Смытые данные

Австралийские аборигены выбивали юношам зубы во время обряда инициации и отдавали их на хранение старейшинам. Они считали, что обладание частью человеческого тела позволяет управлять ее хозяином — а значит, нельзя допустить, чтобы зуб, ноготь или волос попал в руки недоброжелателей или колдунов. Сейчас эти представления не потеряли своей актуальности: полицейским достаточно грамма ткани или капли ДНК, чтобы опознать по ним преступника. Ногти или зубы мы теряем далеко не каждый день, зато другой биологический материал удержать в себе не так-то просто. Поэтому сегодня ученые отправляются за информацией о людях прямо в канализацию.

Ловчая сеть

К середине XX века развитые страны победили большинство инфекций, которые раньше выкашивали целые города. На первый план выступила новая эпидемия — та, которую сложно было разглядеть издалека. Полиомиелит.

Масштабы эпидемий оспы, холеры или тифа было несложно оценить по количеству людей с характерными симптомами и изолировать зараженных. Но у полиомиелита несколько обличий: он мимикрирует то под отравление, то под лихорадку, то и вовсе проходит бессимптомно. А острый паралич, который может оставить человека хромым или навеки приковать к «железному легкому», возникает лишь у одного из нескольких сотен зараженных.

В тридцатых и сороковых годах XX века число случаев в каждой вспышке измерялось тысячами, тяжелых случаев было достаточно много, и по их числу можно было судить о динамике эпидемии. Но потом появились вакцины, коллективный иммунитет, и число доступных для вируса жертв резко сократилось. Вспышки стали меньше и потому могли проскочить незамеченными — и привести к новым жертвам, если их вовремя не остановить. Эпидемия скрылась из вида, и людям пришлось последовать за ней — в подполье.

Полиовирус передается фекально-оральным путем, то есть выходит из организма через кишечник. Удержать его в себе не может ни один носитель — вне зависимости от того, испытывает ли он симптомы или нет, изолирован или гуляет по улицам, болеет или недавно выздоровел. Значит, даже если люди передают друг другу вирус бессимптомно, его частицы с неизбежностью попадут в канализацию, а из нее — на станции очистки.

Логичнее было бы, конечно, охотиться на полиовирус в резервуарах питьевой воды и вылавливать оттуда вирусные частицы, пока они не спровоцировали вспышку. Но это не так-то просто — их концентрация может быть слишком маленькой, ниже порога определения. Да и едва ли это поможет в ситуации, когда эпидемия уже гуляет по городу. Поэтому, если к началу вспышки эпидемиологи опоздали, им остается идти по следу и прививать уцелевших горожан. Так они начали исследовать зеркало городской души — канализационные воды.

Поначалу этот процесс был довольно трудоемким: поскольку вирусы, в отличие от бактерий, не способны размножаться вне клеток, их приходилось размножать искусственно. Исследователи выливали канализационную жидкость на культуру клеток, чтобы заразить их вирусом. Если клетки погибали, то к жидкости добавляли антитела к полиовирусу: если они садились на поверхность частиц — значит, в пробе действительно искомый возбудитель.

Не все вирусы соглашались заражать тестовую культуру, да и выращивать клетки было долго и дорого. Поэтому с первой попытки установить слежку за мировой канализацией не получилось, и лишь отдельные лаборатории пытались ухватить эпидемию за хвост. Так, в 1984 году в Финляндии после двадцати лет затишья зафиксировали десять случаев клинического полиомиелита. Вспышка выглядела мелкой, но мониторинг сточных вод показал, что на самом деле зараженных на порядки больше — около ста тысяч человек. Власти запустили экстренную кампанию вакцинации, и через год эпидемия вновь отступила.

А потом, в середине 1980-х, придумали метод полимеразной цепной реакции (ПЦР), с помощью которого мы ловим вирусы до сих пор. Он позволяет размножить вирус искусственно, без участия клеток (об этом наш текст «Корона в стоге сена») — это гораздо быстрее, дешевле и эффективнее.

В 1988 году ВОЗ призвала страны-участницы победить полиомиелит к 2000 году, и те, помимо массовых вакцинаций, начали заниматься и мониторингом сточных вод. А в 2003-м ВОЗ приняла единый для всех стран стандарт. И теперь, где бы вас ни застала необходимость сходить в туалет, вы не можете быть уверенными, что за вашим здоровьем пристально не наблюдает — пусть и на расстоянии — какой-нибудь лаборант на очистной станции или закрепленной за ней лаборатории. Благодаря им мы знаем, например, что в Москве с 2004 по 2017 год «дикого» полиовируса не было — все, что удалось выловить, это «одомашненные» варианты из живых полиомиелитных вакцин.

Все течет

Таким образом, некоторые из нас сдали намного больше анализов в своей жизни, чем думали. Разрешения на это, однако, никто не спрашивал — что отличает эту процедуру от любых других видов контроля за здоровьем населения, вроде диспансеризации и регулярных опросов, в которых всегда можно отказаться участвовать. В то же время, непонятно, как могло бы выглядеть согласие на мониторинг канализации — и непонятно, в какой момент биологические образцы, которые туда утекают, перестают принадлежать конкретному человеку и становятся достоянием общественности.

Но коль скоро в мире есть метод массового скрининга биологического материала людей на патогены, можно ожидать, что рано или поздно найдутся желающие извлекать из него и другую информацию. Кроме вирусов и бактерий, наш кишечник выбрасывает в окружающую среду и персональные данные — например, собственные клетки. А это уже, с учетом развития генетических технологий, прямая дорога к установлению личности. Шаг от охоты за патогенами до тотальной слежки за людьми может оказаться довольно коротким — достаточно чувствительного секвенатора и базы геномов. Поэтому программы мониторинга сточных вод уже вызвали подозрение юристов и биоэтиков.

Охотники на полиомиелит этого шага, правда, так и не сделали. За 70 лет с появления вакцины число заболеваний в мире сократилось до нескольких сотен, а из трех известных вариантов полиовируса остался лишь один, и тот всего в двух странах: Афганистане и Пакистане. Какие-то правительства закрыли программу мониторинга, другие сократили ее охват.

В канализации, конечно, пробовали искать и другие патогены: холеру, сальмонеллу, устойчивые к антибиотикам бактерии. Но и из этих проектов ни один не превратился в кампанию мирового масштаба. Быть может, дело в том, что возбудители других кишечных инфекций проявляют себя слишком явно (как та же холера) — а значит для борьбы с ними надзор за сточными водами не так уж и нужен.

Мировое канализационное око, вероятно, так и осталось бы сюжетом из антиутопии, если бы в 2001 году Кристиан Доутон из американского Агентства по охране окружающей среды (Environmental Protection Agency) не предложил искать в сточных водах следы не болезней, а кое-чего поинтереснее — наркотиков.

Покупку нелегального препарата можно замаскировать и употребить его в укромном месте, но следы употребления утаить невозможно. Вещества, попадающие в кишечник человека, далеко не всегда перевариваются там без остатка. Многие из них распадаются под действием кишечных ферментов и бактерий и выходят наружу в виде продуктов обмена. Их-то и можно заметить в сточных водах: например, опиаты распадаются до морфина, а кокаин превращается в бензоилэкгонин.

В 2005 году этот метод впервые успешно применили для поиска метаболитов кокаина в долине реки По на севере Италии. Результат оказался впечатляющим для ученых — и неутешительным для местных властей. Точной официальной статистики по употреблению кокаина в этом регионе у исследователей, конечно, не было. Но они оценили его примерно в 15 тысяч доз в месяц. То, что они нашли в канализации, конвертировалось в цифры на порядок выше — до 40 тысяч доз ежедневно.

После этого эксперимент итальянских эпидемиологов начали воспроизводить по всему миру. Список отслеживаемых веществ вырос до нескольких десятков пунктов и пополнился марихуаной, амфетаминами и другими психоактивными веществами. В Европе образовалось несколько сетей мониторинга сточных вод — благодаря которым, например, удалось подтвердить, что в Восточной Европе в последние годы выросло потребление кокаина, а в Польше в больших количествах производят метамфетамин.

В некоторых странах (например, в Австралии) программа «канализационного наркомониторинга» начала делиться данными с местными властями. А в Китае, где соображения приватности реже принимают во внимание, дело дошло даже до арестов — и местные химики утверждают, что вычислили производителей наркотиков непосредственно по сточным водам.

А пока полицейские гонялись по канализационным коллекторам за наркодилерами, ученые придумывали новые способы извлечь пользу из водосточных труб. Каждый день из городских квартир утекает невероятное количество данных, и исследователи (а вслед за ними и городские власти) могли бы собирать информацию о самых разных областях из жизни местного населения: сколько они едят овощей и фруктов, употребляют алкоголя, никотина и кофеина, сколько через их организм проходит потенциально токсичных пестицидов и пластификаторов. Дошло даже до предложений искать в канализации провоспалительные вещества или маркеры окислительного стресса. По ним сложно, конечно, ставить обществу конкретные диагнозы, но они могут служить мерилом физиологических страданий и сигнализировать «большому брату» о том, что с целым городом или районом что-то пошло не так. Биопсия городских недр обещает быть невероятно полезным инструментом.

Дети подземелья

Однако большинство этих проектов пока остаются единичными научными работами. Исследователи сточных вод жалуются на то, что мониторинг общественного здоровья развивается гораздо медленнее, чем погоня за наркотиками. И дело здесь не только в общественном запросе, но и в методике самой слежки.

В канализацию стекаются продукты обмена веществ тысяч людей. При этом на их концентрацию влияют самые разные обстоятельства — например, соотношение промышленного и бытового использования воды в регионе, погода (в дождливую погоду концентрация всех веществ в сточных водах снижается) и наличие микробов на очистных станциях — они могут дополнительно изменять искомые вещества.

Но главная проблема состоит в другом: чтобы делать на основании измерений какие-то выводы, нужно пересчитывать концентрацию веществ в канализации на среднестатистического пользователя — и для этого хорошо бы знать, сколько их было на «входе». А это число далеко не всегда совпадает с количеством людей, номинально проживающих в этом регионе, и может зависеть, например, от времени суток (утром канализация загружена сильнее) и сезона (летом многие жители города разъезжаются, а туристы, наоборот приезжают).

Решать эту проблему можно несколькими способами. Например, одновременно с интересующим исследователей веществом можно измерять концентрацию какого-нибудь человеческого биомаркера — вроде гормона стресса кортизола — и через нее определять число пользователей канализации. Или же отслеживать содержание в воде котинина — метаболита никотина — если известно, какую долю от популяции в среднем составляют курильщики, можно рассчитать, как много людей «попали» к вам в пробирку. Можно синхронизировать свои исследования с переписью населения — так делают в Австралии. Наконец, можно воспользоваться данными других мониторингов — например, попросить их у операторов мобильной связи. Эта тактика позволила норвежским исследователям вовремя заметить, что часть исследуемой ими популяции разъехалась на каникулы — и понять, что снизившееся содержание наркотиков в канализации не говорит о том, что их стали меньше употреблять.

Подобные методы позволяют сделать выводы более точными, но в очередной раз ставят под вопрос этичность процедуры в целом. Сами по себе результаты мониторинга сточных вод считаются анонимными. Однако они могут легко потерять анонимность, как только кто-нибудь начнет сопоставлять эти данные с информацией мобильных операторов и городских камер наблюдения.

Впрочем, до недавнего времени у канализационного ока не было повода активно развивать свою зоркость. Этот повод появился в 2020 году.

Как только стало ясно, что от пандемии ковида спастись не удастся никому, а тестов катастрофически не хватает, многие страны с налаженной системой мониторинга бросились отлавливать коронавирус в канализации. И быстро оказалось, что для него старые методы тоже годятся: в Нидерландах, например, его поймали всего через четыре дня после первого зафиксированного случая заболевания. А потом оказалось, что в архивных образцах сточных вод новый коронавирус можно было выявить еще до официального начала вспышки.

Правда, коронавирус — не самая удобная мишень для канализационной слежки. В отличие от полиомиелита, мы не можем быть уверены в том, что его выделяют в канализацию абсолютно все носители SARS-CoV-2. Кроме того, их вклад в общий сток тоже может быть разным — в зависимости от того, появляются ли у них кишечные симптомы (которые при ковиде встречаются нечасто). Наконец, мы все еще не до конца понимаем, в течение какого времени после заражения и выздоровления человек продолжает быть источником вирусных геномов. Все это пока мешает нам однозначно конвертировать концентрацию вирусной РНК в канализации в число заболевших. Хотя такие подсчеты, конечно, были — например, в России, по данным казанских ученых, доля инфицированных получилась на порядок выше официальной статистики (0,4 процента против 0,09).

Тем не менее, у нового коронавируса есть одна важная черта, которая роднит его с полиомиелитом — он довольно часто проходит бессимптомно. И даже те, кто впоследствии заметят у себя симптомы, становятся заразными еще до их появления. Именно поэтому, даже если мы пока не можем вычислить точное количество больных, сточные воды могут сообщить о вспышке раньше, чем ее заметят врачи — по подсчетам американских ученых, за 3-7 дней. И, в любом случае, этот метод гораздо дешевле, чем массовое тестирование (в основе которого лежит та же самая система ПЦР). Так «слитые» данные начали использовать не только для того, чтобы следить за прошедшими вспышками, но и для того, чтобы предсказывать будущие.

Переориентировать системы канализационного мониторинга на новую цель удалось в считанные месяцы. Уже осенью в США целый кампус ушел на карантин, после того как коронавирус нашли в местной очистной станции. Другие страны начали использовать результаты мониторинга, чтобы предупреждать население об опасности, ранжировать регионы внутри страны по эпидемиологическому статусу, отслеживать эффективность локдаунов — или просто бить тревогу, когда в сточных водах обнаруживается новый вирусный вариант.

Сейчас в тысячи водосточных каналов внимательно смотрят сотни исследовательских команд по всему миру. И постепенно их будет становиться все больше, а результаты их работы будут объединяться в сети — подобно подземным канализационным тоннелям. А когда эпидемия закончится — или, по крайней мере, пройдет свою острую фазу, — всем этим командам, лабораториям и компаниям придется искать для своих наработок новое применение. И несложно представить, где они его найдут — в слежке за другими вирусами, сборе данных об образе жизни горожан и погоне за наркотиками.

Все за одного

Однако слежка эта постепенно принимает не вполне привычные нам формы. В отличие от других технологий, вроде распознавания лиц, которые вписываются в наше представление о цифровом полицейском государстве будущего, мониторинг сточных вод не движется в сторону деанонимизации. Наоборот: растет размер «толпы», которую можно просканировать за один раз.

В 1960-х годах, во времена ранней охоты на полиомиелит, чувствительности методов хватало на то, чтобы распознать популяцию, в которой заражены 0,4 процента — то есть примерно один человек из 250. В 2001 году финские ученые решили перепроверить свою чувствительность и вбросили в канализацию Хельсинки известную дозу «живой» полиомиелитной вакцины. Оказалось, что за двадцать лет методы стали точнее: удалось поймать вирус в концентрации, соответствующей одному инфицированному на 10 тысяч человек. В коронавирусную эпоху этот порог продолжает снижаться: сейчас он составляет около одного на 100 000, а некоторые модели обещают опустить его до одного на 2 000 000.

И чем больше становится толпа, в которой находят нарушителя общественного спокойствия, тем сложнее узнать его в лицо. К тому же, это не всегда и нужно. Так ли важно, кто этот единственный носитель коронавируса в районе — постоянный его житель, приезжий или прохожий, в активной фазе или бессимптомный носитель — если его соседи так или иначе могли получить от него дозу вирусных частиц? Чем искать этого рассадника заразы, проще усилить меру во всем регионе — развернуть вакцинацию или усилить карантинные меры.

Поэтому поиском отдельных носителей пока никто не занимается. Местные власти, которые используют данные мониторинга сточных вод для корректировки ограничений — как в Австралии — специально подчеркивают, что в их планы не входит деанонимизация. Да и среди исследовательских сетей, которые отслеживают канализацию в Европе, принято публиковать только средние значения по популяции (например, икс вирусных частиц на сто тысяч человек в день). При этом считается, что, если эта популяция размером больше 10 тысяч человек, то анонимности каждого из них ничто не угрожает. По крайней мере, пока к слежке не подключились другие системы мониторинга.

В апреле 2013 года в канализации израильских городов Рахат и Беэр-Шева заметили полиовирус дикого типа. Это была первая такая находка с 1988 года. Считалось, что полиомиелит в Израиле давным-давно искоренен — судя по всему, новый вирус проник в страну из Пакистана. К сентябрю того же года его следы нашлись еще на 79 очистных станциях разных городов. Вслед за этим местные власти «пораженных» регионов начали экстренно вакцинировать детей, медицинский персонал и взрослых, которые по какой-то причине не получили прививку в детстве. Одновременно с тем врачи начали особенно пристально следить за подозрительными симптомами среди населения.

С января по сентябрь 2013 года удалось обнаружить 45 человек с острым вялым параличом — одним из признаков, который может указать на полиомиелит. Но анализы на полиовирус у всех были отрицательны. Ни одного заболевшего настоящим полиомиелитом в Израиле так и не выявили, а к 2014 году следы вируса из сточных вод исчезли. Вспышка закончилась так же, как и началась, не выйдя за пределы канализации и не замеченная никем, кроме сотрудников Центральной вирусологической лаборатории.

Можно представить себе, что примерно так и должна выглядеть рядовая эпидемия в утопическом мире победившей канализационной слежки. Вместо «большого брата» и деанонимизации нас может ждать совсем другая картина — размывание ответственности с единиц на сотни тысяч, массовые ограничения и круговая порука.