Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изменение климата и его последствия 11
Глава 2. Маляриологическая ситуация на территории стран СНГ 43
Глава 3. Кровососущие комары - переносчики возбудителей малярии и других климатозависимых заболеваний 64
Глава 4. Экологические особенности переносчиков малярии 86
Глава 5. Влияние факторов среды на свойства и процесс развития личинок переносчиков малярии 128
Глава 6. Основные факторы, определяющие географическое распространение комаров - переносчиков климатозависимых болезней человека, их векторную способность и географическое распространение возбудителей малярии 150
Глава 7. Последствия изменений климата для переносчиков и возбудителей малярии 186
Выводы. 251
Литература. 257
- Изменение климата и его последствия
- Маляриологическая ситуация на территории стран СНГ
- Кровососущие комары - переносчики возбудителей малярии и других климатозависимых заболеваний
Введение к работе
Актуальность темы. Исследование изменений климата, как естественных, так и антропогенных, а также их последствий, является сейчас одной из приоритетных задач биологических наук и наук о Земле. Всемирный саммит по устойчивому развитию, проходивший в Йоханнесбурге в 2002 г., определил WEHAB (Water, Energy, Health, Agriculture, Biodiversity, т.е. Вода, Энергия, Здоровье (человека), Сельское Хозяйство и Биоразнообразие) в качестве приоритетных элементов, в частности, для оценки последствий глобальных изменений. В связи с этим весьма актуальным является изучение климатогенных изменений пространственного распределения и развития переносчиков и возбудителей опасного климатозависимого заболевания - малярии человека. Малярия является одной из самых распространенных в мире инфекционных болезней: она уступает только синдрому приобретенного иммунодефицита - СПИД и туберкулезу, а среди трансмиссивных инвазий занимает первое место.
На большей части территории стран СНГ климатические условия допускают как устойчивое существование переносчиков - комаров рода Anopheles, так и развитие малярийных паразитов в организме переносчиков. В Азербайджане и Таджикистане с начала 1990-х годов произошло существенное увеличение заболеваемости малярией до эпидемического уровня на фоне неблагоприятной социально-экономической ситуации. В России в последние 10-15 лет увеличился завоз малярии как из стран ближнего зарубежья (в основном, из Таджикистана и Азербайджана), так и дальнего - стран Азии и Африки, причем завоз из стран ближнего зарубежья составляет до 80 % от общего числа случаев заболевания малярией.
При изменении климата возможно расширение ареалов, на которых климатические и экологические факторы потенциально допускают
развитие эпидемического процесса. Это широко признано специалистами. Так, во Втором и в Третьем оценочных докладах (Second Assessment Report, 1996; Third Assessment Report, 2001) Межправительственной группы экспертов по изменению климата - МГЭИК (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) в части Рабочей группы П отмечено, что изменения глобального климата могут ухудшить ситуацию по малярии. Однако фактическая база приведенных там результатов является ограниченной, что понижает надежность региональных оценок и прогнозов. Это в полной мере относится к территории России и сопредельных стран. Поэтому постановка и проведение исследований возможных последствий изменения климата для пространственного распределения переносчиков и возбудителей малярии человека на этой территории являются актуальными. Это подтверждают, в частности, доклады и решения международного семинара «Изменение климата и здоровье населения России в XXI веке» (Москва, апрель, 2004) г., а также существенное усиление внимания МГЭИК, ВОЗ и мирового сообщества в целом к этой проблеме (Глобальная стратегия борьбы с малярией, утвержденная ВОЗ в 1993 г. и ООН в 1994 г.; проект «Обратим малярию вспять» (Roll Back Malaria) инициированный ВОЗ в 1998 г. и выполняемый с ведущим участием ВОЗ, ЮНИСЕФ, Всемирного банка и стран Большой Восьмерки).
Цель работы: Оценить особенности влияния климатических и экологических факторов среды на пространственное распространение и развитие переносчиков и возбудителей малярии человека и выявить
масштабы климатогенных изменений их потенциальных ареалов во второй половине XX века на территории стран СНГ.
Задачи исследования. Для достижения сформулированной цели работы необходимо было решить следующие задачи:
Проанализировать тенденции изменения климата на территории стран СНГ по тем его специфическим характеристикам, которые существенно влияют на пространственное распределение и жизненный цикл переносчиков и возбудителей малярии человека.
Систематизировать информацию о фауне и экологии комаров -переносчиков малярии человека - на изучаемой территории, о переносимых ими возбудителях малярии (в том числе, в аспекте "восприимчивости"), и оценить масштабы территории, которая по своим климатическим и экологическим характеристикам пригодна для устойчивого существования переносчиков - комаров рода Anopheles, а также для развития возбудителя малярии в организме переносчика.
Проанализировать современную маляриологическую ситуацию на территории стран СНГ, потоки завоза заболевания и тренды заболеваемости в конце XX века.
Изучить основные климатические и экологические факторы, определяющие устойчивость переносчиков малярии на стадиях личинки и имаго, особенности разных видов в отношении требований к условиям среды, и оценить их потенциальные ареалы.
Проанализировать основные факторы, включая параметры климата, влияющие на жизненный цикл возбудителей малярии человека, и оценить их потенциальные ареалы.
Выявить с помощью модельных средств изменения потенциальных ареалов на рассматриваемой территории для видов переносчиков и возбудителей малярии в 1966-1995 гг. по сравнению с 1936-1965 гг.
> Усовершенствовать методологию оценки фактических ареалов в
части таксономического определения переносчиков в направлении
повышения ее эффективности.
Методология исследования. Применяемые методы можно охарактеризовать следующим образом:
анализ изменений климата на территории и стран СНГ во второй половине XX века по параметрам, управляющим жизненными циклами переносчиков и возбудителей, проведен на основе суточных метеорологических данных Росгидромета, с использованием специализированных программных средств для статистической обработки данных;
влияние факторов среды, в том числе климатических, на развитие личинок переносчиков оценивалось по результатам экспериментов, проведенных в лабораторных контролируемых условиях;
требования имаго к условиям среды обитания, в частности, к климату были получены с помощью анализа и обобщения данных полевых исследований, опубликованных в мировой научной литературе;
воздействие температурного режима в приземном слое атмосферы и осадков на возможность устойчивого существования популяций переносчиков и развитие возбудителя малярии в организме переносчика оценивалось с помощью математических моделей;
распространение результатов моделирования на регулярную пространственную сетку производилось с помощью специализированного программного средства (интерполятора с автоматически оптимизирующимися параметрами), а визуализация результатов (построение карт-схем) производилась по пространственной сетке 1 х Г с использованием
специализированных программных средств, включая пакет МАЇЇИНФО.
Научная новизна работы. При выполнении научных исследований, суммированных в диссертации, соискателем были:
разработаны новые методы модельной оценки пространственного распределения переносчиков и возбудителей малярии, исходя из данных климатического мониторинга суточного разрешения;
впервые выполнены количественные оценки таких распределений для территории стран СНГ, исходя из рядов суточных данных метеорологических наблюдений на станциях сети мониторинга Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;
оптимизирован метод распространения таких оценок на элементы регулярной сетки Г х 1 и получены карты-схемы ареалов наиболее распространенных на рассматриваемой территории видов переносчиков и двух наиболее распространенных на территории стран СНГ видов возбудителей малярии человека - Plasmodium vivax и P. falciparum;
созданы новые экспериментальные методы для исследования чувствительности преимагинальных стадий комаров рода Anopheles к различным факторам среды, в том числе климатическим, и с их помощью получены количественные оценки чувствительности;
для верификации смещения ареалов, в том числе и под влиянием изменения климата, а также для экспериментальных работ по данной проблематике, предложен новый метод таксономического определения переносчиков на стадии личинки, позволяющий в насколько раз сократить затраты труда и времени при определении по сравнению с ранее общепринятыми методами;
> впервые для территории стран СНГ получены оценки изменений
ареалов, определяемых фактором температуры воздуха в приземном
слое атмосферы, для основных переносчиков и двух видов
возбудителей малярии человека - Plasmodium vivax и P. falciparum -
в XX веке (за период 1966-1995 гг. по сравнению с 1936-1965 гг.).
Соискатель выносит на защиту:
модельные методы описания и анализа пространственного распределения переносчиков и возбудителей малярии, исходя из данных мониторинга климата суточного разрешения, включая средства визуализации результатов оценки;
комплекс экспериментальных средств и методов изучения и оценки чувствительности переносчиков малярии человека - комаров рода Anopheles - к воздействиям факторов среды, в том числе, климатических, а также результаты проведенных экспериментов;
новый метод определения переносчиков, позволяющих эффективно проводить верификацию изменения границ ареалов, в том числе, в связи с изменением климата;
результаты оценки изменений ареалов, определяемых фактором температуры, на территории стран СНГ для основных переносчиков и двух видов возбудителей малярии человека - Plasmodium vivax и Р. falciparum - в XX веке (за период 1966-1995 гг. по сравнению с 1936-1965 гг.).
Практическое значение. Результаты проведенных исследований позволили оценить масштабы влияния изменений климата, имевших место в XX веке, на распространение важнейших переносчиков малярии и изменения потенциальных ареалов возбудителей малярии человека на территории стран СНГ, разработать адекватные алгоритмы такой оценки и
ее визуализации. Они позволяют выполнять сценарные оценки распространения возбудителей и переносчиков при тех или иных сценариях изменения климата. Такие оценки важны в практическом плане для оптимального распределения ресурсов, направляемых на борьбу с трансмиссивными заболеваниями и их переносчиками. Методические результаты данной работы позволяют более эффективно и детально оценивать фактические ареалы переносчиков и возбудителей, верифицировать оценки изменения их ареалов. Результаты работы могут быть использованы при формировании вклада российских экспертов в работу МГЭИК (они уже используются в части Рабочей группы II проекта Четвертого оценочного доклада), для разработки стратегии борьбы с трансмиссивными климатозависимыми болезнями и их переносчиками в условиях предполагаемого изменения климата на территории стран СНГ, а также в педагогических и научно-просветительских целях. Использование результатов работы возможно при реализации проекта «Обратим малярию вспять», инициированного ВОЗ в 1998 г. и выполняемого с ведущим участием ВОЗ, ЮНИСЕФ, Всемирного банка и стран Большой Восьмерки.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 51 научном труде соискателя, из них 41 - в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК рекомендуемых для публикации научных результатов докторских диссертаций.
Апробация работы. Основные результаты работ автора по теме диссертации были представлены на:
- 6 конференциях отдела медицинской энтомологии, конференции молодых ученых, ученом совете в Институте Медицинской Паразитологии и Тропической Медицины в 1988 - 1995 гг.;
- совместном заседании Московского отделения ВОИР и Московского
городского общества микробиологов, эпидемиологов и паразитологов им.
И. И. Мечникова (Москва, 23 января 1989 г.);
Всемирной Конференции по изменению климата (Москва, 29 сентября -3 октября 2003 г.);
Международном семинаре «Изменение климата и здоровье населения России в XXI веке» (Москва, 5-6 апреля 2004 г.);
На климатологическом семинаре Института вычислительной математики РАН (Москва, 24 марта 2005 г.);
- Международной конференции по вопросам смягчения последствий
опасных явлений природного и антропогенного характера и снижения
рисков воздействия на окружающую среду и общество (Кишинев,
Молдова, 5-8 октября 2005 г.);
International conference "Climate Change: Impacts and Responses in Central and Eastern European Countries". 5-8 November, 2005, Pecs, Hungary.
на Семинаре ИГКЭ, 2006 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы. Она изложена на 296 страницах, содержит 82 рисунка и 50 таблиц. Список литературы включает 381 наименование, из них 262 отечественных и 119 зарубежных источников.
Изменение климата и его последствия
Данная глава имеет вводный характер. В ней приведены общие сведения об изменении климата в глобальном масштабе и на территории России, других стран СНГ и Балтии, об их последствиях для экосистем и социально-экономических систем, для здоровья населения.
Изменение климата и его возможные отрицательные последствия стали причиной серьезной обеспокоенности общественности, ученых и правительств в различных странах. Этот вопрос интенсивно разрабатывался Межправительственной группой экспертов по изменению климата (МГЭИК) в ходе подготовки Третьего оценочного доклада (2001). На рисунке 1-1 представлены результаты анализа приоритетных групп проблем в количественных терминах.
Непосредственным политическим результатом этой обеспокоенности стала Рамочная конвенция ООН по изменению климата (1992), основной целью которой (см. статью 2 Конвенции) была провозглашена стабилизация концентрации парниковых газов на уровне, предотвращающем опасное антропогенное вмешательство в климатическую систему. Однако никаких конкретных уровней такого рода до сих пор не принято.
Принципиальный вопрос о критериях опасных изменений климата был поставлен академиком Ю.А. Израэлем, Вице-председателем МГЭИК. Климат есть атрибут физической системы, и его изменения сами по себе не могут быть опасными или же безопасными. Таковыми могут быть лишь их последствия для природных и социально-экономических систем, для здоровья населения.
Ю.А. Израэлем были предложены (1979) и развиты (1984, 2004) фундаментальные теоретические основы для определения предельно-допустимого антропогенного воздействия на климатическую систему (она включает мировой океан, педосферу, воды суши, биосферу и атмосферу). К сожалению, соответствующие прикладные разработки осуществляются с некоторой задержкой. Данную работу следует рассматривать в русле таких прикладных разработок.
МГЭИК при оценке опасности климатических изменений рекомендует ориентироваться на 5 составляющих благосостояния человека (Human Well-Being - HWB): на водные ресурсы, энергию, здоровье населения, сельскохозяйственное производство и биоразнообразие (WEHAB - Water, Energy, Human health, Agriculture, Biodiversity) (Patwardhan et al., 2003). Таким образом, именно эти климатозависимые компоненты благосостояния человека целесообразно в первую очередь использовать при суждении о том, опасно ли данное изменение климата. Данная работа посвящена исследованию климатогенных изменений одного из компонентов, а именно, влиянию современных изменений климата на географическое распространение и развитие переносчиков и возбудителей малярии человека на территории стран СНГ и Балтии (Литва, Латвия, Эстония).
Маляриологическая ситуация на территории стран СНГ
Малярия - остролихорадочное эпидемическое заболевание, вызываемое кровяными споровиками рода Plasmodium. Малярию человека вызывают 4 вида возбудителей: P. vivax (Grassi et Feletti, 1890) (трехдневная малярия), P. falciparum (Welch, 1897) (тропическая малярия), P. malariae (Laveran, 1881) (четырехдневная малярия), P. ovale (Stephens, 1922) (овале-малярия). Переносчиками возбудителей малярии человека являются только комары рода Anopheles. Разные виды возбудителей отличаются по морфологическим признакам, вирулентности, длительности инкубационного периода, иммунологическим и эпидемиологическим характеристикам (Garnhem, 1966; Лобан, Полозок, 1983; Лысенко и др., 2003; Попов и др., 2004).
Восприимчивость людей к малярии, за редким исключением, всеобщая, иммунитет переболевших не стерильный. К трехдневной малярии невосприимчивы негроидные племена Центральной и Западной Африки, что связано с отсутствием группового эритроцитарного изоантигена Даффи, служащего рецептором для мерозоитов P. vivax. Относительной устойчивостью к тропической малярии обладают носители генетических аномалий эритроцитов. Таких на сегодняшний день известно две: серповидиоклеточная анемия (аномалия молекулы гемоглобина) и меланезийский овалоцитоз (аномалия структуры мембраны). Малярия характеризуется циклическим течением со сменой периодов- острых лихорадочных приступов и межприступных состояний, сплено- и гепатомегалиеи. Иногда развиваются тяжелые поражения нервной системы, почек и других органов, рецидивы (Лобан, Полозок, 1983; Лысенко и др., 2003).
Малярия известна человечеству с древнейших времен. Указания на заболевания, клинически и эпидемиологически сходные с малярией, можно найти в древних китайских и египетских текстах, литературных источниках Древней Греции и Рима. В древнеславянских текстах малярия упоминается под названиями «трясца», «знобуха», «лихоманка». В средние века малярия была распространена по всей Европе и производила большие опустошения среди населения. В XVIII-XIX веках эпидемии малярии возникали в среднем один раз за 20-25 лет, однако, к концу XIX века заболеваемость в Европе резко снизилась и к началу XX века лишь юг Европы оставался пораженным малярией. К концу 60-х гг. практически все страны Европы оказались свободными от малярии. Однако, в 70-е - 80-е гг. малярия начала возвращаться на оставленные ею позиции. Этот период характеризуется возникновением «постликвидационных» вспышек болезни, часто весьма значительных. В 90-е гг. усилилась интенсивность борьбы с малярией в глобальном масштабе, возглавляемой и координируемой ВОЗ (Лысенко, Семашко, 1968; Лысенко и др., 2003).
В наше время малярия является одной из самых распространенных инфекционных болезней на Земном шаре. Она уступает только СПИД и туберкулезу, а среди трансмиссивных инвазий занимает первое место. Для африканских стран, расположенных к югу от Сахары - это ведущая проблема здравоохранения. В мире ежегодно возникает от 300 до 500 миллионов клинических случаев малярии, 80% - 90% из них приходится на Африку. От малярии ежегодно умирает от 1,5 до 2,7 миллионов людей, из них около 1 миллиона - дети в Африканских странах, что составляет 25% детской смертности в этом регионе. Более 2,7 миллиардов людей живет в местностях, где возможно заражение малярией. Эпидемиологическая ситуация по малярии осложняется рядом негативных факторов. К их числу относятся появление и распространение резистентности возбудителей инфекции к традиционным противомалярийным препаратам (рис. 2-1) и резистентности переносчиков малярии к различным группам инсектицидов, возможное потепление климата, рост миграционной активности населения, сокращение возможностей оказания медицинской помощи в условиях региональных конфликтов и проведения экономических реформ при дефиците материальных ресурсов. Вследствие совместного действия этих факторов эпидемические вспышки малярии могут возникать на территориях, ранее считавшихся благополучными (постликвидационные вспышки). Малярия была и остается «болезнью бедных»; наиболее подвержены ей наиболее неблагополучные в социальном отношении, беднейшие, слои населения (Резистентность переносчиков..., 1995; Сабатинелли, 2000; Бинка, 2000; Бронштейн, Токмалаев, 2004; Лысенко и др., 2003).
Кровососущие комары - переносчики возбудителей малярии и других климатозависимых заболеваний
Кровососущие комары являются одним из самых важных компонентов гнуса. Под гнусом понимается комплекс кровососущих двукрылых (комары, мошки, слепни, мокрецы, а в южных районах и москиты), досаждающих человеку, а также животным, от тундры и тайги до самых южных границ нашей страны. Сам по себе прокол покровов тела хоботком комара неощутим, так как толщина вводимых в кожу частей хоботка комара составляет 0,05 - 0,06 мм. Однако комар при проколе вводит в ранку несколько микрограммов слюны, препятствующей свертыванию крови. Она вызывает местную аллергическую реакцию, выражающуюся в зуде и отеке места укуса. Разные люди неодинаково реагируют на укусы комаров. Неодинакова и реакция на укусы различных представителей кровососущих комаров (Culicidae). Уколы комаров Anopheles для большинства людей малочувствительны, тогда как уколы Culex и, особенно, Aedes вызывают резкую реакцию. Массовые укусы комаров приводят к тяжелому отеку кожных покровов, вызывают нестерпимый зуд. При наличии специфической аллергии массовое нападение комаров может привести к смерти человека, Основной вред здоровью приносит действие слюны. Представим себе, что одна самка выпивает 4 мг крови (в действительности это количество составляет 2-7 мг, в зависимости от вида и размера комара). Тогда 10 тысяч самок выпьют всего лишь 40 г крови. Напомним, что донор еженедельно может сдавать 200-400 мл крови в течение многих лет без вреда для здоровья. Тем не менее, при нападении 10 тысяч самок судьба человека будет незавидной.
Массовые нападения комаров наносят ущерб здоровью человека, снижают производительность труда, в ряде регионов делают какие-либо работы на открытом воздухе без средств индивидуальной защиты невозможными. Досаждают комары и в помещениях, иногда даже в зимний период. Нападение комаров снижают продуктивность и работоспособность сельскохозяйственных животных, Однако неизмеримо больший ущерб здоровью человека комары наносят, как переносчики инфекционных заболеваний различной этиологии. Велико, но гораздо слабее изучено значение комаров в переносе болезней сельскохозяйственных животных. Почти не изучена, но, несомненно, существенна роль комаров в переносе болезней диких животных.
Возбудителями болезней, которые могут переносить комары, являются вирусы, бактерии, простейшие, гельминты.
При переносе возбудителей болезней комары могут быть механическими и специфическими переносчиками. В организме механического переносчика возбудитель не развивается и не размножается, а переживает некоторое время. Перенос возбудителя осуществляется сразу же после того, как переносчик получил тем или иным способом возбудителя, в том числе и при прерванном кровососании. С течением времени возбудитель исчезает из организма переносчика.
В организме специфического переносчика возбудитель проходит определенные стадии развития и размножается (Plasmodium sp.) или только размножается (вирус желтой лихорадки). Поэтому переносчик оказывается способен передать возбудителя не сразу же, а спустя некоторое время, когда эти процессы завершатся и возбудитель достигнет слюнных желез комара. Как правило, возбудитель сохраняется в организме переносчика до конца жизни последнего. В ряде случаев имеет место трансовариальная и трансфазовая передачи возбудителя. В первом случае зараженные имаго откладывают яйца, в которых уже имеется возбудитель, который сохраняется обычно на протяжении всей жизни следующего поколения, во втором случае возбудитель, попав в организм переносчика на преимагинальных стадиях развития, сохраняется и у имаго. Для комаров оба эти явления редки и встречаются при заражении некоторыми вирусами, однако широко распространены среди клещей и переносимых ими вирусов, спирохет, риккетсий.
Переносчик может быть одновременно специфическим для одной инфекции и механическим для другой. Например, комары Anopheles являются специфическими переносчиками малярии и филярий и в то же время и в той же местности могут быт механическими переносчиками туляремии и ряда вирусов.
Как правило, в переносе того или иного возбудителя участвует несколько переносчиков, одни из которых являются основными, а другие второстепенными. Значение переносчиков в эпидемическом процессе зависит от их биологических и экологических особенностей, сезонного хода численности и ряда других характеристик, как переносчика, так и очага инфекции. Варьирование этих характеристик приводит к тому, что один и тот же переносчик может быть основным в одном очаге и второстепенным в другом.
