我们与病毒的永恒战争

病毒是非常简单的古老生物，自生命开始以来即已存在。在下一节我们将会阐述病毒无法自行繁殖的原因。它们必须在细菌、植物和动物（包括人类）中定居，以便复制和繁殖。因此，病毒具有专门的技能，可以入侵其他物种并在其中复制。当病毒入侵人体并复制时，它会损害我们的细胞和组织。我们将在下一章中学习免疫系统如何杀死入侵人体的病毒，以预防和抵抗病毒感染。病毒与我们的免疫系统之间的战争自远古时代起就从未停歇。

在农耕社会前，人类对抗的病毒种类比现在要少。那时的人类也曾受到病毒的折磨，但它们的性质与目前在人群中具有高度传染性的流感病毒、麻疹病毒或新冠病毒不同。这在很大程度上归因于现代和古代人类生活方式的差异。

现在，很多病毒是通过人与人之间的日常接触传播的。被感染者出现不适症状，或者因疾病的急剧发展而死亡。我们的免疫系统通常可以成功地彻底清除体内的病毒，人们因而得到治愈。值得注意的是，我们的免疫系统能在一段时间内“记住”之前感染过我们的特定病毒。如果同一病毒重新感染我们，免疫系统会立即启动作战模式，将其一举击溃。对于某些病毒而言，这种免疫屏障甚至可以持续一生。

对于那些可以导致一些患者死亡但通常会被免疫系统清除的传染性病毒来讲，它们不太可能生存于农耕社会之前。那时我们祖先以较小的族群形式生活，尽管占据大块区域，但相互之间的联系非常松散，人们在日常生活中很少遇到其他人。如果类似新冠病毒的病原体感染了一个人，那么该患者感染其他人的概率也很小。感染者会死亡，或获得康复并从此对该病毒免疫。在一个较小的群体中，大多数人会随着时间的推移获得免疫，新感染的人在发病过程中很难遇到易感人群。因此，该病毒难以传播给下一个目标受害者。该病毒不久后也就自然灭绝了。如果病毒引起的疾病非常致命，它将杀死一个小范围内的所有人，自身也随着感染者的死亡而灭绝，因为再也没有新的人可以感染。

这就是为什么大多数在农耕社会以前流行的病毒可能不会造成大流行或致命的个体损伤，并且不易被人体免疫系统清除掉。这些病毒可与被感染者一生共存，大多数时候仅安静地潜伏着。它们偶尔会悄然抬头并感染新的细胞，导致疾病症状出现，免疫系统则会压制这种复发，这个循环将周而复始，达成平衡。疱疹病毒就是如此，至今它仍在现代人群中传播着。

导致流感、麻疹和新冠肺炎的病毒无法存在于农耕社会之前，直到我们的祖先凭借智慧学会了如何种植农作物。这是因为在新兴的农耕社会中，人们开始聚集在较小范围内并在一起生活，从而形成大的社区。在人口稠密的地区，传染性病毒就有机会被患者传播给他人。因此，病毒也就实现了其复制、繁衍后代的目的。如果人口众多，就有大量个体被病毒感染。由于这个过程需要很长时间，病毒便可利用时间窗持续传播。此外，在人口密集的地区，新出生的婴儿也提供了源源不断的新易感人群。这就是在农耕时代开始流行高传染性病毒的原因。农业的发展还包括畜牧业，即人类驯养动物并将其畜养在人类生活圈内。能够感染动物并同时也能在人类细胞中复制的病毒也因此有机会流行开来。因此，各种各样的病毒随着农耕社会的发展开始在人群中传播。

由于人们出行变得愈加便利，区域间的人员流动也增加了。这些“移民”可能会将他们所在区域的病毒传播到其他区域。如第1章中所述，天花正是由欧洲移民带至美洲。此外，移民除了传播疾病，同时也是新易感人群的重要来源。工业革命以来，人们开始居住在人口密度比农耕社会更高的城市当中，高传染性病毒从此更加猖獗。时至今日，人类也因为具有与传染病病毒做斗争的共同历史而紧密联系在一起。

从狩猎采集社会、农耕社会、工业革命再到后续的各种新技术和革新，从多重衡量标准来看，这些进步都提高了人类的生活质量。例如人类的寿命提高、儿童的病死率明显降低等。但与此同时，现代人的生活方式也使人类更容易受到更多样化的病毒感染，这些病毒可导致急性疾病。尽管我们生活方式的变化有利于病毒的传播，但是我们在与病毒的斗争中获得了多次胜利，这要归功于人类的聪明才智。我们学会了开发疫苗来保护自身免受多种致病病毒的侵袭，但疫苗的研发需要时间。因此，每当新病毒出现时，我们仍然容易受到毁灭性大流行的影响。由新冠病毒引起的新冠肺炎大流行就是最新的例子。

现在让我们深入研究病毒是如何工作的，它们是如何复制的，以及为什么没有我们，它们就不能做到这一点。但首先，我们需要了解生物学的基本知识，即生命体是如何正常运转并进行繁衍的。

DNA、RNA和蛋白质

所有有生命的机体都试图复制和繁殖各自的物种，这是本能。自古以来，人们就注意到孩子与父母之间有一些共同的特征，关于遗传的起源也引起了人们激烈的争论。但直到19世纪，天主教僧侣兼植物学家格雷戈尔·孟德尔（Gregor Mendel）通过培育豌豆的研究才首次为“遗传”提供科学基础。他提出了基因的概念，基因遗传自亲代。但是孟德尔并不知道基因到底是什么。直到1953年，当时在英国剑桥大学工作的两位年轻科学家詹姆斯·华生（James Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）才首次描述了到底什么是基因。在受到罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）等众多科学家的研究启发下，他们闪现的灵感改变了我们对自身个体和人类物种的看法，甚至改变了我们对所有生物的理解。他们发现了一种名为DNA（脱氧核糖核酸）的分子，并且揭示了这种分子是如何储存我们的遗传信息，如何在后代身上如实地复制这些信息，这也为现代医学奠定了基础。

DNA分子由两条长链组成，两条链之间由四种单元连接从而组合在一起。这四种单元被称为碱基，分别被标记为A（腺嘌呤）、T（胸腺嘧啶）、C（胞嘧啶）、G（鸟嘌呤）。DNA的两条链相互缠绕，形成双螺旋结构。这是因为一条链上的A只与另一条链上的T配对，G只与C配对。因此，螺旋的DNA分子的每条链都有一个碱基序列，并与另一条链互补。DNA分子中四种碱基的排列顺序编码的信息，即遗传给后代的信息。

图片 | DNA的复制

DNA replication

像人类这种复杂的有机体是由数不尽的细胞组成的。每个细胞都包含一份人类全部的DNA拷贝，这些DNA存在于细胞内一个叫作细胞核的区域内。在复制过程中，原始细胞中双螺旋结构的DNA复制成两个相同的DNA分子。首先，DNA双链打开。每一条原始链都是合成新的互补链的模板。这个过程由细胞中的DNA聚合酶完成，它将正确的互补碱基一个一个地连接到不断增长的新链上。DNA结构为“校正”不断增长的互补链提供了一种机制。如果加入了错误的碱基，它将不会与模板链配对，并被切除，然后加入正确的碱基。最后，两条原有的DNA单链各自与一条新合成的互补链配对。这两条新的双螺旋结构DNA分别成为两个子代细胞中的DNA分子。当然，复制错误有时也会发生，这些错误称之为突变。在高等生物中DNA复制的错误率是很小的——在每个复制周期中，新的增长链中插入错误碱基的概率约为十亿分之一。

细胞协同工作使我们能够实现所有的生命活动。细胞的功能由蛋白质完成。蛋白质是生命的基石。如果我们将细胞想象为一辆汽车，蛋白质就构成了汽车运转的所有部件。蛋白质是以氨基酸为单位组成的长链，（标准遗传密码中）共有20种氨基酸。因此，通过不同的方式将这些氨基酸连接起来，可以产生大量不同的蛋白质序列。例如，每个位置有20种氨基酸可以选择，因此一条仅由3个氨基酸组成的序列可以有20×20×20=8000种不同的排列方式。蛋白质则更长，平均长度约有400个氨基酸。因此，可能产生的具有不同氨基酸序列的蛋白质数量是巨大的。特定蛋白质中的氨基酸序列决定了它的功能。不同序列的蛋白质具有不同的功能。细胞中所有的蛋白质信息都由DNA编码。

在发现DNA结构后，科学家通过巧妙的实验证明了DNA是如何编码蛋白质中氨基酸的序列信息的。DNA分子中三个相邻的碱基为一组，每一组对应不同的氨基酸。例如，AGC对应一种特定的氨基酸，而GCC对应另一种氨基酸，以此类推。一共有4种碱基，那么则有4×4×4=64种三碱基的组合。所以，DNA理论上可以编码64种氨基酸。而事实上，仅有20种氨基酸。因此，多种三碱基组合的碱基序列可以对应同一种氨基酸。一段DNA（基因）中的三联碱基序列对应特定的一段氨基酸序列；而氨基酸是构成蛋白质的基本单位，因此基因*最终成功实现了特定蛋白质的编码。由此，DNA仅使用四种碱基，通过一种紧凑而巧妙的方式编码复杂的生物信息。

*译者注：基因是带有遗传信息的DNA片段。

图片 | 蛋白质的合成（三联密码子）

Protein synthesis（triplet code）

图片 | 中心法则

Central Dogma

那么在细胞中，DNA编码的信息具体是如何转化为蛋白质的呢？就像汽车需要许多螺栓才能起作用一样，细胞通常也需要产生许多蛋白质才能发挥特定的功能。编码特定蛋白质的基因首先被转换成一种与DNA相关的分子，称为RNA（核糖核酸，其与DNA一起被统称为核酸）。RNA是一种非常古老的分子，几乎可以肯定它的存在早于DNA或蛋白质。RNA分子通常由相连的碱基构成单链，其结构与DNA单链非常相似。二者的区别之一在于，RNA的四个碱基并非A、T、G和C，而是A、U（尿嘧啶）、G和C。因此，在RNA里U取代了T。随后，一种称为RNA聚合酶的物质将一个基因对应的DNA序列转录成许多具有互补序列的RNA分子。如此，每个RNA分子都包含了相应蛋白质所需的氨基酸序列信息。然后，细胞中一个名为“核糖体”的复杂工作车间，可将RNA分子中的碱基序列翻译成相应蛋白质中的氨基酸序列。即，DNA中的信息首先被转录成RNA，后者又被翻译、合成为相应的蛋白质，这种方式被称为“分子生物学的中心法则”。