Апчхи!: физика чихания, или как далеко разлетаются капли
Как можно довести человека до того, чтобы он чихал по команде? «Мне часто задают этот вопрос», - смеется Лидия Буруиба. Решение чрезвычайно простое: она использовала маленький прутик, чтобы в течение нескольких секунд щекотать свою жертву вокруг ноздрей и этим вызвать чихание.
Для Лидии Буруиба, математика и эксперта в области гидродинамики, чихание было необходимым. В Кембридже вместе с командой коллег из Массачусетского Технологического Института (МТИ) она в мельчайших деталях изучила процесс, происходящий при чихании, и, чтобы сделать это, использовала камеру (а иногда и две камеры), которая способна делать тысячи кадров в секунду. При проигрывании видео, можно было увидеть взрыв слюны и слизи, потоком вырывающихся изо рта, распадающихся на маленькие капли и разлетающихся как облака.
С помощью этих записей исследовательница могла установить всё: от диаметра отдельных капель до их скорости - информацию, которая должна была помочь ей раскрыть, как содержащиеся в жидкостях больного вирусы и другие патогенные организмы передаются от хозяина к другому человеку. В этом направлении она также могла продемонстрировать, что частицы при чихании и кашле пересекают пространство всего помещения и могут даже проникать в вентиляционную шахту под потолком. Вероятно, найденные в каплях возбудители заболеваний могут распространяться дальше, чем предполагалось ранее.
Цель Буруиба - собрать вместе и использовать данные по эпидемиологии и общественному здоровью и основы физики и математики. Чтобы болезни не вышли из-под контроля, «нам необходимо соблюдать рекомендации, которые основываются на научных результатах, проверенных в лаборатории», - сообщает исследовательница. Из практических соображений эти знания могли бы помочь составить «карты» распространения возбудителей заболеваний, разработать усовершенствованные средства защиты работников медицинских учреждений, а также точнее предсказывать вспышки болезней.
К выполнению цели исследования Лидия Буруиба стремилась также страстно и энергично, как и к своим хобби: так, она совершает недельные велосипедные прогулки, частые экскурсии в горы (например, в 2011г. она взобралась на Килиманджаро в Танзании) или зимний кемпинг при -20°С.
Лидия Буруиба не первая, кто изучает гидродинамику чихания посредством высокоскоростной камеры, однако она первая использовала данную методику для исследования механизмов работы дыхательных путей, как сообщает Дэвид Ку (David Ku), исследователь в области биогидродинамики из Технологического института Джорджии в г. Атланта, США. Их работа может полностью изменить данную сферу исследований, как считает вирусолог Рон Фаухир(Ron Fouchier) из Роттердамского университета Эразма, Нидерланды. «Нам необходимы методы измерения из физики, чтобы мы смогли понять, как функционирует процесс передачи возбудителей заболевания».
Первооткрывательница.
Лидия Буруиба всегда была первооткрывателем и исследователем. Еще в детстве, когда жила во Франции, она не могла отложить чтение научных книг, а также биографии Альберта Эйнштейна. Чуть позже она влюбилась в математику и физику и сделала их своей специальностью, когда училось на бакалавра во Франции и в Монреале в Канаде.
Физика чихания.
Математик Лидия Буруиба снимает процесс чихания - ради науки [видео на английском, рекомендуется просмотр с субтитрами].
Сначала она была в сомнениях. Ее карьера в гидродинамике была надежной и процветающей, в то время как переход в другую сферу - биологию - нес большой риск. Однажды, во время работы над своей докторской диссертацией, она была на скалодроме и неожиданно задалась вопросом: «А почему бы и нет?» Она сказала себе: «Нельзя упускать возможность лишь из-за страха».
В 2008г. она отказалась от повышения в области гидродинамики. В конце концов, ей удалось заполучить место постдоктора в области математической эпидемиологии Йоркского университета в г. Торонто, Канада. Тогда она начала размышлять над вопросами насморка и кашля.
Что на самом деле происходит при чихании и кашле?
Эти «сильные экспираторные явления», как называет их исследовательница в своих публикациях, уже давно считаются самыми широко распространенными заболеваниями дыхательных путей. Однако как они в действительности протекают? Исследования в области эпидемиологии раскрывают, как движутся частицы, какова их активность и как передаются болезни. Передача происходит при непосредственном контакте друг с другом, при рукопожатии или через зараженные поверхности (например, дверные ручки)? Передаются возбудители через крупные капли, которые преодолевают небольшое расстояние от дыхательных путей до другого человека, или через аэрозольные частицы, которые способны преодолеть огромные расстояния через воздух, прежде чем их снова вдохнут? Или через комбинацию этих способов?
С помощью такого рода исследований ученые могут уточнить сведения о том, что корь при нормальных условиях передается воздушно-капельным путем, а эбола в большинстве случаев - через прямой контакт с биологической жидкостью. У многих других заболеваний способы передачи неизвестны, что затрудняет работу органов здравоохранения в области контроля распространения болезней и подготовки к возможным вспышкам заболеваемости. Например, ранее считалось, что тяжелый острый респираторный синдром (ТОРС, или атипичная пневмония) передается преимущественно через близкий контакт, но во время вспышке болезни в 2003г. оказалось, что передача вируса происходит через воздух. Или, например, некоторые ученые считают, что в какой-то степени вирус эбола передается также по воздуху.
Еще в Йоркском университете Лидия Буруиба предположила, что ответ на все эти вопросы кроется в физических тонкостях процесса кашля и чихания, которые до сих пор не принимались во внимание в большинстве моделей распространения возбудителей заболеваний. В 2010г. исследовательница заняла место постдоктора в МТИ и решила заполнить этот пробел в знаниях. Раньше она занималась лишь теориями, а с того момента приступила к практическим экспериментам. В ходе испытаний она узнала особенности записи высокоскоростной камерой и освоила постановку подходящего освещения, чтобы правильно задокументировать процесс чихания на камеру. «В лаборатории математики часто чувствуют себя не в своей тарелке, - делится Джон Буш (John Bush), исследователь в области гидродинамики и ментор Буруиба в МТИ. - А Лидия чувствует себя отлично».
Буруиба хотела узнать, насколько большими были капли, вылетающие изо рта. От этого зависит то, как много микроорганизмов несет одна капля и насколько далеко они разлетаются по воздуху. В ее первой серии опытов, результаты которой она опубликовала в 2014г., она изучало облако капель в общем. С помощью объявлений, развешанных в кампусе Массачусетского технологического института, она собрала 10 здоровых добровольцев и запечатлела их чихание и кашель. После постановки камеры, создания заднего плана и изменения освещенности, Буруиба сняла, как капли выбрасываются изо рта и разлетаются вихревым, движущимся облаком. Это облако растет и замедляется, как только сталкивается с окружающим воздухом. Тогда капли начинают подниматься и отделяться друг от друга.
Дальше, чем предполагалось.
Видео оспорило утверждение о том, что крупные капли падают на пол на расстоянии 1-2 м от источника и лишь маленькие остаются в воздухе. С помощью математических моделей Лидия Буруиба выявила, что в силу особой динамики облака, при чихании крупные капли способны преодолевать расстояние до 8 м, а при кашле - до 6 м, в зависимости от условий окружающей среды. Кроме этого, капли могут оставаться в воздухе до 10 минут, а потому достигать другого человека в противоположном конце помещения или добираться до системы вентиляции, расположенной под потолком.
Эти результаты могут помочь в работе сотрудников здравоохранения, как считает Джеймс Хьюз (James Hughes), эпидемиолог инфекционных болезней в Университете Эмори в г. Атланта, США. Согласно гипотезе, болезнь могла распространяться в радиусе 1-2 м, следовательно, все, находящиеся вне этой зоны, могли чувствовать себя в безопасности. «Нам следует быть осторожнее», - утверждает Хьюз.
В последующих опытах Лидия Буруиба рассматривала область рта испытуемых с более близкого расстояния и задокументировала процесс чихания в миллисекундах. Как показывают записи в профиль и в анфас, с 8000 кадров в секунду, пленка жидкости разрывается на куски: изо рта жидкость вырывается плоским потоком, затем разрывается, формирует кольца и вытягивается при взаимодействии с потоками воздуха. Затем распадаются сами кольца и оставляют за собой полосы. Маленькие капли жидкости растягиваются и распадаются на одиночные капельки.
Буруиба была удивлена тому, насколько сильно изменяется жидкость на своем пути, что также противоречит ранним гипотезам о том, что капли формируются в готовом виде во рту. Для математика и эпидемиолога Херардо Човелл (Gerardo Chowell) из Государственного университета в г. Атланта, шт. Джорджия, США, это открытие очень важно, так как оно показывает, что каплеобразование во многом зависит от условий окружающей среды, таких, как влажность и температура воздуха. Эти сведения помогут прояснить, почему некоторые заболевания, например грипп, широко распространяются именно в определенное время года. Это происходит в силу того, что в это время условия окружающей среды особенно благоприятны для развития и выживания возбудителей.
Эксперименты Буруиба также значительно дополняют прежние измерения величины капель при кашле и насморке, как считает Дэвид Ку. При этом многие другие факторы также влияют на то, какое расстояние способны преодолеть частицы жидкости. «Исходя лишь из размера частиц, невозможно установить, насколько далеко они способны распространиться. А работа Лидии Буруиба показывает, насколько далеко могут разлетаться частицы при чихании в действительности».
В будущем.
В настоящий момент Лидия Буруиба и ее команда готовятся переехать в новую лабораторию с более высоким уровнем безопасности, где они смогут работать не только со здоровыми пациентами, но и с больными простудой и гриппом. Кроме того, она приняла в свою команду микробиолога, который должен помочь ей установить, какое количество микроорганизмов есть в каплях, а также как долго возбудители могут выживать в воздухе и на поверхностях и оставаться заразными.
Как считает Хьюз, чрезвычайно важно найти ответы на эти вопросы. «Мы должны установить концентрацию возбудителей в каплях различной величины и определить патогенез инфекции». В новой лаборатории Буруиба может варьировать скорость потока воздуха, температуру и влажность, а следовательно, и поведение высвободившихся капель в контролируемых условиях, сходных с теми, что существуют в медицинском учреждении, самолете или даже тропиках.
Главная задача Лидии Буруиба состоит в том, чтобы собрать все полученные данные в математическую модель, с чьей помощью органы здравоохранения однажды смогут устанавливать наиболее вероятный канал передачи той или иной болезни и, таким образом, разрабатывать пути сдерживания инфекций. Например, модель смогла бы спрогнозировать, исходит ли бо́льший риск заражения через воздух или поверхности и какой придерживаться температуры, чтобы минимизировать риск распространения заболевания в больнице. Таким же способом можно выявить суперраспространителей и заблаговременно изолировать их. И в крайнем случае, когда инфекция уже распространилась, а пути передачи еще неясны, можно установить, в каких местах наиболее высок риск заражения, и предупредить людей избегать их.
Човелл, создавший на компьютере модель распространения инфекционных заболеваний, верит, что исходя из работ Лидии Буруиба, можно составить шкалу, с помощью которой можно будет определить степень распространения того или иного заболевания воздушно-капельным путем. Уведомление, что патоген распространяется по воздуху на 85% или на 5%, помогло бы органам здравоохранения установить вероятную скорость распространения болезни. «Для подсчета в модель вводится информация, и она работает. Я думаю, совместными усилиями с Лидией Буруиба и другими учеными модель можно настолько усовершенствовать, что она позволит прогнозировать распространение заболеваний в реальном времени», - утверждает Херардо Човелл.
Успешность анализа Буруиба в действительности зависит от изучаемого заболевания. Работа Дональда Милтона, эксперта в сфере здоровья и окружающей среды из Мэрилендского университета в Колледж-Парке, указывает на то, что исследования Буруиба не будут пригодными для исследования гриппа, так как больные сравнительно редко страдают от насморка. Зато эксперименты с людьми, болеющими простой простудой, могут, наоборот, быть многообещающими, потому что те много чихают.
По мнению Милтона, фокус на чихании и кашле не охватывает весь диапазон способов передачи заболеваний дыхательных путей, так как необходимо рассматривать и обычное дыхание и беседу. Дональд Милтон со своими коллегами выявлял РНК вирусов гриппа в частицах выдыхаемого воздуха и культивировал в лаборатории изолированные вирусы. Если бы доказали важность изучения выдыхаемого воздуха, Буруиба своими методами исследовала бы его. Но сначала она хочет более точно изучить, какие пути распространения в действительности являются основными для возбудителей.
Лидии Буруиба сложно отвлечься от своей работы: когда она слышит, что кто-то чихает, будь-то в самолете или на семинаре, она непременно думает о разлетевшихся каплях. Ничего не поделаешь. Зато это напоминает ей, почему в первые годы исследований ее так очаровывала гидродинамика: жидкости и газы есть повсюду.