病毒如何改变世界?

新型冠状病毒(COVID-19)已经肆虐了两个多月,目前还没有针对它的特定药物或疫苗。随着这种流行病继续在世界范围内蔓延,抗击这种病毒已经成为一场全球性的防疫战争。 这不是人类第一次遇到由冠状病毒引起的流行病,但是抗击冠状病毒比我们想象的要困难得多。从非典到MERS,经过几十年的努力,冠状病毒仍然是一个非常强大的敌人。 对抗病毒的战斗仍在继续,所以我试着

新型冠状病毒(COVID-19)已经肆虐了两个多月,目前还没有针对它的特定药物或疫苗。随着这种流行病继续在世界范围内蔓延,抗击这种病毒已经成为一场全球性的防疫战争。

这不是人类第一次遇到由冠状病毒引起的流行病,但是抗击冠状病毒比我们想象的要困难得多。从非典到MERS,经过几十年的努力,冠状病毒仍然是一个非常强大的敌人。

对抗病毒的战斗仍在继续,所以我试着去了解这些烦人的家伙,却发现大多数病毒远没有我们想象的那么邪恶...

噬菌体保卫世界和平

说到病毒,你可能会认为它们只会带来疾病和死亡。

然而,就像细菌中有“益生菌”一样,只有少数病毒会感染人类。我们体内有许多“好”病毒和噬菌体。

你可能在你的高中课本上见过。它看起来像一艘宇宙飞船。顾名思义,噬菌体是一种细菌吞食者。这是一种以细菌为宿主的大型病毒。一旦与细菌接触,它们会将自己的DNA注入其中,将宿主微生物转化为生产更多噬菌体的工厂,并最终杀死它们。

据统计,每人平均有几千亿个噬菌体。它们更喜欢生活在粘液中,如口腔和肠道,因为噬菌体的蛋白外壳可以结合粘液,粘液是粘液的重要组成部分。

当噬菌体试图侵入我们的身体时,它们会保护身体的每一部分,并给细菌致命的一击。此外,噬菌体是高度靶向的,只杀死某些细菌,不攻击人类细胞。生物学家洛厄尔甚至认为,噬菌体是人类最原始的免疫系统。

相比之下,抗生素的靶向性较低,通常会不加区别地杀死体内的益生菌。生物学家亨德里克森说:“抗生素就像是进入人体的核弹,而噬菌体就像是训练有素的狙击手,可以准确地射杀敌人,而不会伤害友军。”

滥用抗生素会使细菌对药物产生耐药性,甚至“进化”出超级细菌。尽管科学家们正在尽最大努力开发新的抗生素,但新药的研发可能需要从实验室到市场的十多年时间——在此期间,强大的进化力量将使细菌产生新的耐药性。

因此,科学家已经将抗细菌感染治疗的方向转向高靶向性和丰富的噬菌体,这是目前正在研究的噬菌体疗法。

也许这是对自然界古老共生关系的回归,人类、病毒和细菌之间微妙的平衡。

就像月球探测器降落在月球上一样,噬菌体也降落在宿主细菌的表面。接下来,噬菌体将在细菌表面钻一个洞,并将它的DNA注入细菌细胞。最后,它会以致命的方式从宿主体内释放出来。设计/周三010101,材料来源/VCG

恒河是印第安人的圣河。他们习惯于把尸体扔进河里,那里已经成为细菌的滋生地。果然,19世纪末,印度爆发了霍乱疫情。

一位名叫欧内斯特·汉金的细菌学家前去调查。奇怪的是,与其他水源被污染的严重疫情相比,新的疫情将很快在恒河两岸结束,在那里漂浮的物体在漂浮,而不是像野火一样蔓延。

那时,人类甚至不知道什么是病毒。汉克推断水中一定有某种神秘的物质可以在病毒溢出之前杀死它。这个问题的答案是100年前的事了。

人们一度普遍认为海洋几乎没有病毒。直到20世纪80年代,当利塔·普罗克特用电子显微镜观察海水样本时,他发现了一个令人惊奇的病毒世界,大量病毒在海水中自由漂浮,而其他病毒则潜伏在受感染的细菌中。根据这个样本,每升海水中有多达1000亿个病毒颗粒。

例如,上面提到的霍乱是由霍乱弧菌引起的,霍乱弧菌是一种水媒细菌。海洋中有大量霍乱弧菌,同时有多种宿主以其为宿主。当霍乱弧菌爆发并引起霍乱流行时,噬菌体也大量繁殖。这种病毒迅速繁殖,杀死弧菌的速度越来越快,直到超过微生物繁殖的速度。细菌营地倒塌了,霍乱疫情平息了。

阻止霍乱爆发对海洋病毒来说是小菜一碟。地球上到处都是噬菌体。可以说,哪里有微生物,哪里就有噬菌体。海洋中至少有1000种噬菌体。

几种噬菌体。设计/周三010101,材料来源/VCG

仅仅一秒钟,他们就能对各种微生物发动10万亿次攻击。每天,它们可以杀死海洋中15% ~ 40%的细菌,宿主细菌的死亡意味着更多的噬菌体被释放出来。每升海水每天能产生多达1000亿个新病毒。这些病毒将立即投入战斗,并迅速感染新的宿主。

现在学术界认为海洋中大约有10 31个病毒粒子。这个数字太大,找不到可以比较的例子。在海洋中,病毒的数量是所有其他海洋居民总数的15倍,总重量相当于7500万头蓝鲸(整个地球上只有不到1万头蓝鲸)。

著名的海洋病毒学家萨特曾经对这个巨大的数字做了一个形象的类比:“如果海洋中的病毒一个接一个地排成一行,那么这个队列的长度将超过地球附近60个星系的总距离。”

当然,在病毒的海洋中游泳并不意味着死路一条。事实上,只有很小一部分海洋病毒能感染人类,一小部分能感染鱼类和其他海洋动物。

▲当你在显微镜下观察海水时,你会看到一个神奇的微生物世界。设计/周三010101,材料来源/VCG

随着研究的深入,一个更大的病毒世界就在我们面前。

海洋中有一种蓝藻,叫做海藻,它可以完成世界上四分之一的光合作用。光合作用的一个重要部分是光能的吸收。在海藻中起作用的是一种能够捕获光子的蛋白质。

有趣的是,这种蛋白质的基因来自一种病毒,科学家还发现这种自由漂浮的病毒携带着海洋中的光合作用基因。可以说是病毒将基因“发送”给海藻,海藻可以进行光合作用。

据粗略估计,地球上10%的光合作用是由这种病毒基因产生的。换句话说,每呼吸十次,就有一口氧气来自病毒。

不仅如此,病毒还参与了海洋1/4的碳循环。影响海洋系统中颗粒物质分布和沉积;通过推广二甲基硫醚生产,参与全球气候控制等。

病毒在地球上已经存在了30多亿年。可以说,我们现在呼吸的氧气,我们居住的星球的温度,甚至适合生命活动的整个地球环境都离不开病毒。

它是毒液和活力。

你可能会认为,不管病毒有多“好”,它只是一个入侵者。

有一种叫做逆转录病毒的病毒。一旦进入宿主细胞,它会将其遗传物质插入宿主基因组,并利用细胞中的物质和能力以及宿主的DNA复制、转录和翻译能力进行扩增和繁殖。在这个过程中,一些病毒基因被人类基因组“捕获”。

过去15年的研究表明,构成人类DNA的30亿个碱基对中,约有8%来自病毒残基。以一种不恰当的方式,可以说我们中的8%是病毒。然而,大多数这种类型的DNA是无用的,病毒基因倾向于逐渐衰退和失败。

但是在1999年,让-吕克·布朗德发现了一种叫做Herv-W的人类内源性逆转录病毒。这种逆转录病毒中的一个基因可以合成一种叫做合胞体蛋白的蛋白,这种蛋白对病毒没有用处,但对其人类宿主非常重要,而合胞体蛋白与胎盘的发育有关——可以说,没有这些病毒我们甚至不能出生。

自然界中有许多这样的例子。

例如,一只雌茧蜂将卵产在一只活着的毛毛虫身上,然后让孵化出来的黄蜂寄生在毛毛虫身上。产卵时,雌蜂将病毒注入毛虫体内以抑制其免疫系统,这样幼虫就能在毛虫体内存活。

这种病毒被称为茧蜂病毒,它的基因已经完全整合到茧蜂的基因组中,并受后者的调控。当雌蜂“制造”病毒时,它们将用于攻击毛虫的基因植入病毒,而将用于繁殖或传播的基因留在体内。

可以说,这是一种完全被茧蜂“驯化”的病毒。科学家推测,可能有一种古老的病毒,其基因进入了茧蜂祖先的基因组,并永久保存在那里。两者的融合导致了20,000多种茧蜂的进化。

许多有机体已经与病毒建立了联系,当联盟对彼此有利时,这种形式以惊人的速度传播。

这不仅仅是一种简单的共生关系。从进化历史来看,可以说病毒极大地提高了生命进化的速度。

例如,当你出生时,你分别从父母那里继承了一半的基因。这是你画的标志。遗传的DNA会持续一生。你不能得到我的基因,我也不能得到你的基因。想象一个基因可以自由流动的世界。如果别人有好的基因,你可以自己利用。

自然界中的病毒具有这样的功能,它们允许基因从一个细胞转移到另一个细胞,允许DNA流动,从而为它们的特定基因组提供了更多的可能性。

可以说,病毒帮助我们完成了耗时又耗时的进化工作。当已经适应环境的现成微生物帮助我们时,我们为什么要拒绝,而不是依赖我们自己的基因组一代又一代地积累突变?

在生物分类中,我们离病毒有几千英里远。这个定义在研究中很有用。但是当我们了解生命本身时,这些分界线反而会变成人为的障碍。病毒实际上已经成为我们免疫系统的一部分,并将基因植入我们的基因中。

简单的“我们”和“入侵者”之间的界限早已模糊。

病毒这个词来自拉丁语,它本身有两个意思:致命的毒液和能传递生命的人的精液。

是的,从某种意义上说,病毒的确是致命的,但它们也让整个世界充满了活力。

不是病毒入侵了我们,而是我们入侵了病毒的领地。

埃博拉病毒(1976)、艾滋病毒(1981)、亨德拉病毒(1994)、禽流感(1997)、西尼罗病毒(1999)、非典(2003)、H1N1猪流感(2009)、MERS(2012)、H7N9禽流感(2013)以及最近出现的新型冠状病毒。

为什么病毒似乎在增加?

在某种程度上,这是真的。以最近困扰我们的冠状病毒为例。1937年,第一种冠状病毒从鸡中分离出来。20世纪70年代,第二种人类致病性冠状病毒被发现,病毒分类学中的“冠状病毒家族”诞生了。当时,病毒与人类没有太多的互动。

中东呼吸综合征冠状病毒爆发始于2012年。设计/周三010101,材料来源/VCG

2003年,随着非典的出现,我们开始重视和研究这种病毒。2012年,中东发现中东呼吸热。它的死亡率要高得多,曾一度达到53%。2019年12月,新的冠状肺炎爆发,出现了第七种能感染人的冠状病毒。

果子狸和中东呼吸综合症带来的非典传播到骆驼。不幸的是,可以说这些冠状病毒的爆发是由人类活动引起的。在这里,应该再次强调的是,只有少数病毒能够感染人类,地球上数百万的微生物是未知的。

以非洲森林为例。病毒只能寄生在某些细菌、动物、真菌、原生动物或植物上,并且只能在活细胞中复制。它们受到生态系统之间关系的限制,不能大量繁殖,也不能任意扩张领土。艾滋病病毒、埃博拉病毒、登革热病毒、拉沙热病毒...只是其中很小的一部分,许多病毒和宿主生物还没有被发现。

一般来说,病毒只能存在于某些动物或植物上,并且与宿主有着亲密的、古老的(并非总是)共生关系,也就是说,它是一种非常良性的依附关系。他们不能独立生活,也不会造成混乱。这种病毒可能偶尔会杀死几只猴子或鸟,但这些尸体很快会被森林分解,人类很难注意到它们。

很久以前,我们的祖先使用简单的工具在地球上生存。但是现在,地球上有70亿人口,拥有最新技术的人类对资源的需求也在激增:砍伐森林、猎杀动物、采矿、化学污染、海水富营养化、气候变化...人类正在开发地球,与此同时,自然生态系统正以前所未有的速度瓦解。

就像一所房子被拆除时,灰尘会四处散落。当树木被砍伐,动物被屠杀时,寄生微生物失去了它们的宿主,只能再次争夺栖息地。他们只有两个选择——找到一个新的宿主,一个新的宿主物种可能会灭绝。这并不是说它们专门针对人类,而是说人类太多了。

疾病历史学家威廉·H·麦克内尔强调说:“如果我们从饥饿的病毒或细菌的角度来看这个世界,人类为他们提供了数十亿人口的巨大食物来源。不久前,人口只有现在的一半。人口在25或27年内翻了一番。这使得人类成为进化后所有生物攻击的理想目标。”

这种病毒实际上非常微小。它实际上是包裹在保护性蛋白质外壳中的一片核糖核酸或脱氧核糖核酸。这是一种非常简单的生物。它一生只考虑三件事:繁殖、传播和逃离宿主。

因此,病毒只能“劫持”其他生物来自我复制。病毒将自己的基因和蛋白质注入宿主细胞,使其成为复制的“替代工厂”。一种小病毒进入细胞,一天之内可以产生成千上万种病毒。利用进化的力量,这些简单的生物体可以在被感染的细胞中寄生复制,同时在细胞外保持强大的生命力。

美国著名病毒学家约瑟夫·麦考密克在《第四种病毒》中写道:“在病毒的世界里,人类是入侵者。人类活动侵入了他们的藏身之处,迫使他们暴露在外。人类不适合这些病毒的寄生。人们无法支持病毒的长期生存。相反,对于病毒来说,人是没有出路的宿主。如果人死了,病毒也会随之而死。"

为了生存,病毒需要考虑如何进行有效的感染。宿主细胞的表面必须具有病毒能够结合的受体,以及生物合成机器,该机器优选地易于竞争性地用于病毒以满足病毒的复制。一种特定的病毒通常只感染几种人类细胞。

病毒通常会感染较大的器官,因为较大的器官有大量的细胞。病毒可以直接或间接杀死许多细胞,而不会对身体造成严重伤害。例如,呼吸道的面积比网球场大,所以大量的细胞容易被病毒感染。肝脏有大约1万亿个细胞,也是病毒感染的绝佳目标。

感染呼吸道是许多病毒的选择。设计/周三010101,材料来源/VCG

我们每个人在生活中都必须遇到病毒,鼻病毒。这是大多数普通感冒的罪魁祸首,据估计,每个人一生都会躺在床上与感冒作斗争。

鼻病毒不会感染我们体内的许多细胞,也不会对身体造成任何实质性的伤害。为什么每次感冒都这么难?我们只能责怪自己。被感染的细胞释放一种叫做“细胞因子”的信号分子,并调用附近所有的免疫细胞。

正是这些免疫细胞导致我们的身体产生炎症反应,进而导致我们的喉咙发痒。然后,感染区域会分泌大量的粘液。到目前为止,还没有有效的抗鼻病毒药物(通常我们吃的“抗炎药物”,如阿莫西林,是用于杀死细菌的广谱抗生素,但对病毒无效)。

因此,为了从感冒中恢复,我们不仅要等待免疫系统帮助我们杀死体内的所有病毒,还要等待免疫系统平静下来。这就是医学所说的“自我限制疾病”。这种新的冠状肺炎也被认为是这种类型的疾病。

▲ B细胞免疫反应。设计/周三010101,材料来源/VCG

病毒的初衷不仅仅是引起疾病,而是为了解决自身的生存问题。大多数主机没有精确的病毒防御目标。宿主抵御病毒感染的武器相当于用一把大刀子杀死蚊子。当然你可以杀死蚊子,但是留在地板上的大部分血液来自你的身体。

该病毒还会“利用”人类行为和疾病进行传播。例如,当人们擤鼻涕时,病毒会抓住机会跑到他们的手上,把他们擦到门把手和其他被他们手碰到的地方。下次其他人触摸这些地方时,病毒会抓住机会触摸他们的手,然后进入他们的身体——大多数时候是通过鼻子。

病毒感染人类实际上是一个漫长的过程。“新病毒”如何获得适应受感染人类的能力?变异。

基因变化是一个随机过程,更像是一场运气游戏。如果有足够的机会,病毒很可能实现它的目标——也就是说,改变的机会越多,成功的可能性就越大。特别是,基因由核糖核酸组成的病毒更容易突变,突变程度更高,速度更快。

然而,人类活动的增加正在模糊与自然的界限,这给病毒带来了许多新的机会。

例如,所有的流感病毒都源于鸟类。许多鸟携带病毒,但没有生病。这种病毒不容易从鸟类传播到人类。禽流感病毒在鸟类中繁殖所需的基因与在人类中繁殖所需的基因并不完全相同,而且人类的体温低于鸟类。从鸟类传播到人类的病毒通常会停止传播,因为它们不能在人与人之间传播。

四分之一携带流感病毒的鸟类同时携带两种或两种以上的病毒株。通过病毒之间的基因交换,有可能获得新的适应性特征。通过这种机制,流感病毒可以从野生鸟类传播到鸡,甚至传播到哺乳动物,如马或猪。

这种跨物种病毒传播非常普遍。事实上,许多疾病也与人类饲养牲畜和与动物密切接触有关。例如,一些人认为天花实际上是来自牲畜的痘病毒。

人类呼吸道细胞表面的受体与鸟类消化道细胞非常相似。禽流感病毒变异后,它会找到这些受体,然后钻入细胞。这种新病毒从未在人群中传播过,所以它是不可战胜的,很容易在人与人之间传播。

在病毒感染并杀死细胞后,由病毒引起的咳嗽反射促进了病毒的传播。一旦一种流感病毒在人体内稳定下来,它就能在世界范围内传播。

著名的病毒学家史蒂文·斯·莫尔斯说:“病毒不会移动,但许多病毒已经传播到世界各地。”它们不能跑、走、游或爬,但它们可以根据载体“移动”到不同的地方。大约60%的已知传染病直到最近才开始在人类中传播。

有些病毒只是刚刚出现,无法解释为什么它们会偶尔出现,消失几年后就不再出现。例如,亨德拉病毒和埃博拉病毒,以及2003年突然出现并悄然消失的非典。

也许你会很高兴他们已经完全从地球上消失了。但事实可能不是这样,它只是在这个地区消失了。在生物物种丰富、生态系统相对稳定的地方,啮齿类动物、鸟类或蝙蝠很容易在没有被发现的情况下占据宿主。

就像摇动一棵树一样,肯定会有什么东西从树上掉下来。当生态系统受到感染时,比如吃野味和砍伐森林,这给了病毒一个卷土重来的机会。例如,埃博拉病毒于1976年被发现,但近20年后又爆发了。1994年和1999年,亨德拉病毒在几年后再次出现。

▲2014年埃博拉爆发。设计/周三010101,材料来源/VCG

到目前为止,我们正试图了解病毒的传播机制和发病机制,以消除和控制这些疾病。如果我们用简单的加法和减法逻辑来思考,我们将会增加所缺少的,而去除所没有的。例如,服用药物将病毒从我们体内清除。

但是病毒几乎完全依赖人类细胞的生化机制来复制。因此,研究能杀死病毒而不损失人类细胞的药物是非常困难的。

相比之下,尽管病毒的结构非常简单,但它们的操作逻辑要复杂得多。如果对抗是被迫的,结果往往是不可预测的——添加一种所谓的“有益”微生物可能会排挤掉我们也依赖的其他微生物;一种被称为“有害”的微生物的消失可能会让更坏的机会主义者来取代它。

细菌、植物、动物、海洋到整个地球...病毒参与形成一个不断变化的巨大网络。将病毒基因从我们体内移除后,我们可能无法从子宫中活着出生。人们可以在日常生活中抵抗感染,可能借助于病毒DNA。甚至我们每天呼吸的部分氧气也是由海洋中的病毒和细菌产生的。

作为哺乳动物,我们人类与病毒形成了不可分割的混合物。

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