作者:崔雪芹 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/8/4 13:42:30
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徐冰:环境与健康的拓路者

 

科学网4日讯(记者 崔雪芹)不久前,爱思唯尔Atlas奖颁奖仪式在清华大学举行。清华大学地球系统科学研究中心徐冰(通讯作者)、吴晓旭(第一作者)、陈丽凡、周森,以及美国德州州立大学芦咏梅(共同通讯作者),因在气候变化对人类传染病影响的合作研究获此荣誉(报道原文)。据悉,Atlas奖旨在奖励为人类生活带来重要影响的研究成果,每月爱思唯尔出版集团从旗下2500个学术期刊(包括Lancet等顶尖杂志)发表的科研论文中选出一篇授予该奖项。这篇名为“气候变化对人类传染病的影响以及人类活动的响应与应对”的论文自2016年1月在线发表以来,一直在期刊Environment International中位列第一 “Most Downloaded Article”。

这篇综述文章也是中国科学家在全球变化和人类健康研究领域取得的又一项新的学术成果。最近几年,以青年科学家为主的徐冰团队在“环境与健康”这样一个学科高度交叉的领域开展研究,取得了系列新进展。该团队从只有教授一人、博士生一人开始发展到现在有教授一人,副教授一人,讲师两人,其他为硕士和博士生,短短五年发表了SCI论文五十多篇,包括美国科学院院报(PNAS)、突发传染病(Emerging Infectious Diseases)、自然子刊--科学报道(Scientific Reports)、国际地理顶级刊物—美国地理学会年报(Annals of AAG)和环境遥感(Remote Sensing of Environment)、环境国际(Environmental International)、PLoS NTD等杂志,一批青年科学家迅速成长。记者在徐冰教授获奖后采访了她。

《中国科学报》:我想了解,什么原因促使您进入这一研究领域?

徐冰:我走上“环境与健康研究”这条科研道路,固然与个人爱好和知识背景有关,更多的是出于偶然的机会。我年少时,是一个随性之人,兴趣广泛,我曾经酷爱绘画艺术,中学时代有相当多的课后和假日都流连在美术馆和众多艺术展览之中。在画展中,当我凝视着画家们彩笔下高耸的雪峰、绿绿绒毯般的草地、牧羊人放牧的羊群,还有那远处的蓝天白云,我似乎已经融入画作,至今不能忘怀。出国学习后,我逐渐喜欢上另外一类源于自然的图画——地球卫星影像,我总是为影像的绚丽多彩所感染,为大地宽厚的情怀所陶醉,这虽然和我所热爱的艺术作品有所不同,但也同样激动人心,令我流连忘返,我想这应是我艺术理想的升华。我在国外学习中又逐渐熟悉和喜爱数学,开始是作为工具,越是深入,越感惊异。我赞叹在诸多数学符号和公式中所显示的规律,简单的数学公式与模型,却把整个世界及其变化映入其中,我热爱它们,这是数学之美。

我最早接触环境与健康的问题,是从研究血吸虫病引发的。上个世纪五十年代,中国政府采取了大规模的土地治理措施,消灭了血吸虫的宿主钉螺,控制了疾病传播,不幸的是到上个世纪九十年代,血吸虫病又出现了新的回潮。我当时正在加州大学伯克利分校攻读博士学位,把血吸虫的控制作为博士论文的题目,但是并没有立志终生从事“环境与健康”的事业。

2003年,中国发生了SARS传染病,从祖国传来的消息让我震惊:爆发性的流行、高致死率让整个国家处于紧张之中,北京这座有1500万人口的城市,晚上8、9点钟,昔日车水马龙的街道已是一片寂静,人、车已消失无踪。更让人心焦的是我们举家回到中国,两个孩子先后感染了甲型流感,其中小儿子刚刚出生两个多月,成为已知最小的甲流患者!我的思想受到强烈冲击,想到这些烈性传染病,来无影、去无踪,它们和环境变化是什么关系?有无预防措施?这涉及到千百万人的生命!我深感我当前的工作何等重要,激励着我下决心终生从事这一伟大事业。我们的团队也是由有理想、有抱负、有责任感的青年科学家组成,几乎没有人涉及到环境与健康这个高度交叉的学科领域,一切都要从头学起。几年来,我们这样一支主要由青年博士生组成的团队,崭露头角,我期待我们的团队继续发扬团队精神,密切合作,加强交流,一定可以获得新的成功。

《中国科学报》:您们写这篇综述文章的目的是什么?

徐冰:我们没有想到这篇文章会拥有这么多读者,这也表明了众多科学家对这个问题正在给予更多的重视。回顾人类的发展史,经历了百万年的历程,直到大约10万年前,人类开始走出非洲,走向世界,大约5000年前开始形成区域文化和经济发展中心,这是一个漫长的、渐进的过程。但是我们的先辈绝不会想到,在最近的100年来,人类的知识出现了爆炸式的增长,人类的社会生活发生了巨变,人类对环境的影响也越来越大和深远。现在的问题是,历史上的人类,对环境的影响是缓慢的,引发环境的变化也是微弱的,人类可以在较长的时间内逐步适应这种变化。但是近百年来人类对环境施加的巨大压力和全球环境的巨大改变,使得人类自身能否适应这些变化成为重大的问题。因此,有些科学家提出“人类能否继续生存十万年”的疑问?我们希望,这篇综述能够引发科学界对环境与健康的关系问题的深度思考。同时,我也希望这篇综述也能为感兴趣的科学家提供今后开展这方面研究的背景框架。

《中国科学报》:你能谈一谈气候变化与传染病的发生流行有什么关系吗?

徐冰:现有的大量资料表明,气候变化和传染病发生流行有着紧密的相关。全球气候变化是人类迄今为止面临的规模最大、范围最广、影响最为深远的挑战之一,其中气候变化对人类健康的影响是直接关系人类社会公共卫生安全和可持续发展的核心。

大量的研究表明,气候变化将影响传染病病原体变异,改变病原体、媒介宿主的分布范围及生活习性,进而改变传染病传播周期、流行范围和强度,增加新发传染病出现的几率。极端天气事件频发则可能造成局部地区传染病的爆发,增加伤害负担。地表生态系统包括下垫面类型和植被分布也会间接对传染病的爆发产生影响,人类活动也是影响传染病传播的间接动力。其中,国际化、普遍化的旅行以及农村向城市人口的迁移所造成的人口流动是传染病大规模传播的根本原因;快速城市化伴随的城市基础设施滞后以及城市边缘传染病的高风险将改变传染病及其造成死亡的模式;农业侵占、森林砍伐等土地利用变化,已经引发了一系列疾病爆发并改变了许多地方病的传播方式;飞速发展的航空、公路和铁路交通运输,不但加快了疾病传播的速度,也扩大了疾病传播的范围。另外,频繁的经济贸易增加了传染病爆发的可能性,为病原体远距离扩散、新型病毒随牲畜贸易沿途扩散等提供了途径。

当前,关于气候变化和传染病流行的相关研究,正在如火如荼地展开。这些年我们的研究团队做了初步的探索,我们深感这项研究涉及到多种学科的交叉,必须很好地解决各个学科的协调和合作才能够促进它的发展。

《中国科学报》:科学技术能够帮助我们解决传染病的发生和蔓延等问题吗?

徐冰:当然,科学能够帮助解释传染病从哪里来,到哪里去,如何传播与控制,以及传染病和气候变化关系等诸多问题。过去几年,我们以禽流感为研究对象,对这些问题进行了研究,有了新的体会和认识。

我在研究中最深刻的体会是,作为科学,气候变化和传染病的发生、传播关系的研究必须立足于多种学科的大跨度交叉与融合,将分子遗传学微观分析和地理学宏观研究相结合、自然科学和经济、管理等社会科学相结合,广泛应用各种前沿技术,包括卫星遥感、基因分析、模型建造以及地球系统模拟等,将不同空间尺度的因素,从基因,到鸡舍、农贸市场,直到区域、洲际以至全球,进行全面、系统的分析和研究,才能得到有科学意义和应用价值的成果。

以禽流感研究为例,我介绍几个方面学科交叉和前沿技术应用的情况:

1、高精度的土地覆盖动态制图和多数据共享平台建设。

以多元遥感数据的时间、空间融合技术为突破口,应用卫星的多传感器、多时相、多尺度遥感数据、气象站点观测数据,结合地面对候鸟的观测、采样数据,获取不同季节、年度、种类候鸟栖息地范围和迁徙路线的专题地图数据,建立完整的传染病传播研究的共享数据平台,才能研究候鸟的栖息、迁徙路线、自然环境变化和禽流感暴发与传播之间的关系等诸多问题。

2、建立禽流感网络时空传播模型

时空传播模型是地理信息学和生物信息学结合的产物。这个传播模型应用全球迁徙候鸟的定位数据和高精度多源遥感数据,建立候鸟迁徙网络模型;应用基因序列测序和分析数据,建立病毒基因流传播网络模型。基于这些网络模型,通过网络分析和群体传染病数学模型模拟,可以判断基因流向,从而对禽流感病毒的传播与进化进行预测;同时,网络时空传播模型也将候鸟传播路径、家禽流通网及人类居民区联接在一起,从而模拟传染病病毒在全球、中国及区域三个层面的传播,揭示禽流感时空传播机制;最终,实现了病毒溯源与传播网络的最大似然估计,解释了禽流感周期性传播与爆发的问题。

3、群体流行病学模型和智能个体模型的结合。

通过对个体间的交互作用解释群体现象,并通过一个模型的输入对比另一个模型的输出及不确定性,分析和阐明禽流感病毒传播驱动机制。这个模型提供了定量地研究禽流感的传播、演变及其机制等重大科学问题的有力工具,并通过模拟在不同环境条件下禽流感爆发与传播的情景,阐明禽流感传播驱动机制,提出优化的防控理论策略。

4、基因分析。

基因分析是传染病和气候变化关系研究的重要手段,是解开众多问题不可或缺的钥匙。仅举几例通过基因分析得到的重要发现:

——全球尺度上,禽流感病毒只有clade2.2这个分支传播广泛,覆盖亚洲、欧洲、中东地区、非洲。病毒传播特点是从高纬地区扩散到低纬地区,跨宿主从野鸟为主扩散到非洲以家禽为主。

——在亚洲流行的禽流感H5N1分支2.3.2病毒是沿着候鸟固定迁徙路线不断进化,候鸟迁飞网络是解释基因流的最优网络。

——中国存在东西向禽流感传播路径,连接青藏地区与中国东部,提供了不同亚型病毒交换与重组的平台,各种贸易与交通主要由东部流向发展落后的西部地区。这条传播路径与东澳大利亚鸟类迁徙路线在安徽、湖南、湖北及江西省交汇。中国处于东亚澳大利亚鸟类迁徙路线范围内,季节迁徙中被感染或机械带毒的野鸟可能将病毒传播到更广大的地区。

《中国科学报》:人类有无可能在未来建设传染病预警系统?

徐冰:我认为通过对传染病发生发展机制、气候变化和传染病之间关系研究,高精度环境数据的获取,以及传染病动态传播模型的建立,人类终有一天能研制出可实际应用的传染病预警系统。

我仅举几例说明我们正朝这个方向努力。

——将候鸟迁徙路线融入遗传信息来判断基因流向,从而对禽流感病毒的传播与进化进行预测。

——将候鸟的迁徙路线和家禽的环境传播途径作为实时动态的网络融入到禽流感传播的数学模型,描述整个病毒扩散过程,从而加深对病毒传播机制的理解,更准确地估算禽流感爆发风险的概率和强度。

——在全球尺度上,候鸟被认为在高致病性禽流感H5N1病毒的传播过程中扮演重要角色。研究表明为了适应气候变化,候鸟可能将改变它们的越冬地,并随之改变H5N1爆发的潜在分布区域。利用近三十种可能携带禽流感病毒的全球迁徙候鸟的定位数据,发现候鸟是沿着15度等温线进行迁飞的。预测到本世纪中叶气候变化引起的青藏高原和新疆地区由于夏季气温升高将会成为适宜鸟类繁殖的地区。但在冬季,由于北纬高纬度地区升温较高,有可能影响鸟类对越冬地区的选择,致使欧洲、北非等地区可能增加感染禽流感的风险。研究的结果可用于H5N1爆发检测和相应防控措施的制定。

——中国尺度上,依据网上搜索关键词的模型实时计算流感疫情的关注度,成果可集成到疾病预测平台中,以可视化的方式将全国、各省市及地区的流感疫情关注度向广大互联网用户展示并可供查询,有利于公众进行流感预防。成果还可应用到各地流感疫情的舆情监控和疫情预警中,为医疗、疾控部门制定有效的防控措施提供参考。

 
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