細菌病毒肆虐的地球,人類為什麼沒有進化出"N95"呼吸系統?

這才是你自己的"免疫力"?妥妥的

2020年初,地球並不太平。不管是肆虐北美的流感病毒,還是燃燒四五個月的澳洲山火,包括人類在內的動物們都表現出極度的恐慌和焦慮。宗教分子蠢蠢欲動,又到處散佈"世界末日"的悲觀預言。一切負面消息漫天飛,看起來似乎2020年,又是一個讓世人焦慮的"2012"。

有學者曾說過,地球自從誕生之初就是一個微生物組成的星球,簡而言之就是一枚實打實的"病毒星球"。

細菌病毒肆虐的地球,人類為什麼沒有進化出

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地球的"主宰者"

相對於人類文明來說,地球的歷史很悠久,病毒的歷史也是異常的漫長。究竟多長呢?我們不得而知,但是總是要比人類等哺乳動物久遠的多。因為病毒是需要寄生在細胞內才可以存活,離開活細胞也就意味著它們生命的終結。從這個特點上來判斷,我們可以推斷出來,最早的病毒應該晚於單細胞生物。因為就像人類需要吃飯喝水一樣,如果沒有單細胞為病毒提供宿主和食物,病毒的"基本生活"都是一個大問題。

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不知道曾幾何時,地球上單細胞生物種類發生了爆炸式增長,例如三疊紀生物大爆炸。也許在這個時期,病毒的"祖先"搭載隕石或者"小行星"倉促的來到地球。一不小心就佔領了這個"富饒"的地球。病毒以細菌等單細胞生物為食,默默的存在於火山口、大洋深處、無人區等。幾百萬年之間,人類都能動物的生存、進化和繁衍,似乎都沒有注意到有這些微生物在默默地支持著。人類與病毒的"愛恨情仇",就這樣默默維持了數百萬年。

在這段時間裡,病毒默默的活著,偶爾殺滅霍亂弧菌,暗中保護者哺乳動物們;有時,在人體或動物體內惡性繁殖,導致宿主痛苦死亡。在這個星球上,病毒已然完美加入了生態系統,也加入人類的進化之路。

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人類免疫系統是怎麼工作的

有的小夥伴可能非常不解,既然病毒很早之前就已經來到地球,或者已經在地球上誕生。為什麼人類沒有進化出"N95"以上過濾級別的呼吸系統呢?從哲學的角度思考這個問題,你會發現,凡是存在的實物,都是有一定的道理。人類的呼吸道進化似乎只關注了塵埃、細菌、孢子以及依附在塵埃粒子上的其它微生物。因為這些有害物質隨時可能阻塞氣道,誘發過敏反應,導致劇烈咳嗽和吞嚥困難。


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人類的呼吸系統是由包含口鼻在內上呼吸道和包含支氣管和肺泡在內的下呼吸道組成。在鼻腔有大量鼻毛赫爾分泌物可以阻止較大的顆粒和微生物入侵,也可以通過"打噴嚏"和"擤鼻涕"等常規操作,趕走"入侵者"。有時不慎,有漏網之魚走到了呼吸道,也沒關係,因為呼吸道表層有很多類似毛髮的細胞,叫做纖毛細胞。這些細胞整齊地排列在氣管和支氣管內層表面,並且感受"人體統一號召",即往一個方向擺動。


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除了十分niubility的纖毛細胞之外,還有一種"好隊友"——杯狀細胞。杯狀細胞可以分泌大量的黏液物質到氣道表面,那些偶爾突破口鼻入侵的微生物和微粒就被這些黏液捕獲,並被纖毛送到上呼吸道,經過咳嗽離開人體。這些機械手段等都是人體的"免疫力"組成成員。

除了攔截和趕走等措施之外,還有其他有效的措施嗎?或者說萬一有病毒或細菌,感染人體了怎麼辦?這就需要人體免疫細胞出馬了。


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看過日本著名動漫劇"工作細胞"的小朋友可能記得,人體分為固有免疫系統和適應性免疫系統兩個"防禦機制"。固有免疫系統包含單核細胞、粒細胞和巨噬細胞等勇士,可以在細菌和病毒入侵的第一時間趕到事發地或者從事發地"募集",然後就進殲滅細菌和病毒。

適應性免疫系統就複雜了,包含T細胞、B細胞、調節性T細胞、輔助性T細胞等,這些細胞主要是輔助其他細胞完成自我訓練和成熟,並對抗"異族入侵"的戰鬥。


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圖7 工作細胞

愛提問題的小夥伴可能坐不住了,那麼如何能增強我們的免疫力呢?免疫細胞多不一定會免疫力強,有時候免疫細胞也會犯錯誤,比如病毒進入肺泡細胞,免疫細胞過度反應,可能會誤傷正常細胞。從而導致人類肺臟出現大面積"磨玻璃樣陰影",CT和X光都可以看得到。此外,免疫細胞的動員機制也不是我們想當然的那樣,我們對自己的瞭解還處於極其初級的階段。

科學家揭開局部免疫激活和調控的機制

最近,美國華盛頓大學和西北大學的科學家就發現了一個有意思的現象。他們發現在人體局部受傷之後,細菌和病毒入侵,會導致局部免疫細胞的快速聚集。以前科學家通常認為免疫細胞聚集是免疫系統激活的後果,然而他們發現免疫細胞通過"計數",且與臨近的細胞"交流"也會反向調節免疫反應的大小。


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具體研究是這樣進行的:科學家通過對人體局部傷口的一種免疫細胞——巨噬細胞進行觀測,並建立數學模型。在人體受傷發生感染之後,免疫系統活化,大量細胞募集到傷口部位,肩負使命,殺死細菌和病毒。不過,如何才能確保免疫力不被過度激活呢?科學家很困惑,似乎上帝早有安排。聚集的巨噬細胞們可以與臨近的細胞"溝通",通過"計數"來自我評估免疫反應的強度,如果反應過度,那麼細胞數量就會減少,免疫因子分泌水平也會大量降低。


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理解免疫力有助於公共衛生

鍾南山院士說過,我們對病毒的瞭解還很少,少到什麼程度呢?比如,人的肺部已經發現170多種病毒,而其中僅僅10%是我們有文獻記錄和研究的。這還沒有考慮人類活動範圍之外,不知還有多少的病毒種類。據文獻報道,目前的已知病毒種類約5000種,而未知的估計有20萬~100萬種之多。綜合起來看,我們對病毒的最粗淺瞭解也就只有0.5~2.5%了,所以針對新冠病毒的治療就是一個難以實現的事情。


細菌病毒肆虐的地球,人類為什麼沒有進化出

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那麼,人類和病毒的交流中只能束手待斃了嗎?答案是否定的。上帝沒有給我們"特效藥",但是給了我們無以倫比"防禦武器"——免疫系統。人體的免疫系統不僅僅是細胞、抗體、細胞因子等,還包括皮膚、口鼻、呼吸道等看似平常的細胞和器官們。只有這個整體都正常,我們正確的理解免疫力,才會幫助我們在這個"戰鬥"中取得勝利。

此外,我們還要注意一個問題,新冠病毒不通過母嬰傳播,且新生兒也很少感染,即使不幸感染,也會以超常的速度康復。這說明了一個問題,固有免疫是對抗新冠病毒的有效武器,而適應性免疫似乎沒有發揮正確的作用。有很多時候反而在幫助敵人做事,比如新冠肺炎患者偶而會發生細胞因子風暴,這是一種適應性免疫過度激活的表現。類似例子數不勝數。


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未來可期

人類與病毒的愛和情仇固然重要,但是理解免疫力,理解人與自然(包括病毒等微生物)和平共存原則,才是我們的未來,也是宇宙的未來。


參考文獻

J.J. Muldoon et al. 2020. Macrophages employ quorum licensing to regulate collective activation. Nat Commun 11, 878; doi: 10.1038/s41467-020-14547-y


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