這張掃描電子顯微鏡圖像顯示的是,實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的細(xì)胞表面出現(xiàn)新冠病毒(呈金色圓形)。這種病毒是新冠肺炎的罪魁禍?zhǔn)住?/p>
供圖:NIAID-RML
撰文:KATHERINE J. WU
據(jù)估計(jì),在我們這顆星球上,病毒的數(shù)量達(dá)10的31次方,足以給宇宙里的每顆恒星送去1億個(gè)病毒。
病毒存在于大自然的每個(gè)角落,它們?cè)诤K蟹v,漂浮在大氣中,或者潛伏在土壤微塵中。這些病原體通常被視為非生命體,只能依靠宿主復(fù)制;它們會(huì)劫持生命之樹(shù)的每一根枝椏,包括大量人類(lèi)細(xì)胞。
不過(guò),大多數(shù)時(shí)候,在這個(gè)充滿(mǎn)病毒的世界里,人類(lèi)物種都會(huì)生活在相對(duì)沒(méi)有疾病侵?jǐn)_的環(huán)境中??屏_拉多大學(xué)博爾德分校的病毒學(xué)家、疾病生態(tài)學(xué)家Sara Sawyer告訴我們,這背后的原因,與人體適應(yīng)疾病沒(méi)有太大關(guān)系,而是和病毒本身的生物特性有關(guān)。這些病原體在選擇感染哪些細(xì)胞時(shí)非常挑剔,而且我們周?chē)牟《局挥袠O少部分會(huì)對(duì)人體構(gòu)成真正的威脅。
盡管如此,如今肆虐全球的新冠病毒仿佛在昭告天下:新型人類(lèi)病毒大爆發(fā)的確會(huì)發(fā)生,而且并不意外。
為了更好地預(yù)測(cè)和防止疫情爆發(fā),科學(xué)家正在努力研究病毒的特性,試圖找到為什么有些病毒會(huì)傳染給人類(lèi),其他的卻不能。有些病毒變異更頻繁,可能有助于傳染給新宿主;另一些則通過(guò)與人類(lèi)接觸的動(dòng)物作為跳板,實(shí)現(xiàn)跨物種傳播。
蒙大拿州立大學(xué)的疾病生態(tài)學(xué)家Raina Plowright說(shuō),大流行病“實(shí)際上是有模式可循的,而且是可預(yù)測(cè)的模型”。
跨越物種
大部分新的傳染病進(jìn)入人群的方式與新冠肺炎一樣,它們都是人畜共患病,即通過(guò)動(dòng)物傳染給人的疾病。一般認(rèn)為,哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)攜帶約170萬(wàn)種未被發(fā)現(xiàn)的病毒,全世界的科學(xué)家因此調(diào)查全球的野生動(dòng)物,為下一次人類(lèi)大流病的到來(lái)做好準(zhǔn)備。(細(xì)菌、真菌和寄生蟲(chóng)也會(huì)從動(dòng)物傳染給人類(lèi),但這些病原體繁殖通常不會(huì)感染宿主,而且很多病毒更擅長(zhǎng)跨物種傳播。)
為了成功實(shí)現(xiàn)跨物種傳播,病毒必須清除一系列生物學(xué)障礙。麥考瑞大學(xué)的病毒學(xué)家Jemma Geoghegan說(shuō),病原體必須離開(kāi)一種動(dòng)物,接觸另一種動(dòng)物,然后才能感染第二宿主。這就是所謂的“溢出傳染事件”。病毒在新宿主體內(nèi)扎穩(wěn)腳跟后,就開(kāi)始向該物種的其他成員傳播。
具體數(shù)字很難估計(jì),但絕大多數(shù)動(dòng)物向人類(lèi)溢出傳染最終的結(jié)果可能是走上了一條死胡同,也就是說(shuō),只會(huì)傳染給第一個(gè)個(gè)體。斯坦福大學(xué)的病毒學(xué)家、疾病生態(tài)學(xué)家Dorothy Tovar說(shuō),一種新病毒想要引起大爆發(fā),“需要結(jié)合多種因素”。
在越南芹苴,調(diào)查人員正在提取雞的血液樣本,測(cè)試禽流感。
攝影:LYNN JOHNSON, NAT GEO IMAGE COLLECTION
這些因素包括攜帶病毒的動(dòng)物與人類(lèi)接觸的頻率,病毒的傳播方式,病毒在宿主體外能存活多久,病毒破壞人體免疫系統(tǒng)的效率。傳播過(guò)程中的任何環(huán)節(jié)出問(wèn)題,都會(huì)導(dǎo)致病原體感染新物種失敗。即便是看似無(wú)關(guān)的因素,比如平均降雨量過(guò)多或當(dāng)?shù)厥澄锊蛔?,都?huì)改變?nèi)祟?lèi)與動(dòng)物之間的接觸情況。
對(duì)于病毒來(lái)說(shuō),傳播過(guò)程中最具挑戰(zhàn)性的一步是進(jìn)入新宿主的細(xì)胞,這些病原體利用細(xì)胞中所包含的分子結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)復(fù)制。在這一過(guò)程中,病毒通常會(huì)附著在人類(lèi)細(xì)胞外的一個(gè)分子上,有點(diǎn)像鑰匙開(kāi)鎖。契合度越高,病原體就越有可能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部。導(dǎo)致新冠肺炎的新冠病毒就是通過(guò)與ACE2蛋白質(zhì)結(jié)合,從而進(jìn)入人體呼吸道的細(xì)胞。
Sawyer說(shuō),對(duì)于任何特定宿主,以這種方式進(jìn)入細(xì)胞的“病原體非常少”。我們遇到的絕大多數(shù)病毒都會(huì)被細(xì)胞反彈回來(lái),最終只是“到此一游”。
多面病毒
但有時(shí)候,病原體卻能設(shè)法通過(guò)。已知有200多種病毒會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)生病,而且全都能入侵人體細(xì)胞。但幾乎可以肯定的是,它們?cè)静](méi)有這種能力。
Sawyer說(shuō),病毒搶占的宿主細(xì)胞被稱(chēng)為受體,在不同物種之間,受體差別較大?!皩?dǎo)致人畜共患病的病毒有一個(gè)關(guān)鍵特征,即只需要很少的進(jìn)化步驟,就能適應(yīng)人類(lèi)的受體?!?/p>
病毒極具遺傳可塑性,尤其是那些基因編碼為RNA而非DNA的病毒,它們非常擅長(zhǎng)跨物種傳播。與DNA病毒和細(xì)胞相比,RNA病毒在復(fù)制基因編碼時(shí),往往比較草率,因此突變概率很高。奧本大學(xué)的疾病生態(tài)學(xué)家Sarah Zohdy說(shuō),這個(gè)過(guò)程很容易出錯(cuò),RNA病毒因此獲得了巨大的多樣性,從而能快速適應(yīng)新環(huán)境,包括新的宿主物種。
近幾十年,感染人類(lèi)的病原體主要是RNA病毒,包括埃博拉病毒、非典病毒、中東呼吸綜合征病毒、寨卡病毒、一些流感病毒,還有新冠病毒。
一些病毒還能通過(guò)第二種方法改變基因編碼,這種方法有點(diǎn)像有性繁殖。當(dāng)兩種基因不同的病毒感染同一個(gè)細(xì)胞時(shí),它們?cè)趶?fù)制過(guò)程中,可能相互交換基因片段,產(chǎn)生與“雙親”不同的雜交病毒。流感病毒是一種RNA病毒,既能獨(dú)立變異,也會(huì)混合基因片段。借助這一特性,流感病毒在整個(gè)野生物種和家畜之間穿梭自如,包括豬、鯨魚(yú)、馬、海豹、幾種鳥(niǎo)類(lèi),當(dāng)然還有人類(lèi)。
“完美”病原體
然而,無(wú)論是變異,還是雜交,都無(wú)法保證溢出傳染,而且即便沒(méi)有這種特征的病毒,也會(huì)感染很多不同的宿主。
幾年前,Geoghegan和同事發(fā)現(xiàn),引發(fā)人類(lèi)生病的病毒有其他一些特征。分析結(jié)果顯示,長(zhǎng)期潛伏在宿主體內(nèi)且不致命,似乎對(duì)病毒有利。她說(shuō),這些隱蔽的病原體感染時(shí)間越長(zhǎng),越有機(jī)會(huì)適應(yīng)并傳播到新物種身上。
Zohdy說(shuō),很多病原體就是這樣,從嚙齒動(dòng)物、蝙蝠和非人類(lèi)靈長(zhǎng)動(dòng)物傳染給了人類(lèi),這可能是多種因素造成的:這些物種數(shù)量眾多、靠近人群、與人類(lèi)的生物學(xué)特性相似。至于那些與已知人類(lèi)病原體相關(guān)的病毒往往會(huì)構(gòu)成威脅,比如新型流感病毒、新冠病毒。雖然這些微生物大部分最終對(duì)人體無(wú)害,但一點(diǎn)點(diǎn)基因變化就會(huì)讓它們進(jìn)入我們的細(xì)胞。
僅根據(jù)病毒特性,我們還不足以預(yù)測(cè)大流行病的情況。但加州大學(xué)戴維斯分校的副董事Tracey Goldstein說(shuō),科學(xué)家仍在給地球上的各種病毒分類(lèi),了解它們的特征,從而選出一些病原體,優(yōu)先進(jìn)行進(jìn)一步研究。在現(xiàn)場(chǎng)分離出的病毒會(huì)被帶到實(shí)驗(yàn)室,看看它是否會(huì)感染人體細(xì)胞,并完成復(fù)制。
Tovar說(shuō),傳統(tǒng)上,這些步驟每一步都由不同的研究人員負(fù)責(zé),一些人負(fù)責(zé)從野外環(huán)境采集病毒樣本,另一些人主要在實(shí)驗(yàn)室里確定病毒特征。只有冒險(xiǎn)進(jìn)行實(shí)地檢測(cè),我們才能了解這些病原體的整體情況;而想要確定最大的威脅來(lái)自何處,我們也需要在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。
“我們要把很多因素結(jié)合在一起,所有信息都很重要,”P(pán)lowright說(shuō)。人類(lèi)可以利用這種復(fù)雜性:研究人員找出的溢出因素越多,干預(yù)的機(jī)會(huì)就越多。最終,在有了足夠的信息后,我們甚至可以未雨綢繆,在大流行病爆發(fā)前就遏制住。
“我們?cè)诤芏痰臅r(shí)間里,獲得了大量信息……令人難以置信,”Zohdy說(shuō):“我的心中充滿(mǎn)希望?!?/p>
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