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病毒视角:如何攻击人类

2015-07-07 15:47 作者:陈赛来源:三联生活周刊 2015年第27期
virus源自拉丁语,指毒蛇的毒液,或男人的精液。一个神奇的词,同时意味着创造与毁灭。

有一个叫“瘟疫公司”的游戏,要求玩家站在传染性病原体的立场上,从单一起点出发,将病原体散布到世界各地,从而制造一场超级瘟疫,最终目的是毁灭全人类。在病原体的传播过程中,玩家必须不断修正它的传染性和抵抗力,以便应对来自世界各国政府及科学家们的反击措施。

这个游戏提供了细菌、病毒、真菌、寄生虫、朊病毒、纳米病毒和生化武器七种基本病原体,还在后续的更新版本中还补充了虚构的特殊病原体神经蠕虫、僵尸病毒以及猩猩流感等。

“以毁灭全人类为己任”听起来多少有点变态,却提供了一个很有趣的视角。一方面,你会发现以病原体的视角看世界,竟然有一种类似于宇航员从太空看地球的开阔感,人类的地理迁移、人口学变迁,都直观地呈现在一张不断变化的世界地图上。另一方面,换位思考病毒的“策略”问题,可以帮助我们解释这样一个问题,病原体作为相对简单的生命形式,尤其是病毒,简单到自己不能进行任何代谢过程,是如何在漫长的进化中留存下来,并发展出如此强大的杀伤力的?

病毒是地球上最小、最古老的微生物——如果一个人可以膨胀到一座体育场那么大,那么一个典型的细菌就有场上一个足球大小,而一个典型的病毒则相当于足球上一块六角形花纹那么大。它们自身缺乏生长或繁殖机制,必须依靠所感染的细胞存活,但它们几乎能以任何生物为宿主,从而能在地球上任何一个地方存活,无论是南极的层层冰川之下,还是撒哈拉沙漠的漫天沙尘之中。如果将海洋中的所有的病毒加起来,相当于7500万头蓝鲸的重量。如果将这些病毒头尾相连的排列起来,它们可以伸到60个银河系之外。当然,真正对人类有害的病毒只有极少数——据称,我们一生大概会遭到500~1000种病毒的侵袭。

对我们来说,引发疾病的任何病毒和细菌是邪恶的入侵者,如果它们有任何目标,那就是伤害我们。但从它们的视角来看,这些病原体与任何有机体的进化一样,只是利用环境资源不断地复制扩增、保存自我而已,只不过它们利用的(以及在过程中毁灭掉的)资源恰好是我们的身体。比如,很多病原体面临同样的生态挑战:合适的栖息地很少,而且距离遥远。想象一下你是一个病毒,在自己的栖息地——人类宿主,你已经感染了一些细胞,成功地复制了不少后代,但宿主的免疫系统已经盯上了你,正在设法抓住你、杀死你,加速发热的环境不再适合居住。你怎么才能让你的后代进入一个更友好的环境(比如一个新的、未经开发的人体)?

没有腿、翅膀、鳍或者任何交通手段,你的后代靠自己的力量达到下一个宿主的可能性为零。但是,自然选择已经为病原体提供了大量的逃亡策略,比如通过唾沫传播。狂犬病毒在杀死一只狗、蝙蝠或者其他温血的动物宿主之前,会扰乱它们的中枢神经,使它们陷入狂怒,同时从其神经系统转移到唾液里,以确保宿主只要一开口咬人,病毒就能进入新的宿主体内。

有些病毒通过蚊子传播。比如在寒冷的地区,每年只有在昆虫孵卵的短暂夏季里,间日疟原虫才能季节性地感染蚊子,所以它们不是全年都在消耗能量孕育子孙,而是大部分时间都蛰伏在人类肝脏内,到了夏天才骤然苏醒,积极生儿育女,并通过被感染者的血液进行传播。

还有一些病毒采取守株待兔的策略——在遇到新的宿主之前,它们能在宿主体外存活很长时间,比如天花病毒。

流感病毒(Influenza)有着更精妙的传播机制——它们藏匿在病人的呼吸道里,刺激你的鼻子,迫使你打喷嚏或者咳嗽,从而帮助它从一个宿主跳到另一个宿主。还有一种假说,认为流感病毒会激发人类宿主社交的欲望,这样它们才能在旧宿主的症状出现之前找到新的宿主。

英文Influenza源自15世纪意大利,中世纪欧洲医生认为此病源自不利之星象所造成的影响。如今,我们已经知道流感不是星象的杰作,而是一种病毒,只有10个基因,一旦进入宿主的鼻子或者喉咙,就会抓住并侵入呼吸道表面细胞,并利用宿主细胞不断复制自身的遗传物质和蛋白质外壳,而且效率极高。如果你感染了流感,你的呼吸道里每一个被感染的细胞都会制造上万个新病毒。你体内的流感病毒总量会在几天之内增加到100万亿个。这些病毒会不断感染和摧毁更多的呼吸道表面细胞和黏液(病原体的防御机制),就像割草机割草一样。

地球上但凡有冬季的地区都伴随着季节性流感。科学家并不清楚背后的原因,但一种假设认为,低温让病毒更加稳定,再加上干燥、凉爽通风,载满病毒的飞沫可以在空中漂浮很长时间,从而增加它们遇到新宿主的机会。

人类往往低估流感病毒的危险性。我们总以为最大的危险来自那些尚未为人所知的神秘病毒,隐匿在某些非洲丛林里,比如埃博拉病毒,去年仅仅在非洲就杀死了好几百人。埃博拉致命性虽高,却并不具备制造全球性流行病的能力,因为它必须通过体液的亲密接触才能传播。如果不想感染埃博拉,只要不接触患者或者死者的汗液、血液或者身体就行了。

进化生物学家认为,病毒的杀伤力与传播性之间是进化的一种制衡策略。想象一下,一种病原体最大限度地利用宿主资源,制造最多的后代,乍一看是一种进化优势,但到了一定程度就会适得其反,比如性传播的病原体,如果宿主太早失去行动能力,就没法找到新的性伴侣,传递病原体。这可能可以解释为什么性传播疾病一般旷日持久;而通过昆虫传播的病原体,比如疟疾、黄热病等,就没有必要考虑宿主的死活,这可能也是它们一般都非常致命的原因。

自然进化要在二者之间找到平衡,选择那些毒性强到足以产生很多后代,但又不至于破坏它由当前宿主传播到新宿主的机会。流感病毒显然找到了一个极佳的平衡点。它的杀伤力足够强,传播速度又快,范围极广,是世界上唯一一种没有地域限制的病毒,而且,它还能从一个物种跳到另外一个物种。

事实上,所有人类流感病毒最初的传染源头无一例外是鸟类。很多鸟携带病毒,但并不生病。流感并不感染鸟类的呼吸道,而是它们的肝脏,病毒随鸟的排泄物掉入水中,感染前来喝水的其他鸟类。

通过跨物种传播来扩大自己的根据地,这对于病毒维持自己在自然界的一席之地非常重要,但病毒感染一个新的宿主非常难。首先,病毒感染需要能够结合宿主细胞膜表面的受体。不同宿主细胞表面的受体差别很大,病毒想要通过突变,获得结合其他宿主细胞表面受体的能力并不容易。其次,病毒进入宿主细胞后需要利用宿主细胞内的原料来复制自己的基因组和生产病毒粒子所需要的包装材料,这个过程会受到多种宿主因子的限制。最后,病毒感染新的宿主,对于新宿主来说往往是一场灾难。如果缺乏长时间的适应过程,再加上宿主体内往往没有针对这种病毒的抗体,可能会在短时间内导致宿主出现严重症状和死亡,这对于病毒来说也往往意味着终结。

但这些是会变化的。流感病毒在复制基因的时候经常出错,所以产生了大量的基因变异。有些变异对病毒没有影响,有些会使它失去复制的能力,但也有一些变异会增强它们的生存优势,比如有些变异帮助病毒改变蛋白的形状,更容易抓住宿主的人类的受体细胞,或者帮助病毒应对体温问题——人的体温比鸟类要低很多……当变异累积到一定程度,流感病毒株感染人的能力也不断增强,还进化出新的传播路径。在鸟类身上,病毒的路径是从肝脏—水—肝脏;在人类身上,病毒则从呼吸道到飞沫再到呼吸道。

当两种不同的流感病毒在同一个细胞内相遇,它们会互相交换基因,产生全新的病毒,同时带有两种病毒的基因,科学家将这个过程比喻为病毒版本的“性交”。这种基因交换在流感病毒的进化史上起到了关键作用。四分之一携带流感病毒的鸟类体内有两种或者两种以上的病毒株。这些病毒通过基因交换,得以在不同的鸟类物种之间移动。偶尔,一个禽流感病毒还可能勾搭上人型流感病毒,这意味着真正灾难的发生——新的病毒株能轻易地在人与人之间传播,而且人类的防御系统对新病毒毫无经验,更无法遏制它的扩散。2009年,人类痛苦地意识到,原来禽流感还可以感染猪,猪流感又从猪跳到了人身上,当年爆发的猪流感(pH1N1),从墨西哥开始,短短数月内扩散到全球208个国家,累计导致1.8万人死亡。

据世界卫生组织统计,1940至2004年共发现154种新型病毒性疾病,其中四分之三的传染病是由动物传播给人类的(或称动物传染病)。两个物种的亲缘关系越近,一种微生物在二者之间成功流动的可能性就越大。人类近20%的主要传染疾病由灵长类动物传播,其中包括HIV病毒。HIV病毒的历史可以追溯到800万年前一个相对简单的生态互动:中非的黑猩猩捕食猴子,感染了猴子身上的两种病毒——红顶白眉猴SIV基因片段和大白鼻长尾猴SIV基因片段发生了重组,构成了黑猩猩的SIV病毒,然后在19世纪晚期或者20世纪早期某个时候,又从黑猩猩身上跳到人类身上,变成了HIV病毒。

HIV病毒是通过血液和性行为传播的,传播能力赶不上流感病毒,但就狡猾程度而言,可能没有比HIV更厉害的病毒了——它攻击的目标恰恰是侦查和阻止病毒进入人体的免疫系统。它会抓住一种叫cd4t细胞的免疫系统,二者就像一对肥皂泡一样融合在一起。HIV是一种逆转录病毒,它将自己的基因材料插入细胞的基因组之中,操控细胞为己所用,复制更多的HIV病毒,从而感染更多的细胞。与流感病毒一样,HIV病毒在自我复制过程中也经常出错,这些变异为自然选择提供了素材,从而制造出更具有适应性的病毒。在单一宿主体内,自然进化就能改善病毒逃脱免疫系统监视的能力。免疫系统崩溃后,任何一个普通的感染对人体来说都是致命的。艾滋病的危险性不在于HIV本身,而是感染HIV后的各种感染所带来的并发症。

华盛顿大学的微生物学家厄休拉(Ursula Goodenough)曾经提出,人类免疫系统与传染病病原体之间战争是缓慢与旷日持久的,就像“冷战”一样。自从人类发明了抗生素,几乎能够对抗所有的细菌,却对病毒一筹莫展——抗生素的原理是干扰和破坏细菌的新陈代谢,但病毒寄生于活体细胞之内,并不具备独立的代谢功能。

在17世纪的英国,治疗鼻病毒(造成普通感冒的最常见病毒)的药物包括火药、鸡蛋和油炸的动物粪便和脂肪,今天科学家仍然没有找到可以对抗这种病毒的方法。有统计数据说,每个人一生平均要花一年的时间因为感冒而卧病在床。就这一点而言,鼻病毒也可算是相当成功的赢家了。

在与人类的战争中,唯一遭遇真正惨败的是天花病毒。天花曾经是地球上最危险的疾病之一。在18世纪末,天花每年都会夺走大约40万欧洲人的生命。仅在20世纪,全世界范围内就有约计3亿人死于天花。这种病毒会让患者身上出现可怕的症状——天花疱疹,疱疹表面覆盖着一层坚硬的外壳,里面充满不透明液体。这些疱疹会在幸存者皮肤上留下标志性的皮损和结痂,让人面目全非。

从1965年开始,世界卫生组织展开了在世界范围内根除天花的计划,并于1979年宣布天花作为一种疾病被剿灭。天花之所以被人类彻底打败,一是因为人类制造出了高效的疫苗;二是它在人类中传播太久,已经失去了感染其他物种的能力。它唯一的宿主就是人类。只要免疫地球上所有的人,天花就无处存活。

但是,最后一批天花病毒仍然保存在美国和俄罗斯被高度保护的实验室冷冻环境中。2010年,当世界卫生组织再次就是否摧毁地球上最后一批活天花病毒样本展开辩论时,事情已经发生了戏剧化的转折——科学家已经破解了天花病毒的所有基因序列,具备了人工合成天花病毒的所有技术手段。人类的知识给了天花最后的不死之身,确保了它永远不可能被“根除”。

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