На пути к экосистемной модели инфекционных заболеваний
Ученые предлагают основу для нового подхода к моделированию инфекционных заболеваний.
В разгар глобальной пандемии, пришедшей из дикой природы, и поскольку люди продолжают вступать во все более тесный контакт с дикой природой, модели инфекционных заболеваний, учитывающие полный экологический и антропологический контекст передачи болезней, имеют решающее значение для здоровья человеческой популяции. Существующие модели ограничены в своей способности прогнозировать возникновение заболеваний, поскольку они редко учитывают динамику хозяев и экосистем, из которых происходят пандемии.
Опубликованная 17 мая в Nature Ecology and Evolution работа ученых Смитсоновского института и их партнеров представляет собой основу для нового подхода к моделированию инфекционных заболеваний. Исследователи утверждают, что разработка и применение этих более полных моделей системной экологии значительно улучшит наше понимание взаимных взаимодействий между паразитами, патогенами и окружающей средой, помещая зоонозы в экологический контекст, одновременно определяя ключевые переменные и уточняя предположения, лежащие в основе смены хозяев патогенами и риска их передачи от животных к человеку. Это может не только изменить наше понимание экологии болезней, но и позволит лучше направлять ресурсы на подготовку к будущим пандемиям.
Все более тесные связи между человеческим обществом и природной средой приводят к появлению новых патогенов с разрушительными последствиями как для людей, так и для животных. До появления в человеческой популяции эти патогены существуют в рамках сложных экологических систем, которые характеризуются трофическими взаимодействиями между паразитами, их хозяевами и окружающей средой. Прогнозирование того, как нарушение этих экологических систем подвергает людей и животных риску появления новых патогенов, и наилучшие способы управления этим - остается важной задачей.
Модели предсказательной системной экологии являются мощными инструментами для реконструкции функций экосистем, но они еще не рассматривались для моделирования инфекционных заболеваний. Отчасти это происходит из-за ошибочной тенденции забывать о той роли, которую патогены играют в структурировании численности и взаимодействий свободноживущих видов, предпочитаемых системными экологами.
Усиление взаимодействия между людьми и животными приводит к появлению и распространению зоонозных патогенов, которые вызывают около 75% инфекционных заболеваний, влияющих на здоровье человека. Прогнозирование того, где, как и когда люди и животные подвергаются риску от возникающих патогенов - и наилучшие способы управления этим - остается значительной проблемой. Риски распространения инфекций включают, в частности, вторжение в среду обитания, незаконную торговлю дикими животными и употребление в пищу мяса диких животных.
Несмотря на невероятные успехи в понимании того, как передаются инфекционные заболевания, модели, на которых основаны эти усилия, имеют относительно ограниченный охват, сосредоточены на конкретных патогенах и часто упускают из виду то, как патогены взаимодействуют со своими хозяевами. Хотя ученые и организации глобального здравоохранения прилагают много усилий для изучения разнообразия организмов, вызывающих заболевания, существующие модели не связывают это разнообразие с их ролью в экосистемах.
"Подобно тому, как механик должен понимать, как взаимодействуют компоненты автомобиля и как он был спроектирован, чтобы улучшить его характеристики, то же самое относится и к нашей способности моделировать инфекционные заболевания", - говорит первый автор исследования Джеймс Хасселл. Применение системного мышления для прогнозирования возникновения заболеваний требует фундаментальных изменений в нашем представлении об инфекционных заболеваниях. Это создает значительные трудности, но в этой статье мы объясняем, почему они не являются непреодолимыми. Если взвесить затраты на профилактику и устранение последствий, то инвестиции в наше общее глобальное здоровье жизненно необходимы".
Исследователи говорят, что эта новая модель потребует опыта и сотрудничества в таких областях, как ветеринария, медицина, экология болезней, сохранение биоразнообразия, биотехнология и антропология.
"Болезнь и здоровье рассматриваются преимущественно как человеческая характеристика, а роль окружающей среды в развитии болезни часто упускается из виду", -
говорит Ивонн-Мари Линтон, научный руководитель отдела биосистематики Национального музея естественной истории Смитсоновского института. Здоровье других организмов, от паразитов и насекомых до птиц и водных организмов, может изменить структуру экосистем. Мы предлагаем новый подход к моделированию инфекционных заболеваний, циркулирующих в природе, который позволит ученым смоделировать поведение этих патогенов в популяциях диких животных, их реакцию на деятельность человека и лучше определить риск, который они представляют для людей".
Общие модели экосистем - это, по сути, комплексные модели, которые могут предсказать, как формируются пищевые цепи - процессы передачи энергии между растениями и животными, которые структурируют экосистемы - и определить растения и животных, составляющих экосистему. В своей новой версии "эписистемной" модели, авторы статьи описывают основы для интеграции возбудителей болезней (включая паразитов, вирусы и бактерии) в эти модели.
Определив общие правила построения пищевых цепей, включающих возбудителей болезней, можно будет предсказать типы патогенов, присутствующих в любой конкретной экосистеме. Это позволит ученым лучше понять характеристики экосистемы, которые делают ее более вероятной для содержания зоонозных патогенов, предсказать угрозу, которую она представляет для людей, взаимодействующих с этой экосистемой, и даже провести компьютерное моделирование и тестирование мер, направленных на снижение этих угроз.
Хотя объем данных, которые потребуются для создания этих моделей, пугает, долгосрочные исследования неповрежденных экосистем, где изначально могут быть собраны данные, являются отличным местом для начала этих исследований. Усилия по их совершенствованию могут затем задействовать крупномасштабные экологические исследования, охватывающие континенты.
По словам исследователей, стоимость такого нового подхода значительна и потребует глобального сотрудничества и приверженности ученых, сообществ, неправительственных организаций и государств. В эпоху больших данных и массового развития технологий такой подход вполне достижим, но требует расширения сбора данных, обмена ими в гораздо больших масштабах, чем это происходит в настоящее время.
