本文最初刊载于 Undark。
一切都始于 Christopher Mason 3 岁的女儿舔了地铁杆。
和其他父母一样，他感到非常震惊，但也充满强烈的好奇心：每天有多少微生物可能附着在被无数通勤者触摸过的金属管上？
Mason，一位**韦尔康奈尔医学院的遗传学家**，很快对这个问题产生了强烈的兴趣。他的幼儿的这件事启发他开始一段探索之旅，揭开生活在纽约市城市丛林中，与8百万人共存的细菌、真菌和病毒的世界。
2013 年，他启动了一个项目，开始派遣一支由学生组成的小型队伍，他们肩背塞满了乳胶手套、试管和消毒棉签的双肩包。他们采样了城市中所有开放地铁站的检票机、长椅和售票亭。这是一次探险，进入了一片很大程度上未被探索过的领域，如同火星或深海峡谷，充满了熟悉和未知的生命形式。
这些采样者采集的是所谓的环境 DNA（eDNA），它代表了所有人类、动物和微生物在日常生活中自然脱落的细胞集合，留下了基因指纹。科学家们逐渐量化和绘制了整个城市看不见的生物多样性——微生物组。2015 年，他们**报道**称，他们发现了超过 **1600 种不同**的微生物，其中近一半是科学界已知的。大多数是无害的，与人体皮肤和肠道有关。约 12% 是已知的病原体，包括与鼠疫和炭疽相似的基因片段，尽管没有证据表明这些小片段能够使任何人患病。他们还没有在纽约的地下发现任何新的致命病毒——至少到目前为止。
四年后，也就是 2019 年底，Mason 和他的同事们开始听说在中国流传着一种神秘的肺炎样疾病。“我们一开始并不担心，”他说，“但到了 1 月份，很明显它已经跨越大洋并且**正在蔓延**。” 突然之间，地铁采样者成了监测 COVID-19 存在的**第一线工作者**，不仅是在交通系统中，还在医院和废水。 Mason 说：“我们有了一个新的医疗重点，其方案和工具可以部署到任何地方。”
如今，COVID-19 已夺去了近 **80,000 名纽约客**、近 120 万美国人和近 700 万全球人口的生命。这场大流行病促使人们开发新技术，使科学家能够快速表征环境中留下基因痕迹的生物。正如城市级的飓风促进了天气监测和建筑工程的创新一样，这场大流行病也推动了病原体狩猎科学的发展。
在过去 15 年里，随着测序、计算技术和**宏基因组学**（研究来自多种生物的 DNA）的进步，eDNA 研究领域呈指数级增长。现在，世界各地的科学家可以从一杯土壤、一瓶水甚至一团空气中取样，并调查其中存在的数千种微生物的 eDNA。尽管该领域总体上存在隐私和技术限制的担忧，但许多科学家看到了进一步早期检测新兴病原体的机会。**废水监测**是监测人群级别病毒激增的最先进方法，但其他领域也在迎头赶上。因此，卫生官员能够更好地准备检测疫情——并迅速采取措施加以控制。
专家们表示，这项技术可能很快就会变得如此先进，以至于环境样本（例如从高风险区域过滤出的空气——湿货市场、医院、会议酒店）可以在便携式设备中自动测序，并报告是否存在威胁性病原体。研究人员正在利用基因组数据库来协助快速识别病原体和其他微生物。柬埔寨巴斯德研究所（一家非营利性研究机构）的病毒学家 Erik Karlsson 说，科学家们正接近于“能够实时监测这些高风险界面”。
“我们喜欢说，我们正试图‘抢在喷嚏之前’。”
**病毒狩猎**的最终目标是建立一个早期预警系统：在可能引发疾病爆发的病原体有机会这样做之前就找到它。科学家们说，关键在于监测动物和人类相互接触的高风险区域。这些地方通常位于人类居住区和热带森林之间的边界，人们在那里狩猎和捕获动物以获取食物、作为宠物或用作药物成分，或者在屠宰动物供食用的市场里。
“我们喜欢说，我们正试图‘抢在喷嚏之前’，”Karlsson 说，他在柬埔寨的活禽市场监测禽流感和其他病原体。这意味着他们试图在可能对人类传播之前，或者在跳跃到其他动物种类并引起疫情爆发之前，就识别出潜在的威胁性病原体。“我们希望能够领先于此，”他说。
研究表明，21 世纪出现的传染病中，有 70% 以上——包括埃博拉、艾滋病毒和猴痘（以前称为天花）——是从野生动物传播给人类的。此外，在过去 80 年里，**人畜共患病从**野生动物传播给人类的事件显著增加。这些事件通常被称为“溢出”。
研究表明，在溢出之前，通常会发生一种主要现象，通常发生在偏远的地方：**森林砍伐**。
随着森林被砍伐用于木材、农业和人类发展，居住和工作在附近地区的人们会狩猎和搜寻动物，供食用，或以宠物（有时是非法）出售，或制成药物。接触动物的人可能会暴露于新的病原体。其中一种病原体是否会传播给人类并引发疫情，取决于多种因素，包括病毒的进化方式和人类免疫力。
非洲和东南亚的森林地区，大片以前原始的荒野正在被砍伐，是新兴动物源性（人畜共患）疾病的主要热点地区。根据世界卫生组织的数据，非洲在过去十年中人畜共患病疫情的**数量增加了 63%**。这些疫情包括埃博拉、病毒性出血热、登革热、炭疽、鼠疫和猴痘。
**埃博拉**是其中最著名、最令人恐惧的病毒之一。该病毒于 1976 年首次被发现，它通过攻击免疫系统来杀人，导致免疫系统失控，严重损害血管壁，导致动脉、静脉和毛细血管漏血，引起医疗休克和器官衰竭。
最广泛的埃博拉疫情始于 2013 年 12 月，一种存在于蝙蝠中的病毒不知何故传播给了几内亚南部一个名叫 Emile Ouamouno 的 18 个月大的男孩。Ouamouno——“零号病人”——患有发烧、排出黑色血便和呕吐。他在几天内死亡，很快他的母亲、年幼的妹妹和祖母也**随之而去**。
很快，这种疾病出现在附近的 Guéckédou 市，这是一个拥有近 35 万人口的城市，引起了世界卫生官员对埃博拉疫情的警觉。最终，疫情蔓延到塞拉利昂、利比里亚、尼日利亚以及包括美国在内的另外六个国家，美国德克萨斯州达拉斯有三例。到 2016 年疫情结束时，它已造成超过 11,300 人死亡，感染 28,600 人。
Eeva Kuisma 是一名兽医科学家，为野生动物保护协会（一个全球性的非营利性保护组织）工作。在刚果共和国，她正在致力于扩展一个可能成为第一个基于森林环境 DNA 采样埃博拉和其他疾病的长期监测项目。这项研究建立在正在进行的公众教育和疾病监测**计划**之上，该计划让研究人员前往偏远社区，提供有关埃博拉病毒和其他动物源性疾病危险的信息，以及如何最大限度地降低暴露风险。鼓励猎人和采集者向热线报告他们在森林中发现动物尸体的情况。到目前为止，该计划已覆盖 290 多个村庄的 5,800 名猎人。
作为 Kuisma 正在启动的新研究的一部分，调查小组将每五年花费 12 个月的时间，在超过 800 万英亩的森林中系统性地行走。沿途，他们将采集动物尸体和粪便的 eDNA 样本。
这些样本代表了从大猩猩、黑猩猩到河猪和羚羊等多种动物，它们正在被检测是否含有埃博拉和其他病原体。Kuisma 和她的同事们正在利用 DNA 分析的最新进展，将遗传物质与 DNA 序列数据库进行比对，从而识别出存在的许多微生物，从细菌到病原体和病毒。
Kuisma 说，该项目的长期数据可能有助于监测埃博拉或任何其他病原体在重大景观变化背景下的出现。一个例子是计划中的**耗资 17 亿美元的道路**项目，该项目将连接刚果、乍得和中非共和国，“这些地区直到现在一直是原始的热带雨林，”她说。
这项研究尚处于早期阶段，但持续对埃博拉病毒进行环境采样可能有一天会阻止疾病的溢出并拯救生命。Kuisma 说：“如果我们从粪便或尸体中获得指示，表明动物种群中存在活跃的流行病，那么我们就可以告知人们，警告他们这种情况正在发生，并教育他们不要去吃尸体，不要捡起来，不要触摸它们。”
在过去的一个世纪里，东南亚一直是新兴人畜共患病的主要热点地区，但最近，疾病溢出的风险有所增加。人口增长、森林砍伐、气候变化以及家禽和猪肉养殖业的扩张，都导致了包括中东呼吸综合征、寨卡病毒和高致病性禽流感，或**HPAI** 在内的一系列疾病的出现。
柬埔寨的病毒学家 Karlsson 负责监督金边研究人员在人畜混合区域采集环境样本。以前，研究人员必须手工收集粪便、血液、尿液和其他生物样本，而最近快速基因测序技术的进步使得他们能够更快、更安全地完成工作。Karlsson 说：“环境样本在速度方面真的非常非常好。我们不必捕捉动物。我们不必获得同样的许可。你不必拥有经过培训的人员来处理像蝙蝠那样的潜在危险动物。你可以去环境中，非常快速地获得这些样本。”
最近，一种新的病毒狩猎工具变得越来越广泛：空气采样。Karlsson 的团队正在使用为建筑工人设计的空气过滤器，或用于净化酒店大堂空气的设备，来采集公共市场（供应商在那里屠宰、清洁和褪毛鸡）的样本——这些是禽流感爆发的高风险区域。
在 **2023 年 3 月发表的一项研究**中，研究人员招募了市场上的摊贩，让他们在一周内每天佩戴个人空气采样器 30 分钟，并在家禽禽流感在 2 月份可预测地高发、5 月份低发期间进行日常活动。2 月份，他们在 100% 的空气样本中发现了病毒 RNA。他们还可以看到，随着离鸡肉屠宰区的距离增加，病毒量也在减少，这证实了屠宰区是“市场中风险最高的区域”，Karlsson 说，并说明了改善通风等干预措施的必要性。
Karlsson 的团队现在正在使用信用卡读卡器大小的手持空气过滤设备，对研究人员难以进入且有时危险的地方（如蝙蝠洞）进行病毒采样。蝙蝠是感染人类的**各种各样**病毒的宿主——包括 COVID-19。他们将这些小型采样器与玩具无人机和遥控汽车配对，这些设备可以轻松进入洞穴，而科学家们则在外面等待。
Karlsson 经常考虑可以部署用于被动、远程采样的其他技术——并希望有一天能有一种综合设备，它不仅能收集样本，还能当场进行处理。“我们能否将其连接到 Roomba 之类的东西上，让它不断清洁地板，然后吸入样本，”他说。“你可以看到有很多选择。”
**Peter Thielen** 是约翰霍普金斯应用物理实验室的分子生物学家，他领导着病毒基因组监测项目，包括与 Karlsson 的合作。他说，Karlsson 处于疾病溢出风险极高的地区，这使他能够率先试验最新技术，以改善疫情响应时间。他说：“这种‘将实验室带到样本’的能力正是我们所需要的。”
虽然一些科学家正在努力检测空气中漂浮的病原体，但 COVID-19 大流行确实开启了在废水（sewage）中狩猎病毒的概念。由于人们会在粪便和尿液中脱落病毒的遗传物质，废水监测成为追踪疾病激增的最佳方式之一，包括哪些城市公寓楼和哪些大学宿舍的居民感染了 COVID-19——即使他们在出现症状之前。
这并非一个新概念。废水监测可以追溯到 19 世纪中叶，当时英国医生 John Snow **调查**伦敦一场神秘的霍乱疫情。市民称之为“蓝色死亡”，因为剧烈腹泻和呕吐引起的脱水导致眼睛凹陷、皮肤干瘪，脸色呈蓝灰色，使病人看起来像活死人。许多人认为“瘴气”（一种有毒空气的邪恶云）是罪魁祸首。
“我们不必捕捉动物。我们不必获得同样的许可。你不必拥有经过培训的人员来处理像蝙蝠那样的潜在危险动物。”
然而，Snow 怀疑霍乱是通过水源传播的。他** painstaking地绘制**了病例图，最终追溯到伦敦西区 Broad Street 的一个受污染的水泵。当他说服当地议会拆除水泵手柄时，疫情就停止了。今天，Snow 被誉为现代流行病学之父。
在过去的几十年里，废水已成为监测社区健康的重要工具，特别是在追踪城市**药物使用趋势**以及发现——并迅速根除——**脊髓灰质炎疫情**方面。尽管如此，十年前，在美国废水监测仍处于边缘化使用状态，当时环境保护局的一位科学家**提出**建立一个全国性的系统来监测社区健康。当时他无法获得任何人的支持。
2020 年 9 月，美国疾病控制与预防中心终于启动了该国首个**全国废水监测系统**，该系统在废水流入处理厂时收集和检测样本，并将结果报告给 CDC，以指导当地应对。但那时，已有超过 **20 万名美国人**死于 COVID-19。韦尔·康奈尔医学院的遗传学家 Mason 说，如果监测系统在病毒首次登陆美国时就已经投入运行，它可能早就被发现了。“我们会在一两天内立即知道病毒出现在哪里。”
随着临床检测被方便的家用试剂盒取代，废水继续提供关于病毒传播地点和公众暴露风险的重要信息。它还有助于卫生官员追踪新出现的 COVID-19 变种的出现和传播。
“我们官方上已经脱离了疫情，但病毒仍在传播，所以有趣的是，我们可以在废水中看到它们，”Mason 说。如果病毒丰度激增，就像 2023 年 9 月初那样——接近 2020 年底的水平——卫生官员就可以警告公众采取预防措施以尽量减少暴露，例如戴口罩、洗手和社交距离。Mason 补充道：“大多数人已经接种了疫苗或已经感染，或者两者都有，这是件好事。”
专家们表示，在废水病原体监测基础设施上花费的资源使国家能够更好地识别和应对其他健康威胁，包括抗生素耐药性、食源性疾病、猴痘和**呼吸道合胞病毒**（RSV），但该项目仍然很年轻，而且也存在一些伦理和隐私问题。
测试下水道比对数百人进行拭子采样或进行血液检测要便宜得多，也更节省时间，但废水在很大程度上不受隐私法规的约束。人们对他们冲入马桶的东西拥有什么权利，以及这些东西被如何处理，这一点极其模糊。国家科学院最近发布了一份**报告**，详细说明了国家废水监测系统需要实施充分监督以保护隐私权的方式，同时进一步发展以监测更多社区，同时追踪多种病原体，并在病原体激增时进行应对新兴威胁的调整。
Mason 开玩笑说：“我喜欢开玩笑说，每次马桶冲水而没有人采集样本时，某个地方都会有一个流行病学家在哭泣。”“每一滴废水中都蕴含着非凡的信息。我认为我们才刚刚开始利用它。”
Mason 对纽约市微生物组的测绘工作促使全球研究人员与他联系，讨论对他们所在的城市进行采样。随着兴趣的增长，Mason 和纽约医学院的医学生 Evan Afshin 共同创立了一个由来自 100 多个城市的科学家组成的全球组织，该组织被称为宏基因组学和地铁及城市生物群落的元设计，或**MetaSUB联盟**，他们用棉签擦拭其国家交通系统、污水管道、医院和其他公共场所的表面。
就像博物学家编纂了代表北美所有鸟类或太平洋所有鱼类的著作一样，Mason 和他的同事们已经创建了一个**全球城市公共交通系统中微生物的图谱**。科学家们现在正在利用测序技术和人工智能软件开发一个全球微生物参考库和一个开源平台，允许用户输入病原体 DNA 序列，并查看它在世界其他地方的出现情况。Mason 说：“我们希望让任何地方的任何人都能上传他们的序列，并与任何已测序的序列进行比较。”
10 月下旬，与 Mason 联合创立的一家健康科技公司相关的数据平台 GeoSeeq 基金会宣布，它将与拥有国际科学家网络的组织巴斯德网络合作。此次合作旨在密切研究由气候变化驱动的传染病不断增加的情况，包括疟疾和登革热等蚊媒疾病。10 月 31 日的**新闻稿**称，此次合作可以“开启全球病原体监测和响应的新时代”。它结合了巴斯德网络的影响力——在 5 个大陆的 25 个国家拥有 32 个研究所——以及 GeoSeeq 的人工智能平台，该平台从气候、基因组学和公共卫生等多种数据流中提取信息。
Mason 在一封电子邮件中说：“这使得世界各地的所有实验室能够看到是否有新的病毒出现。”“一旦我们知道风险所在，我们就能保障人们的安全，而且我们还能发现世界上全新的生物！”通过识别所有类型的微生物，研究人员还可能发现新的抗生素，并且他们正在获得追踪和绘制抗生素耐药性图谱的能力。这种早期预警系统是否能捕获未来的大流行病病原体，还有待观察。
尽管如此，许多病原体追踪者表示，远大的梦想是有一天拥有一个与当前天气预报相媲美的全球疾病监测系统。Mason 说，空气压力、温度和风流等因素的信息会输入天气图，帮助预报员识别正在形成的风暴模式并协助制定应对计划。同样，微生物数据也可以输入到一个全球疾病监测系统中，这是一个昂贵的尝试，但 Mason 认为值得，因为“花在病原体监测上的钱比整个经济停摆的代价要小得多。”
他说，科学家们在 COVID-19 大流行期间学到了很多经验。现在他们只需要应用这些经验。
