安全科普：假如病毒感染了你

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，SARS冠状病毒的中间宿主，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
（2020年1月27日，为防止新型冠状病毒传播扩散，农村开始封路，拍摄于浙江衢州，摄影师@拾城 朱骏）
▼

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/星球研究所）
▼

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等
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/星球研究所）
▼

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
本次新冠肺炎中
北大第一医院呼吸内科主任王广发
就被怀疑通过结膜感染
（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）
▼

突破阴道防线的是
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
又会碰到胃酸与消化酶


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/星球研究所）
▼

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/星球研究所）
▼

而尴尬的是
对于成年人而言
HIV也会通过消化道进入
只不过是从“反方向”
这个方向几乎不会遇到阻碍
因为他们选择的是“肛交”


肛交时
直肠的上皮组织很容易被撕裂
HIV就这样“破门而入”
如入无人之境
这正是男同性恋人群
需要警惕艾滋病传播的原因
（人体直肠结构示意，制图@郑伯容/星球研究所）
▼

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
即


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/星球研究所）
▼ 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/星球研究所）
▼ 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/星球研究所）
▼

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/星球研究所）
▼ 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
即先天免疫系统
来试试吧，禽兽们


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
即


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
即


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/星球研究所）
▼ 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”
即


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/星球研究所）
▼

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
（流涕的症状在人群中十分常见，下图为2018俄罗斯世界杯小组赛，巴西队教练蒂特擤鼻涕被抓拍，图片源自@VCG）
▼ 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/星球研究所）
▼ 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细胞和记忆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
即


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


加速了病毒在物种之间的跳跃
1997年
人们第一次发现
基因重配后的禽流感病毒H5N1
居然感染了人类
之后又陆续发现了
H7N7、H9N2、H7N9等诸多亚型
可见进化之繁多
（2005年11月8日禽流感疫情下的一张当天的报纸，拍摄于上海活禽交易市场，摄影师@吕威）
▼

2002年-2003年
原本感染蝙蝠的冠状病毒
传播给果子狸并发生突变
突变后的病毒造成了严重的人类疫情
SARS
（2003年4月28日SARS疫情期间，西安公交公司给收回的钱消毒，摄影师@拾城 摄近求远）
▼

而17年后的今天
这一幕居然又一次上演
新冠病毒已经造成数万人感染
是现代中国最严重的公共卫生事件之一
（2020年1月25日湖北G50高速黄石出口，防疫人员在测量进城人员体温，摄影师@周巍）
▼

我们还有什么武器
与病毒对抗呢？


Round 4
下一场战争


从约1000年前的北宋时起
为了预防天花病毒的感染
中国古人将天花患者的脓液或痂
接种到健康人身上
是为种痘


18世纪90年代
英国医生Edward Jenner
将种痘法予以改进
使用牛的天花病毒接种
是为牛痘


后来的人们终于知道
种痘相当于
利用记忆B细胞的特性
促使人体产生了对抗天花病毒的抗体
疫苗
就此诞生
（儿童计划免疫接种，拍摄于吉林洮南，摄影师@邱会宁）
▼

此后
我们利用记忆B细胞的特性
生产出了针对不同病毒的更多疫苗
天花病毒也成为人类有史以来
彻底消灭的第一种病毒
这是人类抗击病毒战争的里程碑


其中的关键就在于
我们对病毒和人体免疫系统的


科学认知


这是人类想要在病毒战争中取得胜利
所必须依赖的最强大的武器
（现在我们有了更多技术进行疾病的诊断和治疗，下图是正在进行胸部CT检查的医护人员，拍摄于新疆伊犁，摄影师@赖宇宁）
▼

如今
我们通过了解病毒的入侵方式
以及人体免疫系统的防御原理
在病毒入侵人体的各个环节“设卡”干扰
还研发出了许多抗病毒药物


有的药物成分
可以阻止病毒进入细胞
有的让病毒无法脱去其蛋白质外壳
有的则可以干扰病毒的复制
这正是我们今天
对抗新冠病毒的坚实基础
（2月9日米-171直升机运输抗击疫情的药物和各类物资，从安徽亳州出发只用2.5小时就抵达湖北黄石，摄影师@何戈）
▼

但是我们也必须看到
直到1901年
我们才发现了第一个人类病毒
黄热病毒
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


路还很长
也许我们无法预期
人与病毒的战争多久结束
但是
科学研究将是整个人类必须坚持的方向
也是中华民族想要走得更远更坚实
所必须坚持的方向


“登高极目方知天地之大
置己苍茫乃知寸身之微”


科学加油！
人类加油！
在下一波病毒来临之前
请让我们更加强大
（制图@郑伯容/星球研究所）
▼