«بیماری‌های وحشتناکی مانند «سارس»، «ابولا» انواع «آنفولانزا» و حتی همین سرماخوردگی‌های معمولی، همه بیماری‌های مسری‌ای هستند که می‌توانند برای ما مشکلاتی کوچک – در حد چند روز استراحت در منزل – یا بزرگ و حتی مرگ ایجاد کنند. معمولاً وقتی با یک بیماری مسری مواجه می‌شویم، توصیه‌هایی عمومی وجود دارد که همه باید آن را رعایت کنند: تماس نداشتن با فرد بیمار، شستن و ضدعفونی کردن دست‌ها، استفاده از ماسک، استفاده نکردن از وسایل مشترک و… اما این‌ها کافی نیست و در نهایت می‌بینیم که وقتی یک بیماری مسری شایع می‌شود، بسیاری از افراد به آن مبتلا می‌شوند. اینجاست که راه‌های سرایت بیماری و چگونگی عملکرد دقیق عامل بیماری‌زا در هر یک از این راه‌ها اهمیت می‌یابد. شناخت دقیق‌تر این مسائل کمک می‌کند تا بتوانیم راه‌های موثرتری برای کنترل هر یک از بیماری‌ها پیدا کنیم.
«لیدیا بوروایبا» (Lydia Bourouiba) ریاضیدانی است که با استفاده از فیلمبرداری با دوربین‌های سرعت بالا – دوربین‌هایی که در یک ثانیه هزاران تصویر ضبط می‌کنند – روی ساختار عطسه و سرفه مطالعه می‌کند تا بفهمد بیماری‌ها چطور از این راه در بین مردم پخش می‌شوند. او و تیمش در دانشگاه «MIT» لحظات عطسه کردن و اتفاقات پس از آن را با یک یا دو دوربین ضبط می‌کنند (با استفاده از پر یا هر چیزی شبیه به آن می‌شود به راحتی یک عطسه خلق کرد)، سپس این فیلم‌ها را با سرعت آهسته مرور می‌کنند تا از اتفاقاتی که بلافاصله پس از عطسه رخ می‌دهد، سردربیاورند.
آن چه در ویدئوها می‌توان دید این است که طی یک حرکت انفجاری، مخاط و آب دهان به شکل قطرات ریزی به بیرون پرتاب و در ساختاری ابرمانند در هوا معلق می‌شوند. این فیلم‌ها آن قدر دقیق هستند که تیم تحقیقاتی به راحتی از روی آنها می‌توانند مواردی مثل قُطر یا سرعت قطره‌ها را اندازه‌گیری کنند؛ اطلاعاتی که مشخص می‌کند این ذرات چطور ویروس‌ها و دیگر عوامل بیماری‌زا را در محیط پخش می‌کنند و به میزبان بعدی می‌رسانند. بررسی‌های این تیم نشان می‌دهد که ذرات عطسه و سرفه آن قدر سریع حرکت می‌کنند که در بیشتر مواقع می‌توانند طول یک اتاق را کامل بپیمایند. این قطرات حتی می‌توانند به سمت بالا هم حرکت کرده و به پخش‌های تهویه هوا برسند. این مشاهدات، تیم را به این نتیجه رسانده است که میکروب‌های موجود در این ذرات در محدوده وسیع‌تری نسبت به آنچه تئوری‌های فعلی می‌گویند، منتشر می‌شوند.
آنچه در این تحقیقات انجام شده، در واقع سنگ بنایی است برای ورود فیزیک و ریاضیات به حوزه بهداشت عوممی و همه‌گیرشناسی (epidemiology). در واقع در این پژوهش با استفاده از قوانین فیزیک و ریاضی راهکارهایی پیشنهاد شده تا از شیوع بیماری‌ها جلوگیری شود؛ راهکارهایی بر پایه علم که در آزمایشگاه تست شده‌اند. بر اساس نتایج این پژوهش می‌توان میزان ریسک آلودگی در اطراف فرد مبتلا را دقیق‌تر محاسبه و ابزارهایی را بهینه کرد تا کارکنان بیمارستان‌ها در برابر انواع میکروب‌ها مصون بمانند و چگونگی پخش بیماری در بین عموم را بهتر پیش‌بینی کرد.
بانوی عطسه‌ها!
وقتی بوروایبا از سال ۲۰۰۸ (۱۳۸۷) دکترای خود را در زمینه دینامیک سیالات گرفت، برای یک دوره پسادکترا در حوزه ریاضیات همه‌گیرشناسی، راهی «دانشگاه یورک» در تورنتوی کانادا شد. در همین دوره بود که کم‌کم توجهش به عطسه و سرفه جلب شد.
این دو پدیده راه‌های اصلی گسترش بیماری‌های تنفسی هستند ولی دقیقاً چطور این اتفاق می‌افتد؟ مطالعات همه‌گیرشناسی به این پرسش و پرسش‌های دیگری شبیه به آن پاسخ می‌دهد. در این علم با توجه به میزان جابه‌جایی و فعالیت افراد در زمانی که آلوده شده‌اند، چگونگی انتقال بیماری پیش‌بینی می‌شود. برای مثال متخصصان این علم بررسی می‌کنند که آیا بیماری از طریق تماس افراد – مثلاً دست دادن – با یکدیگر منتقل می‌شود یا با آلوده شدن سطوح عمومی مثل دستگیره‌ی در؟ آیا قطرات بزرگ‌تر که هنگام صحبت کردن از دهان فرد خارج می‌شوند، دلیل انتقال آلودگی هستند یا ذرت بسیار ریزی که همراه با بازدم بیرون می‌آیند و مدت بیشتری در هوا معلق می‌مانند یا ترکیبی از هر دوی این‌ها؟
بر اساس این مطالعات برای مثال معلوم شده که بیماری «سرخک» معمولا توسط ذرات معلق در هوا منتشر می‌شود اما راه اصلی انتشار ابولا تماس مستقیم با ترشحات بدن فرد آلوده است. البته هنوز موارد مبهم زیادی در مورد عوامل بیماری‌زا وجود دارد که باعث می‌شود متولیان سلامت عمومی نتوانند جلوی شیوع بیماری‌ها را بگیرند یا برای بیماری‌های آینده آمادگی لازم را داشته باشند. مثلاً در مورد ویروس سارس (SARS) تصور این بود که از طریق تماس مستقیم منتقل می‌شود اما طی شیوع بیماری در سال ۲۰۰۳ (۱۳۸۲) مدارکی به دست آمد که نشان می‌داد این ویروس از راه هوا هم منتقل می‌شود. در حال حاضر عده‌ای از پژوهشگران معتقدند که احتمال دارد ابولا هم امکان انتقال از طریق هوا را داشته باشد. بوروایبا در طی دوران پسادکترا به این نتیجه رسید که این ابهامات می‌تواند با داشتن اطلاعات بیشتر در مورد جنبه‌های فیزیکی پدیده‌های عطسه و سرفه کاهش پیدا کند؛ اطلاعاتی که در مدل‌های مرسوم و معمول انتشار بیماری در نظر گرفته نمی‌شود.
تا سال ۲۰۱۰ (۱۳۸۹) بوروایبا تنها فرصت مطالعه تئوری این موضوع را داشت اما یک دوره پسادکترای دیگر در دانشگاه «MIT» این امکان را به او داد تا این موضوع را در آزمایش‌های عملی دنبال کند و داده‌های واقعی را در این زمینه جمع‌آوری و بررسی کند. حالا او می‌توانست با کمک دوربین‌های فیلمبرداری سرعت بالای مطالعاتش را در دنیای واقعی ادامه دهد.
عطسه‌ها زیر ذره‌بین
یکی از چیزهایی که بوروایبا در طول تحقیقاتش به دنبال فهمیدن آن بود ابعاد قطره‌ها و نوع توزیع قطره‌ها با اندازه‌های مختلف در میان توده پرتاب شده از دهان بود. زیرا اندازه هر ذره بر مقدار میکروبی که با خود حمل می‌کند و مسافتی که می‌تواند حرکت کند، تأثیر می‌گذارد.
در اولین سری آزمایش‌ها که نتایج آن در سال ۲۰۱۴ (۱۳۹۳) منتشر شد، بوروایبا قطرات اسپری شده را به صورت مجموعه‌ای واحد در نظر گرفت. او در همه جای پردیس MIT آگهی‌هایی پخش کرد تا بتواند داوطلبانی برای آزمایش‌هایش پیدا کند. در این سری آزمایش‌ها، از عطسه و سرفه ۱۰ انسان سالم فیلم تهیه شد. بررسی فیلم‌ها معلوم کرد که قطرات وقتی از دهان به بیرون پرتاب می‌شوند، به شکل توده‌ای ابرمانند و آشفته در فضا شناور می‌شوند. ابرقطره‌ها از شخص دور می‌شود و همچنان که جلو می‌رود به تدریج بزرگ‌تر می‌شود و سرعت آن کاهش می‌یابد.
شواهد تصویری به دست آمده با تئوری‌های موجود در مورد عطسه و سرفه در تضاد بود. این تئوری‌ها می‌گفتند که قطره‌های بزرگ‌تر یکی دو متر جلوتر از شخص سقوط می‌کنند و روی زمین می‌افتند و تنها قطره‌های ریزتر به صورت معلق در هوا باقی می‌مانند. بوروایبا با قرار دادن 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 در عطسه تا هشت متر و در سرفه تا شش متر هم – بسته به شرایط محیط – می‌توانند جلو بروند؛ همچنین این قطرات تا حدود ۱۰ دقیقه در هوا معلق می‌مانند. پس با این حساب اگر فرد بیمار در یک اتاق نسبتاً بزرگ هم باشد و فرد سالم در سر دیگر اتاق ایستاده باشد، احتمال این که قطره‌ها به او برسند، زیاد است.
در قدم بعدی بوروایبا بر وضعیت دهان تمرکز کرد. بر اساس فیلم‌های تهیه شده، مایع ابتدا به صورت ورقه‌ورقه از دهان خارج می‌شود، سپس جریان هوا باعث می‌شود در این ورقه‌ها حفره ایجاد و تبدیل به حلقه‌هایی از مایع شوند. حلقه‌ها می‌شکنند، دانه‌های ریزی درست می‌شوند، کشیده می‌شوند و در نهایت از رشته مایع جدا می‌شوند. محصول نهایی این اتفاقات قطره‌هایی جدا از هم در توده ابر است.
این نتایج برای بوروایبا غیر منتظره بود زیرا تا پیش از آن بیشتر دانشمندان این عرصه معتقد بودند که مایع به شکل توده قطرات از دهان خارج می‌شود و این قطره در داخل دهان است که شکل می‌گیرد اما نتایج این مشاهده‌ها مشخص کرد که شکل‌گیری قطرات در خارج از دهان اتفاق می‌افتد و این یعنی که ویژگی‌های فیزیکی قطرات، تحت تأثیر شرایط محیطی مثل دما و فشار است. به این ترتیب شاید بتوان گفت که چرا بعضی بیماری‌ها در دوره‌های خاصی از سال شیوع بیشتری پیدا می‌کند، زیرا ممکن است در آن فصل از سال شرایط محیطی برای درست شدن قطره‌های مناسب‌تر و در نتیجه آن گسترش و بقای این میکروب‌های خاص مساعدتر باشد.
در حال حاضر تحقیقات بوروایبا گسترش پیدا کرده و از اندازه‌گیری ابعاد قطره‌ها فراتر رفته است. قطرات بسته به عوامل مختلف، فاصله‌های متفاوتی را می‌توانند طی کند و بوروایبا به دنبال این است که نشان دهد قطره‌ها در یک عطسه یا سرفه واقعی، دقیقاً تا کجا جلو می‌روند.
قدم‌های بعدی
بوروایبا و تیمش منتظر آماده شدن آزمایشگاه جدیدشان هستند. در این آزمایشگاه محیط طوری طراحی شده است که آنها بتوانند علاوه بر افراد سالم، روی بیمارهای سرما خورده یا مبتلا به آنفولانزا هم کار کنند. در این مرحله، یک میکروب‌شناس هم به گروه اضافه می‌شود تا در برآورد مقدار میکروب موجود در هر قطره و مدت زمانی که این میکروب‌ها در محیط زنده می‌مانند، به آنها کمک کند. علاوه بر این در این آزمایشگاه امکاناتی برای کنترل شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و جریان هوا هم وجود دارد که به تیم تحقیقاتی کمک می‌کند بتواند شرایط محیط‌های مختلف – مانند بیمارستان، هواپیما و … – را شبیه‌سازی کنند.
هدف نهایی در این پروژه گردآوری و جا دادن اطلاعات به دست آمده در یک مدل ریاضی است. این مدل باید توسط پخش‌های مسئول سلامت عمومی قابل استفاده باشد و به آنها کمک کند تا بتوانند شیوه‌های اصلی شیوع یک بیماری ویروسی و راهکارهای کم کردن احتمال پخش آن را شناسایی کنند. برای مثال، این مدل عنوان می‌کند که بیشترین ریسک آلوده شدن به یک بیماری خاص، از راه هوا است یا سطوح آلوده، یا این که جریان هوا یا دما را چطور باید تغییر داد تا احتمال انتقال این بیماری در یک بیمارستان به کمترین میزان برسد؟ این مدل می‌تواند تشخیص بدهد که کدام یک از بیماران ممکن است بیشتر از بقیه، عامل بیماری‌زا را انتشار بدهند تا در صورت لزوم این افراد به قرنطینه منتقل شوند. همچنین زمانی که یک بیماری جدید شایع می‌شود و هنوز معلوم نیست راه انتقال آن از چه طریقی است، مدل می‌تواند مکان‌های پر خطر مثل هواپیما را شناسایی کند تا مردم از حضور در آن خودداری کنند. علاوه بر این، اگر برای اولین بار بیماری جدیدی شناسایی شود، با دادن اطلاعات مربوط به عامل بیماری‌زا، مدل می‌تواند میزان ریسک شیوع آن را ارزیابی کند.
البته بعضی محققان معتقد هستند که بررسی عطسه و سرفه، در بیماری‌هایی مثل آنفولانزا چندان کارساز نیست، زیرا مبتایان به این بیماری چندان سرفه نمی‌کنند و عامل بیماری‌زا بیشتر از طریق تنفس یا صحبت کردن منتقل می‌شود. بوروایبا این احتمال را رد نمی‌کند. او می‌خواهد ابتدا آزمایش‌هایی را روی این افراد انجام دهد تا بتواند تشخیص بدهد که کدامیک از این راه‌ها – تنفس، صحبت کردن، عطسه یا سرفه – در انتقال بیماری موثرتر هستند، سپس گام‌های بعدی پژوهش را با توجه به نتایج این بررسی تعیین کند.
لینک مرتبط: آیا در این روزها باید نگران آنفلوانزای مرغی باشیم؟!