«بیماریهای خطرناکی چون «سارس»، «ابولا»، انواع «آنفولانزا» و حتی سرماخوردگیهای رایج، همگی جزو بیماریهای مسری هستند که میتوانند برای ما مشکلات متنوعی بهوجود آورند؛ از ناتوانی موقتی به مدت چند روز در خانه تا خطرات جدی و حتی مرگ. عموماً در زمان مواجهه با بیماریهای مسری، توصیههای عمومی وجود دارد که لازم است رعایت شود: پرهیز از تماس با فرد بیمار، شستوشوی مکرر و ضدعفونی کردن دستها، استفاده از ماسک و اجتناب از استفاده از وسایل مشترک و…، اما این اقدامات به تنهایی کافی نیستند و غالباً مشاهده میشود که با شیوع یک بیماری مسری، بسیاری از افراد به آن مبتلا میشوند. در اینجا این نکته که چطور ویروسها از طریق راههای مختلف انتشار مییابند و ویژگیهای خاص هر عامل بیماریزا چگونه است، اهمیت پیدا میکند. شناخت دقیقتر این مسائل میتواند به ما در یافتن راهکارهای مؤثرتری برای کنترل هر یک از بیماریها کمک کند.
«لیدیا بوروایبا» (Lydia Bourouiba) یک ریاضیدان است که بهوسیله دوربینهای سرعت بالا – دوربینهایی که قادرند هزاران تصویر در یک ثانیه ثبت کنند – به مطالعه ساختار عطسه و سرفه پرداخته است تا دریابد چگونه بیماریها از این طریق در جوامع پراکنده میشوند. او و تیمش در دانشگاه «MIT» لحظات عطسه کردن و اتفاقات پس از آن را با یکی یا دو دوربین ضبط میکنند (با کمک اشیائی همچون پر، میتوان بهراحتی عطسه را شبیهسازی کرد) و سپس این فیلمها را با حرکات آهسته مرور میکنند تا به جزئیات درباره آنچه که بلافاصله بعد از عطسه رخ میدهد، برسند.
در فیلمها قابل مشاهده است که طی یک انفجار ناگهانی، ذرات مخاط و آب دهان به شکل قطرات ریزی به بیرون پرتاب شده و در هوای ایجادشده بهشکل ابر منعطف معلق میشوند. بهقدری این ویدئوها دقیقت دارند که تیم تحقیقاتی به راحتی میتواند اطلاعاتی مانند اندازه و سرعت قطرهها را استخراج کند؛ اطلاعاتی که نشان میدهد این ذرات چگونه ویروسها و دیگر عوامل بیماریزا را در فضا پخش میکنند و به میزبان بعدی منتقل میسازند. نتایج تحقیقات این تیم حاکی از آن است که ذرات ناشی از عطسه و سرفه آنقدر سریع حرکت میکنند که قادرند تمام طول یک اتاق را بهراحتی طی نمایند. حتی این قطعات میتوانند به سمت بالا حرکت کرده و به سیستمهای تهویه هوا برسند. این مشاهدات نشان میدهد که میکروبهای موجود در این قطرات در محدوده وسیعتری نسبت به آنچه که نظریههای مرسوم اشاره دارند، پخش میشوند.
تحقیقات انجامشده در این راستا در واقع بنیانی است برای گنجاندن فیزیک و ریاضیات در حوزه بهداشت عمومی و اپیدمیولوژی. در واقع در این پژوهش، قوانین فیزیک و ریاضی بهکار گرفته شدهاند تا روشهایی برای جلوگیری از شیوع بیماریها توسعه داده شود؛ روشهایی مبتنی بر علم که در آزمایشگاه نیز مورد آزمایش قرار گرفتهاند. بر اساس نتایج این تحقیقات میتوان خطر آلودگی در اطراف فرد بیمار را با دقت بیشتری محاسبه کرد و ابزارهایی را بهینهسازی نمود تا کادر درمانی در بیمارستانها در برابر انواع میکروبها محافظت شوند و همچنین روشهای انتشار بیماری در جامعه بهخوبی پیشبینی گردد.
بانوی عطسهها!
در سال ۲۰۰۸ (۱۳۸۷) که بوروایبا دکترای خود را در زمینه دینامیک سیالات دریافت کرد، به دوره پسادکترا در حوزه ریاضیات اپیدمیولوژی در «دانشگاه یورک» در تورنتوی کانادا رفت. در همین دوره بود که به تدریج نظرش به مطالعه عطسه و سرفه جلب شد.
این دو پدیده، راههای اصلی انتقال بیماریهای تنفسی بهشمار میروند، اما دقیقاً چگونه این انتقال صورت میگیرد؟ مطالعات اپیدمیولوژی به این پرسش و سوالهای مشابه پاسخ میدهد. در این رشته با توجه به میزان جابهجایی و فعالیت افراد در زمان آلوده شدن، شیوههای انتقال بیماری پیشبینی میشود. بهعنوان مثال، دانشمندان در این حوزه بررسی میکنند که آیا ویروس از طریق تماس میان افراد، مانند دست دادن، منتقل میشود یا از طریق آلودگی سطوح عمومی مانند دستگیرهها؟ آیا قطرات بزرگتر که هنگام صحبت از دهان خارج میشوند، عامل انتقال آلودگی هستند یا ذرات ریزتری که در حین بازدم آزاد میشوند و مدت بیشتری در هوا باقی میمانند، یا شاید ترکیبی از هر دو؟
مطالعات انجامشده نشان میدهد که بیماری «سرخک» معمولاً از طریق ذرات معلق در هوا منتشر میشود، در حالی که راه اصلی شیوع ابولا، تماس مستقیم با ترشحات یک فرد آلوده است. البته هنوز هم موارد مبهم فراوانی در مورد عوامل بیماریزا وجود دارد که مانع از اتخاذ تدابیر مؤثر برای جلوگیری از شیوع بیماریها از سوی مسئولین بهداشت عمومی میگردد یا برای آمادگی در برابر بیماریهای آینده مشکلآفرین میشود. بهعنوان مثال در مورد ویروس سارس (SARS)، تصور میشد که این ویروس تنها از طریق تماس مستقیم منتقل میشود، اما در جریان شیوع آن در سال ۲۰۰۳ (۱۳۸۲)، شواهدی به دست آمد که نشان داد ویروس میتواند از طریق هوا نیز انتشار یابد. برخی محققان در حال حاضر بر این باورند که ابولا نیز ممکن است قابلیت انتقال از طریق هوا را داشته باشد. بوروایبا در طول دوره پسادکترا به این نتیجه رسید که این عدم قطعیتها بهراحتی با کسب اطلاعات بیشتر درباره جنبههای فیزیکی پدیدههای عطسه و سرفه کاهش مییابد؛ اطلاعاتی که در مدلهای سنتی انتقال بیماری نادیده گرفته میشود.
تا سال ۲۰۱۰ (۱۳۸۹)، بوروایبا تنها امکان مطالعه تئوری این موضوع را داشت، اما دوره پسادکترای دیگری در «MIT» به او این فرصت را داد که این موضوع را در آزمایشهای عملی پیگیری کرده و دادههای واقعی در این زمینه جمعآوری کند. در حال حاضر او میتوانست با استفاده از دوربینهای فیلمبرداری سریع، مطالعاتش را در دنیای واقعی ادامه دهد.
عطسهها زیر ذرهبین
یکی از مسائلی که بوروایبا در طول تحقیقاتش به دنبال پاسخ به آن بود، اندازه قطرات و نوع توزیع آنها با ابعاد مختلف در میان تودهای بود که از دهان خارج میشود. زیرا اندازه هر قطره تأثیر مستقیم بر مقدار میکروبی که با خود حمل میکند و فاصلهای که میتواند طی کند، دارد.
در نخستین سری آزمایشها که نتایج آن در سال ۲۰۱۴ (۱۳۹۳) منتشر شد، بوروایبا قطرات پاشیدهشده را بهعنوان مجموعهای واحد در نظر گرفت. او در تمامی نقاط پردیس MIT اطلاعیههایی منتشر کرد تا داوطلبانی برای آزمایشهایش شناسایی کند. در این بررسی، فیلمهایی از عطسه و سرفه ۱۰ فرد سالم تهیه شد. نتایج حاصل از بررسی فیلمها نشان داد که زمانی که قطرات از دهان فرد خارج میشوند، بهصورت تودهای ابری و نامنظم در فضا شناور میگردند. ابرقطرهها از شخص دور شده و در حین حرکت بهتدریج بزرگتر میشوند و سرعت آنها کاهش مییابد.
شواهد تصویری بهدستآمده در تضاد با نظریههای موجود درباره عطسه و سرفه قرار دارد. این نظریهها ادعا میکردند که قطرههای بزرگتر تنها تا یک یا دو متر جلوتر از فرد سقوط میکنند و تنها قطرههای ریزتر در هوا معلق میمانند. بوروایبا، با استفاده از شواهد به دست آمده از ویدئوها در مدلهای ریاضیاش، به این نتیجه رسید که به دلیل شرایط دینامیکی ابر حاصل از عطسه و سرفه، بسیاری از قطرههای بزرگ میتوانند تا ۸ متر در عطسه و تا ۶ متر در سرفه حرکت کنند – که این موضوع بسته به شرایط محیطی متغیر است. همچنین این قطرات میتوانند تا حدود ۱۰ دقیقه در هوا معلق بمانند. بنابراین، اگر چه فرد بیمار در یک اتاق نسبتاً بزرگ نیز باشد و فرد سالم در نقطهای دورتر ایستاده باشد، احتمال رسیدن قطرات به او وجود دارد.
در مرحله بعد، بوروایبا توجه خاصی به وضعیت دهان معطوف داشت. بر اساس فیلمهای ثبتشده، مایع ابتدا بهصورت ورقههای نازک از دهان خارج میشود و سپس جریان هوا موجب ایجاد حفرههایی در این ورقهها شده و آنها را به حلقههای مایع تبدیل میکند. حلقهها به هم میخورند، ذرات ریزی شکل میگیرند و کشیده شده و از توده مایع جدا میشوند. خروجی نهایی این فرایند قطراتی مجزا از یکدیگر در توده ابری است.
این نتایج برای بوروایبا غیرمنتظره بود؛ چرا که پیشتر بیشتر دانشمندان این حوزه بر این باور بودند که مایع به صورت تودهای از قطرات از دهان خارج میشود، در حالی که نتایج این مشاهدات نشان داد که فرآیند شکلگیری قطرات در خارج از دهان روی میدهد و این بدین معنی است که ویژگیهای فیزیکی قطرات تحت تأثیر شرایط محیطی همچون دما و فشار قرار میگیرند. به این ترتیب ممکن است بتوان توجیهی برای شیوع بیشتر برخی بیماریها در فصلهای خاصی از سال ارائه داد؛ بهاین معنا که در آن زمان شرایط محیطی برای تولید قطرات مناسبتر و به دنبال آن گسترش و بقای این میکروبها مساعدتر است.
در حال حاضر تحقیقات بوروایبا در حال گسترش است و از اندازهگیری ابعاد قطرات فراتر رفته است. بر این اساس، با توجه به عوامل مختلف، قطرهها میتوانند فاصلههای متفاوتی را طی کنند و بوروایبا به دنبال اثبات این موضوع است که قطرهها در یک عطسه یا سرفه واقعی، بهواقع تا کجا میتوانند پیش بروند.
قدمهای بعدی
بوروایبا و تیمش در انتظار آماده شدن آزمایشگاه جدیدشان هستند. این آزمایشگاه بهگونهای طراحی شده است که آنها بتوانند علاوه بر افراد سالم، به بررسی بیماران سرماخورده یا مبتلا به آنفولانزا نیز بپردازند. در این مرحله، یک میکروبشناس نیز به گروه اضافه میشود تا در برآورد میزان میکروب موجود در هر قطره و مدت زمانی که این میکروبها در محیط زنده میمانند، به آنها یاری دهد. افزون بر این، در این آزمایشگاه امکاناتی برای کنترل شرایط محیطی همچون دما، رطوبت و جریان هوا وجود دارد که به تیم تحقیقاتی کمک خواهد کرد شرایط محیطهای مختلف، همانند بیمارستانها و هواپیماها را شبیهسازی نمایند.
هدف نهایی این پروژه جمعآوری و نهایتاً گنجاندن اطلاعات بدستآمده در یک مدل ریاضی است. این مدل باید بهوسیله نهادهای مسئول بهداشت عمومی قابل استفاده باشد و به آنان کمک کند تا شیوههای اصلی شیوع یک بیماری ویروسی و راهکارهای کاهش احتمال انتشار آن را شناسایی کنند. بهعنوان مثال، این مدل میتواند نشان دهد که بالاترین خطر آلودگی به یک بیماری خاص از طریق هوا ایجاد میشود یا از سطوح آلوده، یا اینکه چگونه باید جریان هوا یا دما تنظیم شود تا احتمال انتقال بیماریای خاص در بیمارستان به حداقل برسد. این مدل میتواند به شناسایی بیماران کمک کند تا مشخص شود کدام یک از آنها ممکن است بیشتر از دیگران عامل بیماریزا را منتشر کنند، تا در صورت نیاز این افراد به قرنطینه منتقل شوند. همچنین هنگامی که یک بیماری جدید شیوع مییابد و هنوز راه انتقال آن مشخص نیست، این مدل میتواند مکانهای پرخطر مثل هواپیماها را شناسایی کند تا افراد از حضور در آنها پرهیز کنند. علاوه بر این، اگر برای نخستین بار یک بیماری جدید شناسایی شود، با ارائه اطلاعات مربوط به عامل بیماریزا، این مدل قادر خواهد بود میزان خطر شیوع آن را تخمین بزند.
با این حال، برخی پژوهشگران معتقدند که بررسی عطسه و سرفه در بیماریهای مانند آنفولانزا چندان مؤثر نیست؛ چرا که مبتلایان به این بیماری بهاندازهای سرفه نمیکنند و ویروس بیشتر از طریق تنفس یا صحبت کردن منتقل میشود. بوروایبا این احتمال را رد نمیکند و قصد دارد ابتدا آزمایشهایی بر روی این افراد انجام دهد تا مشخص کند که کدامیک از این روشها – تنفس، صحبت کردن، عطسه یا سرفه – در انتقال بیماری تأثیرگذارتر هستند، و سپس مراحل بعدی پژوهش را بر اساس نتایج این بررسیها تعیین کند.