互动科普

2000年5月，美国政府的一批高级官员亲眼目睹了一大团细菌云雾悄悄地随风飘荡，穿过丹佛市艺术表演中心。(该中心是一个由7座影剧院组成的建筑群，可容纳7千名观众)。一周之后，成千上万的人因瘟疫爆发死亡或命在旦夕。科罗拉多州政府宣布关闭州边界，食品和医药供应日趋紧张，而大批医生和护士纷纷病倒，抗生素类药品也被用光，导致医疗部门几近瘫痪。幸好这并非真枪实弹的恐怖袭击，而只是一次计算机演习，旨在模拟恐怖分子发动针对美国目标的生物袭击时可能产生的严重后果。此次演习是一项名为“TopOff”试验的部分内容，意在引起政府领导的警觉：如果他们希望有效地防御生物武器的话，就不能等到病人大批涌进急诊室时才采取行动。科学家正在努力开发各种预警系统，以便当生物袭击真正发生时提醒政府官员保持警惕。这些系统包括以DNA和抗体为基础的生物芯片以及能够嗅出致命微生物的“电子鼻”。

我们是否面临袭击? 

生物战是一种非常阴险毒辣的手段。由空气传播的一团团细菌或病毒制剂几乎看不见也闻不出味道。而人吸入这类制剂的当时浑然不觉，直到若干天后病倒了才明白自己已遭毒手。到这个时候再对受害者进行抢救或采取措施保护其他人免遭感染，可能为时已晚。虽然大多数生物制剂的传染性并不是很强，但在许多情况下，那些不知道自己已被感染的受害者可能会无意中将疾病传播开来。

幸运的是，生物制剂通常有一段潜伏期，公共卫生部门可以利用这段时间对受害者进行隔离治疗，并对其他人进行免疫接种。由生物制剂引起的多种疾病在症状出现之前可以用抗生素治疗；一旦出现症状，某些受害者就会无药可救。

早期检查尤为重要，因为生物战所用的制剂引起的许多疾病初期症状(如发烧、恶心等)很容易被误诊为流行性感冒。医学专业的学生们通常都知道这样一句警语：“当你听到马蹄声时，首先应该想到的是马，而不是斑马。”这句警语意在提醒学生遇到某一症状时，应当在排除了常见疾病的可能性后再考虑其它较罕见的疾病。一般情况下按照这一医学格言行事，可以节省时间与精力，但这样做也可能导致医生在一场生物袭击发生之初疏忽大意，未能察觉即将临头的大祸。由于这个原因，某些生物探测装置被通俗地称为“斑马芯片”(Z芯片)，因为这种装置能够提醒医生：一只“斑马”(比喻生物袭击)正在蠢蠢欲动。

生物战的手段可以在食物和供水上做手脚，或者是利用能传播疾病的昆虫(如蚊子)，但在单次恐怖袭击中靠这类伎俩未必能击倒成千上万的人。只有把生物战制剂做成直径约为1微米、可被人体吸入的气雾剂微粒并可通过空气到处传播时，生物武器的杀伤力才会达到大规模破坏性武器的水平，而造成的人员伤亡将与核武器不相上下。这些气雾剂微粒可以在空气中飘浮很远的距离，一旦被人吸入后便直抵肺的深处，引起危险的全身感染。

通过空气散布的生物制剂形式多种多样(可以是细菌或病毒，也可以是微生物分泌的无生命毒素)，因此要察觉它们颇为不易。而且生物制剂即使浓度极低，也可能具有致命的危害。健康人每分钟吸入约6升空气，而某些病原体即使只有区区l0个被人体吸人，也可以引起感染。因而，为了确保生物制剂污染区内短期停留的人员健康，探测装置必须能探测出浓度低至每升空气仅有两个病原体的生物制剂，这是一项令人望而生畏的艰巨任务。

首批成功开发的生物探测器只限于探测微小粒子云团。其中某些探测器(如美国陆军在海湾战争期间使用过的XM2探测器)对周围的空气取样，然后通过与这些探测器相连的装置对空气中存在的大小近似生物武器的微粒进行计数。如果微粒计数值超过某一界限，探测器就会报警，通知部队赶快撤离此地。其它一些粒子探测器则使用激光雷达(一种与普通雷达相似的装置，发射激光束并探测被激光束行进路径上的物体反射回的激光。)在干燥的条件下使用激光雷达探测器，探测距离可远达50公里，但是这种装置无法区分生物制剂云雾和微小尘粒云团或烟雾。

更新的激光雷达系统利用了几乎所有活细胞内受到紫外线(UV)激发时会产生荧光的分子。这种紫外激光雷达装置用一束紫外线激发粒子，然后观测粒子云团发出的荧光。然而，即使紫外激光雷达也无法把病原体同无害的微生物、花粉云团或霉菌孢子的羽状云团区别开来。尽管存在不足之处，粒子探测器仍然有其用武之地——它可以指导部队尽快撤离可能被生物气雾剂污染的地区，从而不受这种气雾剂的危害。这类探测器也可以用来指示更灵敏的探测器应在何时开始对采样进行分析【见61页】。

大海捞针

某些最新的生物武器探测器能够根据遗传基因的差异把病原体同良性微生物或其他粒子区分开来。由于DNA位于微生物的内部，因此首先必须使细胞裂开之后，才能把它们的DNA提取出来。某些装置(如加利福尼亚州桑尼维尔市Cepheid公司制造的GeneXopert系统)本身就配有细胞分裂器，而其他装置则需要技术人员来分离DNA。

美国西北大学开发的一种芯片跻身于首批DNA芯片之列，它利用的是螺旋式双链DNA的互补性。DNA螺旋有点像扭曲成麻花形状的梯子，其中每一级都由两个碱基构成。当基因启动或细胞分裂前进行基因复制时，DNA双螺旋便从中部分开。四种碱基——腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞核嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)构成了DNA螺旋的级。A总是与T结合，而C总是与G配对。知道了一个单链DNA的碱基序列后(比如说是ATCGCC)，我们就可以预测另一链DNA的互补碱基序列(在这个例子中互补序列必定是TAGCGG。)

西北大学探测系统的传感元件含有与某种病原体特有的DNA短序列互补的单链DNA。各单链DNA被固定在位于两个电极之间的一块玻璃芯片上。当来自该病原体的DNA进入探测系统时，它就粘附在这些被固定的DNA一端，即：与其杂交。为了探测出这种杂交，技术人员添加了DNA片段，这些片段含有束缚在其上的金粒子，而且与目标DNA序列的另一端形成互补。携带金粒子的DNA相互连接在一起在电极间形成电路，从而发出部署防御，决定何时何地使用生物战检测装置可能是最棘手的问题。

生物攻击可能发生在任何时候、任何地方。对于那些一心一意谋划杀害尽可能多的无辜民众的歹徒而言，在农村的集市上释放一大团病原体与在交通高峰期的城市地铁列车上释放生物制剂是一样的易如反掌(不过，在前一种情况下，这些恐怖分子可能得挑个阴天来干这种勾当，因为明媚的阳光会杀死大多数微生物)。

从2001年9月11日以来，人们对恐怖袭击的担忧使全美国上下，从纽约市到庞克瑟托尼市所有安排“土拨鼠”节活动计划的工作人员全都绷紧了弦。(2002年2月2日土拨鼠节当天，庞克瑟托尼市大力加强了安全措施以防不测)。恐怖分子的潜在袭击目标五花八门，防不胜防，要想一个不漏地确保所有目标都安然无恙，几乎是不切实际的事情。然而，正确地部署生物探测器，或许会使最可怕的恐怖袭击得逞的可能性减小。

目前，生物探测器的成本非常昂贵，对维护的要求也很高，因此不可能放置在每个街角。然而，常识告诉我们，某些重要的活动和场合非同寻常，一旦遭袭后可能发生重大伤亡，因此应采取更严格的安全措施。国会大厦与五角大楼是美国民主制度和军事力量的心脏，所以要实行昼夜不停的生物监测。技术的进步最终可能使生物制剂探测器发展到相当成熟的水平——性能可靠、成本低廉，而且能自我维护，这样所有主要城市的市政建筑都可以部署生物探测器。

遗憾的是，现在还没有一种生物探测器既能把有害的微生物与无害的微生物区别开来，又能连续地监视周围环境是否有病原体。有些装置不能自动地收集样品，需要有操作人员进行取样操作。其它一些装置则可以通过机械方式对空气或水取样，但只有在操作人员的指挥下才能完成(操作人员必须定期取得样品以便有足够的时间进行分析)。操作人员可能按固定的时间取样——例如每个钟头取样一次——但是生物制剂云雾可以在短短几分钟内就飘越一个地区或者消失掉。因此，取样的时间不巧可能导致生物袭击迹象被漏报。

有些探测器连接到激光雷达上或粒子计数器上，只有当微粒尺寸在规定范围以内的粒子云团出现时，这类探测器才会收集样品。类似的系统可以用来检测向重要部门供水的总输送管中的水流：一旦总输送管中的粒子计数突然急剧增多，该探测装置就会对水进行取样以作做一步的化验。

能够连续监测环境、迅速分析样品而且运行成本不高的探测系统当然是最理想的，但现有的系统还需进一步完善才能达到这样的水平。与此同时，流行病学家与计算机专家合作建立了一个数据库，以协助有关方面密切观察到医院看急诊的患者症状，从中抓住生物袭击的最初迹象。这个系统采用便携装置的信息上传数据库，而数据库则可以检查是否存在与生物袭击的前兆相吻合的疾病模式(例如在流感高发期以外的季节里类似流感症状的病例异常增多)。

这样的一个系统——名为“轻型流行病高级监测与紧急反应系统”(Light weight Epidemiology Advanced Detection and Emergency Response System，缩写为LEADERS)——自2000年起就投入运行，它充分利用了重大活动场所(例如政党集合场所、美国职业橄榄球协会超级联赛和美国职业棒球协会超级联赛比赛地点等)周围地区的医院数据库。考虑到大多数人在觉得自己患的是流感时并不到医院去看病的情况，程序设计人员把另外一些相关的指标也加入到LEADERS数据库中，包括药店出售的非处方药销售量、病假统计以及交通收费站的收入统计等(患病的人多半懒得开车出行)。在理想的情况下，这些数据库将不间断地记录全国各地的患者信息，这样针对美国的生物袭击不论发生在何时何地，也无论是如何发生的，都可以被尽早察觉出来。

其它几种基于DNA的探测器也以这样的事实为依据，即：DNA的特殊序列可以通过“聚合酶链式反应”(PolymeraseChainReaction)放大。在这种技术中，科学家将DNA高温加热使组成每个级的碱基对裂解，变成两个单链DNA。之后使溶液冷却，并将两个专门为杂交设计的DNA短片段(称作“雷管”)添加到希望探测的DNA序列的任意一端。酶得到这种“雷管”后将其扩充，从而使最初的双链DNA复制成四链DNA。科学家每次可以翻倍复制目标DNA的序列，直到满足探测系统的需求为止。

通过把荧光分子结合到新合成的DNA片段中，研究人员可以在进行合成时监控整个放大过程。而且使用DNA温度循环机，可以在一分钟之内完成一轮冷热循环，并在半个小时之内双倍复制稀有的DNA序列。

然而，基于电路NPCR技术的预警系统必须预载有针对特殊病原体的反应试剂，这就意味着使用者必须提前准确猜出暗藏的恐怖分子究竟会选择哪种病原体作为生物武器。为了避开这个缺陷，加利福尼亚州卡尔斯巴IBIS治疗协会和圣地亚哥科学应用国际有限公司(ScienceApplicationsInternationalCorporation)的科学家联手开发了一个称作“生物风险的三角测量鉴定与基因评估”(TIGER)系统。与其它DNA芯片相同，TIGER系统通过利用PCR技术可以放大目标DNA。然而，不同的是这种方式使用了同参与控制蛋白质合成(该合成过程为所有细胞的基础机械作用的一部分)的DNA片段杂交的“雷管”。TIGER系统反应极为敏锐，因为“雷管”之间的片段容易发生改变，以至于几乎每个微生物都有独特的序列。技术人员可以通过质谱仪分析放大的序列，并将其与已知微生物的序列模式进行对比，从而找出有害的生物制剂。

然而，利用DNA技术进行预警的装置也有一定的局限性。这些装置不能发现生化毒素(毒素中不含DNA)，而且长达半个小时的探测过程速度太慢，无法给处在生物战病原体云团周围的人们发出预警信号提醒他们及时撤离。

矿井中的“密探”

以抗体(即免疫系统分泌的Y形分子，它可以与入侵者耳上的特异目标分子结合)为基础的芯片可以克服这些问题。由于抗体可以探测出微生物表面上的分子，因此不需要花额外的时间使目标细胞裂开。除了探测整个微生物之外，抗体也可以查出是否有毒素存在。

美国海军研究实验室开发的一种生物战探测系统(名为Raptor)的核心就是抗体。该系统采用了所谓“三明治化验法”(sandwichassay)：目标病原体黏附在芯片的抗体上，当它们被夹在另一层用荧光染料作了标记的抗体之间时就会被探测出来。Raptor能够同时探测几种病原体，因为它的上面可以容纳n种抗体，每种抗体针对一种不同的生物武器。马里兰州盖瑟斯堡市的Igen公司推出了一种名为Origen的探测系统，它也采用了这种化验法来探测病原体，但它依靠的不是荧光染料，而是在受到电场作用时能发出光脉冲的化合物。这种光比通常的荧光明亮，因此有助于分析仅含几个病原体的样品。此外，一种抗体被束缚在一个表面上，可以使目标病原体集中起来之后再对其进行探测。

在Surface Logix公司，我们同马萨诸塞州沃特敦市的辐射监测器件公司联手合作，开发出了一种可用来连续探测病原体的技术。该装置可连接到一台空气取样器上，把空气样品中存在的所有微粒同一种微磁球溶液混合起来。每颗微磁球都包裹着一层可与某种微生物结合的荧光标记抗体。

含有微磁球的样品气流沿着一条只有人的头发丝那么细的微通道流动，并在微通道内与一股不含微生物的洁净气流相遇。样品气流与洁净气流彼此平行流动，互不混合，直至遇到通道中的一个叉形装置。放置在叉形装置前的一块磁铁将微磁球(连同结合在磁球上的所有病原体)拉入洁净气流中。随后洁净气流进入一台探测器，它根据病原体发出的荧光来探测存在的病原体。

我们这个系统的一大优点是，它可以把目标病原体从某一给定样品中的数千个无毒有机体中提取出来。样品中所含的烟雾和其它环境污染物不会影响探测，因为微磁球在进入荧光探测之前已经被拉到了洁净气流中。此外，该装置可连续地接受来自外部环境的试样并对其进行实时分析。

其它一些探测系统则利用抗体把穿越系统的病原体捕获到振动装置上(如石英晶体、薄膜或微悬臂等)。当这些装置捕获到病原体时，它们的重量便增大，使其振动速度减慢。这一变化可被电子装置探测出来。

嗅出入侵者

本文中提到的各种探测装置有的已经登台亮相，大显身手，有的预计在今后几年内问世。但是研究人员一刻也没有停止过开发、功能更强大的探测技术。

研究人员将目前用于探测爆炸物和化学武器的“电子鼻”用于探测生物武器。由加利福尼亚州帕萨迪纳市Cyrano科学公司研制的“电子鼻”Cyranose含有一组用略微不同的聚合物制成的短桩。每根短桩都具备吸收某种化学物质的特异功能，而在吸收了化学物质之后聚合物桩便膨胀起来。聚合物桩内有一些用导电材料制成的微粒。当这些桩未膨胀时，微粒彼此间的距离很近，从而形成一个导电回路；当聚合物桩膨胀时，微粒间的距离便拉开了，从而使电路断开并产生一个正信号。每一种气味均有其独特的电路断开模式。研究人员目前研制的一些电子鼻能够探测危险的细菌或化学物质(例如生物武器中常常使用的稳定剂等)释放出的代谢物。他们希望找到与一种生物制剂相对应的特有模式。

罗得岛州詹姆斯敦市的BCR诊断技术公司发明了一种极有创意的方法，也就是使用处于休眠状态的细菌(称为孢子)来探测是否存在生物武器。当细菌进入探测器时，它的正常代谢把一种非活性的营养物分解成活性的营养物，从而使探测器的孢子得以萌发。由于这些孢子已经被遗传改造过，在发生上述变化时能够发出光，因此探测器就可以探知存在的病原体。遗憾的是，这种探测器在侦查病原体存在时对所有细菌不分良莠都一视同仁。不过我们也有办法改进这种探测器，可以专门设计一些特殊的非活性营养物，它们只能被生物武器中最可能用上的细菌转变为活性营养物，这样就加强了探测器的针对性。

然而，狡诈的恐怖分子可以通过遗传工程对本来无害的有机物进行改造，使之产生致命的毒素，从而把性能最好的探测器都蒙骗过去。理想的探测器对生物武器的反应，应当同它所要探测的目标对生物武器的反应完全相同，但反应的速度应当更快。为了研制出这种装置，美国国防高级研究计划署(DARPA)目前正在给使用人、动物或植物活细胞的生物探测器研究提供赞助。研究这类探测器的基本思路是人体的病原体必定对至少一类人体细胞有害；因此，测定探测器内细胞死亡的程度，便可发现环境中是否存在某种危险的有机物。

虽然生物武器相当可怕，令人不寒而栗，但至今还没有任何国家或恐怖组织利用这类武器来杀害成千上万的人。原则上生物探测器有助于保护人群免遭这种不太可能发生的攻击之害，但它们也可以用于其它用途。病原体探测器可用来鉴定被污染的食物，也可诊断出医生办公室中的传染病毒。测定细胞反应的装置也可以用来评估癌细胞对各种药物的敏感性，从而使科学家能更快地发现潜在的治癌方法。这样我们将能够化盾为犁，而不是化剑为犁。

[曾维新／译 赵辉／校]

以DNA为基础的芯片搭起一座全部由金粒子构成的桥，把两个电极链接起来，从而探测到存在病原体的DNA。这座桥使原本断开的电路闭合，从而发出警报。

概迹／生物探测器

生物战制剂无色无味。而且引起的症状可能几天后才会显现出来。因此，遭到生物制剂攻击的一方开始还蒙在鼓里。等到发现大事不妙想要做出反应时，已经为时太晚。

生物学家和工程师正在加紧开发的某些生物探测器的核心是利用抗体或DNA探测病原体的芯片。他们还推出了名为。电子鼻”的一类探测装置。这些装置能够将微生物或把微生物制成武器时使用的添加剂所释放的气味嗅出。

政府官员必须确定部署这些新的生物武器探测器的最佳方案(比如。在每个街头都摆上生物武器探测器显然是不切实际的）

美国陆军的远程生物投射探测系统装载在一架黑鹰直升机上。这类以激光雷达为基础的粒子探测器可以连接到能把无害微生物粒子同携带生物武器的微生物粒子区分开来的生物芯片上。

以抗体为基础的芯片同病原体结合，然后通过有荧光标记的其他抗体找出病原体。

电子鼻中的聚合物一旦探测到某种特定的气味便会膨胀，使装在聚合物内的导电材料颗粒之间的距离拉大，这样电路就会断开，从而报警。