建筑物或将很快拥有对抗空气传播疾病的“免疫系统”

继大流行之后，联邦政府正斥资1.5亿美元研发新技术以确保室内空气清洁。以下是科学家们正在努力的方向。

图片：会议桌上的一处微缩模型特写，展示了一个配有微型儿童和工作人员模型、且上方安置了高科技通风系统的托儿所等比例模型。

科学家们正在研发能够保护建筑物免受空气传播病原体侵害的传感器和软件。一个团队制作了一个托儿所房间的微缩模型，并配备了计算机控制的通风系统，以展示他们的设想。

作者：Carl Zimmer
摄影：Caroline Gutman

Carl Zimmer 自新冠大流行期间开始报道疾病的空气传播。他是《空气传播：我们所呼吸生命的隐秘历史》（Air-Borne: The Hidden History of the Life We Breathe）一书的作者。
日期：2026年6月19日

环境工程师林赛·马尔（Linsey Marr）站在两个装满管道、喷嘴和电子元件的透明塑料盒旁，这是一个看起来有些奇怪的原型机，未来有一天它或许能保护托儿所里的孩子们免受空气传播病原体的侵害。

一个喷嘴向右侧的盒子喷入淡淡的银色薄雾。泵将部分空气抽入左侧的盒子，那里的采样器会捕捉漂浮的颗粒和飞沫。很快，一个固定在盒子上的数字屏幕亮起红字：“已检测到！户尘螨过敏原 Der f 1。”

户尘螨脱落的一种蛋白质 Der f 1 在被吸入后会引发哮喘。马尔博士的设备检测到每立方米空气中含有843皮克（picograms）的 Der f 1。单粒盐的重量大约是它的1000万倍。

“在这台仪器问世之前，我们需要花上两天时间才能弄清楚空气中含有多少这种物质，”马尔博士说，“现在我们几乎可以做到实时检测。”

户尘螨过敏原 communal 并不是马尔博士团队试图从空气中捞出的唯一威胁。这项仍在不断演进的技术，已经能够“嗅出”流感病毒、冠状病毒和大肠杆菌。
“我们目前能够检测10种不同的物质，到该项目结束时，将能够检测25种不同的物质，”她说。

图片说明（顺时针从左上起）：
1. 一个人手里拿着一个圆形塑料盒，里面有两个微小的样本微芯片。
2. 电脑屏幕上显示着一个看起来像视频游戏的托儿所，卡通游戏儿童角色在迷宫般的托儿所视角中走动。
3. 气溶胶发生室中的一个小喷嘴排出水蒸气。
4. 复杂生物传感器设备的特写视图。
（总体描述：实验性传感器，可抓取病原体和过敏原中的蛋白质并发出指示其所检测到物质的信号；托儿所空气传播感染风险的游戏化模拟；户尘螨过敏原的薄雾；将空气引入托儿所微缩模型的管道。）

华盛顿一座办公大楼的五楼人头攒动，200多人在这里走动，马尔博士不得不扯着嗓子大喊。大家都在抢先目睹科学界一个快速演进的前沿领域：旨在保障托儿所、学校、医院等任何人员聚集场所室内空气安全的技术。

这场成年人的“科学博览会”由高级卫生研究计划署（Advanced Research Projects Agency for Health，简称 ARPA-H）主办。该机构正斥资1.5亿美元，致力于打造其所谓的“每栋建筑的免疫系统”。

活动开始时，项目负责人杰西卡·格林（Jessica Green）发表了简短的欢迎致辞。“我们有权呼吸健康的室内空气，”她说。

被遗忘的教训

格林博士的话呼应了威廉·韦尔斯（William Wells）和米尔德里德·韦尔斯（Mildred Wells）夫妇的观点。这对夫妻在20世纪30年代发现了空气传播病菌的威胁。1940年，他们通过安装紫外线灯对教室空气进行消毒，成功保护了费城学校的儿童免受麻疹疫情的侵害，这一举动广为人知。

“我相信，为儿童（及成人）提供纯净的呼吸空气，应被视为与提供纯净的水和纯净的牛奶同等重要，”米尔德里德·韦尔斯后来写道。

但她和丈夫未能说服同行，空气传播病菌的威胁在几代人中一直被低估。当2020年新冠疫情袭来时，世界卫生组织曾断言它不会通过空气传播——事实证明这错了。

图片：电脑屏幕特写，带有红色的醒目警告：“已检测到！尘螨过敏原。” 传感器可以检测出空气中微量的生物物质，例如引发哮喘的尘螨蛋白质。

在弗吉尼亚理工大学任教的马尔博士，在推动公共卫生当局承认新冠病毒（SARS-CoV-2）确实通过空气传播的过程中发挥了主导作用。她和其他研究人员曾因识别这类病原体的艰难程度而感到沮丧。

“我们会花一天时间把样本收集到过滤器上，带回实验室，第二天还要花几个小时来弄清楚里面有多少量，”马尔博士说，“而当你拿到那个数字时，再想采取行动就已经太晚了。”

作为大流行期间的临时权宜之计，马尔博士和其他专家建议寻找方法，防止冠状病毒在室内蓄积到危险水平。一些学校为教室购买了空气净化器，而另一些学校则求助于用箱式风扇和过滤器制作的简易DIY改造工具。

随着大流行退去，人们的注意力从空气传播的威胁上移开。在美国的学校里，空气净化器开始被视为吵闹的累赘，而不是救命的技术。

“很多净化器都被扔掉了，这真的很遗憾，”非营利组织“学校清洁空气”（Clean Air for Schools）的联合负责人大卫·卡雷尔（David Carel）说，“实际上，三四年前孩子们呼吸的空气要干净得多。”

新冠从未离开，它只是加入了一支日益庞大的空气传播病原体队伍。

完全通过空气传播的麻疹，正在美国一些疫苗接种率低的地区死灰复燃。流感通过多种途径传播，但空气似乎是一个重要途径。除了传染性病菌外，室内空气还可能潜藏其他威胁，如尘螨蛋白质、霉菌孢子和花粉颗粒。

工程师们继续开发复杂的系统来保持空气健康。高档公寓楼偶尔会宣传用于保障住户安全的技术。但这些系统远未普及。

图片：会展中心桌子上的原型设备，复杂传感器和雾化室周围配有标签、屏幕和其他视觉辅助工具。展出的空气传播传感器原型。病原体或过敏原以薄雾形式喷入右侧的腔室中。泵将空气抽入左侧腔室的采样器，电极可在其中检测出10个物种。

“我相信健康的室内空气解决方案尚未在市场上广泛推广的原因之一，是因为它们很昂贵，”格林博士在接受采访时说，“我们需要的是既能保证能源效率又能保证健康的解决方案。”

格林博士本人也是空气传播微生物领域的专家，她在 ARPA-H 发起了这项计划，以致力于寻找这些解决方案，该项目名为 BREATHE（即“打造具有韧性的空气与全面健康环境”，Building Resilient Environments for Air and Total Health）。其目标是让建筑物像防火一样去对抗疾病。

当烟雾触发烟雾报警器时，建筑物的控制系统可以做出响应，通过喷淋头喷水或释放灭火化学物质。它不需要等待有人去检查信号并决定如何应对。

共有四个团队赢得了开发这些系统的合同。所有团队都面临着重大的工程挑战。

识别漂浮的病原体比检测烟雾要困难得多。极低浓度的病菌或过敏原都可能是危险的。这意味着传感器必须对大量的空气进行采样，将飞沫和颗粒储存在液体中以进行分析。

“这些团队需要将大约一个游泳池体量的空气浓缩到一汤匙大小，”格林博士说。每个团队都在尝试不同的策略。

不同的应对策略

加利福尼亚州的 SafeTraces 公司领导着一个团队，正在建造一个空气采样器，那是一个宽大、低矮的白色金属盒子。空气流经盒子进入一个卡匣，其中的化学物质会分解细胞并分离出它们所包含的基因。

卡匣中含有分子钩，每一个都能捕获来自病原体的特定 DNA 或 RNA 序列。如果钩子捕获了任何遗传物质，它就会发出闪光。

研究人员希望他们的传感器能检测多达100种病原体。他们还在开发软件，能够识别传感器的信号何时意味着室内人员正面临高感染风险。

随后该软件可能会做出响应，例如开启医院通风系统中的紫外线灯。（除了麻疹病毒外，紫外线还能杀灭许多空气传播的危险源。）医院人员可能会收到使用额外防护措施的提示，以免吸入病原体。一旦传感器检测到威胁消失，医院就可以恢复正常运作。

图片说明（顺时针从左上起）：
1. 一双手拿着一个精密的小型传感器卡匣。
2. 生物传感器原型小屏幕周围复杂的管道、导线和其他电子元件。
3. 敞开式风管的特写视图。
4. 深蓝色背景下的LED灯串。
（总体描述：旨在检测医院空气中漂浮的病原体遗传物质的传感器；为学校打造的空气采样器控制屏幕；医院通风系统的百叶窗；在紫外线——可对空气消毒——下发光的珠串。）

另一个由佛罗里达州 Poppy 公司领导的团队正在设计一个适用于学校的系统。来自该团队空气采样器的信号将自动开启教室里的空气过滤器。它们将持续运行，直到教室里的空气再次安全。

马尔博士的团队则专注于托儿所。他们正在开发一款软件，可以对中心内的房间进行建模，预测空气在房间之间的流动方式，以及如果有人带着传染病进入大楼，每个房间会带来的威胁。该系统可以从外部引入新鲜空气或开启空气净化器以降低威胁。

所有团队都在致力于在现实世界中对他们的系统进行测试：

SafeTraces计划于2028年在沃尔特·里德国家军事医疗中心（Walter Reed National Military Medical Center）测试原型机。

马尔博士的团队正准备在加利福尼亚州、密歇根州和北卡罗来纳州的托儿所测试其系统。

该技术旨在将每个环境中的呼吸道疾病至少减少25%。但这些系统在购买和运行成本上也要让人负担得起。ARPA-H 期望这些系统能提供10%的投资回报率。

现实还是科幻？

意大利卡西诺与南拉齐奥大学（University of Cassino and Southern Lazio）的环境工程师乔治·布奥南诺（Giorgio Buonanno）并未参与这些项目，他表示 BREATHE 的方法很迷人，但有些理想化。

“我对它在现实世界中的可行性持怀疑态度，”他说。布奥南诺博士更倾向于更简单的策略，例如要求建筑物每小时调换一定体积的空气，并使用二氧化碳传感器来追踪室内积聚了多少呼出的空气。

“我认为这两者并不排斥，”内布拉斯加大学医学中心（University of Nebraska Medical Center）的气溶胶生物学家约书亚·桑塔皮亚（Joshua Santarpia）说，他正在为学校开发空气采样器。但他表示，需要像 BREATHE 这样雄心勃勃的努力，才能将室内空气安全提升到更高的水平。