为什幺有些病毒会感染人类，另一些却不会？
2020-04-25 17:00:14
这张扫描电子显微镜图像显示的是，实验室培养的细胞表面出现新冠病毒（呈金色圆形）。这种病毒是新冠肺炎的罪魁祸首。 供图：NIAID-RML 撰文：KATHERINE J. WU 据估计，在我们这颗星球上，病毒的数量达10的31次方，足以给宇宙里的每颗恒星送去1亿个病毒。 病毒存在于大自然的每个角落，它们在海水中翻腾，漂浮在大气中，或者潜伏在土壤微尘中。这些病原体通常被视为非生命体，只能依靠宿主复制；它们会劫持生命之树的每一根枝桠，包括大量人类细胞。 不过，大多数时候，在这个充满病毒的世界里，人类物种都会生活在相对没有疾病侵扰的环境中。科罗拉多大学博尔德分校的病毒学家、疾病生态学家Sara Sawyer告诉我们，这背后的原因，与人体适应疾病没有太大关系，而是和病毒本身的生物特性有关。这些病原体在选择感染哪些细胞时非常挑剔，而且我们周围的病毒只有极少部分会对人体构成真正的威胁。 尽管如此，如今肆虐全球的新冠病毒仿佛在昭告天下：新型人类病毒大爆发的确会发生，而且并不意外。 为了更好地预测和防止疫情爆发，科学家正在努力研究病毒的特性，试图找到为什幺有些病毒会传染给人类，其他的却不能。有些病毒变异更频繁，可能有助于传染给新宿主；另一些则通过与人类接触的动物作为跳板，实现跨物种传播。 蒙大拿州立大学的疾病生态学家Raina Plowright说，大流行病“实际上是有模式可循的，而且是可预测的模型”。 跨越物种 大部分新的传染病进入人群的方式与新冠肺炎一样，它们都是人畜共患病，即通过动物传染给人的疾病。一般认为，哺乳动物和鸟类携带约170万种未被发现的病毒，全世界的科学家因此调查全球的野生动物，为下一次人类大流病的到来做好准备。（细菌、真菌和寄生虫也会从动物传染给人类，但这些病原体繁殖通常不会感染宿主，而且很多病毒更擅长跨物种传播。） 为了成功实现跨物种传播，病毒必须清除一系列生物学障碍。麦考瑞大学的病毒学家Jemma Geoghegan说，病原体必须离开一种动物，接触另一种动物，然后才能感染第二宿主。这就是所谓的“溢出传染事件”。病毒在新宿主体内扎稳脚跟后，就开始向该物种的其他成员传播。 具体数字很难估计，但绝大多数动物向人类溢出传染最终的结果可能是走上了一条死胡同，也就是说，只会传染给第一个个体。斯坦福大学的病毒学家、疾病生态学家Dorothy Tovar说，一种新病毒想要引起大爆发，“需要结合多种因素”。 
在越南芹苴，调查人员正在提取鸡的血液样本，测试禽流感。 摄影：LYNN JOHNSON, NAT GEO IMAGE COLLECTION 这些因素包括携带病毒的动物与人类接触的频率，病毒的传播方式，病毒在宿主体外能存活多久，病毒破坏人体免疫系统的效率。传播过程中的任何环节出问题，都会导致病原体感染新物种失败。即便是看似无关的因素，比如平均降雨量过多或当地食物不足，都会改变人类与动物之间的接触情况。 对于病毒来说，传播过程中最具挑战性的一步是进入新宿主的细胞，这些病原体利用细胞中所包含的分子结构，实现复制。在这一过程中，病毒通常会附着在人类细胞外的一个分子上，有点像钥匙开锁。契合度越高，病原体就越有可能进入细胞内部。导致新冠肺炎的新冠病毒就是通过与ACE2蛋白质结合，从而进入人体呼吸道的细胞。 Sawyer说，对于任何特定宿主，以这种方式进入细胞的“病原体非常少”。我们遇到的绝大多数病毒都会被细胞反弹回来，最终只是“到此一游”。 多面病毒 但有时候，病原体却能设法通过。已知有200多种病毒会导致人类生病，而且全都能入侵人体细胞。但几乎可以肯定的是，它们原本并没有这种能力。 Sawyer说，病毒抢占的宿主细胞被称为受体，在不同物种之间，受体差别较大。“导致人畜共患病的病毒有一个关键特征，即只需要很少的进化步骤，就能适应人类的受体。” 病毒极具遗传可塑性，尤其是那些基因编码为RNA而非DNA的病毒，它们非常擅长跨物种传播。与DNA病毒和细胞相比，RNA病毒在复制基因编码时，往往比较草率，因此突变概率很高。奥本大学的疾病生态学家Sarah Zohdy说，这个过程很容易出错，RNA病毒因此获得了巨大的多样性，从而能快速适应新环境，包括新的宿主物种。 近几十年，感染人类的病原体主要是RNA病毒，包括埃博拉病毒、非典病毒、中东呼吸综合征病毒、寨卡病毒、一些流感病毒，还有新冠病毒。 一些病毒还能通过第二种方法改变基因编码，这种方法有点像有性繁殖。当两种基因不同的病毒感染同一个细胞时，它们在复制过程中，可能相互交换基因片段，产生与“双亲”不同的杂交病毒。流感病毒是一种RNA病毒，既能独立变异，也会混合基因片段。借助这一特性，流感病毒在整个野生物种和家畜之间穿梭自如，包括猪、鲸鱼、马、海豹、几种鸟类，当然还有人类。 “完美”病原体 然而，无论是变异，还是杂交，都无法保证溢出传染，而且即便没有这种特征的病毒，也会感染很多不同的宿主。 几年前，Geoghegan和同事发现，引发人类生病的病毒有其他一些特征。分析结果显示，长期潜伏在宿主体内且不致命，似乎对病毒有利。她说，这些隐蔽的病原体感染时间越长，越有机会适应并传播到新物种身上。 Zohdy说，很多病原体就是这样，从啮齿动物、蝙蝠和非人类灵长动物传染给了人类，这可能是多种因素造成的：这些物种数量众多、靠近人群、与人类的生物学特性相似。至于那些与已知人类病原体相关的病毒往往会构成威胁，比如新型流感病毒、新冠病毒。虽然这些微生物大部分最终对人体无害，但一点点基因变化就会让它们进入我们的细胞。 仅根据病毒特性，我们还不足以预测大流行病的情况。但加州大学戴维斯分校的副董事Tracey Goldstein说，科学家仍在给地球上的各种病毒分类，了解它们的特征，从而选出一些病原体，优先进行进一步研究。在现场分离出的病毒会被带到实验室，看看它是否会感染人体细胞，并完成复制。 Tovar说，传统上，这些步骤每一步都由不同的研究人员负责，一些人负责从野外环境采集病毒样本，另一些人主要在实验室里确定病毒特征。只有冒险进行实地检测，我们才能了解这些病原体的整体情况；而想要确定最大的威胁来自何处，我们也需要在实验室做实验。 “我们要把很多因素结合在一起，所有信息都很重要，”Plowright说。人类可以利用这种复杂性：研究人员找出的溢出因素越多，干预的机会就越多。最终，在有了足够的信息后，我们甚至可以未雨绸缪，在大流行病爆发前就遏制住。 “我们在很短的时间里，获得了大量信息……令人难以置信，”Zohdy说：“我的心中充满希望。”