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花粉飞扬:气候变化与季节性过敏

July 7, 2017 聚焦 Comments Off on 花粉飞扬:气候变化与季节性过敏

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多种相互关联的因素影响植物生长及花粉产量。预计区域气温及大气二氧化碳浓度升高可能意味着更多人会 受到季节性过敏影响。© Joe Petersburger/Getty

双眼发红、泪流不止、流鼻涕、打喷嚏、咳嗽——这些熟悉的症状总是伴随着春天来临。数百万人由于空气中的花粉而产生季节性过敏,从春季开始一直持续到夏季甚至秋季,现有证据表明气候变化可以导致患者数量增加。迄今为止虽然只有初步证据,但已显示多种因素共同作用可以延长有害杂草及其它植物——引发季节性过敏及哮喘发作——的生长季节。二氧化碳不仅是导致全球变暖的主要温室气体,同时也是植物的“食物”,是光合作用过程中生产糖类所需的碳源。在温暖的气候以及二氧化碳含量较高的环境中,植物生长更加旺盛,同时产生更多花粉。

治疗过敏性呼吸道疾病的医生已经报告气候变化导致的症状有所增加。由全球97个医学协会组成的“世界过敏反应组织”(World Allergy Organization)去年公布了一份声明,认为气候变化将影响花粉季节的开始、持续时间及强度,可以增强污染物与呼吸道感染对哮喘的协同效应。

“我们发现过敏人数以及过敏原数量均有增加,”罗格斯大学(Rutgers University)环境预测中心教授及过敏反应专家、罗伯特·伍德·约翰逊大学医院(Robert Wood Johnson University Hospital)主治医师Leonard Bielory说道,“如果气候暖化持续下去,季节性过敏原会影响更多人,危害公众健康。”

过敏病例日益增多

显微镜下的花粉

花粉(金色球状颗粒)由开花植物的雄性生殖器官 雄蕊(灰色)产生。花粉颗粒表面覆盖的蛋白质有助 其繁殖,同时也会引发敏感人群的过敏反应。 © Martin Oeggerli/Science Source

季节性过敏与哮喘造成严重的健康负担,全世界大概10~30%的人口患有过敏性鼻炎(花粉症),3亿人患有哮喘。数据显示哮喘的患病率——包括花粉、霉菌及其它致敏物质引发的疾病形式——呈现上升趋势。例如,美国的儿童哮喘发病率从1980~1995年增加了一倍,之后呈现一个缓慢而渐进的上升趋势。布朗大学博士后Kate Weinberger表示,季节性过敏流行趋势更难评估,因为大多数情况下人们出现症状时并不会去急诊室就医或寻求其他医疗服务。

有证据表明过敏性鼻炎患病率在世界许多地方尤其城市地区呈上升趋势,一些近期发表的研究追溯到1990年代末。法国的罗纳-阿尔卑斯大区流行病学及卫生防护中心(Rhône-Alpes Center of Epidemiology and Health Prevention)近期发布的一份报告显示,2004~2015年本地居民的过敏性鼻炎患病率从8%上升到12%,法国国家大气生物监测网络(French National Aerobiological Monitoring Network)的负责人Michel Thiboudon将患病率上升归咎于具有高度致敏性的豚草。气候变化加速了豚草在整个欧洲大陆的蔓延。

Bielory认为很可能其它环境因素例如饮食改变及卫生条件改善也导致了哮喘与过敏性鼻炎的发病率上升,因为这些因素阻碍了人们幼年时期接触过敏原,影响了免疫系统的正常发育。然而关于空气中致敏原与哮喘之间的关系还有许多未解之谜,尤其是医院就诊数据并没有包括那些病情较轻的哮喘。

北美的季节性过敏一般于春天开始,树木——包括南部及东北地区的橡树、桦树以及西部的山杉等——开花时会把致敏花粉散播在空气中。晚春和初夏时则出现各种致敏性杂草如艾草与荨麻,可以引发新一轮症状。豚草季节来得最晚,从夏末一直延续到第一次霜冻。初秋时节还会再次出现草类花粉,Bielory说道。

桦树

上图:北美的季节性过敏始于春天—桦树 (如图)、橡树及山杉等开花的季节。这 些植物毫不起眼的花朵并不会吸引传粉 昆虫,但是会将花粉释放到空气中随风飘 散。© Marcus Lindstrom/Getty

花粉颗粒内含有开花植物的雄配子(精子细胞),表面覆盖着同类雌性配子可以识别的蛋白质。正是这些表层蛋白质导致了敏感人群的过敏反应,而不同个体的敏感程度也存在差异。美国农业部植物生理学家Lewis Ziska指出,过敏反应的强度取决于3个相互关联的因素:植物散播到空气中的花粉数量、暴露持续时间、花粉的变应原性。就豚草而言,这些因素共同作用导致过敏反应的“完美风暴”。“豚草的独特之处在于每棵植物可以产生大约10亿颗花粉,”Ziska说道,“Amb a1蛋白[位于豚草花粉表层]可以导致免疫系统的高度反应。”

地区差异

百慕大草

插图:某些草本植物及杂草(如百慕大草, 此图片已放大)会在夏季引发进一步过敏 反应。肉眼几乎看不到的花朵可以导致严重的过敏反应。© Susan M. Booker

Ziska于1990年代开始研究花粉产量、二氧化碳含量升高及气温上升之间的潜在联系。他在二氧化碳含量为600 ppm的房间内种植豚草,该数值是政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)假设当前排放量不变的情况下,预计2050年的大气二氧化碳浓度(目前大气二氧化碳浓度略高于400 ppm)。Ziska发现,随着二氧化碳浓度上升,实验豚草的植株大小及花粉产量也随之增加。

之后Ziska与同事利用一种新方法构建未来气候模型:比较豚草在城市及农村地区的生长状况。其理论依据是城市容易积聚热量(因为地表铺设成深色,可以吸收阳光,之后散发出热量),而且存在大量二氧化碳排放源(交通及工业排放)。他们在巴尔的摩市内种植豚草,市内二氧化碳水平比市区外围地区平均高出30%,气温平均高出1.94°C。结果表明,与生长在市区外围的豚草相比,市内豚草生长较快、开花较早、花粉产量更高。

气候变化相关的气温上升预计会随纬度上移而增加。为了评估气温上升对豚草花期的影响,包括Bielory在内的Ziska团队对从美国德克萨斯州东部到加拿大萨斯卡通市(南北跨越2200公里)之间10个采样站监测的空气花粉数据进行了研究。结果并不意外:从1995~2009年,花粉季节延长了13~27天,越靠北方延长得越多。

Bielory与同事们于2014年发表的一项研究得出了类似结论。其花粉数据来自横跨美国本土的50个采样站,采样期间为1994~2010年。他们发现致敏物种的花粉季节在北方比南方延长得更多,而且空气中每日花粉总数也越来越大,Ziska的研究也发现南方的花粉季节保持不变或者甚至有所缩短。

这些研究结果充分说明了气候变化及其对生物系统影响的地域复杂性。Ziska解释说,二氧化碳与大气中的水蒸气在气候变暖趋势中呈现竞争关系:水蒸气可以增加云层,因而在湿润多雨的低纬度地区可以抑制气温上升,而二氧化碳可以在干燥的高纬度地区加速气温上升。

这些现象的含义与健康数据一致。西北大学范伯格医学院(Northwestern University Feinberg School of Medicine)助理教授Jonathan Silverberg及同事们对全美儿童过敏性鼻炎发病率与花粉数量及天气状况的关系进行了研究,发现在较湿润且湿度较高的地区其相关性最低。

气候模型图

研究人员利用两种不同的气候模型,模拟了欧洲豚草花粉的历史水平(图片a、b),预计到 2050年将有所增加(图片c、d、e、f)。有些地区预计增幅可达4倍。 来源:Hamaoui-Laguel et al. (2015)

豚草自1800年代引入欧洲大陆以来已经大范围蔓延。科学家预计其繁衍速度将随气候变化而进一步加快。法国气候与环境科学实验室(French Climate and Environment Sciences Laboratory)的模型预测空气中豚草花粉含量到2050年将增加4倍,增幅最大的是欧洲北部及东部地区。该模型估计其种子将持续扩散,而且较高二氧化碳水平和温暖的气候将有助于延长豚草的花粉季节。

2014年的一项研究表明,波兰西部的花粉季节已经延长。该研究着重于豚草以外的致敏物种如荨麻、酸模、钝叶酸模以及各种草类。采样结果表明,1996~2011年间种属特异性花粉季节延长了2~4天,作者将该趋势主要归因于夏季气温升高以及花粉季节结束日期延迟。

获取花粉数据

加州理工学院环境科学与工程学教授Richard Flagan指出,欧洲花粉数据比美国更易获取且更普及,这主要是因为欧洲的国家气象机构是以便于科研的方式进行采样及数据管理。

相比之下,美国的花粉采样是通过一系列机构及过敏诊所进行。目前84个采样站将数据提交给美国过敏、哮喘及免疫学会(American Academy of Allergy, Asthma & Immunology)管理的一个志愿组织:国家过敏局(National Allergy Bureau™)。Bielory表示该学会负责质量控制,对参与者进行空气中花粉采样培训以及资格认证。

国家过敏局为当地媒体提供每日花粉数据,但是必须经过采样站同意才能提供数据供科研使用。科学家想要获取数据必须提交正式申请,并描述其研究计划。国家过敏局将批准后的申请转交给采样站,给予其30天时间回复。

气候暖化会随着纬度升高而加快。北美的一项多年研究发现,随着纬度升高花粉季节逐渐延 长—最多延长达4周,同时在最南端的监测点则略有缩短。 来源:U.S. EPA, based on data from Ziska et al. (2011)

Flagan将他获取国家过敏局数据的申请过程描述为“挫折磨练”,经常是电话及电子邮件均得不到回复。“而且采样站收集数据的方式并不适合科研,”他说道,“我们能得到的充其量只是一个半定量的历史纪录,而且是由不遵循监测统计方法的人员采集的。这种记录虽然具有一定的科学价值,但我们必须相当谨慎。其实美国的花粉数据库糟糕透顶。”

美国农业部的Ziska认为,国家过敏局在配合与回应外部研究人员方面已经有所改进。但他补充说,由于国家过敏局采样站使用不同的工具及方法采集花粉,缺乏一个统一体系,所以数据难以汇总和比较。

Bielory也认为我们需要一个国家监测系统收集、存储、分析及共享花粉数据,以推进科研及健康政策。公共健康流行病学家专业协会“国家领土流行病学委员会”(Council of State and Territorial Epidemiologists)在一份白皮书草案中提出了此计划,并打算于2016年6月的年度会议上完成计划终稿。

实验室结果显示的可能性

即使研究人员面临实地数据不足的困难,但是预测过敏物质未来影响的气候控制室内仍不断产生有价值的研究成果。麻省大学阿姆赫斯特校区(University of Massachusetts Amherst)环境保护助理教授Kristina Stinson在二氧化碳含量为360 ppm(略低于当前大气二氧化碳浓度)至720 ppm的温室内种植豚草,她认为较高的二氧化碳水平可以迫使豚草进化。她在2011年发表的一项研究表明,在当前二氧化碳水平中受抑制的基因型,随着二氧化碳水平上升会分配更多营养资源用于繁殖。换言之,更多基因型的豚草进入花期。Stinson说她并没有直接监测花粉产量,“但我们注意到更繁茂的花期与更高花粉产量通常具有相关性。”

她的同事、该校区博士后研究员Jennifer Albertine用猫尾草做研究,产生了可比较的结果。猫尾草是广泛分布于北美及欧洲的一种多年生草本植物,是导致初夏过敏的主要原因。Albertine研究了二氧化碳浓度在400 ppm和800 ppm时的影响,发现二氧化碳浓度为800 ppm时猫尾草产生的花粉量大约是低浓度下的2倍。

Albertine还研究了增加地面臭氧——通常会诱导氧化性损伤从而延缓植物生长——浓度产生的效果。气候/对流层化学耦合模型预测,由于前体污染物的排放持续增加,本世纪末臭氧水平将显著升高。Albertine的研究并未发现臭氧对暴露于较高二氧化碳浓度中的草本植物产生任何生长限制作用,但发现较高臭氧水平条件下草本植物产生较少的致敏蛋白(Phl p 5)。然而Albertine估计,植物致敏蛋白含量减少会被花粉产量增加所抵消,发生过敏的净风险仍会升高。(Ziska的研究有类似发现,二氧化碳浓度为600 ppm的温室中豚草的致敏蛋白Amb a1产量增加了60~80%)

Stinson承认,尽管我们可以利用温室评估大气条件对致敏植物的影响,但是温室环境无法复制现实世界,其它污染物、湿度、降雨量、土壤养分尤其是氮都会影响植物生长及传粉模式。在美国环保署的资助下,她现在与哈佛实验林(面积3750英亩,约合15.2平方公里)的项目主任David Foster合作,计划在新英格兰地区绘制豚草热点区域地图。目前为止他们的实地研究(结果已提交发表)显示,市区豚草与农村地区豚草在开花的程度及时间上,以及对二氧化碳的反应上均有所差别。

除了其他课题,Stinson还希望研究气候变化影响花粉产量对人群影响的地域分布模式。“我们可能会发现某些城市居民可能会不成比例地受到气候变化改变花粉致敏性的影响,”她解释道。

与健康的关系

Stinson表示,理解气候变化导致的致敏性变化趋势与公众健康影响之间的关系颇具挑战性。科学家们需要更便捷地获取花粉数据,以及与花粉暴露水平上升相关联的健康数据。

上图:城市与农村地区豚草比较研究结果 表明,一些城市居民在季节性过敏方面可 能会不成比例地受到气候变化影响。 © David McLain/Aurora Photos

布朗大学的Weinberger研究了纽约市春季每日花粉数量与健康结果之间的关系。去年发表的研究结果显示,仲春时节树木花粉高峰期与非处方抗过敏药销售、哮喘发作(尤其是儿童)到急诊室就医相关联。而她尚未发表的研究结果表明,相比之下,抗过敏药销售与秋季豚草花粉峰值暴露之间并无类似关系。Weinberger认为这可能是因为春季时购买的抗过敏药够用几个月。由于缺乏销售数据,研究人员无法评估其与症状的关系。

尽管数据差距仍然存在,对治疗季节性过敏的医生的调查问卷表明,许多医疗专业人士认为该趋势确实存在。其中一项调查包括了美国胸科协会(American Thoracic Society)的成员,包括呼吸科医生、重症监护医生、儿科医生以及其他专家。超过一半的问卷参与者回答患者的过敏症状有所增加,且相信是与气候变化相关。美国过敏、哮喘及免疫学会会员的一项调查(出版中)得出了类似结论:在这种情况下,专家被问及“你是否认为你的病人受到气候变化影响或在未来10~20年内可能会受到影响?”将近2/3的回答是发现“过敏反应以及植物或霉菌导致症状需要医疗处理的情况有所增加”。

插图:通过在温室内种植豚草,科研人员 可以研究较高二氧化碳水平的潜在影响。 但温室环境无法复制现实世界中影响花粉 产量的错综复杂的各类状况。 © Kristina Stinson

乔治·梅森大学(George Mason University)气候与健康项目主任Mona Sarfaty负责这两项调查,她说出乎意料的是这两项研究均未发现医生的回答存在区域性差异。“全国各地似乎都有过敏症状增多现象,”她说道,只有症状本身存在地区差异。“密歇根州的医生通常会观察到霉菌过敏随着寒冷天气到来而逐步减少,而现在可能会发现过敏症状会一直持续到年底,”她解释道,“与此同时,南加州的医生可能全年都会接诊草本植物过敏患者。”Sarfaty还指出,不相信气候变化的医生报告该趋势的可能性较低。

自然资源保护委员会(Natural Resources Defense Council)资深科学家、哥伦比亚大学梅尔曼公共健康学院(Columbia University Mailman School of Public Health)助理教授Kim Knowlton认为需要更多研究。“我们需要梳理出一系列因素:气温升高、二氧化碳浓度增加、对致敏性的影响以及人体症状,”她解释道。“迄今为止研究结果颇引人注目,但我们需要更大范围以及更全面的研究。”对于数千万过敏及哮喘患者来说,这不止是生活上的不便,她说道,“这些疾病影响人们的正常学习和工作,有时候甚至危及生命,是很严肃的健康问题。”

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Charles W. Schmidt,理学硕士,来自缅因州波特兰市的获奖科普作家。为《科学美国人》(Scientific American)、《科学》(Science)、多个《自然》(Nature)出版物以及许多其它杂志、学术刊物及网站撰稿。

译自EHP 124(4): A70-A75 (2016)

翻译:周江

*本文参考文献请浏览英文原文

原文链接

http://dx.doi.org/10.1289/ehp.124-A70