博物馆保存的线索,可帮助科学家预测和分析未来的大流行病

Specimens like these at Dublin’s Natural History Museum contain valuable information about the evolution of pathogens and host organisms.
Specimens like these at Dublin’s Natural History Museum contain valuable information about the evolution of pathogens and host organisms.Image: Kieran Guckian/Flickr, CC BY
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  • 人类活动加剧了人畜共患病的爆发,包括人口增长、人口迁移和食用野生动物。

  • 博物馆保存的线索,可让科学家预测、分析并为未来的大流行病做好准备。

短短不到20年间,全球各地社区相继遭受了一系列重大疾病疫情:SARS、MERS、埃博拉、寨卡,如今又是COVID-19。人类中几乎所有新发传染病都源于被野生动物携带的微生物,这些微生物随后会直接或间接地(例如通过蚊子或蜱虫)“跳跃”传播给人类。

推动人畜共患病疫情增加的一个因素是,人类活动(包括人口增长、人口迁移和食用野生动物)正导致与野生动物接触增加。与此同时,病毒和其他微生物的基因突变正在为疾病出现创造新的机会。

然而,人类在很大程度上仍不了解地球的生物多样性及其自然生态系统。仅有两百万个物种(约占地球上估计物种总数的20%)得到了命名我们认为,这种对生物多样性几乎所有方面的根本性无知,导致了对新冠疫情关键环节的应对效率低下、协调不足,且科学依据极为有限。

我们的研究背景十分多元,涵盖植物和哺乳动物演化与新发传染病。在我们与美国及其他六个国家同行合作撰写、近期发表的一篇评论文章中,我们指出一种在很大程度上尚未被充分利用、可用于预测未来大流行病的资源:全球各地博物馆中的自然历史馆藏。

这些馆藏保存着动物、植物及其他生物的标本,展示了地球生命的多样性。它们是信息与样本的宝库,可帮助科学家识别可能的病原体来源、宿主和传播途径。我们认为,要以这种方式利用馆藏,需要投入更多资源,并加强生物多样性科学家与疫情溯源专家之间的合作。

大卫·爱登堡爵士讲解博物馆馆藏如何增进我们对自然世界的理解。

地球生命档案

研究表明,人畜共患病的增加源于人类侵入动物栖息地。尤其是热带雨林遭到破坏在全球范围内的发生,使我们直面那些天然存在于野生动物体内、并可能导致人类感染疾病的微生物。

地球的生物多样性通过一棵亲缘树相互关联。病毒、细菌和其他微生物与其宿主共同演化了数百万年。因此,一种在蝙蝠等野生动物宿主体内不致病的病毒,一旦传播给人类,可能具有很强的致病性。人畜共患病正是如此。

遗憾的是,各国对疫情的应对往往基于对病原体及其野生宿主基础生物学特性,甚至病原体身份的极有限了解。作为科学家,我们认为,利用数百年来积累的生物学知识和自然历史馆藏资源,可以提供一份明智的路线图,用于查明疫情的源头和传播途径。

这些动物、植物和真菌的馆藏可追溯至数百年前,是关于地球生命信息最丰富的来源。它们收藏于从史密森学会到小型学院等各类博物馆中。

据估计,全球自然历史馆藏共计包含超过三十亿件标本,其中包括可能是导致SARS、MERS和COVID-19的冠状病毒宿主的保存标本。它们提供了一份强有力的分布图,展示了我们地球生物多样性在空间和时间上的分布。

保存的病原体

研究人员如何将这些馆藏用于疾病发现?每件标本(例如来自佛罗里达州的一种猪笼草,或来自干旱的新墨西哥州的一只鹿鼠)都记录有学名、采集日期和采集地点,通常还附有其他相关信息。这些记录为科学家了解宿主物种及其相关病原体在何处被发现、以及何时出现在该地,提供了基础。

将疫情爆发地点与该地区可能存在的病原体宿主相联系,有助于精确定位可能的宿主、病原体来源,以及从宿主传播至人类、以及人与人之间的传播途径。这些自然历史馆藏通过大规模在线数据库实现全球互联,因此世界上任何地方的研究人员都能查询到遥远地区潜在宿主的信息。

但这仅仅是个开始。馆藏中保存的一只啮齿动物、一只蝙蝠或其他任何潜在宿主动物的标本,同样携带着被保存下来的病原体,例如冠状病毒。这意味着,研究人员可以利用数十年甚至更早为完全不同目的而采集的标本,快速筛查微生物。他们可以借助这些信息快速鉴定病原体,将其与特定的野生宿主相关联,进而重建致病微生物及其宿主在地理空间上的过往分布与演化历程。

许多馆藏保存着储存在特制低温冷冻箱中的动物标本冷冻样本。这些材料可被快速筛查,以检测微生物和可能的人类病原体,采用基因分析方法。科学家可以将动物标本中发现的病原体DNA序列与致病因子进行比对,以识别并追踪传播途径。

史密森尼国家自然历史博物馆生物样本库中用于低温保存标本的液氮冷冻箱Image: Donald E. Hurlbert/Smithsonian, CC BY-ND

例如,新墨西哥大学博物馆中的鹿鼠标本,是快速鉴定一种新发现的汉坦病毒物种的关键,该病毒于1993年在美国西南部导致13人死亡。其后对保存标本的研究,在其他啮齿动物、鼩鼱、鼹鼠以及近来全球范围内的蝙蝠中,揭示了大量新的汉坦病毒物种和变种。

为博物馆提供条件,连接科学家

自然历史馆藏有潜力推动流行病与大流行病研究的变革。但要实现这一点,它们需要更多支持。

尽管这些馆藏在生物学中发挥着基础性作用,但它们普遍资金不足、人手短缺。其中许多馆藏缺乏近期采集的标本,或可用于基因分析的相关冷冻组织。地球上许多地区的采样严重不足,尤其是靠近热带、生物多样性最丰富的国家。

要将生物多样性科学用于生物医学研究和公共卫生,博物馆需要开展更多野外采样;建设新的馆藏设施,尤其是在生物多样性丰富的国家;并为采集样本、分析DNA序列和追踪传播路线的科学家扩充数据库。这些投入需要增加资金,并推动生物医学与生物多样性科学的创新。

另一个挑战在于,自然历史馆藏管理人员与研究疾病机制的病理生物学家分属不同的科学群体,彼此对对方的资源仅有模糊了解,尽管这对基础研究和临床研究均有明显益处。我们认为,现在正是反思如何利用多元资源的时候,以建立更紧密的联系,连接自然历史博物馆、病理生物学家与公共卫生机构。合作将是我们预测乃至或许能够预防未来大流行病的关键。

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