Берлин Адольф : другие произведения.

Пандемия Covid-19 глазами химика: факты и прогноз

Самиздат: [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь|Техвопросы]
Ссылки:
 Ваша оценка:
  • Аннотация:
    В очерке рассматривается протекание эпидемии коронавируса SARS-Cov-2 глазами химика. Выявлено подобие динамики развития эпидемии и кинетики цепных разветвленных реакций, протекающих при горении или взрыве (химическом либо физическом, например, атомном). Это позволяет предсказать три стадии развития эпидемии на основе общности модели указанных процессов и её неизбежное затухание на третьей стадии. Свежие данные многих стран (в том числе США, России, Украины, Израиля) и предыдущей эпидемии атипичной пневмонии по новым данным ВОЗ подтверждают правильность такого описания эпидемии COVID-19 и предсказание динамики процесса.
  Гремит на разных языках:
  "Коронавирус"!
  Корона-бизнес, ...-миф и ...-крах
  уже на всех материках
  ползут по миру.
  
  Бесплоден первобытный страх,
  как труд Сизифа.
  Похоже, вирус - в головах,
  где сплетни, словно на дрожжах,
  рождают мифы.
  
  В них человечества закат
  звучит де-факто.
  Нефть, кризис - пулей у виска,
  и всё труднее отыскать
  корона-факты.
  
  Толчком к этому стихотворному вступлению послужил взрыв пандемии коронавируса SARS-Cov-2 (известного ранее под именем COVID-19; теперь так называют вызванное им заболевание), охватившей почти все страны и континенты. Мне представляется интересным взглянуть на её развитие со стороны, глазами химика.
  
  

  Рис.1. Коронавирус COVID-19
  
  В начале своей научной деятельности я работал в области вырождено разветвленных радикально-цепных реакций и стажировался в академическом Институте химической физики (его директором тогда был единственный советский лауреат Нобелевской премии по химии Николай Николаевич Семёнов). Академик Семёнов занимался исследованием именно цепных разветвленных реакций. Такие реакции характерны для химических и физических процессов, в частности, горения, химических взрывов различного типа или ядерного распада (например, урана-235 под действием нейтронов).
  
  В последнем случае медленные нейтроны, попадая в ядра атомов урана-235, делают их нестабильными; это приводит их к распаду на ядра более лёгких элементов. При этом из каждого распавшегося ядра атома испускается несколько новых нейтронов. Каждый из них, в свою очередь, способен привести к распаду следующего ядра атома урана -235.
  
  
Схема протекания разветвлённых цепных реакций []

  Рис2. Схема протекания разветвлённых цепных реакций. Для ядерного распада урана-235 чёрными кружочками обозначены нейтроны, красными - ядра атомов урана
  
  Так происходит разветвление цепи и развивается разветвлённая цепная реакция распада урана. Если его масса выше так называемой критической, происходит неуправляемый ядерный взрыв, наподобие взрывов при бомбардировке Хиросимы и Нагасаки атомными бомбами во время Второй мировой войны.
  
  Примерно по такой же схеме развиваются эпидемии среди людей и животных, если чёрными кружочками обозначить атакующий субъекта вирус, а красными - подвергшегося заражению человека либо другого живого существа (см. рис.2). Вирус (или другой патоген: бактерия, гриб и пр.) атакует свою жертву - человека (или другое живое существо) и заражает его, а он, в свою очередь, способен заразить несколько других людей и т.д. И если популяция людей (даже локальная, в данной местности или общине) выше критической, развивается эпидемия. А в современных условиях мегаполисов, глобализации и высокой мобильности населения в развитых и развивающихся странах, эпидемия имеет шансы перерасти в пандемию, охватив большинство стран мира. Этому могут способствовать несвоевременно принятые правительствами меры по изоляции охваченных эпидемией регионов и неготовность людей к ограничительным карантинным мерам.
  
   Следует отметить, что рисунок 2 служит лишь наглядной иллюстрацией подобия цепной разветвлённой реакции распада ядер урана-235 под действием медленных нейтронов процессу распространения инфекции на самой первоначальной его стадии, когда ещё отсутствует иммунный ответ.
  
  В дальнейшем необходимо учитывать благоприобретенный популяционный (или стадный) иммунитет. С увеличением числа людей, которые переболели в той или иной форме и приобрели иммунитет (невосприимчивость) к данной болезни, вирусы всё чаще встречаются с людьми с таким благоприобретенным иммунитетом, и цепи передачи инфекции обрываются. Именно так и происходит вырождение разветвлённых цепей передачи инфекции. В результате динамика распространения эпидемии приобретает уже сходство с кинетикой протекания вырождено разветвленных радикально-цепных процессов, а темп распространения инфекции снижается, так как уменьшается число вновь заражённых.
  
  Таким образом, развитие эпидемии протекает по механизму, удивительно похожему на механизм вырождено разветвленных радикально-цепных химических реакций, например, реакций окисления органических веществ кислородом (области моих научных интересов в начале моей деятельности).
  
  Известно, что одни и те же математические модели могут описывать различные процессы в разных областях. Это объясняется тем, что природа едина; это мы условно делим её на разделы и подразделы (как и науку: на физику, химию, биологию и т.п.) для удобства классификации и исследования. Именно поэтому аналогичны математические модели кинетики вырождено разветвлённых радикально-цепных химических реакций и динамики распространения эпидемий (хотя механизм вырождения цепей в химических процессах совершенно другой).
  
  Кинетика же таких вырожденно разветвлённых радикально-цепных химических реакций обычно описывается S-образными кривыми. И судя по всему, динамика протекания многих эпидемий может быть описана такими же кривыми.
  
  
S-образная кинетическая кривая накопления продуктов автоокисления [(wikiwand.com/ru)]

  Рис.3. S-образная кинетическая кривая накопления продуктов автоокисления (wikiwand.com/ru)
  
  Это же объясняет и трёхстадийный характер протекания эпидемии. На первой, медленной стадии происходит почти линейное увеличение числа инфицированных. Потому власти и население не придают этому сколько-нибудь большого значения.
  
  На второй стадии процесса, когда S-образная кривая круто изгибается вверх, происходит экспоненциальное, лавинообразное увеличение числа инфицированных. К сожалению, в большинстве случаев власти, опасаясь паники, пытаются поначалу скрыть масштабы эпидемии, тем самым только усугубляя её.
  
  По мере увеличения массы инфицированных возрастает и число выздоровевших, которые приобрели иммунитет к данной инфекции. Тогда постепенно вторая, экспоненциальная стадия эпидемии должна перейти в третью стадию замедления в связи с увеличением числа людей с благоприобретённым иммунитетом, что и приводит к вырождению цепи передачи инфекции. S-образная кривая роста числа инфицированных постепенно изгибается вправо, затем выходит на плато, и эпидемия понемногу затухает.
  
  Только что опубликованные данные изменения числа выявленных носителей коронавируса COVID-19 во многих странах подтверждают правильность такого описания эпидемии и предсказание динамики процесса, вытекающей из хода приведенной выше S-образной кривой (см. графики ниже).
  
  
График роста числа инфицированных коронавирусом COVID-19 в Италии и США по состоянию на 19 марта 2020 г. [nytimes.com]

  Рис. 4. График роста числа инфицированных коронавирусом COVID-19 в Италии и США по состоянию на 19 марта 2020 г. (nytimes.com)
  
  
График роста числа инфицированных коронавирусом COVID-19 в разных странах со дня обнаружения первого заражённого [images.app.goo.gl]

  Рис. 5. График роста числа инфицированных коронавирусом COVID-19 в разных странах со дня обнаружения первого заражённого (images.app.goo.gl)
  
  
Рост числа инфицированных коронавирусом SARS-Cov-2 в России по состоянию на 16 апреля 2020 г. [360tv.ru]

  Рис. 6. Рост числа инфицированных коронавирусом SARS-Cov-2 в России по состоянию на 16 апреля 2020 г. (360tv.ru)
  
  

  Рис. 7. Рост числа инфицированных коронавирусом SARS-Cov-2 в Украине по состоянию на 13 апреля 2020 г. (index.minfin.com.ua)
  
  
Рост числа подтвержденных случаев COVID-19 в Израиле по состоянию на 19 апреля 2020 г. Коричневым цветом показан общий рост числа заразившихся, зелёным – изменение числа излечившихся, а красным – изменениие числа новых случаев [(covid19data.co.il)]

  Рис. 8. Рост числа подтвержденных случаев COVID-19 в Израиле по состоянию на 19 апреля 2020 г. Коричневым цветом показан общий рост числа заразившихся, зелёным - изменение числа излечившихся, а красным - изменениие числа новых случаев (covid19data.co.il)
  
  Как видно из приведенных графиков в сопоставлении с S-образной кривой (см. рис.3 выше), все эти страны, кроме некоторых, прошли первую стадию развития эпидемии COVID-19 и находятся во второй стадии экспоненциального, лавинообразного увеличения числа инфицированных, когда максимальна нагрузка на местные органы здравоохранения и крайне необходимы карантинные меры. Япония и Сингапур сумели растянуть первую стадию медленного развития эпидемии, избежав чрезмерной нагрузки на систему здравоохранения.
  
  Интересен опыт реагирования на эпидемию коронавируса SARS-Cov-2 в Сингапуре. Борьба с вирусом SARS в 2002 - 2003 годах показала, что в Сингапуре отсутствовала инфраструктура, способная быстро и адекватно бороться с эпидемиями. Поэтому там ответственные и компетентные власти оперативно приняли необходимые законодательные изменения и возвели инфекционные больницы, оборудованные комнатами с отрицательным давлением, чтобы полностью исключить поступление заражённого воздуха в незаражённую зону. Так что Сингапур осознал серьёзность угрозы и был готов к эпидемии коронавируса SARS-Cov-2, как только поступили тревожные сведения из соседнего Китая.
  
   Очень важно, что в отличие от Европы, США, Австралии, инфицированных пациентов с легкими случаями в Сингапуре не отпускают обратно к обществу, а собирают в госпиталях, где о них заботятся до полного выздоровления. Так поступают потому, что непонятно, как организовать их лечение на дому, изолируя от других членов семьи, и нельзя быть уверенным, что у себя дома такие люди следуют правилам самоизоляции.
  
   В результате всё это снижало количество людей, способных как распространять инфекцию, так и заражаться ею. То есть адекватный карантин может снизить популяцию людей до величины ниже критической (смотрите выше) и растянуть первую, линейную стадию эпидемии или даже избежать перехода её во вторую, самую опасную стадию экспоненциального, лавинообразного подъёма числа заболевших (смотрите рис.5).
  
  S-образный характер графика изменения числа инфицированных во времени и протекание эпидемии в три стадии согласуются с недавно опубликованными ВОЗ данными сопоставления эпидемий атипичной пневмонии SARS и коронавируса SARS-Cov-2 (смотрите рис.9). Атипичная пневмония (SARS) распространялась в ряде стран Юго-Восточной Азии в начале 21-го века.
  
  
Изменение числа инфицированных и умерших по дням отслеживания ВОЗ. На графиках жёлтым цветом показан рост числа заразившихся коронавирусом SARS-Cov-2 и умерших (2020), а красным — для сравнения те же данные по эпидемии атипичной пневмонии (SARS) в 2003 году [(cashin.ru) ]

  Рис. 9. Изменение числа инфицированных и умерших по дням отслеживания ВОЗ. На графиках жёлтым цветом показан рост числа заразившихся коронавирусом SARS-Cov-2 и умерших (2020), а красным - для сравнения те же данные по эпидемии атипичной пневмонии (SARS) в 2003 году (cashin.ru)
  
  Как видно из этих графиков, кривые изменения во времени числа заразившихся коронавирусом SARS-Cov-2 и умерших (жёлтые кривые), а также приведенные для сравнения красные кривые для атипичной пневмонии SARS аналогичны на начальных стадиях развития обеих эпидемий. Однако кривые для инфицированных и умерших от коронавируса SARS-Cov-2 показали более крутой экспоненциальный рост по сравнению с графиками для атипичной пневмонии SARS. Это говорит о том, что вирус SARS-Cov-2 является более агрессивным, более контагиозным (заразным), чем вирус атипичной пневмонии SARS.
  
  В дальнейшем же графики для атипичной пневмонии имеют характерный S-образный вид, согласующийся с приведенным выше прогнозом (см. рис.3 выше). Так что и кривые динамики вирусного заболевания COVID-19, вызванного вирусом SARS-Cov-2, в дальнейшем скорее всего покажут такую же тенденцию с переходом в третью стадию эпидемии, стадию замедления и постепенного затухания.
  
  Карантинные меры и социальное дистанцирование призваны снизить число контактирующих друг с другом людей. Это приводит к тому, что локальная численность населения становится ниже КРИТИЧЕСКОЙ (смотрите выше), так что удаётся растянуть первую фазу эпидемии, отложить и частично затормозить вторую стадию экспоненциального взрыва (но не избежать её!). Эти стадии становятся более пологими, растянутыми во времени, что даёт здравоохранению возможность справиться с потоком заражённых, но увеличивает продолжительность эпидемического режима и риски для остановившейся экономики. В разных странах и даже в различных регионах одной страны распределение населения неоднородно, таким образом в каждом из них эти S-образные кривые выглядят по-разному.
  
  Недавно в 'Coronavirus (COVID-19) death worldwide per one million population by country' (Website Statista) опубликованы сопоставимые данные по числу умерших от COVID-19 в разных странах, отнесённые к 1 млн. населения по состоянию 12 мая 2020 года. Для пятнадцати стран, расположенных в порядке убывания числа жертв коронавируса, это выглядит так: Бельгия-762, Испания-572, Италия-509, Великобритания-482, Франция-397, Нидерланды-317, Швеция-320, США-246, Швейцария-216, Канада-138, Германия-92, Дания-92, Австрия-70, Финляндия-49, Норвегия-42, Израиль-29. Так что в Соединённых Штатах количество жертв COVID-19 (на 1 млн. населения) ниже, чем в первых семи западноевропейских странах с близкой суммарной численностью населения. Следует при этом отметить, что уровень систем здравоохранения в развитых странах сопоставим. К сожалению, ВОЗ до сих пор не представила обоснованных рекомендаций по тестированию заражённых и методике учёта числа умерших от COVID-19. В результате наблюдается разнобой в методике тестирования, диагностике и установлении причин смертей в различных странах, и к этим результатам следует относиться с учётом сказанного.
  
  Сопоставление данных по Швеции, где карантин не вводился, с другими странами, где применяли карантин разной степени жёсткости, пока не позволяет сделать однозначных выводов о влиянии карантинных мер на число заразившихся и умерших от COVID-19. Это обусловлено тем, что нельзя учесть воздействие таких факторов, как, например, закрытие границ соблюдающих карантинный режим государств, окружающих Швецию (или Белоруссию), что перекрыло канал проникновения заражённых людей в эти страны.
  
  Недавно опубликованы данные Главы Национального космического агентства Израиля и профессора Тель-Авивского университета Ицхака Бен Исраэля о том, что динамика коронавируса одинакова во всех странах: темпы роста заболеваемости нарастают в первые шесть недель, а затем наступает стабилизация и постепенное снижение независимо от срока и жесткости правительственных ограничений, заболеваемость начинает снижаться с восьмой недели эпидемии (https://zik.ua/ru/news/world/dinamika_covid_19_odinakova_vo_vseh_stranah_mozhno_svorachivat_blokadnyy_rezhim_izrailskiy_professor_965971). К сожалению, в своей докладной записке он не приводит данных зависимости числа жертв пандемии от жесткости принятых карантинных мер.
  
  Эпидемия может сойти на нет, когда у населения выработается популяционный иммунитет (переболеет значительная часть населения, до 60 - 80% по некоторым оценкам) или будет проведена массовая вакцинация населения. Следовательно, ускорить процесс выхода из эпидемии может лишь разработка надёжной вакцины (обычно на это уходит от полутора до нескольких лет). Сейчас правительствами разных страх, в том числе и США, предпринимаются беспрецедентные меры по финансированию таких разработок с целью ускорения получения и испытания такой вакцины.
  
  Так что будем следить за развитием ситуации, выясним, насколько верен сделанный прогноз на основе предложенной модели развития эпидемии и сделаем выводы, какая из стран сможет выйти из пандемии с меньшим уроном для жизни людей и для экономики.
  
  Как можно было ожидать, на страницах изданий и веб-сайтов во множестве появились ни на чём не основанные слухи, предсказания и советы некомпетентных людей разных профессий, утверждающиеся затем в качестве мифов в головах читателей, слушателей и зрителей. В связи с этим мне представилось полезным собрать факты и мнения компетентных профессионалов об этой эпидемии, размещённые мною в Интернете: смотрите видео по ссылкам https://youtu.be/dhMkwD5I8YU и https://youtu.be/y6yrNkroXGw.
  
* * *
  
  И ещё немного юмора никогда не помешает (частично взято из Интернета):
  
   Эпиграф:
  
   Сколько соблазнов таких,
   что никуда не укрыться.
   Бойтесь желаний своих,
   ибо они могут сбыться.
  
  Миллионы людей ныли, что хотят работать из дому (или с пляжа он-лайн).
  Также миллионы мечтали, чтобы в городах исчезли пробки.
  Сколько народу хотело, чтобы фабрики и машины перестали дымить, чтобы воздух и вода стали чище!
  Сколько криков было насчёт "Долой потребление! Мы должны обходиться малым. Да здравствует простая жизнь!"
  Сколько мужиков мечтало, чтобы жена перестала часами где-то зависать со своими подругами, а теща не могла приезжать к ним в гости?
  Сколько женщин хотело, чтобы муж нигде не шлялся и всегда был дома?
  Сколько детей спало и видело, чтобы законно прогуливать садик и школу!
  Сколько простого народу грезило о том, чтобы проворовавшиеся чиновники не могли пользоваться своими дворцами, построенными на Лазурном Берегу?
  Все те, кто ссорился в Интернете из-за Украины, желали друг другу познать, что такое экономический кризис. Было? Было.
  Половина мира желала, чтобы в США обвалилась экономика.
  Сколько людей мечтало снизить цены на нефть?
  А сколько хотело, чтобы "эта система рухнула"?
  
  Мечты сбываются (хотя и не таким образом, как бы нам хотелось)? Ещё раз внимательнее прочтите эпиграф.
  
  
Давид и Голиаф

  Давид и Голиаф (images.app.goo.gl)
  
  Мы размышляем: кто такие,
  живые или не живые?
  Мысль промелькнула: не земляне,
  скорее, инопланетяне.
  
  Мы "человечков" ждали всё же,
  зелёных, но на нас похожих,
  боялись чем-то их обидеть.
  Ан невозможно их увидеть!
  
  Вдруг пандемией к нам явились
  под именем коронавирус
  COVID и номер 19.
  И с кем теперь соревноваться?
  
  Их уйма, больше, чем китайцев,
  и с ними следует считаться.
  Они безмозглы и немы,
  но... тут хозяева - не мы.
 Ваша оценка:
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
О.Болдырева "Крадуш. Чужие души" М.Николаев "Вторжение на Землю"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"