【跨科際閱讀】歐洲黑死病的基因秘密

科博文says:十四世紀歐洲黑死病大流行,造成當時倫敦近半人口死亡。遺傳學家最近利用新基因技術,希望能建立鼠疫桿菌基因組與黑死病的關聯,這些研究雖然引起爭議,但科學家認為,將有助瞭解並控制未來的流行疾疫。

【2011.11.18/跨科際閱讀/全文原載於2011.11.01《知識通訊評論月刊》歐洲黑死病歷史專題】

▲從東士美菲挖掘出的遺體。

歐洲可怕瘟疫的消息傳至英國倫敦後,居民開始挖洞掘墳,一三四八年,倫敦主教斯特拉福(Ralph Stratford)捐出數英畝土地,用於埋葬遠超過教會一般墓地能負荷的大批黑死病罹難者。倫敦原本居民有四萬至十萬人,兩年之內,三分之一至半數人口不幸死亡,數千具遺體都掩埋在東士美菲與西士美菲新掘的墓坑,在疫情的最高峰,每天得埋葬兩百名死者。

東士美菲舊稱聖三一墓地,是少數確知曾在黑死病時期使用的墓地,估計約有兩千四百具遺體埋葬在此,有些重疊放置五層,一九八○年代開挖其中近三分之一,儘管當時情況危急,遺體擺放仍井然有序,皆為東西向,有些舖上木炭,或是為吸收遺體腐化流出的屍水,許多遺體旁也有當時使用的錢幣及首飾。這些得宜處置不僅避免遺體曝屍街頭,也讓黑死病死者有尊嚴地依據基督教習俗下葬,也讓科學家在六百五十年後有機會,解剖這場襲捲歐洲的疫病。

遺傳學家近期已運用東士美菲埋葬的骨骸,重建造成淋巴腺鼠疫的鼠疫桿菌基因組。

這是人類首次解開古代病原體的序列,或有助於解釋為何這項疾病會如此蔓延傳染。這也代表古代疾病基因學研究的復甦,過去這項領域頗具爭議,但如今已然重生,加拿大麥馬斯特大學古遺傳學家波納爾(Hendrik Poinar)也參與序列解碼工作,他表示,「學界已出現古病原體的解碼競賽」。

葉爾辛(Alexandre Yersin)於一八九四年建立起鼠疫桿菌與淋巴腺鼠疫的關連性,許多科學家揣測這種細菌不僅造成黑死病,亦是過去人類大規模死亡的元兇,西元六世紀的查士丁尼瘟疫肆瘧君士坦丁堡,殺死歐洲與近東地區無數居民,之後兩百年內,瘟疫數次浮現,黑死病亦曾數度蔓延,連十九世紀亦不例外。

▲ 黑死病 患者身上 的腫塊。

學界之所以推測鼠疫桿菌造成疫情,主要是依據各項症狀的歷史記錄,例如薄伽丘(Giovanni Boccaccio)於一三五○年左右撰寫《十日談》,其中便曾描述黑死病情況,「首先在鼠蹊部或腋下出現腫塊,大小甚至與蘋果或雞蛋相當」。

但近代一些歷史學家及科學家質疑,鼠疫桿菌是否確為古代疫病兇手,過去百年來,鼠疫桿菌引發的淋巴腺鼠疫似乎並不劇烈,死亡人數較少、傳染速度較慢,無法與黑死病時期相提並論,有些「瘟疫修正論者」指稱,黑死病時期氣溫頗低,將鼠疫桿菌傳染給人類的跳蚤恐怕難以存活。古代瘟疫死亡速度亦令人存疑,薄伽丘的記錄指出,患者出現症狀後,三天內就會喪命,部分研究者認為,炭疽熱或是伊波拉病毒等出血熱比較可能讓患者如此快速死亡。

染色體證據似乎能提供確切答案。二○○○年,法國地中海大學微生物學家拉伍特(Didier Raoult)率領的研究團隊表示,他們已證明鼠疫桿菌與黑死病的關聯,宣稱自法國蒙特貝利埃一處十四世紀的萬人塚裡,挖掘出一名孩童及兩名成人的牙齒,從中重建鼠疫桿菌的染色體,研究小組運用聚合酶連鎖反應技術,放大鼠疫桿菌部分基因,認為可藉此平息爭議,確定中古世紀的黑死病確為瘟疫。

不過有些批評者質疑樣本遭到污染,聚合酶連鎖反應可能放大該實驗室先前曾使用的現代鼠疫桿菌染色體,或是放大存活於土壤中的相似細菌,丹麥哥本哈根大學演化遺傳學家吉貝特(omas Gilbert)表示,他自己是永遠不可能複製這個結果,二○○四年他和同事曾發表報告,表示在法國、丹麥和英格蘭(包括東士美菲)瘟疫墓坑挖出六十一具遺體,其中的一○八顆牙齒,都找不到鼠疫桿菌的染色體。

▲拉伍特。

拉伍特則強調樣本並未遭到污染,而且吉貝特的研究方式與自己不完全相同,不過許多原本就持疑的科學家仍緊跟吉貝特的研究,認定並非鼠疫桿菌引發了黑死病。

其他一些研究檢驗了古代肺結核、梅毒、瘧疾患者遺體的各項細菌染色體,在多項案例中,研究人員均無法複製結果,或是發現研究方法有缺陷。批評者認為受到溫度、濕度及時間影響,樣本的染色體已受損,正反雙方可說壁壘分明。

倫敦皇家哈洛威學院古遺傳學家巴恩斯(Ian Barnes)表示,自己曾花費兩年半時間,試圖自十九世紀至二十世紀初的骨骸內,尋找梅毒或肺結核的染色體證據未果,但學界目前嚴重分裂,正反雙方都全然的忽視彼此。

雖然波納爾對古代細菌染色體的論點存疑,他對東士美菲的遺骸相當好奇,因為當地幾乎所有遺體死因皆為黑死病,且許多人病故時都很年輕。

倫敦博物館離東士美菲不遠,在一樓明亮的實驗室中,骨骼考古學家貝瓦拉克(Jelena Bekvalac)正檢視來自墓坑一具近乎完整的遺骸,依據骨盆判斷死者是名二十歲上下的男性,除了牙齒殘留部分血小板及頭骨傷口痊癒跡象,骨骸並無其他明顯的黑死病證據。

這幾百具骨骸讓人一窺在疫情當時的倫敦情況,自從開挖墓坑,研究人員都努力在人骨中尋找蛛絲馬跡。

一九九○年代晚期,波納爾遇見當時是賓州州立大學研究生的迪威特(Sharon DeWitte),迪威特分析死者年齡結構,判斷黑死病會先襲擊身體原已虛弱的民眾,兩人曾考慮鑽探牙齒及骨骼以尋找鼠疫桿菌染色體,但波納爾對既有的聚合酶連鎖反應技術並不滿意,現在紐約州立大學的迪威特表示,兩人決定擱置樣本
數年,等待其他工具出現。

後來次世代染色體序列機問世,能讀取染色體碎片,非常適合分析因深埋地底數百年而遭破壞的序列。

▲帕波。

德國古遺傳學家帕波(Svante Pääbo)的研究團隊曾經運用這套設備,分析出尼安德塔人基因組序列草圖。但波納爾指出,要從人骨尋找並排列古病原體序列更加困難,有如大海撈針,因為古病原體基因組長度只有尼安德塔人的千分之一,與滲入骨骼的土壤微生物相當近似。

另一項技術也幫助研究更加精確,帕波的研究團隊運用人工合成的染色體,尋找骨骼樣本內的古代染色體斷片,同時避免土壤微生物及其他序列,德國杜賓根大學古遺傳學家克勞斯(Johannes Krause)表示,這個步驟如同在池塘捕魚,克勞斯不僅曾與帕波合作分析尼安德塔人基因組,也與波納爾一同領導黑死病計畫。

今年八月,克勞斯與波納爾的研究團隊發表一項驗證原理實驗,運用當代瘟疫序列,從東士美菲埋葬的罹難者牙齒內,找出鼠疫桿菌染色體,從中找出名為pPCP1質體的基因體,會影響淋巴腺鼠疫感染人類強弱的程度。

因為這項結果,再加上去年發表的另一篇論文中,在不同的黑死病骨骼樣本內,都找到鼠疫桿菌序列,讓多數科學家相信,淋巴腺鼠疫確實與黑死病有關。

波納爾與克勞斯在最新發表的論文中,完成古代基因組,顯示這是當代十七種鼠疫桿菌演化的源頭,這也指出黑死病菌種演變出許多造成今日人類感染的鼠疫桿菌種類。

克勞斯提到,這個菌種出現後不久,黑死病便在十四世紀襲擊西亞與歐洲,他因此認為,早期瘟疫可能是源於現已絕跡的鼠疫桿菌菌種,或是另一項完全不同的病原體。

愛爾蘭科克大學瘟疫演化專家艾克曼(Mark Achtman)認為,這樣的解讀「根本是無稽之談」。他說,克勞斯與波納爾的團隊未考慮在中亞與東亞發現的現代瘟疫菌種,一般認為起源比東士美菲找到的菌種更早。克勞斯則表示,研究團隊並未獲得這些菌種的基因組序列,但很想知道之間是否有關聯。

然而令人好奇的是,過去六百六十年間,鼠疫桿菌似乎少有改變。與現代參考菌種的基因組相比,黑死病時期菌種的差異大約一百核甘酸,但這些差異至少也出現在另一項現代菌種中,以此而論,黑死病時期菌種沒有什麼特殊之處。

研究團隊目前正在鑽研,是否有其他基因變異,可以解釋黑死病的可怕威脅,例如就現有染色體的斷片內,很難判斷出基因組是否重新排列。為深入瞭解瘟疫威力,研究人員能利用現代鼠疫桿菌,調整重現黑死病時期病原體。雖然聽來可怕,但相關研究早已受嚴格管控,縱然意外感染,亦可輕易使用現代抗生素治療。

此外,波納爾指出,細菌並非造就黑死病唯一因素,環境與流行病等原因也導致歐洲傳染病的大流行。他認為,染病士兵回到歐洲的黑海港口卡法,是瘟疫自亞洲傳入的門戶,加上歐洲民眾多年來營養不良及氣候濕冷而虛弱,因而引爆歐洲各地的大規模感染。

艾克曼指出,今日鼠疫桿菌是透過寄居鼠輩的跳蚤傳染,但黑死病的傳染媒介可能是其他動物,讓傳播速度更快,也有可能同時出現另一種病原體,例如一九一八年發生的西班牙流感疫情造成上億人死亡,就是同時有細菌性肺炎的推波助瀾。

無論對黑死病還有何疑問,科學家都希望將任何最新序列技術應用於古代傳染病中,吉貝特表示,自己的心態已改變,開始認為古病原體並非胡扯,其中可能有些重要內容。他的團隊已開始分析過去危害古代作物的病原體染色體,研究人員能找出古代微生物、劃出傳染範圍,以及古今菌種的演化關係,例如歐洲人渡海前往美洲大陸,就可能將新肺結核傳入北美洲,並將梅毒帶回歐洲。

英國曼徹斯特大學生物分子考古學家布朗(Terry Brown)表示,古代病原體可能幫助科學家瞭解未來疫情,他和杜倫大學研究員羅伯茲(Charlotte Roberts)正分析英國與歐洲肺結核菌種演化歷程,他指出,「回顧過去千年英國各城市的疾病史,即可瞭解第三世界正在發生的問題,因為有越來越多人湧入城市」;同理可證,分析一九一八年流感疫情的菌種,也幫助研究者解讀現代流感病毒的序列。

黑死病雖然兇猛,在倫敦卻幾乎未留下任何痕跡,東士美菲的墓坑位於今日倫敦金融區中心,地面已建起現代辦公大樓,唯一遺跡只剩下一三五○年在附近興建的西妥會修道院遺址。

倫敦或許捱過上次的淋巴腺鼠疫,但傳染病是人類史上的常態、而非例外,數百年後,下一次瘟疫會留下什麼痕跡?未來的考古學家回顧歷史,或許會找到紀念碑、墳墓和罹難者遺體,但染色體還是會繼續訴說故事,只待人們發掘。

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