新型冠状病毒引起的肺炎感染人数还在增加,截至2020年1月29日,确诊人数已经超过4000人。病毒到底是什么?它是如何感染人体的?我们又该如何对付它呢?
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1病毒的发现
哥伦布发现新大陆后,看到美洲的土著居民有抽烟的习惯,就把烟草带回欧洲种植。很快,人们发现烟草会感染一种疾病:烟草花叶病,感染后烟草的叶子会变皱。
正常(左)、生病(右)的烟草花叶
Tobacco virusdisease
1883年,德国科学家迈尔首先对这种疾病进行了研究:他把患病叶片的汁液涂抹在健康的烟草叶上,发现健康的烟草叶也会患病。迈尔怀疑这是由于细菌引起的,但是在显微镜下却无法找到这种细菌。
1892年,俄国科学家伊万诺夫斯基改进了这个实验:他将患病叶子的汁液经过一种特殊的过滤器:尚柏朗过滤器,这种过滤器可以滤掉液体中的细菌,然后用过滤后的汁液涂抹健康的烟草叶子,结果发现烟草叶子依然患病。
德米特里·约瑟福维奇·伊万诺夫斯基
ДмитрийИосифович
伊万认为:烟草花叶病的病原体是一种比细菌还小的物质,这种物质应该是微小的、不可见的细菌,或者是细菌的分泌物,于是把它命名为滤过性病毒。
后来人们才认识到:这种滤过性病毒并不是小细菌,也不是细菌的分泌物,它要比细菌小的多,用光学显微镜没办法看到。直到20世纪初人们发明了电子显微镜之后,才能一窥病毒的庐山真面目。
电子显微镜
1935年,美国科学家斯坦利成功的分析出烟草花叶病毒由蛋白质和遗传物质RNA组成。同时他还通过一些方法将病毒结晶,人类第一次在电子显微镜下看到了病毒的真面目。斯坦利也因此获得了1946年的诺贝尔化学奖。
烟草花叶病毒
Tobacco mosaic virus
到了二十世纪下叶,各种病毒陆续被人们发现了。人们发现病毒是一种非常特殊的物质:生命都是由细胞构成的,但是病毒只有蛋白质外壳和内部的遗传物质,没有细胞结构。而且,在细胞外,病毒完全没有任何生命活动,如同粉尘和空气一般,从这一点上看,病毒不应该算生命。可是病毒含有遗传物质,一旦进入细胞就可以利用宿主的有机物进行自我复制繁衍,这样看来,病毒又好像是活的。人们至今为止也没有弄清楚病毒究竟应不应该算作生命,我们把病毒叫做生命的边缘。
2病毒的结构
我们知道:人类的遗传依靠DNA(脱氧核糖核酸),如果把细胞比喻成一个工厂,DNA就是厂长,负责制定生产计划。但是厂长不会直接到车间里指导工人生产,而是会把自己的指令传递给车间主任——RNA(核糖核酸)手里,再由车间主任到车间里指导工人——核糖体生产所需要的蛋白质,这个过程叫做转录和翻译。所以,DNA和RNA上其实都携带了遗传信息。病毒的种类繁多,遗传物质也分为DNA和RNA两种,分别叫做DNA病毒和RNA病毒。
转录和翻译
在病毒的遗传物质外面,还包有一层蛋白质外壳。不同种类的病毒样子差别巨大,例如:烟草花叶病毒的蛋白质外壳成杆状,腺病毒的蛋白质外壳成正二十面体形状,并长有刺突。而专门寄生细菌的噬菌体则长相更加奇怪:正二十面体的头部外壳、柱状的管道,和几只可以抓住细菌的脚。在病毒家族中,噬菌体的数量占绝大多数,这说明细菌是病毒的主要宿主,海洋中每天有40%的细菌是被噬菌体杀死的。
这一回的新型肺炎病毒是一种冠状病毒,它的遗传物质是单链RNA,一般认为这种病毒的变异能力比双链病毒更强。除了遗传物质和蛋白质外壳外,冠状病毒还有一层薄膜,用以保护病毒内部结构。在薄膜上还有许多个突起——刺突,它将会在病毒感染的过程中起到重要作用。也因为它长得象国王的王冠,所以被命名为冠状病毒。
冠状病毒
Coronavirus
3病毒的感染过程
病毒感染细胞的过程非常复杂而神奇,不同种类的病毒感染方式也不一样。我们以腺病毒为例,简要介绍一下病毒的感染过程。你会发现,在数十亿年时间里,病毒进化出了一种神奇的欺骗和伪装本领,一步步实现自己的目的。
当一个腺病毒进入动物体内时,首先遇到的防御是动物体内的抗体蛋白,这些蛋白可能会包围住病毒颗粒,使其无法进入细胞,并最终被免疫细胞吞噬。这个过程宛如战争中伞兵降落和地面防御战一般激烈。如果全数病毒被歼灭,则战斗以寄主的胜利告终。假如寄主之前没有遇到过这种病毒,特异性的抗体数量不足,就会有一些病毒落到细胞表面,战斗进入到第二环节。
病毒在细胞外冲破抗体防御
在抗体的火力下残余的病毒会降落到细胞表面。细胞表面覆盖了一层膜——细胞膜。这层膜允许水和氧气这样的小分子通过,但会对蛋白质之类的大分子进行选择:只有那些符合需要的大分子才能通过。细胞膜表面有一些特殊的蛋白质受体,就好像一个一个的锁,只有打开这些锁才能够进入细胞膜。狡猾的病毒恰好具有了这把锁的钥匙——刺突。它能够与细胞膜表面的某些蛋白质受体结合,让细胞误以为病毒是自己需要的物质,从而打开细胞膜,允许病毒进入。
病毒在细胞表面着陆
病毒进入细胞膜
进入细胞膜后,一层细胞膜会包围在病毒外,形成一个囊泡,囊泡会带着病毒颗粒运动,并遇到细胞中的另外一种囊泡结构——溶酶体。溶酶体的作用是分泌出酸性物质,分解不需要的蛋白质,变成小分子供细胞使用。显然,病毒是细胞所不需要的,溶酶体试图将其分解。
溶酶体试图将病毒分解
可是这正中了病毒的诡计:一部分外壳和刺突被脱掉,病毒内部释放出一种特殊蛋白质,它可以黏附在囊泡内壁,将囊泡撕裂。病毒终于真正意义的进入了细胞。
病毒释放出特殊蛋白质
囊泡破裂,病毒逃出
多数病毒的命运就到此结束了,因为自身没有动力,它们会在细胞里无助的游荡。然而,在亿万年的进化中,病毒发展出了一种利用细胞内部运输工具的能力。在细胞里存在一种马达蛋白,它们就像一群搬运工一样可以把细胞内的各种物质沿着细胞纤维进行搬运。病毒会欺骗马达蛋白,让它以为自己就是细胞需要的营养物质,从而让马达蛋白带着自己一步步向细胞核挺进。
马达蛋白带着病毒走向细胞核
终于,历经数次劫难,一少部分病毒终于来到了细胞的司令部——细胞核。细胞核的核孔周围有带有触角,这些触角会把有用的蛋白质拉进细胞核。刚好,病毒身上有伪造的通行证,它会让触角拉住自己。在触角和马达蛋白的撕扯下,病毒外壳最终破碎,里面的遗传物质——腺病毒的DNA释放出来,并从核孔中进入细胞核里。
病毒DNA进入细胞核
病毒终于完成了自己的使命,纵然成千上万的兄弟被免疫系统消灭,但只要有一个病毒进入细胞核,就能控制整个细胞。它会将自己的DNA连接到寄主DNA之上,就像一个间谍潜伏进了敌方的司令部。从此之后,作战指令就是由寄主DNA和病毒共同制定的了。病毒DNA会指导细胞合成自身的DNA和蛋白质,从而实现繁殖。
腺病毒感染细胞过程
在这个过程中,腺病毒一次次欺骗细胞:欺骗细胞膜表面的受体,进入细胞;欺骗溶酶体,从囊泡中跑出;欺骗马达蛋白,来到细胞核;欺骗细胞核孔附近的触角,进入细胞核;欺骗整个细胞,制造自己的DNA和蛋白质。不过,不同的病毒感染方式差别很大,比如冠状病毒是RNA病毒,它不需要进入细胞核里,在细胞质中就可以合成自身实现繁殖。
病毒DNA连接到寄主DNA后,不一定会立刻开始复制自己。有时候它会潜伏下来,在很长一段时间内随着寄主细胞的分裂实现自身的繁殖。潜伏时间可长可短,比如HIV病毒,它逆转录出的DNA可以在人体细胞中潜伏长达十年之久。十年后,当病毒开始爆发时,就谁也无法与之抗衡了。
HIV感染过程图
HIV ReplicationCycle
有趣的是,有些病毒在细胞内潜伏时间太长了,它的启动因子可能被寄主自身的修复机制修复,造成它无法爆发。就像一个间谍在敌方司令部呆的时间太久,忘记了自己本来的使命一样。如果这些病毒感染了人体的生殖细胞,就会实现病毒遗传。科学家们认为,人体内DNA的8%都是在进化过程中各种潜伏在人体细胞中的病毒遗留下来的。
4冠状病毒
到目前为止,人们已经发现了七种可以感染人的冠状病毒。这七种病毒中有四种只会引起轻微感冒,还有三种可以引起致命疾病,分别是2002年底在中国爆发的SARS病毒、2012年底在沙特阿拉伯爆发的MERS病毒,和现在在武汉爆发的新型冠状病毒,它们都是单链RNA病毒,容易发生变异。
SARS病毒
SARS Coronavirus
从传染性和致病性上看,三种病毒又有所不同。SARS病毒造成全球8000多人感染,770多人死亡,病死率约10%。MERS病毒造成全球1200多人感染,450多人死亡,病死率超过40%。我们知道,烈性病毒鼠疫,在经过良好治疗的情况下,病死率也只有5%,这两种病毒的致死性比鼠疫更甚。
MERS病毒
MERS Coronavirus
对病毒本身来讲,高致死率并不是一个最好的选择,病毒的本意是为了复制和传播自己,而不是为了让宿主死亡。致死率太高会造成感染宿主迅速消失,不利于病毒的传播,在自然选择中这样的病毒都会被淘汰。我们有理由怀疑,这两种病毒原本并不在人类身上,而是潜伏在动物身上。
例如SARS病毒,一般认为是蝙蝠身上携带的,它在蝙蝠身上并没有如此之高的致死率,而且蝙蝠与人相距甚远,病毒不会轻易传染给人。可是由于近年来人类对自然规律的挑战,破坏了野生动物的生活环境,或者接触、食用野生动物,才造成这种动物病毒传染给人类——SARS病毒就是从蝙蝠传染给果子狸,又从果子狸传染给人的。
SARS病毒传染路径

有人怀疑,这次的新型冠状病毒就是SARS的进化版。与SARS相比,它的潜伏期更长(7-14天),致死率更低(目前看是4%),从而具有更强的隐蔽性和传染性,有利于病毒的传播。目前感染新型冠状病毒死亡的病例多数是中老年人,或有其他身体疾病,而没有像SARS一样在很短的时间内造成大规模青壮年死亡。
5病毒是如何致人于死地的?
当病毒感染了人体细胞之后,细胞会启动自毁机制:将病毒的一部分碎片送到细胞膜表面,号召免疫细胞来消灭自己,以阻止病毒的蔓延。一个微弱的免疫反应并不会引起人体的不适,我们每天都在吸入大量的病毒,也有成千上万的免疫细胞帮我们消灭病毒,这一切都是在我们不知不觉的情况下完成的。
免疫反应

严重的免疫反应就是发炎。发炎时,我们身体的某些部位会变得红肿,这是因为该处的血液流速增加,血管膨胀(红),血管壁变得更通透,从而让更多的免疫细胞和水分从血管中流到组织液里(肿),有助于杀灭病毒和冲淡病毒。
发炎

如果发炎太厉害,却对人体是有害甚至致命的,这就称为细胞因子风暴。细胞因子是免疫细胞分泌的,用来促进免疫细胞产生和动员免疫细胞战斗力的蛋白质,如果免疫反应发现自身无法清除某种病毒,就会产生大量的细胞因子,动员出巨量强毒性的白细胞,宏观表现为严重的发炎。
细胞因子的作用
如果肺部引起细胞因子风暴,大量体液充斥肺部,会造成呼吸困难,甚至窒息死亡。大量血液透过血管壁流入体液中,会造成出血和缺血性休克。有些白细胞会对组织细胞进行无差别攻击,造成大量正常细胞死亡,器官衰竭。冠状病毒致死的直接原因正是如此——人体自身强烈的免疫反应攻击肺部。所以,平衡的免疫力才是最好的免疫力。
肺部严重发炎、体液充斥、形成白肺
6如何应对病毒
人们对于细菌感染已经有了很好的应对措施——抗生素。抗生素可以杀灭细菌或者抑制细菌繁殖,例如头孢的作用就是溶解细菌的细胞壁,造成细菌的死亡。可是,病毒根本不是细胞结构,所以所有的抗生素对病毒都是无效的。
当冠状病毒造成肺部感染,人体呼吸困难时,医生会用高压氧气支持,将氧气强行打入人体肺部,强迫人体呼吸。如果这种方法依然无法抑制肺部感染,人们只好采用激素治疗。激素是一种免疫抑制剂,它可以抑制人体的免疫反应,从而减弱发炎症状,让肺部的体液消失,恢复肺部功能。
但是激素是双刃剑,在减弱发炎反应的同时,会留下诸多后遗症。在SARS治疗时,由于病死率太高,死亡速度太快,医生不得已使用激素进行治疗,而在本次新性肺炎病毒的治疗上,使用激素治疗的报道还鲜有耳闻。
那么,有没有一种药物能够直接消灭病毒呢?比如,结合病毒表面的刺突,让病毒无法侵入细胞?
抗病毒药物构想

遗憾的是:人们在这方面还知之甚少。因为病毒的变异速度太快,针对某种病毒的药物刚刚被研发,病毒很快变异,药物就失效了。相对比较有效的药物达菲,也只在某些阶段对某些类流行感冒病毒有效。人们期待的像抗生素对抗细菌一样的广谱抗病毒药物,至今也没有发明出来。可以说,人类对病毒几乎是束手无策,最终只能靠人体自身的免疫细胞去识别和消灭病毒。
抗流感病毒药物:达菲

这一场新型肺炎来势汹汹,在1月20日的时候人们还在欢欢喜喜等待过年,结果到了21号,人们发现武汉好像整个城市都被感染了,全国人心惶惶,各种谣言满天飞。其实,人们的反应也很像免疫系统,最初人们没有认识到这种疾病有多么厉害,造成了病毒在社会上蔓延。现在社会力量被动员起来之后,又造成了一部分人的恐慌。本来头疼脑热这种小病没有必要跑医院的,现在都跑到呼吸科看病,造成医疗资源严重不足,同时也增加了自己被感染的风险。这就好像是大量的白细胞跑到肺部去,反而会把自己害死一样。
武汉某医院呼吸科
不管是病毒还是恐慌,对我们都是有害的。我想,大家不妨平静的在家里休息一段时间,好好享受疫情带给我们的超长假期,给政府、社会和医疗人员一点时间,最终免疫系统一定能够消灭病毒,就好像我们社会一定能够战胜这次疫情一样。
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