Umor z bakterijo

Umor z bakterijo

Pozdravljeni v novi oddaji znanstvene redakcije Frequenza della scienza. V zadnjih dveh izdajah smo se posvetili biološkim in električnim očem, danes pa bomo spregovorili o nevidnem. Z vami bomo raziskovali svet bioterorizma; kaj bioterorizem pomeni, kako nas lahko ogroža in zakaj v zadnjem času ni nič manj aktualen, kot je bil že nekoč. Če se vam zdi današnji sredin večer preveč umirjen, ostanite z nami in se pripravite na razburljivo uro govora o uporabi živih organizmov v vojne namene.

Biološko vojskovanje po svoji definiciji pomeni uporabo kateregakoli za človeka nevarnega organizma kot orožja v vojni. Pogosto so takšno orožje patogeni mikroorganizmi. Med te štejemo bakterije, viruse in ostale organizme, ki povzročajo bolezni na živalih in rastlinah. Po drugi strani pa uporabo neživih toksičnih snovi štejemo med kemično orožje. Orožje v biološkem vojskovanju je lahko uporabljeno za ubijanje, oviranje ali onesposóbljenje posameznikov in celotnih mest ali regij. V primeru, da taktiko biološkega vojskovanja uporabijo posamezniki, skupine ali tajno tudi vlade za doseganje političnih, ideoloških ali finančnih ciljev, govorimo o bioterorizmu. Pri tem moramo omeniti, da je posebna oblika bioterorizma tudi  agroterorizem, pri katerem gre za napad na prehranske vire določene regije. Z razvojem monokultur in preko genskega inženiringa ustvarjenih rastlin z enakim DNK  zaporedjem postaja tudi agroterorizem vse resnejša grožnja.

Kako je za varnost poskrbljeno s strani države smo se pozanimali pri doktorju biotehnologije Martinu Batiču z Ministrstva za okolje in prostor. Vprašali smo ga, kaj je biološka varnost?

Izjava

Uporaba biološkega orožja se je do nedavnega zdela malo verjetna, saj načeloma velja, da je znanje o tem, kako pripraviti večje količine mikroorganizmov, ki bi jih nato lahko raztrosili med nasprotnike, redko in težko dostopno. Katastrofalne so tudi hipotetične posledice napada, ki si jih lahko zamislimo podobno kot jedrsko zimo. Po drugi strani pa so informacije o laboratorijskih postopkih danes javno dostopne in z jasnim ciljem in motivacijo bi brez večjih zapletov namnožili patogene kulture mikroorganizmov.

Mamljiva je tudi cena biološkega orožja, ki je v primerjavi z jedrskim in kemijskim najnižja, in sicer manj kot 1 evro za množičen poboj enega kvadratnega kilometra naseljenega območja. V knjigi Mihe Likarja z naslovom Biološka vojna lahko preberemo, da z enim kilogramom spor antraksa, ki ga razpršimo z vetrom, lahko na jasen dan pokončamo 130 do 460 tisoč civilistov. Če pa imamo srečo in je vreme oblačno, kar pomeni da se več prašnih delcev v zraku zadržuje pri tleh, potem se število žrtev poviša na 1,4 do 4,2 milijona.

Ocene števila smrtnih žrtev bioterorističnega napada precej nihajo, saj je učinkovitost odvisna od različnih dejavnikov. Raztros moramo opraviti ponoči na višini 100 metrov pri optimalnih vremenskih pogojih, ki so zmerna inverzija, ugodna relativna vlaga in nespremenjena smer vetra s hitrostjo 20 km na uro. Kljub temu pa potrebujemo tudi nekaj strokovnega znanja, saj mora infektivni odmerek, torej tak, ki okuži polovico ljudi, vsebovati vsaj 100 mikroorganizmov, ki pa morajo v okolju tudi preživeti in ohranjati virulenco. Ob tem bi morali biti mikroorganizmi tudi tako predelani, da bi jih bila vsaj ena desetina manjša od 5 mikrometrov in bi lahko prešli v aerosol.

O tem kaj pravzaprav je bioterorizem in bioteroristični napad, smo se pogovarjali z doktorjem Batičem:

Izjava

Napadi z biološkim orožjem so se v zgodovini zgodili večkrat, čeprav ljudje takrat še niso poznali biologije mikroorganizmov. Zavedali so se nalezljivosti bolezni in uporabljali okužena trupla, robčke in obleke za razširjanje virusa med nasprotnike. Biološko orožje so sprva uporabljali predvsem za vzbujanje strahu, kar je vodilo v destabilizacijo nasprotnika. Metoda je poznana že izpred 600 let pred našim štetjem, ko so Asirci nasprotnikom zastrupljali polja z glivno kulturo Škrlatnordeče glavnice.

Gre za glivo, ki parazitira na rži ter drugih žitih in travah. Zimo preživi v obliki rženih rožičkov v cvetu rastline goostiteljice in v času zimske faze mirovanja vsebuje ergotamin. Ergotamin je alkaloid, ki je halucinogen in je po kemijskih lastnostih podoben LSD-ju. Ob prevelikih količinah in dolgotrajni uporabi pride do prividov, paranoje, trzavice, napadov in problemov s srcem in ožiljem, kar ima lahko za posledico smrt. Zato ni čudno da so vsi našteti simptomi v času Asirskih pohodov ljudi navdajali s strahom, da je zastrupljeni znorel, kar je vodilo v skupinski strah in neenotnost vojske. Danes pa se izvleček škrlatnordeče glavnice  v primernih odmerkih uporablja tudi za zdravljenje migrene.

Rimljani pa naj bi svoje nasprotnike obstreljevali z gnezdi sršenov in čebel. Nekateri zgodovinarji menijo, da je bil prav ta način vojskovanja razlog za pomanjkanje čebeljih rojev v času zatona rimskega imperija. Pogosto so tudi zastrupljali vodne vire svojih sovražnikov tako, da so v njihove vodnjake metali razpadajoča trupla živali. Rimski zgodovinar Cornelius Nepos tako piše tudi o bitki med starodavnima mestoma Kartageno in Pergamonom. Po njegovih zapisih je kartažanski vojskovodja Hanibal na ladjevje pergamonskega kralja Eumena drugega katapultiral lončene vrče, ki so bili polni strupenih kač. Sprva so se vojaki smejali lončenim vrčem, ki so leteli na njihovo ladjo, a ko so zagledali to nenavadno orožje, so se ustrašili. Iznajdljiva taktika je delovala in ladje pergamonskega kralja so se vrnile na kopno.

V srednjem veku še vedno niso popolnoma razumeli prenašanja bolezni, a so ohranjeni zapisi o slabem zraku oziroma mal aria, ki naj bi bil odgovoren za širjenje bolezni. Napadov z biološkim orožjem je bilo skozi zgodovino veliko, od zastrupljanja vodnih virov z razpadajočim mesom, katapultiranja trupel v mestna obzidja do predaje z virusom črnih koz okuženih oblek perujskim domorodcem med kolonizacijo ameriške celine. Cilj napadov niso bili vedno ljudje, ampak tudi živali in rastline, zlasti poljščine.

Z biološkim vojskovanjem je povezan tudi eden od prilivov kuge v Evropo v 14. stoletju. Tartari so takrat oblegali dobro utrjeno pristaniško mesto Kaffa v Etiopiji, ko je med njimi prišlo do izbruha kuge. Za dosego svojega cilja so katapultirali okužena trupla soborcev in upali na razširitev bolezni v obleganem mestu. To se je tudi zgodilo in bolezen je Tartarom omogočila zavzetje pristanišča. Kljub temu, pa je nekaterim posameznikom uspelo pobegniti v Italijo, kamor so nevede zanesli tudi bolezen, ki se je razvila v eno največjih epidemij v zgodovini Evrope.

V 18. stoletju z razvojem znanosti v Evropi spoznajo, da ima biološko orožje potencial za množično uničenje in različne države začnejo razvijati vojaške strategije obrambe pa tudi učinkovite taktične uporabe. Tako je že leta 1718  v Angliji razvita tehnika cepljenja, ki dosega določeno stopnjo zaščite pred črnimi kozami. Na ta način so si Angleži pri vojskovanju zagotovili prednost pred nasprotniki, ki cepiva niso imeli. To taktiko so uporabili tudi v zavojevalnih vojnah z Indijanci na ozemlju ZDA. Kot je bilo že omenjeno so Indijanska plemena oslabili z okuženimi odejami, oblekami, robčki in drugimi viri virusa črnih koz. Zapisi kažejo uporabo biološkega orožja tudi v času ameriške državljanske vojne s strani enot Konfederacije.

Področje uporabe biološkega orožja je zelo megleno in težko dokazljivo. Po pričevanjih ameriških vojakov naj bi okužen aerosol med vojno v Vietnamu uporabljali tudi vietkongovci. Aerosol naj bi vseboval patogene glive in so ga imenovali rumeni dež. Prav tako so vietkongovci uporabljali kopja, katerih konice so premazali z okuženimi živalskimi in človeškimi iztrebki. Okužene konice so povzročale huda kožna vnetja. Vendar so vse te informacije ostale na nivoju govoric, saj je zanesljive dokaze težko dobiti in dogodki so časovno čedalje bolj oddaljeni.

Kdaj v zgodovini pa se je nazadnje zagotovo zgodil bioteroristični napad? Dr. Batič:

Izjava

Batiča smo vprašali tudi, kakšna je po njegovem mnenju verjetnost, da so nekatere sodobne epidemije posledica bioterorizma, ki ga nismo opazili?

Izjava

Preden se začnemo strašiti s teorijami zarote sledi krajši glasbeni premor. Ostanite na frekvencah 89,3 in obljubimo, da antraksa ne bomo poslali v vaš nabiralnik.

Komad

Poslušate oddajo Frequenza della scienza na Radiu Študent. Nocoj se izogibamo teorijam zarote, čeprav govorimo o bioterorizmu. Veliko je bilo že povedanega o zgodovinskem razvoju biološkega orožja, v nadaljevanju pa boste izvedeli še, kaj so pasti bioterorizma in kakšna zakonodaja ga omejuje.

Kot že povedano, je izkoriščanje nalezljivih bolezni in uporaba mikroorganizmov za oviranje nasprotnika vojaška taktika, ki se v zgodovini pojavlja precej pogosto. V našem času pa so raziskave z visoko razvito tehnologijo pripeljale preizkušanje biološkega orožja do vrhunca, za katerega so le maloštevilni strokovnjaki verjeli, da je možen. Splošna razširjenost raziskav o biološkem orožju je danes problem, saj je nevarnost takšnega napada vse bolj verjetna, možne pa so tudi nesreče pri preizkusih z nevarnimi agensi, in to ne le za strokovnjake, ampak tudi za prebivalstvo na splošno. Različni seznami držav, ki naj bi se potencialno še vedno ukvarjale s proizvodnjo biološkega orožja, so nezanesljivi in so zato lahko zavajajoči.

Biološko orožje je sivo področje znanosti, saj lahko vsaka raziskava, ki nosi dvojno uporabnost predstavlja potencialno grožnjo za razvoj orožja za množično uničevanje. Kljub temu pa obstajajo mednarodne konvencije in protokoli, ki uporabo biološkega orožja omejujejo. Razlago nam poda Martin Batič:

Izjava

Natančno vrednotenje proizvodnih sposobnosti posameznih držav na področju biološkega orožja ni možno, ker so to močno varovane državne skrivnosti. Tako kljub leta 1972 podpisani Konvenciji o biološkem orožju strokovnjaki verjamejo, da številne podpisnice kršijo njene določbe in razvijajo biološko orožje. Problem pri nadzoru razvoja biološkega orožja je namreč zavedanje o dvojni uporabi novih odkritij in raziskav na področju biotehnologije.

Tako ohranjanje nekega virusa pomaga raziskovalcem pri čim boljšem razumevanju njegovega delovanja, kar posledično vodi v boljšo zaščito. Zato na primer v namene raziskav še vedno hranijo virus črnih koz, z angleškim imenom Smallpox in latinskim imenom Variola major. Najdemo ga lahko le v dveh laboratorijih na svetu, in ni presenetljivo dejstvo, da je eden v Rusiji in drugi v Združenih državah Amerike. Ohranjanje živih primerkov virusa črnih koz se jim zdi nujno za primer ponovnega izbruha bolezni, saj bi služili kot osnova za proizvodnjo cepiva. Res pa je tudi, da bi lahko na podlagi genskega zaporedja, ki ga za ta virus že poznamo, z biotehnološkimi metodami v laboratoriju ponovno sestavili virus z enakimi lastnostmi.

Doktorja Martina Batiča smo vprašali tudi, zakaj bi bili lahko mikroorganizmi tako privlačni za teroriste?

Izjava

Vsi mikroorganizmi pa seveda niso enako primerni za napad. Zaradi potencialne nevarnosti mora imeti država ustaljene mehanizme odziva, v prvi vrsti na nivoju zdravstva. V praksi se je to izkazalo v odzivu Kliničnega centra v Ljubljani, ko so prepoznali osebo, za katero se je pojavil sum okužbe z Ebolo. Za čim hitrejši odziv javnosti mikroorganizme razporejamo v specifične razrede glede na potrebe odziva. Kako jih različne institucije za civilno zaščito ločijo, po kakšnih kriterijih jih razporejajo in na podlagi katerih klasifikacij se odločajo za odziv, nam pove dr. Martin Batič z Ministrstva za okolje in prostor:

Izjava

Batiča smo vprašali tudi, katere snovi se v uporabi najpogosteje pojavljajo, oziroma katerim snovem je potrebno pri iskanju zaščite posvetiti največ pozornosti?

Izjava

Za sproščanje duha sledi krajši glasbeni premor. V nadaljevanju bomo odplavali še globlje v nevidni svet skrivnostnih mikroorganizmov in izvedeli, kako živijo, se razmnožujejo in morijo.

Komad

Izjava Frank Zappa

Dobrodošli nazaj v oddaji Frequenza della scienca, v kateri nocoj govorimo o biološkem orožju in njegovi uporabi.

Kot smo že omenili, se pojem biološkega orožja lahko uporablja zelo široko in zaobjema vse od živali do rastlin. Vsak organizem, sposoben na tak ali drugačen način pokončati človeka, je potencialno orožje. A skozi zgodovino smo ljudje za te namene z dokajšno zanesljivostjo uporabljali morda nam najnevarnejšo skupino organizmov: mikroorganizme. Gre za zelo široko in raznoliko skupino, saj je njihova edina skupna značilnost, da so mikroskopsko majhni. Zato lahko med njih uvrščamo tako živali kot tudi bakterije in viruse.

Strukturno gre za preprosto grajene organizme, sestavljene iz ene ali nekaj celic z dokaj enostavnim življenjskim ciklom. A kljub svoji enostavnosti, posedujejo nekaj pomembnih lastnosti, ki jim omogočajo prednosti pred njihovimi večjimi tekmeci. Prva in morda najbolj očitna je njihova velikost. Biti majhen ima namreč v fiziološkem pogledu številne prednosti pred biti velik. Da razumemo to prednost, ki izhaja zgolj iz razlike v velikosti, je potrebno primerjati razmerje med površino organizma in njegovim volumnom.

Ko na primer pogledamo katero koli telo, vidimo, da manjše kot je, večje je razmerje med njegovo površino in volumnom. Če predpostavljamo, da je mikroorganizem okrogle oblike, bo imel organizem z 1 mikrometrom polmera 2 krat večje razmerje površine proti volumnu kot okrogli organizem s polmerom 2 mikrometra. Ali še bolj nazoren primer: Krogla z volumnom enega litra bo imela veliko manjšo površino od tisoč majhnih kroglic, s skupnim volumnom enega litra.  

Večje razmerje površine proti volumnu ima pomembne posledice na biologijo živih bitij. Iz tega namreč izhaja, da večje kot je razmerje, več hranil je sposoben privzeti organizem iz okolja na enoto volumna. Zaradi hitrejšega privzema hranil se manjši organizmi tudi veliko hitreje delijo kot veliki. Hkrati velja, da lahko enaka količina hranila oskrbi veliko večje število majhnih kot velikih celic. In če zraven dodamo še dejstvo, da se celice podvojujejo eksponentno, vidimo, da bo majhna bakterija, ki ima podvojevalni čas 20 minut, hitro prerasla večjo celico, ki se podvoji enkrat na dve uri.

V ugodnem okolju bo torej majhni organizem vedno bolje izkoristil razpoložljiva hranila od večjega in ga zaradi tega prerasel. A kljub tej prednosti vidimo, da večji organizmi zaradi tega vseeno niso obsojeni na propad in si z mikrobnimi paraziti normalno delijo okolje. To gre predvsem na račun tega, da so živa bitja tekom evolucije razvila mehanizme, kako se ločiti in zavarovati pred majhnimi zajedalci. Morda najbolj visoko razvit in kompleksen način zavarovanja je sesalski imunski sistem, ki nas ščiti pred vsakim vdorom tujka v naše telo. Obstaja pa še mnogo drugih prilagoditev, ki so lahko tudi zelo preproste, kot na primer obdati se z zaščitnim slojem in tako preprečiti vstop tujkov v lastno telo. Pri ljudeh je taka pregrada naša koža.

Zaradi tega nam niso vse bakterije škodljive. Nekatere so nam celo zelo potrebne in smo od njih odvisni za normalno življenje, kot na primer bakterije, ki živijo na naši koži ter v našem črevesju. Vendar pa so nekateri mikrobi razvili mehanizme s katerimi lahko  zaobidejo ovire, ki jih telo gostitelja postavlja njihovemu nemotenemu razmnoževanju. Takšnim mikrobnim parazitom pravimo patogeni, med katerimi se najdejo tudi za ljudi izredno nevarni primerki.

Bakterije kot so Bacillus anthracis, Yersinia pestis, Clostridium botulinum ter virus črnih koz in drugi so bili v zgodovini večkrat namensko uporabljeni za vojaške namene. Zaradi svojega hitrega namnoževanja, sposobnosti širjenja med ljudmi, visoke smrtonosnosti ter nevidnosti  s prostim očesoma, so mikrobni patogeni trenutno najbolj zanesljivo in učinkovito biološko orožje. Morda je zgovorna že omenjena ocena, da bi v ugodnih razmerah razpršitev 100 kilogramov antraksovih spor na gosto naseljeno območje lahko povzročila do 4 milijone smrtnih žrtev. Številka, ki ne zaostaja za napadom z jedrskim orožjem.

Uspešen vdor patogena v telo vodi v pojav bolezni, oziroma patogeneze. Za pojasnitev poteka infekcije ter razvoja bolezni smo prosili predstojnico katedre za mikrobiologijo z Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani, doktorico Ines Mandić Mulec.

Izjava

Vsak posamezen patogen se razlikuje v načinu, kako vstopi v telo in se potem tam namnoži. Bolj kot je mikrob invaziven in sposoben preživeti v tujem telesu, nevarnejši je za nas. Pred razširitvijo tujkov po  našem telesu nas varuje naš imunski sistem. A nekateri patogeni so se razvili do te mere, da uspejo zaobiti uničenje z belimi krvničkami. Taka primera sta denimo Bacillus anthracis in Yersinia pestis, bakteriji, ki sta pogosto povezani z bioterorizmom. Kako jima to uspe, nam podrobneje razloži profesorica Mandić Mulec

Izjava

Pri rasti v gostitelju si bakterije pogosto pomagajo z izločanjem tako imenovanih virulenčnih faktorjev; to so molekule, ki pomagajo patogenu pri preživetju, za gostitelja pa so to največkrat toksini, ki poškodujejo njegovo tkivo in prispevajo k razvoju bolezni. Različni mikroorganizmi imajo različne virulenčne faktorje in razvoj specifične bolezni je odvisen od vrste toksina, ki ga patogen proizvaja. Kako deluje toksin antraksa, nam ponovno razloži profesorica Mandić Mulec:

Izjava

Povsem drugačen način delovanja ima botulinum toksin, ki ga proizvaja bakterija Clostridium botulinum in ki je tudi kandidat za uporabo kot biološko orožje. Komercialno ga poznamo pod imenom botoks, a gre za eno najsmrtnonosnejših molekul v naravi. Smrtna doza znaša namreč pičlega pol mikrograma. Kot nam razloži profesorica Mandić Mulec, deluje strup na naše živčne celice:

Izjava

Da pa je organizem uporaben kot biološko orožje, ni zadosti le to, da je toksičen. Primernost organizma se kaže tudi v možnosti njegove priprave za dostavo na ciljno mesto. Nekateri ne morejo preživeti, ali ostati zadosti nevarni za uporabo izven ugodnega okolja. Sposobnost širitve po populaciji je tudi ena izmed ključnih lastnost, ki jo mora upoštevati vsak kompetenten terorist. Tako na primer prenos preko zračnih delcev omogoči veliko hitrejše širjenje med populacijo, kot zgolj prenašanje s fizičnim kontaktom. Nevarnost mikroba je zato vezana na njegove fiziološke lastnosti. Za opis značilnosti patogenov, ki se jih izrablja za namene biološkega orožja, smo se ponovno obrnili na profesorico Mandić Mulec:

Izjava

Notranje krvavitve, zadušitev zaradi trajne relaksacije mišic, odpoved srca ali odmiranje notranjih tkiv so vse lahko vzroki za smrt obolelih s patogeni. Ob vdihu zadostne količine spor Bacillus antracisa je smrtnost tudi ob pravočasnem tretiranju z antibiotiki do 75-odstotna. Ostale oblike okužbe so ob hitrem diagnosticiranju bolezni manj nevarne, zaradi česar moramo hitro in zanesljivo določiti za kateri patogen gre. Katere tehnike uporabljamo za določanje mikroorganizmov nam razloži profesorica Mandić Mulec:

Izjava

Nove tehnologije nam bodo olajšale odkrivanje ter zdravljenje žrtev bioterorističnih napadov. Vendar je na področju biološkega orožja razvoj novih tehnologij dvorezen meč. Z možnostjo biotehnološkega preoblikovanja mikroorganizmov se odpira področje vnašanja novih lastnosti v organizme, kot so odpornosti na antibiotike ali nevarnejše toksine. Zaenkrat je  takšno preoblikovanje organizmov omejeno na premožnejše laboratorije. A vseeno ne gre podcenjevati možnosti biotehnoloških pristopov v rokah skupine z jasnim namenom vzbujanja terorja.  

S terorjem in strahom zaključujemo prvo oktobrsko oddajo znanstvene redakcije. Bioterorizem se tako prijetno zlije z začetkom šolskega leta. Poslušajte naše znanstvene britofe vsak dan ob sedmih zjutraj, prijavite se na našo avdicijo, naslednjo oddajo pa poslušajte čez štirinajst dni.

Terorizirala sta vas Arne in Urša.