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人类和病毒的战争
吴彦鹏
2020年03月02日
一、源起
地球上的病毒多的数不清,其中已经被我们鉴定的病毒有5000多种,其中有差不多100种会让我们人类致病。
这些致病病毒大多来自于野生哺乳动物。而且,科学家们研究发现,人类近20%的主要传染病都来自于跟人类血缘相近的野生灵长类动物。比如:艾滋病毒最初就是来源于跟我们人类血缘最近的黑猩猩。但奇怪的是,这些病毒在动物的身上的时候并不会让它们生病,但一旦传播到人类身上就会引起严重致病症状。比如前些年的SARS病毒,据说最早是从蝙蝠身上传来的,但罪魁祸首蝙蝠都是好好的。
这是为什么呢?简单来说,因为这些野生动物对这些病毒的免疫力要比人类强。而仔细分析,这种免疫力的差异,却是人类几百万年进化史的结果。
有科学家拿人类的近亲黑猩猩作为比较对象,把这种差异的形成过程分为两个阶段。第一个阶段的主题是共同发展,第二个阶段的是分道扬镳。
在第一阶段。黑猩猩和人类的共同祖先对于病毒的免疫力曾经空前强大。
故事发生在距今800万年前的中非丛林,那里生活着我们和黑猩猩的共同祖先。没错,那会儿人类和黑猩猩还没有分家,共同祖先们看起来更接近今天黑猩猩的样子。他们全身长满毛发,用四肢在地上和树上爬来爬去,开始的时候他们只是采摘浆果和树叶为生,运气好的时候还能捞着一两个鸟蛋。不过,这些零星的食物现在已经难以满足他们的胃口了,共同祖先们学会了一项厉害的手艺,就是狩猎。
学会狩猎不止让他们获得了稳定的热量和蛋白质来源,还极大地丰富了他们的微生物库。科学家们把能够感染一个物种的所有微生物种类,叫做一个物种的微生物库。每个物种都有自己特定的微生物库,里面包含细菌、病毒和寄生虫等各种不同的微生物。
狩猎活动就像是铺就了一条高速公路,使得其他森林动物的微生物库能够快速而直接地交换到我们的共同祖先身上。有病毒学家描述自己曾在东亚的雨林里亲眼见到一只黑猩猩猎杀一只猴子,强势的黑猩猩一手压着猎物,用另一只手和牙齿撕开猎物的皮毛和肌肉寻找内脏。在这个过程中,猴子的血液、唾液和粪便这些饱含着微生物的体液,直接溅到黑猩猩的眼睛、鼻子、嘴巴和伤口处,对于微生物的跨物种传播来说,再也找不到比这更方便快捷的方式了。
一开始,一些新出现的微生物,比如某些种类的病毒可能会让共同祖先们的免疫系统崩溃,让一些个体生病或者死去。但是经过了上百万年的时间,共同祖先们就逐渐进化出了一套应对这些病毒的免疫机制,就能和这些病毒和平相处了。也就是说,有很多很多的病毒可以待在他们身上,感染他们,但是已经不会让他们生病了。在这个阶段,人类和黑猩猩都拥有了同样强大的免疫力,可以抵御多种病毒的侵袭。
不过正如我们知道的那样,后来,两个物种走上了完全不同的进化道路,他们的对抗病毒的免疫力也因此出现了今天的差异。这也就是我们要说的第二个阶段,分道扬镳。
大约600万年前,人类族群的祖先,开始走上了一条和其他同类完全不同的道路。他们开始进驻热带大草原。分家是好事,这意味着人类的进化又进了一步。不过也正是这一次草原大迁徙却让人类祖先的微生物库遭遇了大幅消减,在森林时期积累下来的微生物多样性丢失了。
为什么会这样呢? 因为人类出现过种群瓶颈,瓶颈期的那个瓶颈。意思是种群规模大幅减小了。我们知道迁徙是件大事情,在应对新环境的过程中人类祖先必然损兵折将。这样一来,人数大幅减少也是可以想见的。小到什么程度呢?有研究显示,那会儿人类可能只剩下10-20万的人口,几乎濒临灭绝。
而像病毒这样的微生物需要在宿主个体间不停地传播才能生存下来。否则就只有死路一条。比如像天花、麻疹、脊髓灰质炎这些急性致命性的病毒,感染者要么死亡,要么获得免疫,如果种群规模小,它们很快就会没有宿主可以感染,只能在人群中消失。
拿骨髓灰质炎病毒来说,就需要有一个至少25万人口规模的社区才能维系,在当时的情况下,它很难长久在人群中立足。相对而言,一些能够伴随宿主许多年的病毒,像艾滋病毒和丙肝病毒的情况要灵活一些,但是如果种群规模过小,当被感染者死亡之后,这种病毒在人群中消失的概率也会大幅增加。
种族瓶颈使得人类祖先的微生物库出现了大幅消减,很多种类的病毒就是在这个阶段逐渐在人群消失了。
我们前面说过,当微生物库种类丰富的时候,共同祖先们逐渐进化出了应对它们的免疫机制,现在微生物库消减了,就好像敌人逐渐减少和消失了,原先强大的免疫力也就逐渐退化了。这也符合“用进废退”的原理。
而那些依然生活在森林里黑猩猩们,一些微生物库却在他们身上保存了下来。如果免疫力已经退化的人类接触到他们身上的病毒,就很容易得病了。除了人类和动物之间,人类不同民族之间隔离太久也会出现这种现象。就比如蒙古人西征的时候,曾引发黑死病在欧洲蔓延;欧洲人进入美洲后,病毒又造成美洲原住民人口锐减。
当然,凡事都有两面。当孱弱的人类遇上强势的病毒,一场没有硝烟的战争就打响了,我们人类今天之所以那么容易受到病毒的侵扰,这还是几百万年进化惹的祸。所幸的是,进化虽然让我们丢失了部分重要的免疫力,却也赋予了我们无比发达的大脑,去研究用科学的方法对抗病毒。
二、驱魔
1928年,曾经参加过第一次世界大战的英国医生亚历山大·弗莱明偶然发现,青霉菌能分泌一种物质杀死细菌,他将这种物质命名为“青霉素”,但他没能实现将其提纯用于临床治疗病人,只是在第二年将研究成果发表成论文。又过了10年,德国化学家钱恩在旧书堆里看到了弗莱明的那篇论文,于是开始做提纯实验,在独具慧眼的美国洛克菲勒基金赞助下,1940年冬,钱恩终于提炼出了一点点青霉素。在他之后,澳大利亚药理学家弗洛里在美国军方的协助下,生产出首批医用青霉素。青霉素在二战末期横空出世,拯救了数以千万人的生命。
在青霉素发现之前,细菌感染曾导致人类大规模传染病的发生,比如霍乱、鼠疫等。被欧洲人称为“黑死病”的鼠疫,在14世纪随着游牧民族传入欧洲,几乎断送了欧洲约三分之一的人口。文艺复兴时期人文主义的先驱薄伽丘写的《十日谈》就是瘟疫题材的巨著,他描写了病人怎样突然跌倒在大街,或者凄惨的在自己的家中咽气。旅行者们见到的是荒芜的田园无人耕耘,洞开的酒窖无人问津,无主的奶牛在大街上闲逛,当地的居民却无影无踪。
以青霉素为代表的抗生素(抗菌素)被认为是人类治疗细菌性感染的第一个武器,结束了细菌传染病无法治疗的时代。甚至有人认为,抗生素的发现延长了人类寿命20年。
但是,人们也发现,抗生素并不能对付所有的传染病。 这也帮助我们更好的认清了 细菌 病毒 的区别
简单地说,细菌尚属于我们可以理解的单细胞生物,能够独立完成所有生物功能,而且有细胞壁;而病毒比细菌还要小得多,已经小到了没有了细胞结构,它只不过是一段遗传物质,包裹了一个蛋白质外壳而已,它甚至就不像一种生物,而是介于生命和非生命之间的一种奇特的物质形式。
细菌让我们生病,主要源于它分泌的毒素,可导致我们产生发热等全身反应。而病毒没有实现新陈代谢所必需的基本系统,所以病毒自身没有生理功能。但是当它接触到宿主细胞时,便脱去蛋白质外套,它的遗传物质侵入宿主细胞内,借助宿主细胞的复制系统,按照病毒基因的指令复制出新的病毒。
所以,从治疗的角度来看:我们用来治疗细菌感染的抗生素的主要作用机理,要么是破坏细菌的细胞壁或者细胞膜,要么是干扰细菌蛋白质的合成或者阻碍细菌DNA的复制。
病毒因为结构与细菌完全不同,所以使用抗生素是无效的。同时因为病毒是寄生在细胞内部,很多药物难以达到,在杀灭病毒的同时,我们还要保证细胞不遭受破坏,难度就更大了。所以迄今为止,我们都没有找到对付病毒的特别好的办法。目前,咱们在新闻中听到的Sars,以及艾滋病,都是病毒引起的。
正如我们在上一篇文章里说的“种群瓶颈”原因,历史上人类曾发生多次因病毒引发的大规模的死亡事件。尤其 当两个素未谋面的民族狭路相逢的时候,对方身上的病毒可能比他们手中的武器要危险的多。
比如,天花就是一种病毒引起的烈性传染病,它透过空气中的飞沫就可以传播,即使到了今天,对天花也没有确定有效的治疗方法。据统计,仅16至18世纪,欧洲平均每年死于天花的人数约为50万人,亚洲约为80万人。即使侥幸生存下来的病人,也会在脸上留下永久性疤痕,据说在中世纪的欧洲平均每5人中就有一位是“麻子脸”。甚至连至高无上的国王也难逃厄运。法国国王路易十五、英国女王玛丽二世、德国国王约瑟一世、俄国沙皇彼得二世都被天花夺取了性命。整个18世纪,欧洲人死于天花的总数达1.5亿人。而当欧洲人到达美洲大陆后,天花更如恶神降临,80%到90%的印第安人都死于天花。
1796年5月,也就是瓦特刚改进蒸汽机的那个年代,英国医生爱德华·詹纳做了一个惊险而伟大的试验:他从一个奶牛场女工手上的牛痘脓胞中取出一滴液体,然后把它“种”到了8岁的男孩詹姆斯的胳膊上。正如事先所料,这孩子被传染上了牛痘,但牛痘对人伤害不大,很快就得以恢复了,只是在胳膊上留下了一处小小的疤痕。2个月后,詹纳试验惊险的一步终于到来了,他又给小男孩种了天花痘。
在与天花的长期战斗中,虽然此前一些农民就已经发现感染了牛痘的人不得天花,但也只是传闻而已,而詹纳希望用医学试验证明它,并将它变成了安全有效的医学操作,这就是科学精神。当然,正如我们在教科书中看到的,试验非常成功,8岁男孩詹姆斯获得了免疫能力,再也没有被传染上天花。
种痘的方法被称为人类历史上第一剂医用疫苗。疫苗给人类抵御疾病提供了另一种思路。它本身并不治病,而是把少量病原体接种于人体,激发人体内产生相应的抗体,从而产生对特定病毒的免疫力。打个比方,瘟疫病毒就像一只杀不死的恶魔,硬碰硬,谁也打不过它。但人们可以想办法把它逼到笼子里。1980年5月世界卫生组织宣布人类已经成功消灭天花,并在全世界停止了普遍种痘。其实还有一些活天花病毒依然储存于美国和俄罗斯的两个实验室里。这些病毒,就是被锁在笼子里的恶魔,一旦跑出来,将是世界性的灾难。
最后总结一下,在人类历史上,致死率最高的是细菌,因为传播非常广泛,可以通过河流、空气、食物等几乎所有东西进行传染。病毒因为传播比较困难,几乎只在人口非常密集的地方才会传染,所以大规模爆发容易被控制。但病毒让人害怕的就是一旦感染无药可治,只能靠自身免疫系统硬扛,扛过去了就活过来了,或许还能留下抗体。
人类现在能掌握的最有效的对抗病毒的手段:就是疫苗,但这种手段也是利用自身的免疫系统来完成的。如果被感染得了病,所谓的治疗手段也只是通过激素等,刺激和强化人体的免疫系统。
对于艾滋病这类病毒,人类还没有发明出疫苗,咱们就先做好防护工作吧!
三、共生
对病毒和细菌的认识,正在改变我们对生命的认识。
一般来说,地球生物最小的单位是细胞,细菌就是一种单细胞微生物,它也是地球上最早的生物,从37亿年前到现在,细菌一直在地球上普遍存在。
细菌很小,但如果我们把它比作一台机器,这台机器实际上已经非常复杂了,人类的科技发展到今天,能够制造宇宙飞船、汽车、甚至是人工智能(AI),但是却无法制造一个细菌,即组装一个活的生命体。这足以证明生物的复杂性。
那么,从非生物又是如何过渡到细菌这类细胞生物体的呢?原子可以组成分子,地球上有利的环境还可以形成有机分子,这都能理解。但简单的有机分子再形成复杂的大分子,并且这种有序的组合还要形成复制机制,这就是奇迹了。谁来控制这个精确的过程? 这是生命形成的关键一环。
随着研究,科学家发现,在细菌出现之前,实际上已经出现一种更简单的生命形式,那就是“RNA世界”和“DNA世界”。
RNA是核糖核酸,DNA是脱氧核糖核酸,核糖核酸和脱氧核糖核酸统称为核酸,他们本身也是一种大分子结构。生物学家一般认为RNA的产生先于DNA,DNA是RNA的近亲。
RNA最神奇的地方是,它可以表达遗传信息,因为核糖核酸是单链结构,可以实现折叠。或者说RNA这种自我复制能力形成了控制生命的精确指令。
与此同时,地球上还有一些没有精确复制能力的生命——早期细胞,它们擅长新陈代谢,但在复制的过程中总是出错。
于是,直到有一天,这两个系统实现了共生,RNA寄生到了细胞之中,利用细胞的新陈代谢能力实现繁殖,而细胞得到的好处就是让新陈代谢有了控制指令,能够更加精确地复制自身。两者达成妥协之后,新的细胞就产生了。
1000年并不是很漫长的时间。以20年/代人计算,也只有仅仅50代人。生物进化的速度,如此令人震惊,这就又不得不再说说那些RNA世界的家伙了。 这些只含一种核酸(DNA或RNA),介于非生命体与生命体之间的特殊生物体,就包括病毒(还有抗生素、质粒和复制子等等)。
对于生活在宏观世界的人类而言,病毒和细菌都很微小。但实际上,他们完全不同。细菌至少是一个活体细胞,就像组成我们身体的每一个细胞一样。而病毒比细胞还要小得多,它简单到由一段基因链(有DNA的也有RNA的)和蛋白质膜组成,介于非生命体与生命体之间。或者说,病毒自身没有新陈代谢的功能,只有进入细胞中才具有生命力。
但病毒却同样奉行地球生物的生命法则,进入到细胞后,会不停的自我复制,扩大它的群体,而细胞也会因病毒的进入被改变。这个过程中,如果使人体受到伤害,这就是我们得病的一个原因。
这里我再重复说一次,我们常说的被病菌感染,这里的“病”指的是病毒,“菌”是指的细菌。 细菌是许多疾病的病原体,包括肺结核、淋病、炭疽病、梅毒、鼠疫、沙眼等疾病都是由细菌所引发。 而我们所熟知的麻疹、艾滋、流感、天花等,则是由病毒所引发。 病毒又分为RNA病毒和DNA病毒。 我们所熟知的麻疹病毒、埃博拉病毒、流感病毒都是RNA病毒; 天花病毒、噬菌体则是DNA病毒。
对于病毒这种特殊的生物体,我们不仅要抵御它的伤害,还要更深层的了解它,这甚至关系到生命起源和进化的奥秘。
我们知道,病毒是利用细胞的新陈代谢能力来实现繁殖的。在没有寄宿在细胞里的时候,它是更像非生命体,或者说相当于一份基因包裹。当这份快递被送到其他生物的细胞表面,病毒会有一种进化出来的机制(一种化学方式)骗细胞膜开门。病毒进入细胞后,会释放出它的基因链,去篡改原来细胞核中的基因,使这个细胞变成病毒的工厂,继续复制出更多的病毒。这就是病毒简单而强大的繁殖机制。
换句话说,病毒可以进入地球所有生物的基因库(细胞体),当然也包括人类的基因库。所以,在我们人类身体里面,这种病毒性的RNA/DNA基因片段有很多。它们甚至会悄悄改变人类的基因,影响人类的进化。科学家认为,人类至少有8%的DNA来源于病毒。
所以, 从漫长的进化历史来看,我们和病毒的关系不仅是攻防,也有共生关系。比如,所有哺乳类动物,当然包括我们人类,胎盘的产生就来自病毒的贡献。
我们知道,胎儿的血型、基因与母亲可以是不一样的,但母亲的免疫系统却不会攻击胎儿。为什么?就是因为胎盘拥有了欺骗免疫系统的能力。哺乳动物的祖先感染过一种病毒,这种病毒把抵御免疫系统攻击的能力转移到了哺乳动物的生殖功能上。
同时,病毒也在朝着适应宿主的方向快速进化,甚至利用人的行为进行传播。比如:
人患了感冒,会咳嗽、会打喷嚏,这些动作,我们人类自己是无法控制的。而病毒就会利用人类的飞沫进行繁殖。人类感染了霍乱病毒,会腹泻,而病毒恰好通过粪便和水源进行传播。那些具有较长潜伏期的病毒,其实更聪明,它能够在潜伏期内不知不觉地进行传播。
另外,病毒从一类宿主到了另一类宿主身上时,为了减少新宿主免疫系统对它们的“剿杀”,也会主动进化。按照生物学标准的“变异——生存”模型。今天的病毒A,明天会裂变出儿子A1,后天裂变出孙子A2……。
人的身上,长期携带几千种病毒。都是当年各种“传染病”遗留下来的。这些病毒的存在,可以使得人类不会再受“类似”病毒传染。比如,康熙皇帝得过天花后,反而被确定为皇位继承人——因为这种病熬过去活下来,体内就有了所谓的抗体——不再怕感染天花。如今,在我们的身体里,微生物的数量已经超过人体细胞的数量。宿主与病毒长期相处,甚至有一些病毒,对我们是无害的,或者说已经是我们身上的微生物群落中的一员了。
那有人就问了,烈性病毒又是怎么回事?
其实, 一般而言,“毒害”最轻的病毒,反而传播最广,生存几率最大。因为病毒传播的目的是为了繁殖自己,这是地球生物的共同法则。如果病毒很快把宿主杀死了,病毒也就没有办法繁殖自己,所以这对病毒本身来说并不划算。
但为何又有些病毒,非常的凶猛,人体感染之后,很快就会发病,并且还会死亡?
实际上,有时候病毒也是没办法的,因为宿主变化后,特别是跨物种传染后,他们的进化也需要过程。比如我们知道的蝙蝠,身上带有很多病毒,一旦传到人身上,人就受不了。因为同为哺乳类生物宿主,人类与蝙蝠是差别很大的。比如,蝙蝠的正常体温是40度,适应了40度体温的病毒,一旦传到人身上,人哪还能受得了?要知道,即便同为人类的各个种族之间,免疫系统也是有差异的。
病毒虽然没有思维,但是庞大的数量会构成进化算法。它们非常“聪明”,会快速变异以便于更好的繁衍。不利于传染的变异个体很快死掉了,只有那些适于生存和传染的变异体才会走得更远。所以,一般来说,病毒在进化和变异的过程中,它会向着低毒性和更强的传染性发展。

从这个意义上来说,病毒的终极目的是为了与宿主共生。

媒体人,科普作家。
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