致与病毒搏斗的你！

中科院物理所 2023-01-31

The following article is from 星球研究所 Author 星球研究所

近期，许多人体内的免疫系统

正在与病毒进行搏斗

为方便了解“战况”，特发此文

祝大家早日康复

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

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

（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

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）

▼

说完皮肤、眼部、和消化道

接下来的第4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）

▼

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

然而

之前的你

可能并没有意识到这一点

如果

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

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/星球研究所）

▼

本文创作团队

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
【参考文献】
1. Lauren Sompayrac，《病毒学概览》，北京大学医学出版社，20162. S. J. Flint等，《病毒学原理》，化学工业出版社，20143. 周德庆，《微生物学教程》，高等教育出版社，20114. Lauren Sompayrac，《免疫学概览》，北京大学医学出版社，2016

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

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来源：星球研究所

编辑：小范

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