簡單到極致的完美寄生者——病毒簡史

2021-01-20 騰訊網

人類繼續位居地球統治地位的最大威脅是病毒——萊德伯格(1958年諾貝爾生理醫學獎得主)

作為一個默默無聞的省會,我所在的石家莊最近走上了風口浪尖,作為一個普通人,我沒有說現在具體情況的能力,不過我所在的地區還算比較安全,只不過現在經濟壓力比較大罷了。關於人類和病毒的戰爭可以說從未停止,對抗冠狀病毒這也不是第一次,而冠狀病毒無疑是病毒之中最不起眼的之一,那麼它怎麼會突然變得如此強大呢?

病毒和細菌

病毒與細菌都是導致人類疾病的微生物,從微生物的觀點上來看,它們最大的區別在於前者不屬於細胞,而後者則是一種細胞。

細胞是生命的基本單位,它主要由基因、細胞膜、細胞質、和核糖體組成。

細胞質為執行細胞生長、代謝、和複製功能的地方,為細胞中的微觀工廠;核糖體將遺傳密碼從核酸的分子語言翻譯為胺基酸的分子,細胞本身含有代謝酶,因此有營養系統;不需宿主活細胞,即可自行繁殖。

細菌因為沒有真正的細胞核,屬於原核生物;儘管如此,它們卻有一個叫做擬核的區域,內含了懸浮的遺傳物質。像植物的細胞一樣,許多細菌也有支持整個細胞結構的細胞壁。細菌中有一條稱為質粒的小環狀DNA鏈,可以獨立地複製其遺傳結構:因很容易取得、注入、或在細菌間互換,已經成為現代生物科技的重要基礎。

高等動植物的細胞因為具有真正的細胞核,故稱為真核細胞。它們沒有質粒,但卻有像消化系統一樣的線粒體來吸收營養,分解營養,並為細胞創造能量豐富的分子。像質粒一樣,線粒體含有自己的基因組,也可以獨立自行複製,因此有理論謂它們是細菌進化遺留下來的。

Virus一詞來自拉丁語,意思是黏液或毒藥;中文譯成病毒。病毒比細菌小得多,大約在20到750納米之間,所以它們可通過錢伯蘭過濾器,因此早期被稱為過濾性病毒。

病毒的基本結構由以RNA或DNA遺傳分子為中心,加上外圍的蛋白質衣殼組成。RNA或DNA具傳染性,衣殼則負責包裹遺傳物質。蛋白質層和遺傳信息的排列形式多種多樣,可呈二十面體、包膜、或螺旋形。

病毒因本身沒有任何代謝酶,故在沒有宿主活細胞的幫助下,無法自行繁殖,在實驗室中,我們可以將病毒像一般沒有生命的化學物質一樣操作,如結晶、離心、及擴散等。

簡單來說,細菌是一種活的生物體,只要環境中有足夠的養分,它們就可以繁殖或者複製,但是它們有一個剋星——抗生素,細菌雖小但作用很大,近些年對於腸道菌群的研究越來越重視,也有許多出乎意料的發現,比如對肥胖、血壓、癌症、免疫都有一定的影響,根據目前的研究顯示,細菌中好菌居多,但病毒恰恰相反。

發現病毒的歷史

1676年,荷蘭商人兼科學家、微生物之父列文虎克改進了顯微鏡,首先通過顯微鏡觀察到了單細胞的原生動物,並將其稱為動物,為微生物學奠定了基礎。

德國博物學家埃倫貝格於1838年因最早觀察到的細菌呈棒狀,將它們改稱為細菌。

1892年,俄羅斯微生物學家伊萬諾斯基試圖尋找引起菸草花葉變色的原因時,發現經過錢伯蘭過濾器過濾後,感染菸草花葉葉片的提取物仍具有感染力;因細菌不能通過這種過濾器,表示該提取物應比細菌還小。但是,伊萬諾夫斯基可能不知道他事實上是發現了新的微生物,因此報告了他的實驗結果後,就繼續從事其他工作了。

六年後的1898年,荷蘭生物學家貝耶林克獨立進行了相同的實驗,宣布發現了一種新型感染生物,並將其命名為病毒。

1935年,美國生化學家斯坦利分離出一種顯示菸草花葉病毒活性的蛋白質和核酸分子的棒狀聚集體:它雖然象是一種正在生長的生物,但明顯的是由一些複雜的無生命化學物質組成,因此缺乏代謝功能—生命的生化活性所必需的功能。斯坦利和其他人進一步研究證實,病毒的構造比原核細胞還簡單。

不被認可的病毒

1850年代以前,大部分醫生都不相信看不見的、那麼小的細菌會傳播疾病,甚至導致死亡。那個時候的醫生大多認為疾病是由瘴氣引起的,也就是認為流行病的起源是由有機物腐爛引起的瘴氣所造成的。

1854年英國醫生斯諾確定倫敦的霍亂流行源是泵汙染的水。他下令關閉泵後,流行病逐漸消退。然而,許多醫生還是拒絕相信隱形生物會傳播疾病。

1857年,法國啤酒釀造商請巴斯德尋找葡萄酒和啤酒有時會變質之原因時,巴斯德研究發現:雖然酵母在釀造過程中可以將糖變成酒精,但細菌可以進一步將酒精變成醋。他建議釀造過程中將產品加熱到足以殺死細菌,但不能殺死酵母的溫度來防止啤酒變質 。

科赫假說

1880年初,德國醫師兼微生物學家科赫確定了結核和霍亂等的病原體,為傳染病的概念提供了實驗室的證據。

科赫假說是將某一微生物與某一疾病聯繫在一起的一系列四項通用原則,奠定了現在的流行病學基礎。到1880年代末,瘴氣理論終漸被疾病的細菌學理論取代。

疾病的細菌理論是目前公認的疾病科學理論。它認為疾病是因為病菌或病原體造成的。這一理論裡面所指的病菌或病原體事實上是包括任何不用顯微鏡就看不到的微生物:它們一旦侵入了人類或其他生物體,立即在宿主體內生長和繁殖而導致疾病。微生物的主要類型有病毒、細菌、真菌 、和原生動物。

病毒如何讓人生病?

病毒透過各種欺騙手段混入細胞後,它們就脫掉蛋白質外衣裸露其基因,並誘導細胞自身的複製機制來複製其DNA或RNA,並根據病毒核酸中的指示生產更多的病毒蛋白質;新創建的病毒片段會聚集,並產生更多病毒,感染其他細胞。

它們雖然具有上述那些成長、適應環境、繁殖、和進化的生物特質,但卻缺乏通常被認為是生命所必需的其它關鍵特徵,故病毒常被認為是處於活體與非活體之間的生命邊緣生物。

病毒既然沒有生命,因此嚴格來說殺死病毒是沒有意義的;我們只能說破壞其化學結構,使其失去感染的活性。話雖如此,談論病毒可以存活多長時間還是有意義的。

化學物質能夠存活多久,當然與其結構及環境有關;比如一塊鐵片,在乾燥的環境中可以保存相當久,但是溼度一高便生鏽變質。一般化學物質在高溫度時均比較不穩定,因此2019年年初冠狀病毒病爆發時,不少科學家認為疫情到夏天應該會緩和下來;但現在看來這一假設顯然是錯誤的。

雖然不到1%的細菌會引起人類疾病,但大多數病毒都會對特定某一器官如肝臟或呼吸系統引起疾病。某些病毒(噬菌體)甚至可以感染細菌。因為都是身體免疫系統試圖清除感染所造成的反應,故細菌和病毒感染所引起的症狀都非常相似:咳嗽、打噴嚏、發燒、發炎、嘔吐、腹瀉、疲勞、和抽筋等等。

病毒有沒有違背進化論?

病毒常可導致宿主死亡;但這在進化論中事實上是違反了適者生存之原則:宿主死了,自己不是也跟著滅亡嗎?

因此一個致死率很高的新病毒,應該都是從其它動物傳來的外來物;為了生存,它們終將在人類中慢慢進化演變成致死率較低的病毒。從病毒本身的角度來看,理想的感染應是幾乎無症狀的感染,使其宿主不知不覺地提供無限制的庇護和營養;甚至有些較聰明的的病毒甚至可以幫助宿主生存!

這說明了為什麼人類的基因組裡攜帶了成百上千的這種偷渡者,它們模糊了與正常基因組之間的界限!

病毒感染的對策

抗生素的發現被認為是醫學史上最重要的突破之一。不幸的是:抗生素是透過破壞代謝過程來殺死或抑制特定的細菌;因為病毒不具代謝功能,而是利用宿主細胞來為其執行活動,故抗生素對病毒束手無策!

加上病毒相對較小,構造簡單,並且可以在細胞內繁殖,因此病毒感染的治療甚具挑戰性。例如由流感病毒引起的傳染性呼吸道疾病,全世界每年有10億人感染,300到500萬嚴重病例,以及30萬至50萬例死亡,但目前還是只有緩解症狀的藥物,沒有治療的藥物。

幸運的是,經過幾萬年的進化,我們的身體已發展出兩套主要的治療方法。

其一是當病毒開始繁殖時,被感染的細胞表面就會發生改變,讓身體裡一些稱為T淋巴細胞的免疫系統細胞,識別並殺死含有病毒的細胞免其繁殖。

被病毒感染的細胞也會產生並釋放一稱為幹擾素的小蛋白質,它們不但可幹擾病毒在感染細胞內的複製能力,也可充當信號分子,警告附近的細胞有病毒存在,促使T細胞在該區域進行調查。

其二是我們體內有超過100億種因免疫系統針對異物稱為抗原而產生的抗體;它們是白血球細胞製造出來的一種蛋白質,可識別入侵的病原體並與其結合,是免疫系統武器中的主要武器!

疫苗就是在人體中注射缺乏活性的異物,預先引發身體的抗體反應,嚴陣以待具活性之敵人的入侵。17世紀時,中國佛教僧侶雖然不明其理,就已經知道喝蛇毒可以增強對蛇咬的免疫力,及用牛痘塗抹皮膚傷口以增強對天花的免疫力,而好的疫苗應可同時觸發免疫系統的抗體和T細胞。

唯一的勝利

人類對病毒的戰爭只有一次勝利,那就是天花,天花奪走了5億多人的生命,但天花的家族中有一個弱雞——牛痘,牛痘和天花極為相似,但比天花要弱得多,1796年,英國醫師兼科學家詹納因聽聞患了牛痘後的擠奶員不受天花的侵害,將牛痘病毒注射到一位8歲的園丁小男孩身上,發現果然對天花具有免疫力,這就是人類消滅天花的方法,但目前來看其他病毒沒有豬隊友,而且還會變異和升級。

儘管當時這個行為受到了批評,但現在詹納已被公認為是西方疫苗學的奠基人。1798年,詹納從拉丁語vacca(牛)創造出了vaccine一詞,醫學界也開發出第一種天花疫苗。

冠狀病毒是弱雞?

回到這次的主角——冠狀病毒,冠狀病毒在20世紀60年代被發現,但沒有人感興趣,因為那時它只是一個弱雞病毒,只在其他哺乳動物和鳥類中傳播,20世紀以前只有兩種冠狀病毒到達了人體,分別是229E和OC43,但它們只是讓人們咳嗽和打噴嚏,症狀就像普通的感冒,也不致命,所以人類幾乎沒有注意到它們的存在。

雙刃劍——細胞因子風暴

在2002年11月,冠狀病毒家族迎來了一個明星SARS,它利用花面狸作為跳板成功上位,當SARS進入人體後它立刻找到了一個完美的戰場,一到人類體內就迅速通過吸收健康的細胞進行複製,並以驚人的速度在體內傳播。但人體有自己的免疫系統會對抗入侵的病毒,但免疫系統以前沒有見過SARS,儘管對SARS發起了抗體,但抗體不匹配,那就無法有效地對抗SARS,而面對如此強大的對手,免疫系統就會發起大規模的攻擊,從而引起高燒、咳嗽、氣喘,最後導甚至致呼吸衰竭,最後不論病毒如何,人體都會嚴重混亂,這在醫學上有一個合適的術語——細胞因子風暴,在1918年的西班牙流感和2009年的H1N1流感中,細胞因子風暴都是導致死亡的主要原因。

由於抗生素對SARS是沒有用,所以只能用退燒藥、輔助呼吸、抗病毒藥物、高劑量類固醇來幫助人體,當然最主要還是要靠自己的免疫系統,所以時至今日也沒有任何對SARS有效的藥物或疫苗,而SARS的可怕之處在於即使康復了也會有嚴重的後遺症,包括肺部纖維化、骨質疏鬆、骨壞死等,SARS是第一種大開殺戒的冠狀病毒,它的出現讓人類不得不重視。

目前已知的冠狀病毒

2004年和2005年,就在SARS之後,又出現了兩種冠狀病毒NL63和HKU1,但它們依舊太弱小了,而當冠狀病毒幾乎被人遺忘的時候,在2012年又出現了一個新的明星選手MERS,第二種可以威脅生命的冠狀病毒。

但是MERS的脾氣太暴躁,SARS的死亡率是15%,MERS的死亡率是30%,儘管看起來它的傳染性比SARS要低,但實際上是MERS殺死宿主的速度太快。

之後是2019年底的nCoV病毒登場,直到現在,世界都還籠罩在它的陰影之下。

冠狀病毒的可怕之處

首先,它們的傳播性很強,有別於靠血液和性活動來實現傳播,通過飛沫傳播更有效,最麻煩的是病毒還會隱藏自己的能力,它們通常會沉默一段時間,讓看起來還很健康的攜帶者在不知不覺中把病毒傳播給其他人,這就是病毒廣泛傳播的方式。

除此之外病毒有快速變異的能力,冠狀病毒的遺傳物質是RNA,與DNA不同,DNA有雙螺旋結構,相當於是有一條備份的鏈,而RNA只有一條鏈,所以它可以很容易地重組或突變,無疑提高了研發疫苗的難度。而我們唯一消滅的天花病毒,很大的原因是因為它是DNA病毒,遺傳物質穩定,我們很容易發現它的弱點並消滅它。

結語

人類對抗病毒的歷史悠久,病毒也無處不在,讓你感冒的病毒就藏在你的鼻腔裡,只要你的免疫系統弱它就會發作,所以如果有機會大家應該多運動,多曬太陽,有規律的生活方式和均衡的飲食,以提高你的免疫系統。

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