生物多樣性視角下的植物花粉致敏問題溯源及景觀設計對策研究

龔惠莉 翟 俊

《“健康中國2030”規劃綱要》明確提出整治影響健康的環境問題，建設健康環境，從而全面改善社會健康水平促進健康可持續[1]。近年來大健康(One Health)理念不斷發展，其旨在通過交叉學科的研究和行動來推進環境生態系統健康與人類健康的協同發展，實現綜合健康風險管理[2-4]。二者都共同反映出維護生態系統健康、提升全人類福祉的全球趨勢。

花粉癥是常見的環境健康問題，其原因除了花粉致敏原增加，還涉及更深層的環境生態系統破壞影響了人類健康的問題，因此花粉致敏問題也是大健康議題的一個側面。花粉致敏植物指依靠風媒傳粉的、花粉壁上的特殊蛋白會引起敏感個體超敏反應的植物體[5]。一般風媒花的花粉易引起過敏，因為風媒植物的花粉顆粒小、重量輕、數量較多，且多不具黏性，依靠風傳播，飄浮擴散在大氣中容易引發過敏。而蟲媒花的花粉顆粒較大且重，有黏性，附著在昆蟲身體上借助昆蟲傳粉，較少擴散到空氣中，因此致敏幾率較低。花粉癥(又稱枯草熱)表現為過敏性鼻炎、皮炎等臨床反應。過敏相關疾病產生了巨大的健康成本：直接成本(診療費等)、間接成本(病假等)、無形成本(生活質量下降等)[6-7]。歐美人民受花粉癥困擾較早[8]，2013年世界過敏組織(World Allergy Organization，WAO)的統計表明，全球受過敏相關疾病困擾的人數已占全球人口的10%～30%[9]，花粉是最常見的過敏原之一。在中國，早在2000年就有研究顯示，部分地區花粉過敏發病率已高達5%[10]；近年來的研究表明花粉過敏人數約占全國總人數的1%～5%，患者人數仍在逐年遞增[11-12]。如今隨著每年季節性花期的到來，我國居民進行著抗花粉過敏的“持久戰”。

針對植物花粉致敏問題，本文梳理了大量醫學、環境、景觀等領域的研究，回溯花粉致敏現象及其研究的歷史進程，探究了致敏植物、生物多樣性、花粉過敏癥之間的關系和影響路徑，據此提出了針對植物致敏性源頭評估，空間營造以在傳播過程中部分消解植物致敏原的影響，通過關鍵種植物生境營造修復環境微生物群落、促進人體獲得性免疫機制發揮作用[13]的綜合研究設計思路和愿景構想。

1 研究濫觴：19世紀現代花粉致敏問題研究的開端

19世紀以前，雖然有為數不多的醫學學者對類似于花粉癥的病例進行了記載[14-16]，但人們尚不能將花粉癥和風熱感冒區分開來，對花粉癥致病原因及病理的了解較為匱乏[16]。

花粉癥最初爆發于英國、美國等最先開展2次工業革命的國家，基于此，19世紀一批里程碑式的醫學家對該疾病深入探索，其研究被視為現代花粉癥研究的濫觴[16]。值得注意的是，在他們對花粉癥致病原因和流行原因的探索過程中，已經關注到了環境、生態領域。1819年，英國醫生約翰·博斯托克(John Bostock)首次對當時被稱為“catarrhus aestivus/summer catarrh”(后被稱為花粉癥)的疾病做了第一個完整且經典的醫學報告，指出花粉癥是一種明確的醫學實體，而這份報告也被視為現代花粉癥研究的開端[16-20]。1819—1828年期間，博斯托克根據他的病例和走訪調查，發現疾病多發生在上層階級而少發生于窮人中，他還記載道：“流行觀點認為干草的分泌物引發了疾病，因此該疾病被稱為枯草熱(hay fever，即花粉癥)。[16，19，21]”1830年，倫敦醫生約翰·艾略特森(John Elliotson)的一位病人堅持聲稱花粉是其致病原因，艾略特森對此進行了詳細記載，這是第一次對真正病因——植物花粉的記載。除此之外艾略特森還認為當時花粉癥愈發流行，不僅是因為該疾病在當時越發為人所熟知，也許還與那幾年新草種的大量引進有關[16，22]。1862年，德國醫生菲利普·菲比斯(Philip Phoebus)發表的專著記錄了其對花粉癥的第一次流行病學調查，他對花粉癥的地理空間分布、發生時間、患者性別、社會地位和遺傳性進行了調查，結果表明花粉癥在英國的發病率比其他歐洲國家都要高，這可能與英國最先開展工業革命、工業化發達程度較其他歐洲國家更高有關。此次流行病學調查也為日后相關研究奠定了標準[19，23-24]。19世紀70年代，身為醫生同時也是花粉癥病人的英國醫生查爾斯·哈里森·布萊克利(Charles Harrison Blackley)首次以實驗證明了花粉癥的致病原因是人群吸入了各種花粉[16，23]；他還發現，更長時間暴露于花粉中的農夫們反而很少受花粉癥困擾，因此他認為受教育程度以及暴露于花粉中的時間與花粉癥的流行有關；除此之外，他還發現隨著城市人口的增長，越來越多的人離開土地，以及農業種植方式的改變(大量土地生產牧草以滿足生產需求)使得越來越多的人遭受枯草熱的困擾[16，19，23，25]。布萊克利對患者“受教育程度”的對比，實則暗含農村與城市環境不同對花粉癥發生的影響，其研究也表明環境中致敏物質的增加加劇了花粉癥的流行。1872年哈佛大學教授莫里爾·懷曼(Morril Wyman)發表著作，記載其通過實驗證實了豚草為花粉癥的誘發因素之一[26]。1876年，紐約大學貝爾德(Beard)醫生認為花粉癥與神經衰弱緊密相關，而神經衰弱主要發生在上層階級，因此花粉癥是一種“腦力勞動階層而非體力勞動階層的疾病”[27]。1888年，英國醫生麥克布賴德(Mcbride)強調了人群差異和疾病的關系，他認為從事高強度腦力勞動的成年男子和神經衰弱的年輕女子更易罹患花粉癥[28]，他與貝爾德都試圖以農村和城市居民的神經健康狀況來解釋患者特征和地理空間差異。至19世紀末，花粉是致病原因已成為共識，而花粉癥則被普遍視為發生于受過教育的城市居民和社會上層的疾病(表1)。

表1 19世紀有關植物致敏問題的主要探索[16-28]

通過以上回顧，可以發現：1)植物(如豚草)花粉是病因已被廣泛證實，新草種的引進和農業生產方式的改變提升了致敏原的濃度，加劇了花粉癥的流行；2)花粉癥患者多為城市居民，而農村花粉癥病例較少。花粉癥一度被視為“財富和文化的代價”“19世紀的文明病”[16，23]。但是花粉癥為何以及如何與城市、文明的發展有關，仍未得到合理的解釋。

2 研究突破：生物多樣性視角下城市生態環境變化與過敏性疾病的關系研究

為了解答19世紀的未解之疑，許多學者把視角轉向了工業革命和城市化導致的生態惡化及生物多樣性喪失，他們通過“衛生假說”(Hygiene Hypothesis)、“老朋友假說”(Old Friend Hypothesis)、“微生物剝奪假說”(Microbial Deprivation Hypothesis)(圖1)等理論和實證研究，探究了城市環境變化、環境微生物與人體免疫系統健康的關系。

圖1 微生物改變與人體免疫健康關系的前期相關研究(作者總結自參考文獻[29-34])

生物多樣性假說(Biodiversity Hypothesis)[35-36]是上述假說的集大成和進一步發展，進一步揭示了生物多樣性視角下城市生態環境變化、環境微生物群落喪失與過敏性疾病的關系。2011年，芬蘭醫學者馮·赫爾岑(Von Hertzen)等[35]首次論述了“生物多樣性假說”，認為全球兩大趨勢——生物多樣性的喪失與過敏炎癥的頻發存在密切聯系，提出：1)大型生物群和微生物群緊密關聯，土地利用方式改變和人類對自然生境的破壞使城市動植物物種大規模滅絕、生物多樣性銳減，并直接導致了環境微生物多樣性和豐富度的下降；2)人體受2層微生物的嵌套保護，外層環境微生物與內層人體微生物長期共生并存，環境微生物與人體免疫細胞的相互作用能夠激活人體先天的免疫調節網絡，誘導免疫調節回路，而不會引起防御性免疫反應；3)環境微生物群的普遍喪失和改變引起了人體免疫功能障礙和“免疫適應綜合癥”，使得過敏和炎癥發病率上升(圖2)。該研究解釋了為何工業化和城市化如火如荼發展的19世紀中期過敏問題已經非常普遍：短期內基因不變的情況下，生存環境改變和環境微生物群落的大規模喪失打破了人體免疫調節的平衡，誘發了過敏等疾病。2012年，環境生物多樣性、人體微生物群組與過敏的關系得到了證實，芬蘭學者伊爾克卡·漢斯基(Ilkka Hanski)等[37]在比對健康青少年和易過敏青少年的皮膚桿菌時發現，易過敏青少年的皮膚桿菌多樣性低，這與其住宅周圍環境中綠地較少，生物多樣性較低，缺乏能為人體提供有益桿菌的植物有關。2013年，芬蘭學者塔里·哈赫特拉(Tari Haahtela)等[38]指出城市化和人口增長，導致了生物多樣性的喪失如大型生物群及微生物群落喪失，人體微生物群缺失菌群失調，導致免疫功能紊亂耐受性差，最終導致炎癥及各種疾病。研究還提出，城市化還導致了氣候變化：氣候變暖延長花期，增加花粉量，提升花粉濃度。另外，空氣污染物與花粉的相互作用還可能提升花粉致敏性，這些都使花粉致敏問題惡化。2017、2019年澳大利亞雅各布·米爾斯(Jacob Mills)等學者基于生物多樣性假說，提出“微生物再野化假說”[39-40](the Microbiome Rewilding Hypothesis)，提出在城市綠地中修復自然生境恢復高生物多樣性，能夠提高微生物多樣性，還原更加野化的共生、競爭和捕食的微生態過程，并與人體免疫機制相互作用，最終達到為人體提供疾病初級預防的狀態(圖3-1)。微生物再野化假說基于生物多樣性假說等理論指出的“環境微生物群落缺失對人體免疫系統調節的消極影響”，進一步提出了城市綠地多樣生境修復對策(圖3-2)。2019年，芬蘭學者哈赫特拉[36]再次發文，再議“生物多樣性假說”及城市化與炎癥等疾病的因果作用機制(圖4)，強調新城市環境下人體獲得性免疫調節回路受到威脅，其動態平衡也被打破，因此呼吁人們親近自然、保護自然，這是關系人類健康和福祉的重要課題，也是公共衛生的重中之重。

圖2 生物多樣假說(作者譯自參考文獻[36])

圖3-1 微生物再野化假說(作者譯自參考文獻[40])

圖3-2 微生物再野化假說的推導(作者譯自參考文獻[39])

圖4 城市化與過敏性疾病因果關系(作者譯自參考文獻[36])

綜上所述，城市生態環境惡化，生境破壞、生物多樣性銳減和環境微生物改變，以及城市化的生活方式下人與自然環境及微生物接觸的減少，影響了人體從環境獲得必要的免疫保護[13，36]，人體免疫失衡，免疫系統紊亂和耐受性降低，誘發了過敏、炎癥等疾病。

3 研究啟示：生物多樣性視角下的花粉致敏發生路徑及對策研究

3.1 花粉致敏發生路徑

從環境風險因子——植物花粉致敏原來看，致敏植物增加及種植密度過高[41]，外來植物增加[42]，氣候變暖增加花粉量，環境污染物加劇花粉致敏性[38]，都影響了花粉致敏。因此從源頭評估植物致敏性，能夠有效指導設計時的用量、布局，從而降低其消極影響。

就環境保護因子——環境微生物群落而言，環境生物及微生物群落的喪失，城市化生活方式下人們與環境微生物接觸的減少，使得過敏等疾病愈發普遍[35-36]。修復生境，再野化微生態過程，提升環境生物、微生物多樣性，有助于恢復環境微生物提供的與人類共同進化出的人體免疫保護的生態系統服務[39]。

空氣傳播和綠地空間設計等也影響花粉癥的流行。綠地內空氣的流動性、主導風向影響了花粉的傳播擴播，致敏植物與道路、游人的距離和交互關系決定了是否會對游人產生直接且密集的影響，水體、地形可以消解、阻礙致敏花粉的擴散。因此空間設計在致敏花粉的傳播過程中起到重要作用。

根據以上對植物花粉致敏發生路徑的總結，本研究提出在源頭端評估植物致敏性，在傳播端合理營造空間，在人體端修復生境恢復環境微生物群落的綜合研究設計思路和策略(圖5)。

圖5 花粉致敏發生路徑及對應的研究設計策略(作者繪)

3.2 綜合研究思路及設計策略

1)源頭端：致敏植物識別和致敏性評估。

國外有關花粉致敏原識別的研究起步較早。北、中、東歐以樺木屬(Betula)為主要致敏樹種，地中海區域以油橄欖(Olea europaea)和柏屬(Cupressus)等植物為主[43]，北美有柏科(Cupressaceae)、櫟屬(Quercus)等[44]。20世紀起，已有許多學者調研了我國主要城市致敏花粉[45-53]。我國氣傳花粉植物的盛花期對應花粉癥的3個高峰期：一為春季喬木開花期，有柏科、楊屬(Populus)等致敏植物；二為夏季，樹木和草本均有開花；三為秋季草本植物開花期，有蒿屬(Artemisia)、豚草屬(Ambrosia)等[50]。西班牙學者帕洛瑪·卡里納諾斯(Paloma Carina?os)等最早提出了城市綠地致敏指數IUGZA(the Index of Urban Green Zone Allergenicity)的計算公式[41，54-55]：

植物i的潛在致敏值為VPA(Value of Potential Allergenicity)=api×psi×pppi。通過評估植物的致敏潛力api(allergenic potential)、授粉策略psi(pollen strategy)、傳粉持續時間pppi(principal pollination period)、植株數量、高度Hi、所占面積Si等，量化評估植物的致敏潛力，為科學選用和設計提供思路。

2)傳播端：空間營造消解阻擋花粉。

空間中的水體、地形，能夠滯留、阻擋一定的花粉，減少擴散至空氣中的花粉量。致敏植物應布置在下風向，以降低其擴散影響。致敏植物不宜設置在路邊，應有高大且葉密的不致敏植物對其進行一定的遮擋；致敏植物附近不應設置道路及休憩座椅和互動設施，以減少花粉釋放對游人產生的直接影響。具體的空間設計應根據場地特征具體推敲。

3)人體端：生境修復、再野化環境微生物群落。

植物生境營造是再野化環境微生物群落的重要一環：植物是城市生態系統的初級生產者,為生態鏈中的關鍵種如蝶類、蜜蜂、鳥類等提供了食源和營巢庇護，支持著共生、競爭、捕食等重要的生態過程。研究表明，傳粉昆蟲與蜜源植物形成的“取食-傳粉”共生結構的復雜嵌套，有助于增強群落結構的穩定性，有助于種群增長[56]。因此根據蜜蜂[57]、蝴蝶[58]、甲蟲[59]等傳粉昆蟲以及頂層捕食者鳥類[60]等關鍵種的生活史，分析其食性、遮蔽、踏腳石廊道等，選擇合適的材料和植物物種，設計營造其可利用的、多樣豐富的植物生境，推動形成植物景觀與關鍵種協同共生的嵌套結構，提升群落的多樣性和系統穩定性[59]，完善生態鏈，提升生物和微生物群落的多樣性。

由此，在設計時，一方面需評估植物與關鍵物種的相互作用關系，為增加有益的微生物群落設計；另一方面需通過植入景觀空間，豐富人類與環境微生物的互動，比如構建微生物介導的綠色基礎設施(Microbiome-Inspired Green Infrastructure，MIGI)網絡[61](圖6)，以發揮環境微生物對人體免疫調節的作用，提升人體對花粉等過敏原的耐受性。

圖6 微生物介導的綠色基礎設施：通過植物、景觀材料的選擇，形成具有多功能、能被生物廣泛利用的綠色特征，旨在促進人類與共生微生物的相互作用，發揮重要的人類健康和生態健康協同效益(作者譯自參考文獻[61])

4 結論與討論

本文追溯了花粉致敏問題的研究歷史，基于醫學、生態學、微生物學等領域的最新研究成果，以生物多樣性視角探究了植物致敏問題的發生路徑，探索出了結合源頭植物致敏原識別、空間設計、以景觀手段提升人體耐受性的綜合研究思路和設計方法。

值得說明的是，識別評估致敏植物，本意并非摒棄風媒植物，而是通過設計前的致敏性評估，因地制宜、科學合理地安排風媒植物的種植位置和栽植數量，控制致敏花粉的濃度，緩解消極影響。以關鍵種可利用的植物生境營造為并行步驟，目的是不論環境中致敏物質如何，都可以先通過修復植物與關鍵種協同共生的嵌套結構來增加生物多樣性完善生態鏈，恢復環境微生物為人體提供免疫保護的生態系統服務。而如何平衡高致敏植物的多樣性及其健康風險，值得后續研究繼續探討。

本文希望通過正視景觀中常見的花粉致敏問題，減輕人們的健康負擔，提升城市宜居性和人們的幸福感。本文以景觀為載體，以多學科視角探索花粉致敏的原因和策略，也仍有一些問題有待進一步解答。

1)本文論證了植物生境、環境微生物群落對人體免疫機制的重要作用，可將其視為一種綠色醫學的提案[62]。作為綠色的“藥方”，具體何種微生物對人體免疫機制調節具有關鍵作用？存在于哪些植物或者生境中？可否提供更加靶向的設計啟示？需要微生物、植物、景觀等跨學科協同。此外，應以何種“劑量”(頻率)來“攝取”(接觸)綠色藥方？接觸的頻率、斑塊面積、生物多樣性豐富度與人體健康的劑量-效果(dose-response)關系為何？哪些人群是最佳受益者[63]？都值得結合人口特征、健康狀態、生態指標、綠地空間特征等繼續循證研究與討論。

2)本文的關注點是減輕花粉過敏導致的病痛，但現實生活中某些樹種承載了居民的記憶和情懷，或者被視為當地的文化象征和植物地標，如南京的懸鈴木行道樹。如何平衡文化、美學意義與植物的健康影響，如何在降低植物致敏影響的同時延續城市記憶，需要科學的設計建議與管理智慧的共同努力。

人類、自然、地球命運休憩相關，植物致敏問題需要生態學、醫學、微生物學、環境科學、風景園林、城市規劃與社會學協同推進，以探究更加精準的環境-健康作用機制，以促進基于自然的健康干預計劃與環境修復相結合，推進環境生態系統健康與人類健康的協同發展。