Насколько далеко могут улететь частицы коронавируса и где опаснее всего дышать

Print PDF

Раскрашенная фотография SARS-CoV-2, полученная на просвечивающем электронном микроскопе. Хорошо видна корона из шипов (красная). Фото Национального института аллергии и инфекционных заболеваний (NIAID) с сайта flickr.com. Здесь и далее иллюстрации из: «Корона вируса» на элементах.ру

Татьяна Морозова

В настоящее время большой проблемой человечества является эпидемия коронавируса, вспыхнувшая в 2019. Она приняла широкие масштабы и темпы распространения. Однако, вакцины и должных мер по борьбе с данным вирусом до сих пор не разработано [пока мы медлили с публикацией, ситуация изменилась — есть и вакцины, и эффективность масок с карантином показана. Впрочем, это делает лишь актуальней сказанное в статье — в т.ч. про маски как в первую очередь способ защиты других от возможного заражения от тебя. Тем более что есть риск (думаю, небольшой), что несмотря на это коронавирус останется с нами навсегда и станет эндемическим заболеванием вроде гриппа. Прим.публикатора]. В связи с этим следует понять динамику распространения вирусных частиц в воздухе, чтобы разработать обоснованные меры предосторожности и предотвратить быстрое распространение вируса.

Размер самих частиц вируса 80-120 нм [Guy, James & Breslin, Jamie & Breuhaus, Babetta & Vivrette, Sally & Smith, Lynda. (2001). Characterization of a Coronavirus Isolated from a Diarrheic Foal. Journal of clinical microbiology. 38. 4523-6. 10.1128/JCM.38.12.4523-4526.2000]. Частицы вируса могут попадать в окружающую среду с каплями, размер которых варьируется от 50 до 2000 мкм.

Однако капли быстро испаряются. Капли диаметра 150 мкм испарятся уже за 15 секунд и капли размером 200 мкм за 24 секунды, не достигнув поверхности. При разговоре выделяется 600 капель в минуту [Xie, X., Y. Li, A. T. Y. Chwang, P. L. Ho, and W. H. Seto. 2007. How far droplets can move in indoor environments – revisiting the wells evaporation-falling curve.Indoor Air 17 (3): 211–25.]. В итоге, после испарения мелких капель коронавирусные частицы могут находиться в воздухе сами по себе (время их жизни будет ограничено выживаемостью липопротеидной оболочки без воды, что пока не до конца изучено).

Зараженный человек выдыхает при разговоре 10 вирусных частиц в секунду [The coronavirus pandemic and aerosols: Does COVID-19 transmit via expiratory particles? Sima Asadi, Nicole Bouvier, Anthony S. Wexler &William D. Ristenpart Pages 635-638 | Published online: 03 Apr 2020]. За секунду при кашле выдыхается 400 частиц, при чихании 10000 вирусных частиц [http://www.who.int, Широбоков В. П. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология. — Винница : Нова Книга, 2015. — С. 504—505.]. Скорость потока выдыхаемого воздуха: обычный выдох – до 1 м/с, кашель – до 5 м/с, чихание – до 50 м/с, разговор – до 2 м/с [Xie, X., Y. Li, A. T. Y. Chwang, P. L. Ho, and W. H. Seto. 2007. How far droplets can move in indoor environments — revisiting the wells evaporation-falling curve. Indoor Air 17 (3):211–25.].

Опасная зона вдыхания при распространении частиц во время выдоха другого человека будет находиться в ареале размером 2 на 2 метра в длину и ширину и на расстоянии примерно полуметра в высоту относительно носа. В зависимости от действия внешних воздушных потоков эта зона может увеличиваться.

Рассматривая диффузию вирусных частиц, можно сделать вывод, что концентрация при выдохе очень быстро уменьшается с расстоянием, принимая во внимание, что тяжелые и сравнительно большие относительно молекул воздуха частицы вируса будут постоянно натыкаться на воздушные молекулы и их длина свободного пробега будет крайне мала. В результате получается, что концентрация вирусных частиц меняется от 10^-3 см^-3 до 10^-16 см^-3 за 20 секунд при учете того, что из выдыхаемого объема они распространяться на 2 метра по ширине и длине c учетом диффузии вирусных частиц в молекулы газа (аналогичная концентрация достигается через 40 секунд на расстоянии 50 см). При учете ветровых потоков, максимум концентрации частиц на таком расстоянии будет 10^-8 см^-3. Горизонтальные ветра могут разносить вирусные частицы на расстояния от нескольких метров до десятков метров.

Также неблагоприятная ситуация может складываться при разговоре, кашле и чихании. Концентрация частиц при чихании в непосредственной близости человека будет составлять 6 см^-3, при кашле 0.1 см^-3. Она также будет быстро спадать с расстоянием в результате диффузии и в опасной зоне может достигать максимум 10^-10 см^-3.

Учитывая процессы диффузии частиц коронавируса можно заключить, что на расстоянии 2х метров уже через 20 секунд концентрация частиц вируса будет ничтожно мала. И вероятность заражения также будет минимально возможной (тут вопрос в Вашем иммунитете). Однако стоит отметить, что при чихании и кашле частицы могут долетать до 7-8 метров в первые несколько секунд из-за их высокой начальной скорости.

SARS-CoV-2, связавшийся с ангиотензиновым рецептором ACE2 (голубой) на поверхности клетки. Трехмерная иллюстрация с сайта news-medical.net

Можно оценить время, когда коронавирусные частиц уйдут из опасной зоны вдоха или достигнут земли, считая среднее расстояния от носа до поверхности Земли 1.5 метра. Сила тяжести, действующая на вирусную частицу будет на шесть порядков меньше, чем сила сопротивления воздуха. Таким образом, воздух будет мешать вирусу падать. Но это будет длиться отнюдь не бесконечно. Так как движения частиц хаотичные и определяются столкновениями и длиной свободного пробега, то частицы будут менять свое направление движения и рано или поздно достигнут поверхности.

В помещении или в безветренную погоду время при выдохе, за которое частицы достигнут поверхности Земли, составит 17 минут (при удачном стечении обстоятельств в плане столкновений с молекулами воздуха вирусные частицы опустятся на поверхность уже за 7 минут). При разговоре, кашле и чихании начальная скорость частиц будет выше, и, как следствие, количество столкновений с молекулами воздуха и их траектория движения вследствие горизонтального переноса будет больше. В этом случае время достижения частицами вируса поверхности Земли составит примерно 50 минут.

При чихании возможно более быстрое опускание частиц, связанных с крупными выдыхаемыми водяными каплями (чьи размеры могут достигать 2000 мкм), однако, концентрация вирусных частиц в непосредственной близости от чихающего человека будет велика и выдыхаемая струя воздуха из-за высокой скорости сразу распространится на большое расстояние. Отсюда можно сделать вывод, что на достаточном удалении от человека чихание менее опасно, чем обычный выдох, кашель и разговор, так как для последних время жизни вирусных частиц в воздухе без мелкодисперсных выдыхаемых капель воды будет дольше. С учетом конвективных потоков и горизонтального переноса ветрами при выдохе, разговоре, кашле и чихании путь, пройденный частицами вируса будет еще длиннее и время опускания частиц вируса составит 2.5 ч.

Для того, чтобы частицы ушли из опасной зоны вдоха, они должны преодолеть меньшее расстояние, чем при достижении поверхности Земли. При обычном выдохе время, за которое частицы вируса уйдут из этой зоны будет составлять около 3х минут, при разговоре, кашле и ветрах около 30 минут. Таким образом, спокойно идущие, выдыхающие носом люди не представляют особую опасность. Опасно проходить рядом с медленно идущими и разговаривающими людьми, так как они выдыхают концентрированную порцию воздуха, возможно содержащего коронавирусные частицы, которая словно зависает в пространстве.

РНК-полимеразный комплекс коронавируса состоит из нескольких неструктурных белков (nsp, от англ. non-structural proteins). Nsp12 (собственно полимераза) — фермент, который осуществляет синтез РНК по матрице РНК. Nsp7 и nsp8 синтезируют для полимеразы «затравку» (primer), с которой начинается синтез новой цепи РНК. Nsp14 при содействии nsp10 контролирует, насколько аккуратно работает полимераза. Nsp9 держит матричную цепь в развернутом состоянии до прихода полимеразы. Схема из статьи E. C. Smith and M. R. Denison, 2013. Coronaviruses as DNA Wannabes: A New Model for the Regulation of RNA Virus Replication Fidelity

Быстро идущие люди своим движением задают боковой импульс выдыхаемым воздушных массам и те распространяются на большее расстояние, однако, рассеянные частицы коронавируса будут иметь меньшую концентрацию нежели в случае с медленно идущими людьми. Меньшая концентрация вдыхаемых частиц обеспечивает меньшую вероятность заражения. Поэтому, если не удается обойти прохожих, то в случае быстроидущих людей вариант будет не таким опасным, как в случае медленноидущих людей. Во всех случаях рекомендуется проходить прохожих быстрее.

При повышении температуры воздуха увеличивается динамическая вязкость, которая присутствует в формуле силы сопротивления и, соответственно, частицы будут дольше находиться в воздухе. В пределах сезонных изменений температур сила сопротивления изменится не более, чем на два порядка. Влажный воздух также повышает время левитации вирусных частиц – плотность воздуха (от которой также прямо пропорционально зависит сила сопротивления) будет выше и частицы будут дольше держаться в воздухе.

Вирионы SARS-CoV-2 высвобождаются из одной из клеток лабораторной культуры. Электронная микрофотография с сайта modernhealthcare.com

Отсюда можно заключить, что опасаться стоит в основном заражения от поверхностей, где концентрация вирусных частиц при оседании будет достаточно высокой. Продолжительность жизни вируса на поверхностях может составлять несколько дней. Учитывая межмолекулярные силы взаимодействия отростков вируса (фибр) с поверхностями, он не будет легко сдуваться ветровыми потоками.

Разберемся с тем, насколько действенны рекомендации ВОЗ: носить маски и перчатки и держать дистанцию 1.5-2 метра друг от друга. Размер сетки маски составляет 300 нм, а размер самих частиц вируса 80-120 нм [Guy, James & Breslin, Jamie & Breuhaus, Babetta & Vivrette, Sally & Smith, Lynda. (2001). Characterization of a Coronavirus Isolated from a Diarrheic Foal. Journal of clinical microbiology. 38. 4523-6. 10.1128/JCM.38.12.4523-4526.2000.]. Если частицы вируса попадают в окружающую среду с каплями, то размер капель может быть меньше размера вируса, особенно во время обычного выдоха или разговора. Также большие капли быстро испаряются и в результате падения с 2х метров испарятся полностью [Xie, X., Y. Li, A. T. Y. Chwang, P. L. Ho, and W. H. Seto. 2007. How far droplets can move in indoor environments – revisiting the wells evaporation-falling curve. Indoor Air 17 (3): 211–25.].

Таким образом, вирусные частицы могут могут вдыхаться без капель и, учитывая их малые размеры, проникать сквозь сетку маски. Поэтому не следует ожидать, что маски во всех случаях предотвратят заражение. Однако, с целью превентивных мер можно советовать носить маски, чтобы сконцентрировать выдыхаемый объем вблизи рта и носа и уменьшить начальную скорость выдыхаемой струи, и, соответственно, сократить ареал распространения выдыхаемого воздуха и добиться меньшей концентрации возможных вирусных частиц при выдохе на расстоянии. Маски также создают влажную среду вблизи рта и не дают выдыхаемым каплям с частицами испаряться и проникать в окружающую среду через сетку маски.

Перчатки по сути своей не несут никакой функциональной нагрузки, учитывая, что руками в перчатках люди трогают личные вещи, которых потом касаются руками. Мало кто будет дезинфицировать всю одежду и личные предметы, каждый раз приходя из общественных мест. Стоит отметить, что рекомендации ВОЗ динамично меняются по мере осуществления новых исследований. Маски из плотной или ворсистой ткани [а тем более респираторы] могут быть более действенны (и комфортны в ношении, чем стандартные медицинские маски).

Клетка (зеленая) в окружении вирионов SARS-CoV-2 (розовые). Многочисленные выросты клетки говорят о том, что она находится на конечной стадии апоптоза — программируемой клеточной смерти — и скоро будет фрагментирована. Заражение клетки вирусом — один из поводов для апоптоза. Раскрашенная фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, с сайта npr.org

Динамику распространения вирусных частиц можно качественно понять и экспериментально смоделировать на примере частиц табачного дыма, имеющих схожие размеры, но чаще несколько большие, чем размеры частиц коронавируса – порядка нескольких сот нанометров. И в случае частиц дыма, и в случае коронавирусных частиц сила сопротивления оказывается много больше силы тяжести, поэтому табачный дым моделирует в должной мере аэродинамические процессы полета вирусных частиц.

Частицы будут держаться в воздухе помещения ощутимое время, однако, они сравнительно быстро распространяются по открытому воздуху из опасного для вдоха объема с потоками ветра и тепла и постепенно опускаются вниз. Другой пример – это частицы духов, они имеют меньшие размеры и поэтому распространяются на бóльшие расстояния и дольше держатся в воздухе. В экспериментах с живучестью в воздухе частиц табачного дыма на опасном расстоянии вдыхания частиц было обнаружено, что за 1 минуту на расстоянии 100 метров после прохождения курящего человека частиц не ощущается, так как они диффундируют с окружающим воздухом и их концентрация становится крайне мала.

Испарения после дождя не дают молекулам дыма, летучим пахучим соединениям и взвешенным частицам улететь далеко. Они просто зависают в воздухе. Поэтому кажется, что цветущие деревья пахнут сильнее после дождя в их относительной близости. На деле это застоявшийся запах, зависший в более плотном воздухе. Аналогично и частицы коронавируса могут дольше держаться в ограниченном объеме во влажном воздухе и сложнее переноситься на большие расстояния, тем самым поддерживая локально высокую концентрацию значительно время.

Жизненный цикл коронавируса SARS-CoV (у SARS-CoV-2 он такой же). Вирион проникает в клетку путем эндоцитоза; затем S-белок расщепляется, вследствие чего мембраны вируса и эндосомы сливаются и РНК выходит. Первые две трети генома транслируются в полипротеины (1ab или укороченный 1a). Они режутся (протеолиз) на неструктурные белки, из которых собирается вирусная РНК-полимераза (репликаза). С ее помощью формируются (транскрипция) копии РНК вируса и восемь видов субгеномной мРНК — шаблоны для генерации структурных и вспомогательных белков в просвете (ERGIC) между эндоплазматическим ретикулумом (ER) и аппаратом Гольджи. Вирионы собираются в цитоплазме и выходят из клетки путем экзоцитоза. Схема из статьи Компьютерные технологии против коронавируса: первые результаты (неадаптированная схема — в статье L. Du et al., 2009. The spike protein of SARS-CoV — a target for vaccine and therapeutic development)

Рекомендации по поведению и мерам предосторожности во время коронавирусной пандемии:

Рядом с прохожими следует держать расстояние порядка 2х метров. Если это не удается – задерживать дыхание или выдыхать, проходя мимо них. Когда окружающие люди громко говорят, чихают и кашляют, медленно идут или если на улице ветер – дистанцию следует увеличивать. Быстро идущие люди менее опасны, чем. В любом случае, лучше проходить прохожих на улице быстрее. Обходите подальше громко говорящих, чихающих и кашляющих людей. На достаточном удалении от человека (порядка 7-8 метров) чихание менее опасно, чем обычный выдох, кашель и разговор.

Размер сетки маски, более чем в два раза превышающий размер частиц вируса и некоторых аэрозолей и капель, позволяет им проникнуть в дыхательные пути. Поэтому маска Вас не спасет. Однако, может спасти других от Вашего выдоха. Она уменьшит скорость выдоха и, соответственно, ареол распространения возможных вирусных частиц. Даже находясь в масках, не говорите нос к носу и держите дистанцию.

Маска может сыграть и злую роль. Если Вы долго находитесь в одной и той же маске, то вся грязь и зараза, прилипшая к ней, постепенно вдыхается вашими легкими. Поэтому, если Вы носите маски, меняйте их как можно чаще.

Остерегайтесь нахождения вблизи людей в случае ветров на улице и потоков воздуха в помещении, во время сырой погоды. При сильном дожде частицы вируса очень быстро падают вместе с каплями дождя и вероятность заразиться практически нулевая. Остерегайтесь близких контактов с людьми, контактов с поверхностями, где вирус долгоживуч. Проветривайте помещения хорошо и часто.

Находясь на воздухе в природной среде, мы тренируем свой иммунитет. Он небольшими порциями борется с опасностями извне и вырабатывает соответствующие антитела, делается сильнее. Сидя дома не мы даем организму бороться с небольшими порциями опасной заразы и вырабатывать к ней иммунитет. Следует проводить больше времени на воздухе и в движении. Cамое опасное с точки зрения воздушно-капельного переноса вируса – это находиться в помещении (особенно непроветриваемом) с чужими людьми. На свежем воздухе концентрация выдыхаемых частиц коронавируса быстро падает со временем. И, даже если Вы вдохнете несколько частиц коронавируса, то при не совсем ослабленном иммунитете Вы не заболеете, а даже наоборот, организм подберет к ним нужные антитела и в следующий раз среагирует быстрее.

«На этом рисунке американского ученого и художника Дэвида Гудселла (David S. Goodsell) изображен попавший в легкие коронавирус SARS-CoV-2 — точнее, одна его вирусная частица, или вирион. …
Вирусную частицу окружили защитные белки межклеточного пространства легких — муцины (Mucins), интерфероны, иммуноглобулины и др. Их задача — не дать вирусу заразить новую клетку. Задача же вируса — загрузить в клетку свой геном (при этом вирион разрушается) и заставить ее собирать новые вирусные частицы. У SARS-CoV-2 носитель генома — одна длинная молекула РНК (изображенная как голубовато-белая лента). Она покрыта множеством копий белка N (на рисунке синий). Вместе они окружены липидной мембраной (белая), в которую в разных количествах встроены три белка — S, spike-белок (розовый), М (светло-оранжевый) и E (тоже розовый, так уж решил художник). Белка Е в вирионе меньше всего — сможете найти его на картинке? Если нет, вот ее подписанная версия (а если вы хотите раскрасить вирус иначе, на сайте Дэвида Гудселла можно скачать раскраску). Белки S, M, E и N называются «структурными», так как они формируют вирион. Они есть у всех коронавирусов (а у некоторых имеется еще и пятый структурный белок). В РНК вируса закодированы и другие белки, которые нужны будут для сборки вируса в клетке, но в вирион они не попадают — поэтому на рисунке их нет».

Ношение перчаток вызывает большие сомнения как превентивная мера. Чтобы снять перчатки, мы все равно до них дотрагиваемся. Также мы дотрагиваемся до массы предметов и одежды, которые трогаем перчатками, а потом руками. Несмотря на перчатки, нужно мыть руки после общественных мест и дезинфицировать предметы. Перчатки можно использовать для открывания дверей и касания прочих посторонних предметов, но не трогать ими личные вещи и одежду.

Соблюдайте меры как само собой разумеющееся и не впадайте в панику.

Об авторе: к.ф.-м.н., научный сотрудник Института космических исследований РАН. Научные интересы: плазменно-пылевые системы; нано- и микромасштабные объекты в природе; нелинейные волны и плазменная турбулентность; пылевая плазма у Луны, Марса, Фобоса и Деймоса, в ионосфере Земли.

Список литературы

Guy, James & Breslin, Jamie & Breuhaus, Babetta & Vivrette, Sally & Smith, Lynda. (2001). Characterization of a Coronavirus Isolated from a Diarrheic Foal. Journal of clinical microbiology. 38. 4523-6. 10.1128/JCM.38.12.4523-4526.2000.

https://jcm.asm.org/content/38/12/4523

The coronavirus pandemic and aerosols: Does COVID-19 transmit via expiratory particles? Sima Asadi, Nicole Bouvier, Anthony S. Wexler &William D. Ristenpart Pages 635-638 | Published online: 03 Apr 2020.

http://www.who.int

Широбоков В. П. Медицинская микробиология, вирусология и иммунология. — Винница: Нова Книга, 2015. — С. 504—505.

Xie, X., Y. Li, A. T. Y. Chwang, P. L. Ho, and W. H. Seto. 2007. How far droplets can move in indoor environments – revisiting the wells evaporation-falling curve. Indoor Air 17 (3): 211–25. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/j.1600-0668.2007.00469.x