶。
亞特蘭蒂斯醫療中心主任,傳染病學家布什(Larry Bush)站在辦公室的落地窗前。清晨的陽光從窗外射進來,照在他的臉上。這幾天,布什教授有點兒心神不寧。前不久,他剛剛參加了一個由美國疾控中心發起的會議,會上專門討論了恐怖分子使用致命細菌和病毒發起恐怖襲擊的可能性。他透過窗子,看著窗外的城市,現在美國全境都增加了對機場和公共設施的安保措施,但是他清楚地知道,防止一場生物恐怖襲擊,比防止劫機的難度要大得多。
突然,一陣急促的電話鈴聲打斷了布什的思緒。他接起電話,聽筒裡傳來了一個急切的聲音:“布什教授,有一例奇怪的腦膜炎病例需要您參與會診。患者是4個小時前入院的,高燒不退,現在已經昏迷不醒了,您是否能馬上過來看一看?”
一個不好的念頭在布什教授的頭腦裡劃過。他搖搖頭,覺得自己可能想多了。放下電話,他就立即趕往了病區。當他趕到時,病人已經上了呼吸機了。
病歷顯示,患者名叫史蒂文斯,今年 63 歲。他在住院之前已經連續發燒 4 天了。凌晨的時候,史蒂文斯感覺頭暈,並且開始嘔吐,他的妻子這才帶他到醫院接受治療。
布什教授立即安排工作:“馬上抽取一份腦脊髓液樣本,然後送到我的實驗室來。”
很快,病人的脊髓液塗片就出現在顯微鏡的視野裡。看著顯微鏡下那一串串形狀好像竹節,沒有一絲鞭毛的桿狀細菌。布什教授的手禁不住抖了起來,因為他看到了他最不願意看到的東西。
布什教授馬上喊來了助手,說道:“快,馬上把腦脊髓液樣本送到傑克遜維爾州立實驗室去。對了,先給疾控中心打電話,讓他們抓緊時間派人過來。
2 天后,患者史蒂文斯不治去世。由於這種疾病實在恐怖,疾控中心特地召開了新聞釋出會。會上,公共服務部部長湯普森聲稱:“這只是一個孤立的病例。感染可能來自於沒有處理過的羊毛。目前沒有證據表明,亞特蘭蒂斯市存在生物恐怖襲擊。民眾可以無需恐慌。”
但是,這樣的新聞報道,卻讓公眾更加恐慌。在輿論的壓力下,疾控中心對上萬名密切接觸者進行了進行了檢測。然而,這一切都太遲了,生物汙染已經無法阻止,多處政府機構被迫關閉。光是用於環境清理的費用,就高達 6500 萬美元,而直接經濟損失,更是高達 10 億美元。
那麼到底是什麼疾病,引發瞭如此大的公共災難呢?
炭疽特徵及歷史
這個恐怖的疾病,名叫“炭疽病”。引發這種疾病的病原體,名叫炭疽桿菌[2]。也許你對這種疾病已經非常陌生,那就讓我為你從頭講起。
炭疽是一種非常古老的病菌。“炭疽”的命名也是來源於希臘語,這個詞的本意就是煤炭。患上炭疽病的人,皮膚上會出現斑疹或水皰。隨著病程的發展,患病的皮膚區域會向外擴大,並且結成黑色的,像是煤炭一樣的結痂。這就是炭疽病名字的由來。
《聖經》裡就曾記載過一段上帝給牲畜降災的故事,牲畜的瘟疫傳染給了人類,患者的皮膚上就出現了黑色的,像煤炭一樣的皮膚損傷。
現代學者們基本上已經肯定,《聖經》裡的這段描述,確實就是炭疽病。因為除了被感染後的皮膚顏色符合炭疽病的特徵之外,由患病的牲畜向人類傳播,也是炭疽病的重要特點。作為一種人畜共患的急性傳染病,炭疽病很可能從人類豢養牲畜起,就開始在社會上流行了。
此後的三千年裡,炭疽病就像幽靈一樣,時常出現在人類社會中。但是,古代文獻關於炭疽病的可靠記載卻不太多。這是因為患上炭疽病的人,因為感染方式的不同,會表現為完全不同的症狀。
被古人們格外關注的,主要是透過皮膚感染,能讓皮膚傷口發黑的炭疽病。因為這個症狀實在非常特殊,很容易與其他疾病區分開來。但是,如果患者是從口鼻吸入炭疽芽孢而感染,那麼臨床表現就是打寒顫、發高燒並且伴隨呼吸困難。如果患者是因為吃了患病的牲畜的肉而感染,那麼臨床表現就是類似急性腸炎的症狀。
現在我們把透過呼吸道感染的炭疽病叫做肺炭疽,把因為食物感染的炭疽病叫做腸炭疽。這兩種炭疽病幾乎無法在古代文獻裡找到蛛絲馬跡,因為如果不做深入研究的話,它們的早期症狀與其他的肺部和腸道傳染病非常相似。
炭疽病的科學史
19 世紀中葉,隨著工業革命的推進,牛羊養殖場的規模也變得越來越大。當時的人們觀察到,養殖場、毛紡廠、皮革廠的工人們常常會患上一種讓皮膚潰爛變黑的怪病。由於剪羊毛的工人們患病率最高,所以也被稱之為“毛工病”。
當時的很多醫生都意識到,牛羊的毛皮與患病的工人之間,似乎存在著一些因果關係,但是他們的研究卻始終沒有進展。
當時,人們相信一種叫做“自然發生論”的理論。這種理論認為,蚯蚓可以在土壤裡產生,蟎蟲可以在灰塵裡產生。其實現代人裡也有人仍然相信,自己家的花是因為不通風而“生了蟲子”。既然蟲子都能自發地產生出來,那麼醫生們相信微生物能夠在腐敗的環境裡自己長出來,也就不足為奇了。
“自然發生”理論最大的害處是,它成了人們探究微生物傳播路徑和來源的巨大阻力。既然微生物可以自己“生”出來,那就沒有必要討論什麼傳播問題了。
但是,有一位年輕的德國醫生很反感這種說法,他並不相信微生物可以憑空地產生出來。這位德國醫生,就是後來鼎鼎大名的現代細菌學之父——羅伯特·科赫。
1876 年,科赫在患病牛羊和毛工病患者的皮膚組織中,找到了一種相同的桿狀微生物,他把這些微生物叫做炭疽桿菌。他還用患病的牛的脾臟組織感染了老鼠,而死去的老鼠身上的組織,還能進一步感染健康的老鼠。這些實驗讓他相信,正是這種微生物,導致了牛羊和人的感染。
不過,科赫並沒有滿足於這些發現,他還想進一步搞清楚,這些炭疽桿菌是如何感染了牛羊,又是如何感染工人的。科赫暗暗決定,要在這項研究上走得更遠。
在自然環境中,老鼠肯定不會用受傷的尾巴去觸碰患病的牛的脾臟。想要找到炭疽桿菌的傳播鏈條,就必須瞭解它們在離開生物體之後的生長和變化。為了做好這項研究,科赫在玻璃片上塗上各種炭疽桿菌可能“愛吃”的食物,然後把它們接種到玻璃片上,觀察它們的生長繁殖。這個玻璃片,就是微生物研究的重要工具——培養皿——的原型。
科赫在培養炭疽桿菌的過程中意外發現,如果玻璃片上的培養基不適合炭疽桿菌的生存,它們就會形成一種橢圓形半透明的小體,這就是芽孢。科赫敏銳地覺察到,芽孢形態的炭疽桿菌與生長在生物體內的炭疽桿菌很不一樣。
科赫透過切換不同的培養基和培養條件,嘗試找到炭疽桿菌形成芽孢的條件。他發現,炭疽桿菌會用環境中的氧氣是否充足來判斷自身所處的環境。在富含氧氣的環境裡,炭疽桿菌就會在自身內部產生橢圓形的芽孢,外部的細胞組織也會形成一層堅硬的外殼,對芽孢進行保護。當芽孢重新進入缺氧的體內環境後,就會再發育成炭疽桿菌的形態,開始大肆繁殖。
簡單地說就是,炭疽桿菌的狀態負責繁殖,而炭疽芽孢的狀態則負責感染。這些芽孢具有極強的存活能力。它們在羊皮上可以存活幾年的時間,在直接的陽光暴曬下也能存活上百小時。在 150℃ 的乾燥空氣中,它們可以在一小時後仍然保持感染力。即便是在一些常見的消毒水中,它們也能存活幾十分鐘的時間。
瞭解了炭疽桿菌在兩種狀態下切換的機制後,科赫心中的謎團徹底解開了。炭疽桿菌的芽孢長期存在於土壤之中,汙染草場。當牛羊吃了被汙染的草,就會染病死亡,而患病牛羊的糞便和屍體則會進一步地汙染土壤。牛羊在被汙染的草場上活動時,草場上的芽孢會汙染牛羊的皮毛,這就是剪羊毛的工人受到感染的原因所在。
比起科赫來說,他的老對手巴斯德在炭疽病的研究中顯然更加務實。巴斯德有著化學家和微生物學家的雙重身份。比起尋找事物的原理,他更注重解決實際問題。他首先告誡農民,應該用焚燒的方式處理患了炭疽病死去的牲畜,不要把死去的牲畜埋在土裡。這個方法大大減輕了炭疽病的流行。隨後,他又開始嘗試製作炭疽疫苗。
巴斯德選擇的方向是製作減毒疫苗。1881 年,他發現在 42℃ 的溫度下,炭疽桿菌似乎失去了發育成芽孢的能力。化學家的思維方式幫助了巴斯德,他馬上開始嘗試在 42℃ 的富氧環境下用各種化學氧化劑來處理炭疽桿菌。然後用老鼠進行實驗,看看它們的毒力有沒有降低。
終於,在一次實驗中,巴斯德觀察到,用重鉻酸鉀處理過的炭疽桿菌不能夠殺死老鼠了,而接種過的老鼠也不會再次被炭疽桿菌感染。巴斯德終於看到了成功的希望。
訊息很快傳到了巴黎一位有名的獸醫羅欣約爾的耳朵裡。羅欣約爾是一位堅定的疫苗否定者,他聽說巴斯德在製作疫苗,覺得特別荒唐,於是向巴斯德發起了挑戰:他出錢來購買實驗用的綿羊,只要注射了疫苗的綿羊全部活下來,而沒有注射疫苗的綿羊全部死掉,就算巴斯德獲勝。
我們都知道,疫苗的保護率不可能是百分之百。要注射過疫苗的綿羊一隻都不死,這是一個非常苛刻的條件。但是巴斯德知道,爭論是毫無意義的,疫苗管不管用,應該用事實說話。雖然巴斯德並沒有十分把握,但還是欣然應戰了。
巴斯德提前兩週為疫苗組的綿羊注射了疫苗,然後開始了實驗。隨後的結果顯示,所有注射疫苗的綿羊均沒有患上炭疽熱,其他沒有注射疫苗的對照組綿羊卻全部死亡。巴斯德一戰成名,針對牛羊使用的炭疽疫苗也從此推廣開來。
僅僅在 188 2年初,法國就有 8 萬多頭綿羊注射了巴斯德研究所提供的炭疽疫苗。隨著炭疽桿菌培養技術的提高,越來越多的牛羊注射了疫苗。經常與牛羊打交道的工人,因為防範手段和生產消毒措施的完善,感染率也陡然降低。
根據世界衛生組織的統計,1900 ~ 1940 年間,每年平均只有 40 例工業性炭疽病例。炭疽病在人用疫苗發明之前,就因為嚴格的畜牧業管理,而變成了一種罕見疾病。
炭疽病與生物武器
說到這裡,好像炭疽病的故事就該結束了。畢竟在 100 年前,就已經沒有多少炭疽病的病例了。但是,炭疽桿菌作為一種能夠廣泛感染哺乳動物的病菌,有著非常多的天然宿主。再加上炭疽芽孢有著強大的生存能力,這注定了炭疽病不可能被徹底消滅。直到今天,牧場裡的牛羊每年都需要接種炭疽疫苗,而這些疫苗全部都是減毒活疫苗。
大量的疫苗需求,讓培養炭疽桿菌的技術變得越來越成熟。炭疽疫苗本質上就是減弱了毒性的炭疽桿菌芽孢懸濁液。只需要簡單的培養罐,37℃ 左右的溫度,極普通的培養液以及適當的含氧量,便可以讓炭疽桿菌 24 小時不間斷地分裂增殖。當獲得足夠數量的炭疽桿菌後,就可以蒸乾溶液,得到能夠忍耐極端環境的炭疽桿菌芽孢粉末。
炭疽芽孢粉末容易攜帶而又極難被發現,一旦汙染了環境,又極難清除,簡直是絕佳的隱形殺人武器。一些野心家正是看中了這一點,才利用炭疽芽孢發起了一場又一場的生物戰爭。
第一次世界大戰期間,德國人就特地派出人員,在協約國軍隊的戰馬草料中撒下了這種神秘的芽孢粉末,但不知如何,笨拙的德國人卻陰差陽錯地毒死了自己的大量馬匹。
圖:軍馬戴著防毒面具以防禦德國毒氣襲擊
雖然這項計劃並沒有產生根本性的破壞,但是這次行動卻點燃了各國軍事方心中研究生物武器的黑色火焰。
1942 年,正處在二戰期間,英國在與蘇格蘭隔海相望的格林納德島上,投放了炭疽芽孢炸彈。實驗人員在島上放了 80 只綿羊[3],然後向島上投放了細菌炸彈。僅僅三天時間,綿羊就開始大規模死亡,島上到處是流血的綿羊屍體。實驗人員雖然對綿羊的屍體進行了焚燒處理,但整片島嶼已經被徹底汙染。
英國人進行炭疽實驗的目的,其實是想透過細菌炸彈來消滅德國北部的牛群,從而達到擾亂德國肉類供應的目的。他們為牛專門製作了 500 萬個含有大量炭疽芽孢的“牛蛋糕”,只等著丘吉爾一聲令下,就會投放到德國的後方。不過,直到二戰結束,丘吉爾也沒有下令使用這些細菌武器。最終,這些用於感染牛的“牛蛋糕”被扔進焚化爐徹底銷燬。
30 年後,科研人員對島上的土壤進行了取樣分析,發現每克土壤裡依然存活 4000-5000 個炭疽芽孢。英國人最終動用了 300 噸甲醛防毒劑,仔細噴灑了格林納德島的每一寸土地,才算化解了這場生物危機。

與英國滅殺德國牛群的計劃相比,身為二戰軸心國的日本則要殘忍得多。他們成立了 731 細菌部隊,以研究疾病防治和飲水淨化作為偽裝,對超過 5000 名中國平民及戰俘實施了慘無人道的人體細菌實驗。1940 ~1944 年間,侵華日軍多次發起大規模細菌戰,範圍遍及我國的山東、浙江、湖南等地,造成了至少 20 萬人的傷亡。

為了應對可怕的細菌戰,用於人類的炭疽疫苗終於提上了研發日程。第一款人用炭疽疫苗是蘇聯在上個世紀 30 年代末開發出來的,40 年代初就正式投入了使用。
戰爭結束後,生物武器的使用得到了國際組織的關注。1969 年,美國總統尼克松下令終止了美國生物武器的研發計劃。這項政令不僅停止了進攻性生物武器的研發,還銷燬了現存的生物武器,只有少量病菌樣本被儲存下來,供醫療研究使用。
1971 年 9 月 28 日,美國、英國和蘇聯等 12 個國家向聯合國大會提出了《禁止生物武器公約》草案。現在,已經有 183 個國家成為締約國。可怕的炭疽戰爭終於歸於平靜。
可惜的是,人類從未真正吸取教訓。發生在 2001 年的炭疽恐怖襲擊事件,讓人類明白,我們必須對生物恐怖襲擊時刻保持警惕。
惡魔的來信
2001 年 9 月 25 日,911 恐怖襲擊事件剛剛過去兩週[4][5],《太陽報》的圖片編輯鮑勃·史蒂文斯[6]像往常一樣來到辦公室。桌角上堆放著幾封讀者來信。史蒂文斯把信封拆開,想看看讀者們有什麼猛料報過來,但結果讓他有點兒失望,沒有什麼有用的東西。
尤其是最後一封信,裡面只寫了幾行字,內容寫了一些“你阻止不了我們,我們有了炭疽”之類的不著邊際的話。史蒂文斯毫不在意地把信件扔進了紙簍。
然而兩天之後,史蒂文斯就開始發燒,渾身的肌肉都疼得厲害。10月2日,病情不斷加重的史蒂文斯被妻子送到了亞特蘭蒂斯醫療中心,這才發生了本文開頭講到的故事。
整個 20 世紀,只有 18 名美國人感染炭疽病。他們中的大多數在動物皮的工廠裡工作,呼吸著從患病的山羊和綿羊的殘餘部分飄出的看不見的芽孢,才會感染。每天坐在辦公桌前做文案工作的史蒂文斯,幾乎沒有患上炭疽的可能。這絕對不是偶然的事件。在場的醫生都壓抑不住自己內心的恐慌,他們幾乎就要喊出聲來:“噢,該死,這是一場生物恐怖襲擊!”
一克的炭疽芽孢粉末中,含有超過上億個芽孢。如果在城市的上風口釋放 100 公斤的炭疽芽孢,飄散在空氣中的芽孢足夠感染十幾萬人,其中超過 70% 的人都會死亡。每延遲一分鐘,都可能有更多人被感染,防疫人員必須與時間賽跑。
接到布什教授的報告後,美國疾控中心開始排查 2 周內與史蒂文斯有過密切接觸的所有人。所有他住過或去過的地方,都被翻了個底朝天。最後,《太陽報》的辦公室被鎖定了。防疫人員在辦公室裡找到了許多陽性樣本,最終確定那封奇怪的來信才是罪魁禍首。

10 月 5 日下午 4 點,鮑勃·史蒂文斯去世了。新聞有保留地披露了史蒂文斯的死因,但仍然在全國引發了恐慌——美國受到了生物恐怖襲擊!這會是 911 慘案的延續嗎?大量民眾湧入藥店,購買抗生素。醫院裡擠滿了排隊打疫苗的人。

發給史蒂文斯的信件,來自於新澤西州的普林斯頓。警方立即行動排查了全城的 600 個郵箱,終於找到了那個寄出信件的郵箱。所有尚未寄到的信件,都被警方截獲,其中還包括 2 封寄給兩位美國參議員的信。每一封信裡,都封存著上億個炭疽芽孢。警方的快速行動,救了 2 位美國參議員的性命。
糟糕的是,由於郵件的傳播,不少建築物都受到了炭疽桿菌的汙染。為了徹底撲滅炭疽病,美國郵局啟用了 γ 射線滅菌技術和專有酶配方來處理郵件。整個淨化工作耗時 26 個月,耗資高達 1.3 億美元。
紐約郵報和福克斯新聞洛克菲勒中心都安裝了新型的新風系統,比如一種負壓空氣洗滌器,來過濾炭疽芽孢。汙染最嚴重的新澤西州普林斯頓郵局則一直關閉到了 2005 年 3 月。
FBI 也介入了調查[7],面談了 9000 多人,進行了 67 次搜查,發出了 6000 多張傳票,最後發現炭疽菌株的來源大機率來自弗雷德里克(Fort Detrick)的政府生物防禦實驗室。
科學家布魯斯·愛德華茲·艾文斯被列入最可疑的嫌疑人。就在真相似乎要被揭開時,艾文斯因過量服用對乙醯氨基酚而自殺身亡。
直到今天,這一事件的真相依然撲朔迷離。但是美國始終認為伊拉克是這次生物恐怖襲擊的幕後黑手,並且以打擊恐怖組織的名義,在 2003 年對伊拉克發動了戰爭。
德國哲學家黑格爾說過:歷史給人的唯一教訓,就是人們從未在歷史中吸取過任何教訓。近年來,美國德特里克堡生物實驗室屢次被曝出從事非法生化研究。國際社會多次呼籲美國開放實驗室[8],讓世衛組織參與調查。人類對生物武器的研究,似乎從未停止。
警惕生物武器
回顧戰勝炭疽的歷史,我們一代又一代的科學家不甘於人類被細菌和病毒折磨,他們經歷了一次又一次的失敗,跨過了一道又一道的檻,為我們構築了細菌防疫的護城河。當我們正準備為成功喝彩時,技術的成果又被野心家所竊取,為我們種下新的惡果。
在野心家眼中,細菌只是與炸彈一樣,能夠殺死敵人的武器。但實際上,每一個生物,它們都是活的生命。人類有人類的計劃,但生命必然另有計劃。生物武器最值得人類警惕的,就是不可避免的失控。
從二戰時開展的荒島炭疽試驗,到美國遭遇的炭疽恐怖襲擊,每一次事件都印證著,炭疽桿菌從未按照人類的計劃行動過。它們從來就不是人類的工具,它們寫入基因的邏輯,就是不斷地複製自己。人類要對它們始終保持敬畏之心。
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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