“科普文章”的存档

疫苗是怎么来的

2020年9月29日星期二

人体得了传染病后痊愈,就有可能对这种传染病产生免疫力,在一定时间内甚至终身不会再得同一种传染病。如果这种免疫力只能持续几年时间,古人就难以注意到:一个人在几年内不得同一种传染病,可能是预防得好,或是运气好。但是如果每个得过某种传染病活下来的人终身都不再得这种病,就很容易被古人注意到。天花就是这样的传染病,而且得过天花活下来的人往往脸部会留下点点瘢痕,相当于得过天花的广告,就更让人容易注意到,这些人到死都不会再得天花了。

 

于是就会有人想到,天花是每个人都要得一次也只得一次的,那么还不如人为让小孩得一次轻微的天花,以后就再也不用担心会得天花了。中国古人最迟在明朝时就已经想到要这么干了。天花病毒主要是通过飞沫传播,中国古人并不知道它是传染病,而认为它是天生藏在命门里的“胎毒”由于天气、饮食、惊恐等种种原因爆发出来了,人为地先把“胎毒”引发出来就好了。要怎么引发呢?要用天花病人流出的“毒”。天花的特征是会长痘,毒就被认为是在痘里,所以古人想到了把痘接种给小孩。但是用新鲜的痘浆接种很容易让小孩得了严重的天花死亡,在长期的摸索中发现如果改用痘痂接种,就会比较安全,采用的方法是把痘痂磨成粉塞进小孩的鼻腔中。

 

我们现在知道天花当然不是体内“胎毒”所致,而是感染了天花病毒,种痘实际上是人为让小孩感染少量的天花病毒,得一次较轻微的天花,从而终身对天花免疫。但仍然有少数人在种痘后会死亡,死亡率大约0.5%-2%,虽然比天花30%的死亡率低得多,但仍然有致命的风险。所以种痘术虽然在18世纪传到了欧洲,却没能推广,直到英国医生琴纳发现接种牛痘也能让人对天花免疫,而且没有感染天花的风险,接种牛痘预防天花才逐渐推广到全世界。

 

牛痘病毒是第一种真正意义上的疫苗,它与天花病毒很相似,既能激发人体对天花病毒的免疫反应,却又不会让人得病。但是其他的传染病并没有这种天然的疫苗,只能人工制造。一种制造方法是拿病原体来培养疫苗,在不停地传代之后,病原体有可能发生变异,毒性减弱,甚至失去了毒性,不会再让人生病,但是还能让人对该病原体具有免疫力。把这种毒性减弱的毒株筛选出来,就是所谓减毒疫苗,病毒还是活的,如果被接种者有免疫缺陷,还是有可能生病的。而且在疫苗生产过程中,病毒有可能继续突变,毒性又变强,被接种者即使免疫功能正常也可能生病。

 

这是活疫苗不可避免的风险。要避免这种风险,就要把病毒通过加热或加药剂的方法灭活。灭活疫苗非常安全,不用担心会被病毒感染,但是免疫的效果可能不如活疫苗,这是因为在对病毒做灭活处理后,病毒的结构遭到破坏,免疫反应没那么强烈,甚至不产生免疫反应,不一定能起到保护作用了。

 

避免活疫苗风险的另一种办法是人工制造类似病毒的颗粒。一个病毒由几种蛋白质构成,把编码这些蛋白质的基因放进体外细胞中让细胞生产这些蛋白质,这些蛋白质能组合形成类似病毒的颗粒,把它们接种到人体就能产生针对该病毒的免疫反应,但是它们不含有病毒基因组,就没有被病毒感染的危险。

 

免疫反应是由病毒上的抗原引发的,抗原往往是病毒表面上的某种蛋白质。一种病毒表面有几种蛋白质,其中有的蛋白质是病毒毒性的关键所在,例如冠状病毒表面的S蛋白是病毒入侵细胞的“钥匙”,如果免疫反应产生的是针对它的抗体,就能起到阻止病毒入侵的作用,是效果最好的免疫,而针对其他蛋白的抗体的免疫效果就没那么好。所以制备疫苗的一种办法是,不使用整个病毒,而只是用某种蛋白质或蛋白质片段来做疫苗。

 

用来做疫苗的蛋白质是通过基因工程的方法在体外用细菌生产的,然后再接种到人体。但是细菌生产出来的蛋白质构型和人体细胞生成的会有差异,这种差异有可能影响到免疫的效果。有没有什么办法能在人体细胞内生产抗原蛋白质呢?有的。一种办法是用某种对人体无害的病毒(例如腺病毒)作为载体,让它携带编码抗原蛋白质的基因。把病毒载体接种到人体,它就能够利用人体细胞来生产抗原蛋白质。

 

但是,如果被接种者以前被作为载体的病毒感染过,对该病毒有免疫力,那么接种的病毒载体就可能被消灭,没法在人体内诱导生产抗原蛋白质。而且,作为载体的是活病毒,虽然一般情况下无害,但是对某些人来说仍有致病风险。所以有一种办法是不用病毒做载体,而用别的载体,例如细菌中有一种环形DNA,有自我复制的能力,叫质粒,就可以用它作为载体,把编码抗原蛋白质的DNA放进去。还有一种办法是用编码抗原蛋白质的信使RNA,将它用纳米颗粒包起来,注射到体内被细胞吸收后,信使RNA利用细胞里的核糖体生产抗原蛋白质。

 

所以,有多种办法可以设计、制备疫苗。但是这只是疫苗研发的第一步,相对来说比较容易。每当一种新型传染病出现,很快就有人宣布制造出了疫苗,其实就是这第一步。更难更花时间的是要证明疫苗的有效性和安全性。为此往往先要做动物实验,给动物接种疫苗,看有没有毒性,是否能抵抗病毒感染。动物实验的优势是可以对实验动物做解剖看看器官有没有受损害,还可以给动物注射病毒看动物是不是已成功免疫。这类实验是没法对人做的,医学伦理不允许。

 

但是实验动物毕竟与人有别,动物实验证明安全有效的疫苗并不等于对人体也是安全有效的。所以接下去还要做人体临床试验。临床试验分三期。第一、二期分别有几十个、几百个实验对象,目的是要确定多高的疫苗剂量是合适的,看看疫苗有没有导致严重不良反应,能不能刺激人体产生针对它的抗体。第三期要找几千个甚至几万个实验对象,把他们随机分成两组,一组注射疫苗,一组注射生理盐水作为安慰剂,然后让这些人回到生活中去,等着其中有一部分人被病毒感染,然后比较二组感染人数是否有显著差异,就可以知道疫苗是否起到保护作用。同时还要追踪观察这些人是否出现不良反应。

 

所以第三期临床试验是很花时间的。一种新疫苗一个研发周期长达一年以上,大部分时间就是用在了第三期临床试验的招募、跟踪、等待上了。既然第一、二期并没有发现疫苗会导致严重不良反应,实验对象体内也检测到了针对疫苗的抗体,能不能就认为疫苗已被证明安全、有效,不用做第三期临床试验呢?这样不就可以让疫苗尽快上市吗?

 

但是不做第三期临床是很危险的。有的疫苗导致严重不良反应的概率很低,例如只有千分之一,那么这种不良反应在只有几十、几百个实验对象的第一、二期临床试验中就很可能不被发现。而疫苗一旦上市是要给所有的人用的,即使只有千分之一的不良严重反应也能导致很多人生病、死亡,而这些人本来都是健康人,不应该让他们冒这个风险。

 

而且,第一、二期临床试验只能证明疫苗产生了抗体,但是,有了抗体并不等于就对人体能够起到不被病毒感染的作用。有时候,抗体不仅不能预防病毒感染,反而在被病毒感染后增强了病毒的毒性,对身体造成更大的伤害。要证明疫苗产生的抗体能真正起到免疫作用,不会导致“抗体依赖的增强”,只有继续做第三期临床试验。

 

可见,疫苗的研发是急不得的,疫情再紧急,也只能按部就班地一步步证明疫苗的安全性和有效性。如果只用一个研发周期,花一、两年的时间就成功研发出了安全有效的疫苗,这是非常幸运的。疫苗的研发通常要多次尝试、花上十年左右的时间才会成功。甚至也可能一直就不成功。有很多传染病到现在也没能成功研发出疫苗。

 

2020.9.9.

 

(这是为《科学世界》的专栏写的,印刷前被“领导”下令撤下,专栏也撤销了。我与《科学世界》20年的缘分至此结束。)

 

当病毒入侵人体

2020年9月21日星期一

如果我们把人体当成一个国家,它所处的并不是一个非常和平的国际环境。周围到处是病毒、细菌、真菌、原生动物……各种有可能让人生病的病原体随时准备入侵人体掠夺人体里的资源。为了保护人体的安全,人体建造了一道屏障——皮肤——将自己与周围环境隔离开,就像是在国境上建了一座长城。但是,正如长城偶尔会被攻破,皮肤也会因为创伤而让病原体乘虚而入。而且,正如长城没有把整个国家都围起来,人体外表也并不是完全都由皮肤保护,为了能与外界有物质交换——呼吸、摄食、排泄……有些部位有开口,或只有比皮肤更脆弱的黏膜,例如呼吸道,病原体很容易从这些部位进入人体。

 

因此,想一直御敌人于国门之外是不现实的,人体还需要有抵御敌人入侵的第二道防线。它们是人体的巡逻兵,主要是一些白细胞,特别是中性粒细胞,随着血液循环在人体各处巡逻,随时发现、消灭入侵之敌。这些入侵细胞或血液的敌人——微生物——都很小、很不起眼,这些巡逻兵怎么知道它们遇到的是敌人而不是自身的细胞呢?病毒、细菌、真菌、原生动物的表面都有特殊的生物化学成分(例如病毒表面的糖蛋白,病毒里面的双链RNA,细菌细胞壁上的肽聚糖、脂肽),这些成分是人体细胞没有的,白细胞表面上有特殊的蛋白质(受体)能识别这些成分,一旦它们发现遇到的小东西表面上有这些成分,就像见到了穿着不同军服的人,就知道遇上敌人了。

 

巡逻兵发现敌人后,立即行动起来。它们释放细胞因子,让敌人周围的组织发生炎症,相当于建了围墙围堵敌人不让其扩散。同时,它们释放出信号,把巡逻部队都召集过来一起杀敌。怎么杀呢?最主要的方法是把敌人“吃掉”——把病原体吞噬到细胞里,将它们“消化”掉。它们还有别的杀敌方法,例如“投毒”——释放干扰素阻止病毒的复制。

 

这个反应非常迅速,而且广谱,不管遇到什么样的敌人,都用同样的方式对付。这是人与生具来的免疫方法,所以叫天生免疫。但是老是这么干,就很容易被敌人发现弱点,进化出对付它的办法。在长期的你死我活的较量过程中,能够成功入侵人体的病原体都已掌握了一两种对付巡逻兵的小窍门,例如让自己隐身,不容易被巡逻兵发现。等到被发现的时候,病原体已经大量繁殖,一时半会儿杀不完了。

 

所以光靠中性粒细胞这些巡逻兵往往是没法歼灭敌人的,它们还必须去请救兵,主要是向淋巴细胞求援。淋巴细胞有几种,其中有一种是自然杀手细胞,这是非常凶狠的杀手,遇到细胞就杀,除非细胞穿着我军“制服”(细胞表面上特殊的抗原——“主要组织相容性复合物”),因为没有穿着我军制服意味着是入侵的敌人,或者是已经被敌人入侵、征服的我军,都该被杀。甚至,我军并没有被敌人入侵,但是叛变了——发生癌变,这时候也不穿制服,也会被自然杀手细胞杀死,所以它还有抗癌的作用。

 

但是自然杀手细胞虽然凶猛,和中性粒细胞一样效率不高。所以更重要的是,要请求淋巴细胞派出特种兵。特种兵需要针对特定的病原体做特殊训练,这种免疫不是先天具有的,所以叫适应性免疫。特种兵有两支部队,一支在胸腺做新兵训练,叫T细胞(T是胸腺(thymus)的缩写),一支平时驻扎在脾脏和淋巴结,叫B细胞。白细胞首先找的是T细胞。为了让T细胞知道敌人长什么,以便它们能精准地杀敌,白细胞要把敌人的特征交给T细胞:白细胞在吃了病原体之后,会留下一部分“尸体”——抗原片段,把它作为敌人的特征证据交给T细胞部队。T细胞部队根据这个特征,大量地克隆针对它的T细胞准备去杀死它。这些杀手T细胞的杀敌方式简单粗暴,是把已被病毒入侵的细胞“赐死”,细胞死了,病毒也就没法复制了。为了避免健康的细胞也被“赐死”,T细胞部队在派出杀手T细胞之前要对它们做严格的训练,最终只有1%的杀手T细胞通过了训练被派出去,剩下的没能通过训练的杀手T细胞全都自杀。

 

杀手T细胞只能杀死细胞内的病毒,在细胞外游荡的病毒、病菌怎么办呢?这就要靠B细胞了。T细胞部队在派出杀手T细胞去杀敌的同时,还会派出助手T细胞去通知B细胞部队敌人来了。B细胞比T细胞更厉害,它不是通过让细胞自杀的方式间接杀死病毒,而是可以制造抗体直接杀死病毒。

 

抗体是一种蛋白质,形状像一个Y字形的叉子。这个叉子的开口处的氨基酸有不同的组合,每一种组合就是一种抗体,不同组合的叉子开口形状略有差异,能与不同的抗原结合。人体里已经预存了一百亿种不同的抗体,把一生中可能遇到的所有抗原全都囊括了。B细胞接到抗原片段后,拿预存的抗体去匹配,哪一种抗体与抗原结合得最好,就大量地克隆这种抗体。抗体杀病原体的效率取决于它针对的抗原在病原体上的位置。例如,冠状病毒表面上有S蛋白,这是它们打开细胞上的“锁”入侵细胞的“钥匙”。如果抗原片段刚好在S蛋白上,抗体跟它结合,就像用橡皮泥粘住了钥匙,病毒开不了锁,入侵不了细胞,就失去了毒性,这种抗体就叫中和抗体,是消灭病毒的高效方式。但是如果抗原片段在病毒外壳蛋白上,抗体与之结合就不能让它失去毒性,还需要调动别的细胞来杀死它,效率就比较低。

 

抗体有好几种不同的类型,它们的功能有所不同。B细胞接到抗原报告后一开始生产IgM抗体,在被感染几天后就开始生产,但是IgM的半衰期也短,只有几天,所以在感染两周之后IgM基本就没有了。另一种抗体IgG比较晚生产,但是数量多,而且半衰期长达3周,很快取代IgM成为消灭病原体最主要的抗体。

 

在把病原体消灭干净以后,人体的特种兵并不掉以轻心,在一段时间内仍然会继续产生针对它的IgG抗体,在血液里循环、巡逻,保护身体不会立即再度被同一种病原体入侵。抗体会继续生产多长时间,因人、因病原体而异,有的几个月,有的几年。所以如果一个人被病原体感染后即使没有症状,也还有可能在一段时间血液里都有针对它的抗体,通过检测抗体可以知道他被感染过。

 

即使抗体不再生产了,人体并非就对这种病原体没有免疫力了,因为免疫系统还有一种奇特的方式来保留对它的“记忆”。针对这种病原体的杀手T细胞,效率最高的会转变成记忆T细胞;携带针对这种病原体的中和抗体的B细胞有的也会转变成记忆B细胞,这样,同一种病原体如果再次入侵人体,由于淋巴细胞有了关于它的“记忆”,不用再走复杂的审批程序,会迅速制造针对它的杀手T细胞和中和抗体,立即将它消灭,特别是中和抗体,能在病毒入侵细胞之前就将其消灭,是更高效的预防再度感染的手段。所以同一种病原体的第二次入侵,往往还来不及对身体造成伤害就以快速失败告终,人体甚至没有觉得被感染。这种“记忆”能够持续多久,要看是针对什么样的病原体,有的只能持续几个月,有的能持续终身。

 

但是,经由感染病原体来获得针对它的“记忆”毕竟是一件很痛苦的事,而且风险也很大,有可能先被病原体打败、死亡了,即使最终打败了病原体,由于在作战过程中杀敌一千自损五百,对身体的伤害也很大。于是人们想到了一种几乎是零风险又没有什么痛苦、伤害的方法,使用死掉的病原体或者病原体的抗原片段,来刺激人体免疫系统产生对这种病原体的记忆,疫苗因此诞生。

 

2020.8.11.

 

(《科学世界》2020.9)

 

人人可当博物学家

2020年8月19日星期三

博物学是意译,如果要直译,应该叫自然历史学,博物学家则应该叫自然学家。古代西方把对大自然的研究分成两部分,观察、描述、分类大自然里的东西的,叫自然历史;归纳、总结自然规律的,叫自然哲学。自然哲学后来演变成了物理、化学,自然历史随后也演变成了地质学、生物学,相应地,自然哲学家和博物学家这些职业也就消失了,被科学家取代了。

 

国内有一些自称“科学文化人”的大学教师,认为现代科学已经走到末路,提出要回归博物学,用博物学取代科学。这种主张当然是很荒唐的。博物学是描述性的学科,只是做观察、采集、描述、分类的工作,不去做分析,不试图找出现象背后的规律。而科学在此基础上还要做解释性的工作。想让科学研究回归博物学,相当于怪大楼建得太高了,认为还不如推倒了只留一个地基,其荒谬可知。

 

所以,从专业的角度来说,博物学已经死了,是不可能再让它复活来取代科学的。博物学是属于过去的一门学问,今天已经没有职业的博物学家了。但是完全可以把博物学作为业余爱好。由于做博物学观察的门槛很低,也很适合作为业余爱好。由于科学研究已经高度专业化了,今天要业余从事科学研究已基本不可能,搞不好就成了“民科”、“科妄”,但不值得鼓励,但是要业余从事博物学研究完全可能,而且应该提倡。

 

智能手机、互联网、人工智能的普及为博物学研究带来了很大的方便。我从小就喜欢博物学,采集、制作过不少动植物标本,但这是很费时费力的,业余爱好者不可能有很广的涉猎。现在有了智能手机,就方便多了,随时随地可以做博物学观察,看到感兴趣的动植物,随手拍一张照片,基本上可以代替标本的制作。

 

以前业余爱好者做博物学观察还有一个问题,很难对看到或采集到的标本做出准确的鉴定,而不能鉴定,就没有太大的意义,也失去了观察的乐趣。现在不仅可以上网搜索各种文字、图片资料帮助鉴定,而且有多种程序能用人工智能的方法做出识别。这些程序的识别准确率有高有低,最好的识别程序公认是加州科学院研发的iNaturalist。但是即便是最好的识别程序也会出错,也不能完全代替专家的鉴定。而现在也很容易通过网络找到专家的帮忙。例如iNaturalist不仅是个识别程序,还是个网络社区,全世界众多动植物学家都在那里帮助做鉴定。我刚去那里时就得到了很多专家的帮助,现在自己也成了鉴定本地植物的专家,也经常帮助别人做鉴定。这在我小时候是难以想象的,那时候最苦恼的是在本地找不到专家来帮助鉴定标本。

 

博物学的观察虽然是业余在做的,但是也是可以为科学研究做出贡献的。例如,把你看到的动物、植物上传到iNaturalist,这个观察就被采集变成了生物学家可以利用的大数据。实际上,现在已经有不少的论文是根据iNaturalist上世界各地的博物学爱好者采集来的数据写出来的。我所在的圣地亚哥是美国生物多样性最丰富的地方,本地自然历史博物馆已出版了鸟类志、哺乳动物志,但还缺植物志。自然历史博物馆就通过iNatualist建群发动本地居民帮助编写植物志。

 

做博物学观察有时还能对生态保护做出贡献。例如,我们这里有一个小镇几年前发现源自地中海的瓦尔德草,是美国首次发现这种入侵植物。这种入侵植物生命力非常顽强,当地政府申请经费,采取行动,想在其蔓延开去之前将其赶尽杀绝。但是我发现它实际上已经蔓延到附近的两个小镇,报告上去后引起当地植物学家的重视,很可能就要把消灭这种入侵植物的工作扩展到这两个小镇。

 

做博物学观察还有一个额外的好处,那就是有助于锻炼身体。做博物学的观察是要跑到野外去的,甚至是要跑到深山老林去的,要经常远足、爬山的,就是非常好的一种锻炼方式。现在很多人都喜欢户外的活动,一般都只是把它作为锻炼身体的一种方式,或者把它作为一种观赏大自然美景的方式。但是如果在从事户外活动的同时也做博物学的观察,就会增加户外活动的趣味,就更容易坚持下来。这是一个良性循环的过程。我是因为先喜欢远足、爬山,再对本地植物的观察产生了兴趣,然后反过来,由于想要普查本地植物,又激励着自己每天都去远足、爬山,而且尽量去不同的地方。

 

做一名博物学爱好者还有一个好处,博物学的观察对心理的健康很有益,可以缓解精神的压力。到森林里边走一趟,会让人觉得非常的放松。有一项研究表明,每去一次野外、公园,带给人的心理享受就相当于过了一次圣诞节,心情特别愉快,就不容易得抑郁症。

 

做博物学的观察能够满足一个人的求知欲。看到了某一种动物、植物,要想去知道它究竟叫做什么,是要下一番功夫的。而且光知道它的名称还不够,还可以去查一查这种动物、植物有什么样的习性,是怎么来的,这就可以增加很多的知识。我在寻找、鉴定某一种植物的过程当中,有时候就会有意外的收获,会了解到以前从来不知道的有趣的生物现象,因此启发我写科普文章。

 

做博物学的观察还有发现的乐趣。我如果找到了一种我以前从来没见过的植物,那么那一天都觉得特别的有收获。如果能够找到一个以前从来没有人在本地发现过的植物,那么这种满足感就更强了。例如我发现了本地植物名录没有记载、此前没人在本地发现的一种烟堇,是从地中海一带传过来的归化植物,本市自然历史博物馆植物部就让我去采集、制作标本送给他们永久保存。此前我也应他们的要求去采集、制作过本地罕见的植物的标本。

 

做博物学的观察还会让你对生活居住的地方产生一种特殊的感情,熟悉这里的一草一木,对天气的变化、季节的变迁会特别地敏感,会对这里的大自然有一种融为一体的感觉,觉得自己是身处在其中的,不会觉得自己只是一个路人,而是有一种成为了这里的主人的感觉。

 

如果你有小孩的话,带着她一起做博物学的观察,经常往野外跑,那么,这也可以培养小孩对大自然的喜爱,对科学的兴趣。这是一种很好的、潜移默化的教育熏陶。

 

所以,我希望每个人都能够成为博物学爱好者。当然,每个人的时间、精力都不一样,不一定都要为此花很多的时间、很多的精力。不一定每一个人都要跟我一样。我是每天几乎都会花两三个小时在做博物学观察,整个圣地亚哥可能找不到第二个像我这样的人,因为从iNaturalist圣地亚哥植物群就可以看出来,只有我每天都在上传大量的观察照片。但是,每一个人,只要有机会其实都可以做博物学方面的观察。在出去散步、跑步、爬山、做户外活动的时候,顺便也做做博物学方面的观察,把它作为一种业余的爱好,这就够了,说不定能有意外的发现,那就更好。

 

2020.6.15

 

(《科学世界》2020.7)

 

伽利略有没有说过“然而它还在动”?

2020年7月1日星期三

1633年6月22日,伽利略穿着表示忏悔的白衣,跪在宗教裁判所大厅上,聆听对其宣扬哥白尼日心说一案的判决。由红衣主教组成的审判团判决:

 

“认为太阳是世界中心,不会移动,这个主张在哲学上是荒谬、虚假的,是异端邪说,因为它与《圣经》所述不符。认为地球不是世界的中心,会动,而且还绕着太阳动,这个主张在哲学上是同样荒谬、虚假的,在神学上至少是错误的信仰。”

 

对伽利略的处罚分成三部分:命令伽利略放弃、诅咒、憎恶日心说这一异端邪说;将其撰写的《关于两个主要世界体系的对话》列为禁书(实际上伽利略的所有著作此后都被列为禁书);判其正式囚禁,方式由裁判所决定。

 

据说,伽利略在听完判决之后,低声嘟囔了一句:“然而它还在动。”但是这个传说与正式的记载不符。此前,在审讯过程中,伽利略已按要求宣布放弃日心说。在判决后,他根据判决的要求,再次发表声明,“放弃、诅咒、憎恶”日心说,并发誓以后不再讲述或评价日心说。如果他这时候有任何不满让别人觉察到,是非常危险的,只会激怒裁判所加重对他的处罚。

 

我们可以理解伽利略的软弱表现。虽然他被判决囚禁,但具体的执行方式未定。因此,对他来说,最有利的就是要表现得心悦诚服,争取得到宽大处理。对是否判决伽利略有罪,审判团里是有不同意见的,十名成员有三名没有签名。如果伽利略表现得好,那些支持他的红衣主教和贵族才有斡旋的余地。审判团显然对伽利略的认罪态度很满意,在判决的第二天将正式囚禁改为家中软禁。

 

伽利略与天主教会的恩怨,始于1610年。那一年,伽利略出版了一本名为《星的信使》的小册子,报告他首创用望远镜做天文观测的发现。这些发现与托勒密地心说相矛盾,而与哥白尼日心说相符。他发现,木星有四颗卫星,而根据托勒密地心说,所有的天体都应该围绕地球运转才对。更要命的是,他还发现金星的亮度和月亮一样有周期性的盈亏变化,这只能用金星围绕着太阳运行才能解释,是日心说最有力的证据。

 

但是托勒密地心说是天主教会认定的权威理论,而且,基督教《圣经》明显也是认为地球是世界的中心,是不会动的。《圣经》中多处提到太阳是绕着大地转动的,例如:“它(太阳)从天这边来,绕到天那边去,没有一物被隐藏不得它的热气。”《圣经》里还有一个著名的故事,约书亚让太阳停止转动而使时光停止流逝,这很明显地认为时间是由太阳的绕地运行决定的。《圣经》也多处提到地是不会动的,例如:“(神)将地立在根基上,使地永不动摇!”《圣经》是古人写的,其写作者和当时的人们一样认为太阳绕着大地转,这本不奇怪。但是后人将其视为不可质疑的经书,也就难免会与科学的进步发生冲突。

 

伽利略的性格和布鲁诺不同,并不是果敢决绝、义无反顾的人。他不想公开抛弃《圣经》,更不敢否定天主教会的权威。他试图调和《圣经》与科学发现的矛盾,争取天主教会接受日心说。

 

矛盾在1613年开始爆发。一名哲学教授提醒伽利略的保护人托斯卡纳大公梅第奇,虽然伽利略的天文观测结果是可信的,但是这与《圣经》的说法冲突。伽利略以前的学生、比萨大学数学教授卡斯特里在场听到了这番对话,写信向伽利略报告。伽利略回了一封七页长信,其主要内容是,对《圣经》关于天文的说法不能从字面上理解,不能因此说日心说与《圣经》有冲突。这封信和伽利略的许多信一样被人传抄、阅读,其中的一份抄件落到一名多明我会修道士手中,作为伽利略宣扬异端邪说的罪证交给宗教裁判所。

 

当时在佛罗伦萨的伽利略听到消息后,写信向罗马的一个朋友抱怨说他的信被篡改,附上了原信,请朋友转给宗教裁判所。我们现在知道,这封“原信”其实是伽利略后来做了润色的,改掉了一些激烈措辞,但是认为日心说与《圣经》不冲突的主要观点并没有改变。随后,伽利略动身前往罗马去为自己辩护,试图说服教会接受日心说,却遭到惨败。宗教裁判所在1616年2月判决,日心说是与《圣经》冲突的异端邪说,伽利略不许传授日心说,也不许为其辩护。

 

但这个判决并没有真让伽利略放弃日心说。他在1632年出版《关于两个主要世界体系的对话》,以辩论的方式展现日心说和地心说的是非,表面上不偏不倚,实际上却揭露了地心说支持者的愚昧。本来,这本书的写作得到教皇的支持,教皇甚至要求伽利略把他支持地心说的理由写进书中。等到书出来了,教皇才发现自己成了笑柄,下令禁止该书的销售,并启动审讯伽利略的程序,于是有了本文开头的那一幕。

 

伽利略没有在判决后当场嘟囔“然而它还在动”,这是可以肯定的。那么有没有可能,伽利略被软禁时,曾经向来看望他的朋友或学生嘟囔过这句话,因此传开了呢?

 

上个世纪初,科学史家安东尼奥.法瓦罗(Antonio Favaro)对这句名言的来源做了深入的调查,发现它最早出现在一名意大利人于1757年在伦敦出版的《意大利图书馆》一书中:

 

“他(伽利略)获得自由的那一刻,仰望天空,俯视大地,跺跺脚,说,它还在动,意思是地球在动。”

 

该书的出版距离伽利略受审已有120多年,并非同时代的人的记载,也就不可信,而且,从这段描述看,这明显是为了突出伽利略的光辉形象而做的虚构。因此法瓦罗撰文认为这句话是后人编造的。

 

但是在1911年,法瓦罗收到比利时人凡贝勒(Jules Van Belle)的来信,信中附上他收藏的一幅画的照片。它画的是伽利略被囚禁在地牢中,用钉子在墙上刻画出地球围绕太阳,并写上“然而它还在动”。凡贝勒称,该画由一名西班牙画家做于1643或1645年。如果是真的,这意味着在伽利略1642年去世后不久,这句话就已众所周知,说明伽利略生前已在传了。

 

这幅画的发现改变了科学史学界的看法。从那以后多数学者认为,虽然伽利略没有在接受判决时嘟囔那句话,但是很可能在软禁期间向某个访客说过。

 

但是有个关键的问题被学界忽视了:凡贝勒手上的那幅画真的是17世纪的作品吗?这幅画后来下落不明,有的艺术史家根据其照片判断,它更像是19世纪风格的画作。这引起了美国天文物理学家马里奥.利维奥(Mario Livio)的怀疑。他的调查找到了这幅画的下落,2007年安特卫普的一次拍卖会上,凡贝勒的曾孙将这幅画卖给了一名私人收藏家。拍卖行的专家没发现该画有签名,但鉴定它是19世纪的作品。但是由于对隐私的保护,拍卖行并没有公布这幅画卖给了谁,其他专家没法去做进一步的鉴定。

 

利维奥的调查还有一个有趣的发现,比利时一家艺术博物馆收藏着法兰德斯画家凡马尔德希姆(Romaan-Eugeen Van Maldeghem)画于1837年的画作《伽利略在狱中》,几乎与凡贝勒的画一模一样。

 

这有两种可能性,要么凡马尔德希姆临摹了一幅17世纪画作,要么有人临摹了凡马尔德希姆的画作。利维奥找到了19世纪出版的两本介绍法兰德斯画家的书,里面都把《伽利略在狱中》列为凡马尔德希姆的原创画作。这两本书分别出版于1842年和1859年,当时凡马尔德希姆还活着,没有人怀疑其画作的原创性。再考虑到这幅画被艺术史家们一致认定是19世纪风格,而伽利略受审在19世纪才成为画家流行的题材,定论就有了,凡贝勒手上的画并非17世纪的作品,而是有人临摹了19世纪的画作,那时候“然而它还在动”这个传说已人尽皆知,不能作为伽利略曾经说过的证据。

 

所以“然而它还在动”这句话不过是后人出于同情伽利略而杜撰出来的,没有证据表明伽利略生前曾说过这句话。伽利略是否在内心说过,我们当然无从知晓。但我们可以相信的是,虽然伽利略为了避免受到更严重的迫害而在表面上屈服,却不可能真正放弃日心说,那是他亲眼观测得出的结论,而正如他在致卡斯特里的信中说的,那些宗教权威人士并不具有判定科学的能力,他们“恶毒而且愚昧”。

 

虽然被软禁家中,伽利略仍然在从事他最擅长的科学研究,秘密撰写另一部划时代的著作,采用的仍然是《关于两个主要世界体系的对话》的形式,甚至对话的人物都完全一样。这本书在1638年送到宗教裁判所管不到的荷兰出版,那就是奠定了现代物理学基础的《两种新科学》。他就以这种方式,蔑视了宗教裁判所的判决。

 

2020.5.13.

 

(《科学世界》2020.6.)

蜱虫是一种神奇的生物

2020年5月27日星期三

蜱虫是一种神奇的生物,如果你不被它咬到的话。

 

我住在山沟沟里,天天往野外跑,属于吸引蜱虫的高危人群,但是直到现在,我才第一次见到蜱虫。有一天,我看到山道旁边盛开着一片妖娆的琴颈花,便过去拍摄。只见一只像小蜘蛛的东西沿着我的裤脚快速往上爬。定睛一看,是一只蜱虫。在把它拿掉之前我给它留影,回家后找出蜱虫图鉴进行比对,认定是加州一带常见的太平洋海岸蜱虫。

 

蜱虫有几百种,数量较多的是长着硬壳的蜱虫,太平洋海岸蜱虫就属于硬壳蜱虫。蜱虫需要吸血才能变态(从幼虫变成若虫,再由若虫变成成虫)、蜕皮、性成熟和产卵,所以一生中它要多次吸血。有时候蜱虫和蚊子、吸血蝙蝠等其他吸血动物一样,会主动出击去寻找猎物。虽然蜱虫和蜘蛛一样长着八只脚(都属于蛛形纲动物),跑起来速度也不算慢,但四处乱跑毕竟太浪费能量,所以更多的时候,它采取的是“守株待兔”的方式,爬到草尖上,用后面的脚抓住草叶,身体倒挂着,朝下张开第一对脚,随着草叶摇曳,一直那么等着,等到有猎物经过,就从草尖上掉下来,掉到猎物身上。

 

蜱虫怎么知道有猎物经过呢?用眼睛看吗?不是的,蜱虫只有一对简单的眼点长在第二对脚上,用于分辨光线的强弱,并不能成像。有些种类的蜱虫甚至没有眼点。在蜱虫前肢的前端,有一个只有它们才有的特殊感受器。这是德国动物学家哈勒在1881年用光学显微镜发现的,所以叫哈勒感受器。这才是对蜱虫发现猎物和寻找配偶至关重要的器官。

 

在电子显微镜底下,可以更明白地看清哈勒感受器的结构。它分成两部分,前面是一个小坑,后面是一个大一些的小室。小坑是一个化学感受器,能够感受周围的二氧化碳浓度的变化。如果二氧化碳浓度突然升高,意味着有动物经过,是它呼吸时呼出的二氧化碳导致二氧化碳浓度的变化。蜱虫最喜欢的宿主是哺乳动物,哺乳动物身体都会散发丁酸——呕吐物的气味主要就是丁酸的味道,在一般情况下气味当然不会那么浓烈,但哈勒感受器也能感受到。

 

哈勒感受器后半部分的小室以前也被认为是化学感受器,但它的构造就像是一个针孔相机,具有会聚光线的作用,会聚可见光对蜱虫没用,但是如果能会聚红外线就很有用,因为哺乳动物是温血动物,会散发出一定范围波长的红外线,如果能探测到红外线,不就可以知道“血源”的到来了吗?这让人联想到这个小室可能是一个红外线感受器,实验也表明蜱虫能够用它探测到哺乳动物身体散发出的红外线。在蜱虫周围放一块金属板,在金属板温度是室温时并不能吸引蜱虫,但是把金属板加热到37摄氏度,蜱虫就会立即向金属板爬去。根据实验结果算出,一只哺乳动物远在四米处散发出的红外线也能被蜱虫感受到。

 

所以,蜱虫就倒挂在草尖上,伸出前肢,感受着二氧化碳、丁酸、红外线,等着有猎物从身边经过。蜱虫的一生就是在等待中度过的。它的生活史的每一个阶段,都需要吸血来完成。雌蜱虫把卵产在落叶覆盖的地面,幼虫孵化出来后,爬到小型哺乳动物或鸟类的身上吸血,然后掉到地上蜕皮,由6条腿变成8条腿,成为了若虫。若虫会爬到比较大一点的哺乳动物身上吸血,然后再次掉到地面蜕皮变成成虫。最后一次吸血,雄蜱虫是为了性成熟并与雌蜱虫交配,雌蜱虫则是要为产卵做准备。它们要吸大型哺乳动物的血,例如鹿。

 

守株待兔当然是很低效的捕猎方式,不过蜱虫有的是时间,可以耐心地等待几个月,甚至更长的时间。大英百科全书说蜱虫为了吸一次血可以等上三年。不知道这是怎么算出来的,难道真有动物学家追踪一只蜱虫达三年之久?在等待的时候,蜱虫的新陈代谢非常低,就像处于休眠状态,所以可以忍饥挨饿这么长时间。它们在真空中甚至也能存活半小时。

 

终于等来了猎物,蜱虫掉到了猎物身上后,并不急于下嘴。这是难得的美餐,要好好享用。它们会在猎物身上到处走动,短则十几分钟,长则一、两个小时,寻找比较隐秘、皮肤比较薄的部位再开始吸血,例如腋下、大腿根,有的蜱虫喜欢钻到耳朵里。在蜱虫的唾液中,有上千种蛋白质,它们有的具有抗凝血作用,确保在吸血过程中血液不会凝固,源源不断地流进蜱虫身体;有的具有抗炎症作用,在它们叮咬的地方不会出现炎症,宿主不会感到痛、痒,觉察不到。这一点很关键,因为雌蜱虫不像雄蜱虫那样吸一点血就知足去找配偶了,而是要一直吸上一、两周甚至更长时间,直到把自己吸成了一个血球,吸进的血液是体重的几百倍,才脱落了,掉到地上产卵。在吸血过程中,蜱虫的细胞快速分裂,让身体变大,才能容下这么多血液。

 

如果一只动物身上寄生了很多蜱虫,被吸走了这么多血,甚至会导致贫血。人倒不必担心会被蜱虫吸得贫血,因为错误地把人当成其他哺乳动物跑到人身上来的蜱虫毕竟是个别的,被吸走一点血没什么大不了的。麻烦的是蜱虫身上往往会有细菌、病毒,会让人感染上十多种疾病,有时会是致命的。去年10月美国前参议员凯.哈根死于波瓦桑病毒引起的脑炎,就是因为她在野外远足时被蜱虫叮咬染上的。蜱虫传播的疾病中最常见的是莱姆病,每年美国大约有30万人染上这种病。莱姆病虽然不致命,但有一部分人即使经过了治疗仍然长期会有关节疼痛、虚弱等症状。

 

莱姆病在美国主要发生在东部和中西部,加州属于低风险地区,莱姆病发病率是二十万分之一,而东部康乃狄格州(最早鉴定出莱姆病的莱姆镇就在该州)是它的一百倍。加州蜱虫很多,其中一种(西部黑腿蜱虫)也是莱姆病病菌的载体,为何莱姆病并不流行?

 

在加州生活着一种叫西部强棱蜥的蜥蜴,不知为何,西部黑腿蜱虫的若虫喜欢吸的不是哺乳动物而是这种蜥蜴的血,有一项研究发现,这种蜱虫的若虫90%都吸这种蜥蜴的血,在一只西部强棱蜥身上往往能找到几十只蜱虫在同时吸血。但是西部强棱蜥却不会被莱姆病病菌感染。加州大学伯克利分校研究人员把这种蜥蜴的血抽出来,放进莱姆病病菌,一小时之内病菌就被杀死了,而它们可以在老鼠血液里活三天。如果把西部强棱蜥血液煮过后再加入莱姆病病菌,就不会被杀死了。这说明西部强棱蜥的血液中有一种蛋白质能够杀死莱姆病病菌,蜱虫若虫吸过它们的血后,自己体内的病菌就被清除了,等它们变成成虫再去叮咬人,传播莱姆病的风险就降低了。加州西部黑腿蜱虫只有1%-2%体内有莱姆病病菌,而康乃狄格州的鹿蜱虫(莱姆病病菌的主要载体),30%-60%体内有莱姆病病菌。

 

虽然与其他地方相比,在加州被莱姆病病菌感染的风险比较低,但毕竟还是有风险的,而且蜱虫还能传播别的疾病。所以自从发现了蜱虫之后,我就很注意预防蜱虫叮咬。在衣服和裸露皮肤喷高浓度的避蚊胺,除了可以驱蚊,也可以干扰蜱虫的感受器,让它们探测不到人。回家后要仔细看看衣服上是否有蜱虫,所以去野外最好穿浅色衣服,便于发现蜱虫。洗澡时要察看身上是否已被蜱虫咬上,特别是要检查隐秘部位。如果发现了蜱虫叮咬,用镊子夹住蜱虫口器,往上拔出,把蜱虫扔进马桶冲走。蜱虫通常要吸血一两天后其体内病菌才会传入人体,所以即时发现其叮咬是不用太担心的。除虫菊酯能够杀死蜱虫。美国市场上有用除虫菊酯浸泡过的绑腿,套在袜子外面,把裤脚塞在里头,就可以防止蜱虫、特别是其若虫附着,这很重要,因为蜱虫若虫只有芝麻大小,肉眼很难发现。

 

蜱虫是一种神奇的生物,但是注意不要被它咬上。

 

2020.4.16

 

(《科学世界》2020.5.)

“群体免疫”不等于放任自流

2020年4月16日星期四

不久前我写了一篇文章《遏制新冠病毒只能靠“群体免疫”》,澄清首都医科大学校长饶毅对“群体免疫”的错误理解,科普了“群体免疫”这个概念。不料这篇文章引起了一场风波,连累发表该文的微信公众号被销号。饶毅本人没有公开回应,倒是有一些网红、营销号一起来围攻我,骂我“太冷血”、“没人性”、“言论何其毒也”。一个自称“科学公园”的伪科学网站更是因此接连贴出谩骂我的大字报。

 

“群体免疫”是有免疫学知识的人都知道的一种现象,也是传染病可能产生的一种结果。因为不喜欢一种现象或结果,就去骂科普这种现象或结果的人,以为这样就可以无视这一现象或结果吗?

 

一种传染病出现以后,只能有三种结果:一、它被完全消灭,从此消失。二、它一直在人群中流行。三、它没有被消灭,但是由于人群中有足够多的人对它具有免疫力,其传播被遏制住了,我们就说对这种传染病有了“群体免疫”。

 

现在没人相信新冠病毒有可能被完全消灭,那么它就只剩下两种结果,要么一直流行,要么由于“群体免疫”而遏制其传播。那些攻击“群体免疫”的人,难道是希望新冠病毒一直流行?

 

他们当然不至于这么“冷血”。他们之所以攻击“群体免疫”,是把它当成了一种防疫策略。要达成群体免疫,有两个途径,一个是让足够多的人接种疫苗,一个是有足够多的人在被病原体感染、痊愈后产生免疫力。这些“热血”的人只想要疫苗接种,不想接受第二种途径,他们所说的“群体免疫”,其实只是针对这一种。然而,疫苗的研发需要很长的时间,而且疫苗有可能不成功。那么在疫苗上市之前,你不愿意让人们被病毒感染,又能怎么办?整个社会一直停摆下去,直到疫苗上市吗?准备停摆多长时间才放弃?一年、两年还是十年?

 

这些攻击“群体免疫”的人,把它当成了放任自流的防疫策略,号称用小学算术算一算就可以知道要达成群体免疫需要死多少人,然后就可以骂科普“群体免疫”的人“太冷血”、“没人性”。例如,有人这么算,世界人口有77亿人,要达成对新冠病毒的群体免疫需要60%人口也就是46亿人被感染,按我说的病死率0.5%(含无症状感染者)算,也要死2300万人,太吓人了,太冷血了,太无人性了。

 

假如真要死这么多人才能达成群体免疫遏制新冠病毒的传播,那也只是一个残酷的事实,跟指出这个事实的人是否冷血、有没有人性有什么关系?1918年流感大流行时,如果有人算出全世界要死五千万人之后流感大流行才会结束,也要骂他太冷血、没人性吗?

 

何况认为群体免疫是遏制新冠病毒传播的必然途径,并不等于就是要放任自流,无所事事。我们仍然可以采取一些措施来尽可能降低死亡率。老人和有基础病的人是新冠病毒感染的高危人群,把他们保护起来(例如建议他们在疫情期间尽量不要外出,禁止去老人院探访),就可以极大地降低死亡率。采取保持身体距离等措施减缓病毒的传播速度,免得重症病人太多让医疗系统崩溃,即所谓“拉平曲线”,也可以降低死亡率。随着治疗经验的提高、护理技术的改进,还可以进一步降低死亡率。如果发现了特效药,或者病毒在传播过程中毒性减弱,那么死亡率还能降低。总之,最终死亡的人数是不会像用小学算术算出来的那么恐怖的。并不是会小学算术就可以来指点怎么防疫了。

 

目前不管采取什么措施,极端也好,淡定也吧,最后都会殊途同归,迟早都要等达成群体免疫才能结束新冠疫情。区别只在于一个是长痛,一个是短痛;一个对经济、生活影响大,一个对经济、生活影响小。至于要死多少人、多长时间才能达成群体免疫,没人能准确知道。甚至也可能没能形成群体免疫。如果病毒容易变异,感染痊愈者对它的免疫力只能保持很短的时间,那么是没法形成群体免疫的。例如,人们对导致普通感冒的冠状病毒的免疫力只能保持几个月,所以得了普通感冒,还会再得。如果新冠病毒也那么容易发生变异,就不可能形成群体免疫,疫苗也不会有效,新冠病毒就会一直在人群中流行。难道这是攻击群体免疫的人愿意看到的结果?如果那样的话,才叫“太冷血”“没人性”。真有人性,就应该希望能实现群体免疫。

 

2020.4.6.

遏制新冠病毒只能靠“群体免疫”

2020年3月27日星期五

新冠病毒疫情在英国发作的初期,英国政府采取比较淡定的态度,没有像其他国家那样采取关闭学校、禁止大型集会之类的强硬措施。英国政府首席科学顾问的解释是,英国政府将疫情高峰延缓至夏季,如果有60%的人对新冠病毒有了免疫力,就能获得“群体免疫”,可以阻隔下一波新冠病毒的流行。

 

英国政府的这种做法受到了很多批评,被说成是故意要让大家感染新冠病毒,以建立群体免疫。中国学者中,对此批评最严厉、影响最大的是首都医科大学校长饶毅,他写了一篇题为《英国首相的“群体免疫”谎言》的文章,流传甚广。在饶校长看来,没有疫苗,是根本不可能形成群体免疫的,所以英国首相(其实提出者是英国政府首席科学顾问)是在说谎。为什么呢?饶校长说:

 

【群体免疫现象的意思是:如果少数人不肯打疫苗,但是大多数人接种了疫苗,因为大多数人有免疫力,病毒就难以传播,这样就可能病毒碰不到没有接种疫苗的人,所以呈现“群体免疫现象”。

 

这完全不支持英国首相的政策。在一个新的病毒出现,全体人民没有疫苗,极少数可能有先天免疫力的情况下,不遏制病毒传播,把全体人民暴露在病毒面前,是不可能出现群体免疫现象的。会出现的是:凡是感染了会死的就死去,感染了不会死的就获得免疫,继续活下去。这种现象是英国著名科学家达尔文提出的“物竞天择?适者生存”。

 

如果英国相信现任首相,还可以推广用这种方法,全面取消医疗。】

 

英国政府的做法是否合理、可行且不说,饶校长对此的批评错得离谱,暴露出他缺乏免疫学常识。

 

饶校长认为只有打疫苗才能形成群体免疫,这是错的。只要一个群体中对一种病原体具有免疫力的人数足够多,就能形成群体免疫阻隔病原体的传播,与这种免疫力是怎么来的没有关系:可以是疫苗接种获得的,也可以是被感染痊愈后获得的,甚至可以是天生就对该病原体具有抵抗力。需要多少比例的人具有免疫力才能形成群体免疫,与病原体传染力(基础传染数)有关。根据新冠病毒基础传染数可以算得,大概60%的人对其具有免疫力就能形成群体免疫。所以英国政府首席科学顾问才以让60%的人具有免疫力作为“目标”。

 

但饶校长认为,没有疫苗,这个目标是不可能实现的,因为“少数天然有抵抗力的人,他们不可能堵住病毒在人群的传播。”饶校长所谓“天然有抵抗力的人”,应是指天然不会被新冠病毒感染的人,例如细胞与新冠病毒结合的靶点发生突变,让新冠病毒没法入侵细胞。这样的人如果有的话,也是极少数。

 

但是饶校长似乎不知道,要对新冠病毒具有抵抗力,还有第三条途径,那就是被新冠病毒感染后痊愈了,体内有了针对新冠病毒的抗体,也就对它具有了免疫力。虽然新冠病毒被媒体和某些专家渲染得非常恐怖,但其实它是比较温和的病毒,在确诊病例中,有80%症状轻微,不经任何治疗就能痊愈。而且,在对钻石公主号邮轮的全体乘客和意大利一个小镇的全体居民全部做了核酸检测后发现,被新冠病毒感染的人有一半以上从被感染到转阴时都没有症状,如果不对所有的人做检测,这些人就不会被统计进去。所以,被新冠病毒感染的人,90%以上没有症状或有轻微症状,他们痊愈后就有了免疫力。可见,要让60%的人具有免疫力,并非不可能。

 

如果某种传染病能通过普遍感染获得群体免疫,是不是像饶校长说的可以“全民取消医疗”呢?是不是就要搞社会达尔文主义呢?当然不是。大部分的疾病不是病原体引起的,人体不会对其产生免疫力。即使是病原体导致的疾病,其中有一部分人体也没法对其产生免疫力。即使是能产生免疫力的疾病,也需要用药物和支持疗法救治重症感染者。所以医疗还是很有必要的。

 

但是,对新冠病毒能够产生群体免疫,并不意味着就可以顺其自然。毕竟,被新冠病毒感染的人,有大约10%是重症(基数包括了无症状感染者),他们是有死亡危险的,需要救治。目前的研究结果,新冠病毒感染死亡率大约0.5%。如果不对病毒的传播做出干预,被感染者数量指数增长,重症患者数量也急剧上升,导致医疗系统崩溃,就会让病死率超高,就像武汉、意大利发生的那样。

 

在舆论压力下,英国政府没能再淡定下去,也禁止大型集会、关闭学校,下一步还可能“封城”(西方国家所谓“封城”其实是对商业活动和居民行为做出某些限制,例如禁止餐馆、酒吧营业,居民无生活、工作、医疗、健身需要不要外出,和中国的“封城”不是一个程度的)。这么做的目的又是为了什么呢?

 

当一种传染病爆发时,人们首先想到的是能否把它完全控制住不让它传播开去?甚至让它完全消失?当年的萨斯不就被消灭了嘛。但是萨斯和新冠病毒感染病有很大的不同。萨斯病情往往比新冠病毒严重,病死率高得多,而且有很明显的症状,那就是发烧,通过排查发烧的人,就能把萨斯患者都找出来隔离,从而切断病毒的传播。新冠病毒感染则不然,没有明显的症状,并不是被感染者都会发烧,甚至一半以上的感染者什么症状都没有。对这种比较温和的病毒,要将它完全消灭是不现实的。即使采取让整个社会停摆的极端措施,把病毒传播暂时压制下去了,一旦社会恢复运转,病毒又会开始传播了。

 

既然没法完全控制病毒传播,那么退而求其次,尽量减缓病毒传播的速度,让感染者数量缓慢增加,不要让医疗系统崩溃。这就是目前欧美各国采取的防疫措施,所谓“拉平曲线”,不要让感染人数出现急剧上升的高峰。长期来看,可能并不能减少感染者的数量,但是如果能做到感染人数上升平缓,医疗系统不超负荷,重症患者能得到及时救治,就能减少死亡,降低病死率。

 

真正要完全控制病毒的传播,需要借助疫苗。但是,即使一切顺利,疫苗的研发、试验、大规模生产也要一年以上的时间,这一次的疫情是指望不上的。何况疫苗的研发很可能不会成功,毕竟,很多传染病到现在也没能做出疫苗。所以,没有疫苗,新冠病毒会一直在人群中传播,等到大部分人被传染上,60%以上的人对其具有免疫力,传播才会被遏制,除非新冠病毒像流感病毒那样很容易发生大的变异,让此前获得的免疫力失效。可见,不管是靠疫苗接种,还是由于大部分人被感染获得免疫力,要遏制新冠病毒,最终仍然离不开群体免疫。

 

2020.3.19

 

冠状病毒是个什么东西

2020年3月24日星期二

最近我女儿的科学课举行了一次辩论,辩论的题目是:病毒是不是生物?辩论的结果大部分同学认为病毒不是生物,理由是:细胞是生命的基本单位,病毒不是细胞,所以不是生物。

 

生物学界一般也不把病毒当做生物,理由也是病毒没有细胞结构。病毒实际上只是由蛋白质外壳包裹着的一段遗传物质——核酸,结构非常的简单。

 

但是,核酸和蛋白质都是生物大分子,这就使得病毒虽然不是生物,却具有生命的某些特征。其中一个重要特征是遗传,即能够复制自己产生后代。这个使命当然是由遗传物质来完成的。遗传物质首先要能自我复制。生物的遗传物质都是DNA(脱氧核糖核酸),而且都是双链,即有两条互补的DNA链,复制的时候两条链解开,分别合成互补的新链,一个双链DNA就变成一模一样的两条双链DNA了。病毒的遗传物质有的是DNA,也有的是RNA(核糖核酸)。今年闹得沸沸扬扬的新型冠状病毒属于RNA病毒,它的遗传物质是单链RNA,复制的时候用这条RNA作为模版合成一条和它互补的新RNA,然后再合成和新RNA互补的RNA,这些RNA就和最早的RNA一样了。

 

核酸是用核苷酸作为材料合成的。我们人体细胞合成DNA所需要的核苷酸最终是用我们从膳食中摄入的某些营养素合成的。但是病毒里面没有核苷酸,也不能自己合成核苷酸(或者说,病毒没有新陈代谢的能力。新陈代谢是生命的特征之一,这也是病毒不被认为是生物的另一个理由)。它们只能去利用细胞里现成的核苷酸。

 

遗传物质携带着遗传信息,这些信息要表达出来才能执行功能,功能主要是由蛋白质来执行的。所以遗传物质携带的遗传信息主要是蛋白质的编码,也就是基因。对生物来说,要让遗传信息表达出来,先以DNA为模版合成和它互补的RNA,然后以RNA为模版合成蛋白质。对冠状病毒来说,它跳过了第一步,直接就用RNA做模版合成蛋白质。但是这一步需要在核糖体里完成,而且需要氨基酸作为合成蛋白质的材料。这二者病毒都不具备,它们也只能去利用细胞里现成的核糖体和氨基酸。

 

所以,病毒要复制自己,就必须入侵细胞,打入细胞内部。但是细胞有细胞膜保护,不是随便能进去的,需要有进入细胞大门的钥匙。在冠状病毒的蛋白质外壳上,有一根根的突起,让它看上去像西方国家的王冠,所以叫它冠状病毒。这些突起就是打开细胞大门的钥匙,是一种蛋白质(称为S蛋白)。要打开细胞大门,钥匙要能和细胞膜上的锁吻合。这些锁是某种分布在细胞膜上的蛋白质,称之为受体。不同病毒能结合的受体不尽相同。对新型冠状病毒来说,它的受体是血管紧张素转化酶2,简称ACE2。从这个受体的名称可以看出,它原本的作用是用来转化血管紧张素的,在调节心脏功能等方面发挥作用,并不是用于迎接病毒的,只不过被病毒利用了,把病毒误当成了它要催化的底物和它结合,然后病毒趁机把它的遗传物质送进了细胞中。ACE2在人体很多器官、组织中都有,包括呼吸道上皮细胞,特别是肺泡的上皮细胞。所以肺就成了新型冠状病毒的主要入侵部位。

 

冠状病毒进入细胞后,利用细胞里的“车间”和原料来复制新的病毒。一方面,要复制病毒的遗传物质。但是要复制RNA,光有核苷酸不行,还要有复制酶作为催化剂。病毒基因组编码了复制酶,它首先利用细胞里的核糖体合成了复制酶,然后在它的催化下复制遗传物质。另一方面,还要根据病毒基因组制造病毒自带的蛋白质。病毒能尽可能地利用细胞中现有的蛋白质,只制造细胞中没有但是是病毒繁殖所必需的少数几个蛋白质。对冠状病毒来说,这些蛋白质包括一种和遗传物质结合的蛋白质(N蛋白),两种构成病毒外壳的蛋白质(M蛋白和E蛋白),以及S蛋白。此外还有几个用于对付免疫系统的蛋白质。基因组和蛋白质都复制好了,就可以组合成新的病毒颗粒,然后释放到细胞外,去入侵别的细胞。细胞被病毒充分利用后,就死了。所以病毒对它入侵的生物体具有毒性,能让生物体生病。生物体为了消灭入侵的病毒,调动免疫细胞前往被入侵的器官,引起炎症反应,因此加重了病情,有时还来不及杀光病毒反而把自己搞死了。

 

核酸在复制的过程中有时会产生错误,例如把核苷酸放错了位置,根据模版本来应该放某种核苷酸,却放了别的核苷酸,核酸序列发生了改变,这时我们就说发生了突变。生物体对此有一套纠错机制,但是不能完全避免,所以突变总是会发生的。病毒没有或只有简陋的复制纠错机制,而且病毒复制速度要快得多,所以病毒非常容易发生突变。尤其是对于冠状病毒这样的单链RNA病毒来说,更容易发生突变,因为它只有一条链,发生了突变就会遗传下去。而且冠状病毒的基因组是RNA病毒中最大的,多达3万个“字母”,“字母”越多,复制时就越容易出错。

 

通过对比不同病毒的基因组序列,看看它们之间有多大的相似性,再根据突变的速率,就可以推算出它们是在什么时候发生分化变成不同的病毒的,从而重建病毒的进化史。例如,新型冠状病毒与一种蝙蝠冠状病毒的基因组序列有96.2%是相同的,据此可以推算出这两种病毒在25-65年前有共同祖先,也就是说,新型冠状病毒是不久以前才从某种蝙蝠冠状病毒(不一定是上述做比对的那种)进化来的。新型冠状病毒与萨斯病毒的基因组序列只有79.5%相同,说明二者亲缘关系比较远,在几千年前它们的祖先就已经分化走上不同的进化道路了。所有的冠状病毒都是在大约一万年前从一个共同祖先进化出来的。一万年对生物进化来说只是一瞬间,甚至不足以进化出一个新物种——今天的人类与一万年前的人类都是一个物种,但是一万年已经足以进化出无数种病毒了。可见病毒变异、进化速度之快。

 

病毒的突变有的没有改变蛋白质编码,对病毒的属性不会有影响。但是有的突变会改变蛋白质编码,有可能让蛋白质序列、功能发生改变,就能够改变病毒的某些属性,例如能让病毒入侵新的细胞类型,甚至入侵别的物种。突变也可能改变病毒的毒性,病毒的毒性会因此变强,但也可能变弱。病毒没法在细胞外繁殖,也没法在细胞外长时间生存,它只有在细胞中才能不停地繁殖下去,一旦释放到体外,找不到新的细胞入侵,很快就会失去活性。所以一旦病毒把生物体杀死,生物体内的病毒也就同归于尽,没法继续传播了。所以毒性强的病毒因为很快就把宿主杀死了,传播其后代的效率就比较低,而毒性弱的病毒能让宿主更长时间地传播自己,其后代就会越来越多。病毒对宿主的影响越小,其传播的效率就越高。可见,虽然病毒突变的结果既可能让其毒性变强也可能让其毒性变弱,但是毒性弱的病毒比毒性强的病毒更有生存优势,总的进化趋势是毒性越来越弱,弱到甚至对宿主的生活不产生影响,和平共处。

 

这正是在蝙蝠中发生的情形。蝙蝠由于会飞翔,活动范围广,很容易被传染病毒,而且蝙蝠在洞穴里密密麻麻地挤在一起群居,病毒很容易在蝙蝠之间传播。蝙蝠可能是哺乳动物中携带病毒最多的。光是在云南省一种蝙蝠的身上就检测到了5000多种冠状病毒。但是蝙蝠身上虽然病毒众多,除了个别的例外(例如狂犬病毒),这些病毒对蝙蝠的生活却没有影响,不会让它们生病,因为经过长期的进化,病毒已经和蝙蝠和平共处了。

 

但是,如果蝙蝠上的病毒入侵人体,那就是另一回事了。人体从未遇见这种病毒,进化才刚刚开始,病毒就可能会伤害人体,甚至是致命的。不过,人们很少和蝙蝠有直接的接触。但是,如果某种哺乳动物捕杀蝙蝠,就可能被蝙蝠身上的病毒感染,而人再捕杀这种哺乳动物,蝙蝠病毒就会转移到人体。这种哺乳动物,就成了把病毒从蝙蝠传播给人类的中间宿主。

 

幸运的是,人和蝙蝠虽然都是哺乳动物,但是生理还是有很大的差异,能在蝙蝠上寄生的病毒即使接触到人体也不一定能入侵人体细胞,即使能入侵人体细胞,也不一定能在人与人之间传播。只有在很偶然的情况下,蝙蝠的某种病毒发生了突变,让它既能入侵人体细胞,又能在人与人之间传播,这时就出现了一种新型人类传染病。蝙蝠身上虽然有成千上万种冠状病毒,但到现在只有七种能在人与人之间传播,有四种只是导致症状很轻的上呼吸道感染(普通感冒)。大约15%的普通感冒是冠状病毒引起的,因为不会死人,也就没有引起人们的重视。还有三种冠状病毒(萨斯病毒、中东呼吸综合征病毒和新型冠状病毒)能感染下呼吸道,导致肺炎,有时是致命的,才引起人们的重视乃至恐慌。如果我们不改变生活方式,如果我们继续以捕杀、食用野生哺乳动物为乐,这种恐慌就没法避免,每过一段时间就会发生。

 

2020.2.8

 

(《科学世界》2020.3)

 

不宜要求普通公众戴口罩

2020年2月3日星期一
自2019新型冠状病毒肺炎在武汉爆发以来,中国医学专家一直在强调公众在公共场合要戴口罩,把这作为防疫的重要手段。武汉、南京、无锡、广东等市、省政府先后发布防疫通告,在公共场所实施佩戴口罩的控制措施,不戴口罩者要被处罚。
这些建议、要求是不符合国际惯例的。世界卫生组织、美国疾控中心从来就不建议把在公共场合戴口罩作为防疫措施。在新型肺炎爆发之后,这些机构发布的防疫指南也没有建议普通公众在公共场合戴口罩。新加坡卫生部发布的指南甚至明确指出:“身体若无不适,一般上无需佩戴口罩。”可见,强制公众戴口罩防疫,是很有中国特色的。
这些防疫通告,只是泛泛地要求佩戴口罩,对口罩的类型并无要求,似乎以为不管什么样的口罩戴上了就有作用。实际上,市面上的口罩大多数是用于防尘、吸异味的,对于预防病毒传染没有任何用处。要预防病毒传染需要佩戴专业的医用口罩:外科口罩能对阻隔飞沫传染起到一定的作用,而N95(或更高级别)口罩的阻隔作用更佳。这也是医护人员使用的两种口罩,他们在一般情况下佩戴外科口罩,在特殊情况下佩戴N95口罩。
既然医护人员在用,是不是就可以要求普通公众也用呢?是不是可以更详细地要求公众佩戴外科口罩或N95口罩呢?不是的。
首先是使用的环境不同。医护人员身处病毒浓度高的医疗环境,面对的是传染性很强的病人,在这种情况下就很有必要通过戴口罩来减少被飞沫传染的风险。而在一般的公共场合,环境完全不同。如果是在开阔或人烟稀少的场所,例如街道、公园、体育场,没有被飞沫传染的风险,也就完全没有必要戴口罩。如果是在密闭而且人群密集的公共场合,即使碰巧有传染病患者,保持一米以上的距离就不会被飞沫传染,刚好近距离接触患者被其飞沫传染上的风险微乎其微,戴口罩的作用也就不大。绝大部分人都是在医院或与患者有密切接触(例如共同生活)而被传染的。
有人会说,虽然公共场合传染的风险低,戴总比不戴好啊。这就涉及到另一个问题:戴并非总比不戴好。如果佩戴不合适,戴了等于没戴。戴口罩要完全盖住口和鼻,并紧贴脸部,不能留有空隙,才能起到防护作用。没有专业的指导并养成习惯,一般人很难正确佩戴外科口罩,更难正确佩戴N95口罩,N95口罩需要使用专门的工具测试密合程度,才能保证防护效果,所以不建议普通公众使用。在湖北省的新闻发布会上,省秘书长戴口罩鼻子露在外面,武汉市长戴的口罩干脆是反着的,这都起不到防护作用。领导一线防疫的官员尚且如此,更不要说一般人了。
口罩是很好的病原体吸附、孵化器,如果使用不当,比不戴口罩还糟糕。口罩容易吸附病菌、病毒,是不能触碰其外层的。但是我们经常能看到戴口罩的人忍不住去摸口罩外层进行“调整”,这样手指上就沾上了病菌、病毒,如果手再摸自己的脸、眼睛,就会感染自己;如果手再摸别的地方,就帮助传播病菌、病毒。口罩如果摘下来(例如因为要吃饭),就要换新的,如果口罩脏了、湿了、时间长了,也要换新的,否则反而容易被传染。但实际上一般人很难这么做,时间长了,更难坚持这么做。换下的口罩要装进袋子里再丢弃,如果随意丢弃,也是在帮助传播病菌、病毒。网上已有用过的口罩随处可见的照片、视频,以国人的卫生、环保素质之差,出现这种情况不难预料。
一般人只有在两种情况下才有戴口罩的必要,一是自己被感染了,戴上外科口罩避免传染给别人;二是照顾患者,需要与患者近距离接触,应该正确地戴好外科口罩降低被传染的风险。
所以,要求公众都戴口罩,未必能起到防疫作用,反而可能适得其反。何况也没有那么多的口罩能满足人人戴口罩的需求。如果中国人人戴口罩,至少一天一换,一天就要有十几亿只口罩,而按工信部的说法,中国口罩的产能是每天800万只,最高能达到2000万只,远远满足不了需求,其结果是导致口罩被抢购一空,真正需要口罩的医护人员和患者反而没有口罩可用。湖北省长在新闻发布会上一再修正湖北口罩产能,从108亿只到18亿只到108万只,可见他们在作出强制人人戴口罩的决定时,并不清楚口罩的实际产能,没有考虑到供求问题。
国际医学界公认预防感染的最佳方法是经常用肥皂洗手至少20秒种,如果没有洗手条件,可以用含酒精的湿纸巾擦手。但是经常洗手毕竟很麻烦,不如戴口罩简单,似乎把口罩一戴就百病不侵了。强调戴口罩,满足了国人喜欢投机取巧的心理,所以才如此风行,成了一种仪式,甚至成了爱国服饰、道德标志,谁敢有异议,人人得而诛之。
2020.1.27

研究太极拳健身效果并不荒唐

2020年1月14日星期二

福建中医药大学官网2019年12月27日发布消息《我校获批国家重点研发计划重点专项》称:近日,我校陶静副校长主持的“太极拳对2型糖尿病及脑卒中功能康复效果的临床研究”获国家重点研发计划“中医药现代化研究”重点专项2019年度项目立项,资助经费880万元,实现我校在国家重点研发计划中“零”的突破。

 

这则消息随即在网上流传,转的人都是对此冷嘲热讽,例如认为与其花这么多钱研究太极拳健身效果,不如用来研究跳广场舞的效果。很多人把这条消息转给我,无非也是希望我出来批一批。

 

这几年出了几个招摇撞骗的“太极大师”,搞得太极拳名声不佳,因为有些人的思维就是这么简单,“太极大师”在擂台上被人痛打了,就表明太极拳一无是处,不仅打不了架,连健身也是骗人的。例如有人就建议说这个课题应该找格斗运动员徐晓冬去验证。难道是要他去找课题组负责人打一架?

 

还有一些人自以为很懂科学很有科学素养,一眼就看穿了太极拳不可能有保健作用。他们不知道太极拳是世界卫生组织和各国医学机构都推荐的锻炼方式,例如世界卫生组织在2010年出版的《关于身体活动有益健康的全球建议》封面上放的第一张照片就是一个中国老人在打太极拳(https://www.who.int/dietphysicalactivity/publications/9789241599979/en/ ),又如,与网上传说的太极拳会损伤关节相反,美国风湿病学会有条件地推荐膝、髋骨性关节炎患者打太极拳(http://mqic.org/pdf/2012_ACR_OA_Guidelines_FINAL.PDF )。

 

国际医学机构推荐太极拳,因为这是一种特殊的心身锻炼方式(mind-body exercise)——指把动作、意念和呼吸控制结合在一起的锻炼方式,和广场舞和其他锻炼方式不同。国际上大量的临床试验证实太极拳对改善身心功能和多种疾病的康复有益。2016年《加拿大家庭医生》杂志刊登的一篇文章比较全面地综述了关于太极拳的临床研究(https://www.cfp.ca/content/cfp/62/11/881.full.pdf )。截止到当时,共有来自21个国家的500多项关于太极拳的临床试验和120篇有关综述,总结如下:

 

有优秀的证据表明太极拳有益于防止摔倒、骨性关节炎、帕金森病、慢阻肺康复、提高老年人的认知能力。有良好的证据表明太极拳有益于抑郁症、心脏病和脑卒中康复、老年痴呆。有一般的证据表明太极拳有益于提高癌症患者的生活质量、纤维肌痛、高血压、骨质疏松。现有证据表明太极拳对糖尿病、风湿性关节炎、慢性心脏衰竭没有直接益处。此外,有优秀证据表明太极拳能提高身体状况不佳的人的平衡能力和供氧功能,有良好证据表明太极拳能增强下肢肌肉,有一般证据表明太极拳有益心理健康和改善睡眠。没有研究发现太极拳会让病情恶化,发生的不良反应都是轻微的,主要是肌肉骨骼损伤。文章的结论是,有充分的证据证明太极拳的保健作用,医生可以根据证据推荐病人打太极拳。

 

上述综述认为太极拳对糖尿病无直接益处,但2019年的一篇综述认为太极拳能改善2型糖尿病患者的空腹血糖、糖基化血红蛋白、胰岛素抵抗、总胆固醇含量、体质指数、血压等指标,并能提高其生活质量。(https://www.medicaljournals.se/jrm/content_files/download.php?doi=10.2340/16501977-2555 )

 

可见,研究太极拳对2型糖尿病及脑卒中的功能康复效果,是有以前他人的研究作为基础的,并不荒唐。有些人看到这是“中医药现代化研究”重点专项,又是中医药大学研究的,就想当然地认为这是骗人的。其实太极拳属于中国传统武术和养生法,跟中医药没有关系,而中医药大学虽然有不少骗人的“中医大师”混在里头,但也有用生物医学方法做研究的科研人员。我搜了福建中医药大学近年来关于太极拳保健效果的研究论文,用的就是现代医学研究方法,是正常的科研。有人认为现在中国的科研都靠不住,所以这种项目就是骗钱的。如果那样的话,应该反对中国投钱做任何科研,而不要只拿太极拳的研究说事。投钱研究太极拳保健效果,总比投资研究中药好,至少害不了人,也没法拿着“研究成果”去推销产品骗钱。

 

有些人认为我之所以为太极拳研究辩护是因为我自己就在练太极拳,把这当成我的一个污点。但是我介绍太极拳的保健作用,不过是在科普国际医学界的观点,引用的是医学文献,并没有现身说法。倒是这些人对国际医学界关于太极拳的研究一无所知,却想当然地否定太极拳的保健作用,还自以为比我更懂科学,表现得很没有科学素养,而且狂妄。

 

2020.1.5