致与病毒搏斗的你!


我们的一生
注定要与病毒搏斗

它们数量庞大
遍布陆地和海洋
以及我们呼吸的空气
有科学家估测
仅海洋中的病毒颗粒就超过
10000000000000000000000000000000
即1×10³¹个
(病毒数量依据微生物学家Lita Proctor的估算;下图大量紫色颗粒为中东呼吸综合征冠状病毒,附着在绿色的细胞上,扫描电镜成像,后期着色,图片源自@NIAID)

它们行事狡诈
可以感染一切生物
可以突破种间屏障
在人与动物之间
跨物种传播
(果子狸,有研究认为它是SARS冠状病毒的中间宿主之一,摄影师@邹滔

它们手段残忍
可以置人于死地
引发人类社会高度警惕
甚至严重的恐慌

恐慌的人们
不知道病毒将如何对待他们
不知道自己的身体
将发生怎样的变化
而本文就将为你揭示
这一切


 Round 1 
病毒的进攻

病毒是一种寄生物
它们没有细胞结构
必须入侵人类等生物体
借助生物体的细胞进行增殖

因此
入侵
不择手段地入侵
便是病毒唯一的目标
(流感病毒在细胞内完成增殖后,正从细胞表面出芽释放,黄绿色为病毒,透射电镜成像,图片源自@NIAID)

它们四处游荡
寻找你身体的破绽
包括以皮肤和黏膜为主的
五大入侵方向
首先是你的

皮肤

皮肤覆盖在我们的身体表面
与外界大面积接触
然而皮肤的最外层
却是由死细胞组成的角质层
极难突破
几乎没有病毒
能从这里入侵
手掌及脚掌皮肤的表皮结构示意,其他部位的皮肤没有透明层,制图@赵榜)

但是
当你被蚊虫叮咬、猫狗抓咬
文身、擦伤、皮肤溃疡
以及用不洁净的针头注射
均会令表皮防线出现漏洞
由蚊虫传播的登革热病毒寨卡病毒
以及由猫狗等动物传播的狂犬病毒
多种病毒
便会趁虚而入

所以
请爱护你的皮肤
切莫自毁长城
(蚊虫叮咬示意,制图@郑伯容)

既然皮肤无法进入
那么同样暴露在外的

眼睛

便成了第二个入侵方向
然而
包裹眼球的眼睑(结膜)
每隔几秒
便会扫过眼球一次
以其分泌物清洗眼球、清除外来微粒
让病毒很少有机会感染眼睛

但是一些受污染的环境
仍有可能带来危害
例如不洁净的游泳池
或者用沾染病毒的手触摸眼睛
或者空气悬浮物中的病毒接触结膜
(这也是为什么医护人员需要佩戴护目镜甚至面罩的原因,下图拍摄于湖北黄石市,摄影师@何戈)
接下来的第三个入侵方向

泌尿生殖道

也没有那么容易
以女性阴道为例
阴道上皮表层细胞不断脱落
不利于病毒附着

且阴道中通常有黏液保护
对人体有益的乳酸菌
也会选择在这里生活
创造出低pH的酸性环境
许多病毒对酸性环境敏感
只能退避三舍
(嗜酸乳杆菌,阴道菌群中的一种,图片源自@Wikimedia commons)

突破阴道防线的
人类的性行为
性行为时
阴道上皮组织被破坏或磨损
病毒便获得了侵入内层的机会

臭名昭著的
人类免疫缺陷病毒
(HIV,也称艾滋病毒)
甚至可以不待磨损
直接从上皮细胞中“挤身而过”
片刻欢娱之间
你就中招了
(HIV以人类免疫系统的淋巴细胞为入侵目标,下图黄色球形即淋巴细胞表面的HIV,扫描电镜成像,图片源自@VCG)

第4个入侵方向为

消化道

这里的环境对病毒而言
依然“恶劣”
它们先是在口腔中遭遇
能杀伤很多病毒的唾液
当到达胃部
又会碰到胃酸消化酶

好不容易到达肠道
胆汁又将它们杀个几乎片甲不留
而且肠道中众多的有益菌群
也增加了病毒攻城掠地的难度
可谓层层设防
(消化道“防线”示意,制图@郑伯容)

能在这种条件下生存下来的病毒
往往得有点特殊技能
可以造成肠胃炎的轮状病毒
拥有三层蛋白质保护壳
从而保护它抵消
消化道“恶劣”环境的影响

尤其是婴幼儿
他们的肠道菌群尚不完善
免疫系统也还未发育成熟
一旦病毒入侵肠道
便极易引发腹泻
(轮状病毒的三层蛋白质外壳,制图@赵榜)

说完皮肤、眼部、泌尿生殖道和消化道
接下来的第5个入侵方向
则是病毒们最”喜闻乐见”的一个

呼吸道

大量病毒
选择从这里入侵
(呼吸道主要病毒示意,制图@郑伯容

以肺部为例
人类的肺部拥有约3亿个终末肺泡
展开后总面积高达100平方米
吸入的气体就在这100平方米中
充分接触、交换
被病毒入侵的机率
大大增加
(人体肺部结构示意,制图@郑伯容)

但呼吸道也并非毫不设防
其表面覆盖有纤毛
还有一层黏液包裹
一些病毒颗粒被黏液捕获
由纤毛推入咽喉
随即被吞咽
或被咳出
从而失去入侵的机会
(呼吸道上皮组织结构示意,制图@郑伯容

皮肤、眼部、泌尿生殖道
以及消化道、呼吸道
这便是病毒的5大入侵方向

了解了这些
想必你也已经明白
你的身体已经为病毒
设置了重重防线
只要你注意保护
以及改善个人卫生和生活习惯
还是有很多机会阻止病毒的入侵

你的敌人强大、阴险、狡诈
但是你知彼知己
也就有了御敌之道
(病毒入侵的5大方向,制图@郑伯容

然而
之前的你
可能并没有意识到这一点
残暴的欢愉终将引来残暴的结局
病毒还是冲进了你的体内

是时候启动
下一个防御系统了
先天免疫系统

 Round 2 
人类的反击

先天免疫系统
之所以称为“先天”
是因为它是人类历经百万年进化后
为每个人类成员配备的
与生俱来的防御系统
该系统主要由三支大军构成

当病毒进入人体
受到攻击的细胞立即发出“警报”
随后
一支警戒部队”便登场了

干扰素警告系统

干扰素是一种信号蛋白
它产生于受感染细胞的内部
可以抑制该细胞的合成功能
防止被病毒用于自我复制
(下图是被牛痘病毒感染的细胞,蓝色荧光标记的圆形是宿主细胞的细胞核,而细胞核旁边的蓝色区域则是病毒进行复制、装配的“病毒工厂”,图片源自@VCG)

另一方面
它也会被输送到细胞外表
向周围的细胞发出预警
“你们很可能被入侵”
“请随时准备关闭合成功能”
“以免被病毒利用”

与此同时
第二支大军
真正的“攻击部队”也开始出动

吞噬细胞

顾名思义
即负责“吞食”病毒等有害物质的细胞
(人体主要吞噬细胞示意,制图@赵榜

其中
巨噬细胞
是吞噬细胞家族中的大胃王
它们平时处于
“四处闲逛偶尔进食”的“静养”状态

但当病毒出现
巨噬细胞便会如触电般活跃起来
大口吞食入侵者
(巨噬细胞正在吞食细菌,仅作示意,扫描电镜成像,图片源自@NIAID)

如果入侵者数量过多
巨噬细胞还会召唤其他吞噬细胞
前来助阵
中性粒细胞
便是最大的一支生力军
成年人体内的中性粒细胞
总兵力可以高达200亿只
(病原体被中性粒细胞的胞外陷阱所捕获,扫描电镜成像图片源自@NIAID)

除了“预警部队”“攻击部队”
考虑到许多病毒表面缺少“抓手”
不利于吞噬细胞吞食
先天免疫系统又贴心地组建了
第三支大军
负责补充辅助的“助攻部队”

补体系统

补体系统的补体蛋白大量出动
粘在入侵者的表面
一番“修饰”后
巨噬细胞、中性粒细胞
对病毒狼吞虎咽得更方便了
(补体的调理作用示意,制图@赵榜

不过
也不要小瞧这些助攻手
许多时候它们也会直接出手
通过在病毒表面打孔
让病毒裂解
堪称“生撕活剥”

警戒部队攻击部队助攻部队
三支大军紧密配合
病毒们损失惨重
但是此时的你
也相当不爽

你的神经系统
开始促使体温升高
升高的体温再次加速免疫细胞
向感染区迁移
这种现象便是
发烧
(黑龙江大庆市一发热门诊,摄影师@王理达)


为了向战斗部位输送援军
你的血管舒张、血流加快
毛细血管充血
导致你的肤色发红
甚至出现红斑

血管的通透性增加
血管中的细胞和体液
更容易向周围组织渗透
从而引发组织肿胀

如果是鼻腔肿胀
就会令你感到鼻塞
鼻腔血管中的液体不断渗出
又令你鼻涕大增
激战中死去的细胞
则会变成脓涕

另一些化学物质
还会刺激神经末梢
造成肌肉疼痛

红、热、肿、痛
以上所有反应被称为

炎症反应

是你的身体对抗入侵者的体现

当你忍受炎症
似乎胜利在望
但是道高一尺,魔高一丈
病毒在斗争中不断提高技能
与免疫系统对抗

包括
以惊人的速度复制增殖
天下武功,唯快不破
流感病毒鼻病毒在6-7个小时内
就可以在一个细胞内
复制成千上万的个体
(甲型流感病毒H1N1亚型,曾引发1918年“西班牙流感”,死亡人数超过5000万人,图片源自@VCG

腺病毒更是可以在一个细胞内
制造多达10万个病毒颗粒
是大多数病毒的10-100倍
可谓“基建狂魔”

此时即便先天免疫系统
已经消灭了许多病毒
但是病毒根本不在乎伤亡
它们是拥有集群优势的狂热分子
(腺病毒,具有二十面体的外形结构,图片源自@VCG)

还有些病毒
则以其人之道,还治其人之身
它们找到了干扰“干扰素生产的方法
比如麻疹病毒轮状病毒
(轮状病毒,其外壳表面有大量刺突,图片源自@VCG)

总之
这是一场“非人”的入侵
病毒的任何策略
都残忍而合理

幸运的是
正当你手足无措之时
数个“侦察兵”悄然来到了你身体的军火库
一个隐藏的防御系统
被惊醒了
听!
这是适应性免疫系统的怒吼!


 Round 3 
决战

先天免疫系统“广谱性”显著
其工作方法是
“使用相同的武器,防御不同的病毒”
虽然可以消灭大部分入侵者
但是对特殊的、罕见的
以及“艺高人胆大”的狠角色
则显得力不从心

适应性免疫系统
则改换策略
“使用不同的武器,防御不同的病毒”
来一个,打一个
你的肉身
就是这么强大
(两大免疫系统特点示意,制图@郑伯容

它由两支特种部队组成
但因杀伤力太过强大
稍有不慎便可能伤及自身
造成组织损伤,甚至危及生命
所以调用这两支部队必须得有凭证
那么,凭证从哪里来呢?

前文提到的“侦察兵”
就担当了取得凭证的任务
它们由少量巨噬细胞树突细胞等组成
在前线战场“肢解”部分入侵者后
迅速撤出战场
并将入侵者身体的一部分
送达适应性免疫系统
这,就是凭证
(一个吞噬细胞正将病毒蛋白向多个T细胞传递,这个过程被称为“抗原呈递”,中间为吞噬细胞,图片源自@VCG)

拿到凭证的第一特种部队

T细胞

立即对入侵者的残肢展开研究
T细胞因在胸腺(Thymus)中成熟
而以胸腺第一个英文字母命名
在我们的身体中
拥有300亿个这样的T细胞特种兵
它们身怀各异的绝技
针对性击杀某种特异的病毒
(T细胞攻击受感染细胞概念图,灰色为T细胞,图片源自@NIAID)

经过比对
最能对付该病毒的那些T细胞被选中
特种兵生产工厂随即开动
以该T细胞为原型
大量生产新的特种兵
杀伤性T细胞
(cytotoxic T lymphocyte,CTL)

杀伤性T细胞出动
逐个扫描感染区的细胞
试图寻找被病毒入侵的细胞
并杀死它们
(3个杀伤性T细胞正在“围攻”中间的癌细胞,蓝色标记的是细胞核,红色标记的是含有杀伤性化学物质的囊泡,如同“死亡之吻”,攻击被病毒感染的细胞同理,图片源自@NIAID)

而此时
被病毒入侵的细胞也深明大义
它们在表面放出一种蛋白质
向杀伤性T细胞疾呼
“向我开炮”

于是
杀伤性T细胞将一种酶
注入被入侵的细胞
从而“毒死”后者
或者帮助后者启动“自杀程序”
与细胞内的病毒同归于尽
是为细胞凋亡
(杀伤性T细胞工作原理示意,制图@赵榜/星球研究所

紧接着
吞噬细胞将死亡的细胞
连同病毒一起吞下
干干净净、了无痕迹

清除了受感染的细胞
但在细胞外还有大量的病毒颗粒存在
这时候就需要第二特种部队

B细胞

出场了
它因在骨髓(Bone marrow)中发育成熟
而以骨髓的第一个英文字母命名
在我们的身体中
拥有30亿个B细胞特种兵
同样针对不同的病毒
练就各自不同的本领
(下图粉色的为B细胞,扫描电镜成像,图片源自@VCG

当B细胞拿到凭证经过比对
最能有效消灭某种病毒的某些B细胞被选中
特种兵生产工厂再次开动
不过这次工厂克隆出的细胞
不再直接奔向战场
而是把自己变成生产机器
生产出专门针对某种病毒的蛋白质
抗体
(B细胞分化为浆细胞,浆细胞开始大量产生抗体,即图中Y型的小颗粒,概念图,图片源自@VCG

抗体可以结合到病毒表面
让病毒失去入侵细胞的能力
也可以帮助补体标记病毒
利于吞噬细胞的吞食
甚至还可以通过胎盘
进入胎儿体内
为脆弱的新生儿提供保护

可见
抗体一出
病毒也就基本走上了绝境
(抗体大量附着在病毒表面,使其失去感染能力,概念图,图片源自@VCG

在抗体的作用下
细胞外的病毒颗粒也终于被清除
现在
细胞内外,海晏河清
你的身体也恢复了正常

但是事情并没有结束
一些B细胞与T细胞早就未雨绸缪
它们不再生产抗体及杀伤性T细胞
而是留存下相应的“档案”
是为记忆B细胞记忆T细胞

有了它们
当我们的身体再次遇到同样的病毒
便会立即生产相应的抗体和杀伤性T细胞
在你几无察觉的感染初期
便将病毒清除
这也正是人们感染某些病毒后
不会再次感染发病的原因
(面对相同的病毒记忆B细胞可以迅速产生大量抗体;下图为概念图,上部为B细胞,下部为病毒,图片源自@VCG)

至此
想必你也已经清楚
皮肤等物理屏障
先天免疫系统适应性免疫系统
构成了我们人体的三层防御体系
再加上记忆细胞的“存档”
人体每经历一次病毒的进攻
免疫系统就有可能获得一次提升
正所谓
“杀不死我的,必使我更强大”

正是这样的机制
让人类在百万年来
从绝大多数的病毒进攻中
生存下来
这也正是人体的强大之处
(人体三层防御系统功能示意制图@郑伯容/星球研究所)

但是
这样的系统也存在明显的bug

时间

适应性免疫系统虽然强大
但是一般需要一周甚至更长时间
才能生产出足够的抗体和杀伤性T细胞大军
这给病毒留出了可趁之机

它们往往
在适应免疫系统还没有启动前
便已经完成攻击
我们体内就没有形成相应的记忆细胞
导致病毒可以多次感染同一个人
(T细胞,适应免疫系统的“特种部队”,黄色为血小板,图片源自@VCG)

再者
人类向野生动物栖息地的扩张
使之前较少与人类接触的动物
与我们发生联系

新病毒

从这些野生动物身上
不断跳跃到人类
令我们的免疫系统应接不睱

例如
世界上已知最恐怖的病毒之一
致死率超过50%的埃博拉病毒
便可能是从果蝠跳跃到人类的
(赞比亚卡桑卡国家公园中的果蝠图片源自@VCG)

而广为人知的HIV
其1型病毒由黑猩猩跳跃到人类
从识别至今不过数十年时间
却已经感染了7500万人
今天
全球每200个人不到
就有一个人携带该病毒

HIV会把自己的基因
整合到人类基因组中
并占有人类的免疫系统
造成该病毒的清除极为困难
(非洲利比里亚黑猩猩,图片源自@VCG)

更为严峻的是
现有的病毒通过基因突变重组重配
也在不断

进化

我们对病毒世界了解还远远不够
我们对自身免疫系统的了解
也远远不够

登高极目方知天地之大
置己苍茫乃知寸身之微”

路还很长
科学加油!人类加油!
在病毒的进攻中
请让我们更加强大
(制图@郑伯容)



来源:星球研究所(撰稿:所长;编辑:桢公子;设计:郑伯容、赵榜、王申雯;图片:谢禹涵、任炳旭;审校:风子;专家审核:吕翔、李雷、冬冬

本期编辑:李娜、林帆


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本篇文章来源于微信公众号: 人民日报


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