比維京人更古老的北歐天花,也許不如後來致命?傳染病的演化史

人類與傳染病奮戰的公衛史上,天花的戲劇性數一數二。英國醫師愛德華.詹納(Edward Jenner)在 18 世紀末發明牛痘,也讓人類認識了一種有效預防疾病的方式。儘管如此,天花在 20 世紀仍然奪走 300 到 500 萬人的性命。

爾後全人類團結一致對抗天花,不可思議地成功了!世界衛生組織在公元 1980 年宣布野生的天花絕跡──那一年譚德塞 15 歲,WHO 達成最偉大的成就之一。

全球天花根除計畫(Global Smallpox Eradication Program)的前後 3 任領導: J. Donald Millar、 William H. Foege、J. Michael Lane 博士,1980 年時拍攝。圖/取自 wiki

找到 1400 年前的天花,比維京人更古老

天花是人類古老的傳染病,如埃及法老拉美西斯五世,公元前 1154 年可能就是亡於天花。但是其他疾病也會產生類似天花的症狀,使得古代疑似天花的病例難以判斷。

近來由遺骸中取得 DNA 的研究大行其道,不少研究者也藉此探討古代的微生物。最近發表的論文報告,在歐洲北部 7 到 11 世紀(涵蓋維京時期),11 人的遺骸中發現天花病毒,表示至少在那個時候已經有人感染天花。1, 2, 3

天花病毒(variola virus,縮寫為 VARV)是 DNA 病毒。新發表的論文由年代介於距今 150 到 36000 年前,歐亞大陸和美洲的 1867 個古代樣本中搜尋天花,結果在 26 個樣本中偵測到天花病毒的碎片。

古代天花病毒的取樣地點。KHA1 和 FIN1 年代為 19 世紀,VD21 為 17 世紀,其餘 11 個樣本介於 7 到 11 世紀。圖/取自 ref 1

進一步分析,這 26 個樣本中有 13 人的結果比較可靠,從中取得比較大量的病毒 DNA 片段。出土於俄羅斯西部的 2 人年代為 19 世紀;其他 11 人年代介於公元 603 到 1050 年,分別位於北歐、不列顛、俄羅斯西部,從中拼湊出 4 個完整的基因組,平均覆蓋率介於 5.01 到 45.19。

介紹這次發現時,包括論文和一些新聞,都寫說得知「維京時期(Viking Age)」的天花。肯定曾有維京人感染天花,不過嚴格來說,維京時期在公元 793 年才正式開始;年代在此之前的樣本,都早於維京時期。

失傳的古代天花

天花是正痘病毒(Orthopoxvirus)旗下一員。將已知的天花及其近親,如牛痘病毒(vaccinia virus)、駱駝痘病毒(camelpox virus)共 84 個樣本擺在一起,建構出的演化樹顯示:這回找到的所有古代天花自成一群,與現代天花的共同祖先能追溯到 1700 年前左右

天花與近親們的親戚關係,這回獲得的古代樣本(aVARV,紅色樣本)自成一群,和現代天花(mVARV)分屬不同演化分枝。圖/取自 ref 1

之前有論文報告,在 300 多年前的立陶宛樣本中發現天花(VD21),和現代病毒的共同祖先約為 400 多年前,因而質疑天花的歷史是否真的那麼悠久,更早以前,如埃及法老等疑似天花的記載或遺骸病理研究,是否為其他疾病所致。新發表的論文則證實,年代更早的天花的確存在,只是其演化支系在某個時候失傳了。4

不只天花,之前一系列鼠疫桿菌,以及麻疹的古代DNA 研究,都發現年代愈接近現代,病原體的遺傳多樣性也喪失愈多。取得年代愈早的樣本,估計病原體的起源時間也會愈早。光憑數量有限的樣本,不足以一口咬定起源時間。

不斷失去基因的天花病毒,殺傷力愈來愈強?

天花一類的正痘病毒們,可以感染不同宿主,引起輕重有別的症狀。有些病毒宿主範圍較寬,能感染多種對象,殺傷力卻多半不強。宿主種類較少,感染範圍較窄的病毒,通常威力也比較強;有意思的是,這群病毒一般也會少掉一些基因。

正痘病毒戰隊的殺傷力是減法,時常是基因變少,殺傷力變強。(正相關,但是不見得有因果關係)

各天花病毒基因組中,致病基因們的狀況;大致上愈接近現在的天花,少掉愈多基因。圖/取自 ref 1

過往研究指出,正痘病毒們有 200 多個基因和致病密切相關。交叉比對不同種正痘病毒,感染牛的病毒 cowpox(和用於牛痘接種的那款不同)有 209 個基因,是近親中數量最多的。它可能最接近眾多正痘病毒尚未分家以前,共同祖先時期原本的狀態,後來分家為不同病毒,面對各異的宿主後,旗下成員們才各自失去不同基因。

詳細分析古代和現代的天花樣本,可以發現它們各自失去不同的基因。算總數的話,現代天花的基因數量比古代同類更少;不過也有些古代天花少掉的基因,在現代同類中仍然存在。總之狀況非常複雜。

整體看來,基因喪失與年代呈線性關係,愈接近現代,天花有愈多基因喪失。假如基因減少的速度和最近 1000 年一致,那麼估計在 4000 年前,天花的基因狀態類似 cowpox,不過這樣估計的誤差很大就是了。

不同年代的天花,與致病基因數量的線性關係。圖/取自 ref 1

基因和現在不一樣,古代的「天花」是天花嗎?

這項發現引發一個問題:古時候的天花,是我們所認識的那個天花嗎?

我們知道的天花,確診死亡率約有 30%,即使沒死也可能有後遺症,算是殺傷力強大的傳染病。感染過天花的幾位 7 到 11 世紀古人,由出土狀況無法判斷是否因天花去世。然而一度存在他們體內,後來某個時刻失傳的病毒,由遺傳組成看來,殺傷力似乎不如現代天花。

假如天花在比較早期的殺傷力不如後世,它們是在什麼時候變得更致命?這個問題很有意思。一般來說,傳染病如果殺傷力太強,反而不利傳播,像是今年橫行世界的 SARS二世冠狀病毒(SARS-CoV-2),靠著殺傷弱、傳播強,使得它的疫情遠遠勝過殺傷強、傳播弱的 SARS 和 MERS 兩位前輩。

中美洲 1585 年天花疫情的歷史紀錄。圖/取自 wiki

奇妙的是,如果這回研究的古代天花殺傷力真的較弱,那麼就是較不致命的古代天花滅絕了,更加兇險的現代天花卻廣傳世界。

殺傷力更強的現代天花,傳染能力也勝過古代同類嗎?被歐洲人帶到美洲,橫掃美洲原住民的天花又是什麼款式?研究傳染病演化,這些是非常值得深究的問題。

追尋天花的起源與傳播,認識傳染病演化

根據已知資訊,仍不足以得知天花的起源地點與年代。不過可以肯定至少在公元 603 年,歐洲北部已經有人感染天花;所以天花起源自歐亞大陸或非洲某處的時間點,必定更早於 1400 年前。

有些當時的歷史文獻記載,歐洲南部有人感染天花。假如歷史記載屬實,意謂當時歐洲各地都有天花存在,而且缺乏文字記錄的北部也不例外。不過目前各方面的資訊非常有限,無法評估當時有多流行。

天花演化史上的大事件。圖/取自 ref 3

這次調查沒有在年代更早,也沒有在歐洲北部以外發現感染天花的人,不等於那些時空中沒有人得到天花。不是所有天花感染者的遺骸,都能順利取得天花病毒的 DNA;也可能古代感染人數太少,所以留下記錄的機率太低。

天花在歷史上的殺傷力可能愈來愈強,WHO 統籌各國之下,天花最終在 1980 年慘遭人類滅團。40 年後,全人類又面臨新的 SARS二世冠狀病毒威脅,WHO 卻不復當年神勇。如今研究天花,除了懷古以外,認識傳染病的演化也別具意義。

延伸閱讀

參考資料

  1. Mühlemann, B., Vinner, L., Margaryan, A., Wilhelmson, H., de la Fuente Castro, C., Allentoft, M. E., … & Bill, J. (2020). Diverse variola virus (smallpox) strains were widespread in northern Europe in the Viking Age. Science, 369(6502).
  2. Was smallpox a widespread mild disease?
  3. Smallpox and other viruses plagued humans much earlier than suspected
  4. Duggan, A. T., Perdomo, M. F., Piombino-Mascali, D., Marciniak, S., Poinar, D., Emery, M. V., … & Golding, G. B. (2016). 17 th Century Variola Virus Reveals the Recent History of Smallpox. Current Biology, 26(24), 3407-3412.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

關於作者

寒波

生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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