认识看不见的小恶魔消灭病毒防疫有法｜STEM教室

更新时间：14:00 2025-02-05 HKT
发布时间：14:00 2025-02-05 HKT

十九世纪前，世界「不存在」病毒？病毒甚至不算是生物？「病毒」这种看不见、摸不到，比细菌小一千倍的「小恶魔」，在新冠疫情期间颠覆了我们的日常。各位同学对这位始作俑者有多少理解？平日强调洗手、消毒、防疫，到底人类是如何对抗这位隐形的敌人？疫情时的那几年，我们的生活都被「新冠病毒」占据，今期就和大家后退一步，从病毒的「诞生」说起，拆解病毒结构、打破防疫迷思。

病毒以前瘴气理论（Miasma Theory）

「今天空气有点差，所以我生病了」，十九世纪的学生或者是如此向老师请病假的。原来早在1850年代前，大多医生都相信「瘴气理论」（Miasma Theory，miasma，古希腊语「污染」），认为霍乱（Cholera）、黑死病（Black death）等流行疾病的源头皆来自有机物腐烂引起的瘴气，例如有毒蒸气或薄雾，主要是受污染的水和不良的衞生条件所造成。瘴气理论如今听来有点荒谬，但环境衞生与控制疾病的关系确实密不可分，这种从经验推论结果的方法，是科学发展的必经之路。

现代医学全面发展以前，不同地区都有瘴气的概念，使当时的主流思想一直否定那些细小得难以看见的细菌会传染疾病，更遑论比细菌更小的病毒会使人病倒。可以说，一直到十九世纪中后期，世界「并不存在」病毒。

Robert Seymour 于 1831 年创作的彩色石版画将霍乱描绘成一个身穿长袍的骷髅生物，散发出致命的黑云。

伟大的科学研究病毒「诞生」

诚然，科学进步并非一两位天才便能推动的巨轮，时间回到1676年，荷兰微生物学之父列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）通过改良的显微镜观察到单细胞的原生生物（protozoa），为今日全球应用的微生物疾病理论奠定基础。及至十九世纪，不同科学家陆续发表研究和假说，例如1880年的科赫假说（Koch's postulates）提出四项原则，把一种微生物与某一疾病联系在一起；1892年荷兰生物学家、病毒学的开创者贝耶林克（Martinus Beijerinck）进行过滤实验，证明烟草花叶病的病原体比细菌还要细小，最后推论出一种新病原体的存在，并命名为「病毒」（virus）。距今一百多年，经过多位伟大科学家的努力，人类正式辨认出今日困扰全球的罪魁祸首。

荷兰微生物学之父列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）

「杀不死」的小恶魔生命边缘生物

疾病的细菌学理论（Germ Theory of Disease）是现时全球公认的疾病科学理论，研究由细菌、真菌、病毒等微生物（microbe）入侵身体引致的疾病。其中，病毒没有完整的细胞结构，本身是没有生命的，必须依赖宿主细胞才能存活，一般认为属于活体与非活体之间的「生命边缘生物」。病毒会利用各种手段混入细胞，然后脱掉蛋白质外衣，使宿主细胞复制其 DNA 或 RNA，再根据病毒核酸中的指示产生更多病毒片段，感染其他细胞，绝对是擅长鹊巢鸠占的小恶魔。

疾病的细菌学理论（Germ Theory of Disease）的简单解释。（图片来源：Biology Dictionary）

列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）

列文虎克（1632-1723年）是荷兰商人兼微生物学家，他没有受过系统性的科学训练，却因为好奇心「爆棚」，喜爱钻研显微镜，自学如何制造不同透镜和操作仪器，任何东西都要放在镜筒下仔细观察，例如肌纤维、微血管、细菌、精子细胞等等。当时微生物一直被当成稀奇但无用的科学研究，这位充满好奇心的「业余人士」却醉心于此，日夜观察这些不受重视的小东西，最后为微生物学奠下坚实的基础。时至今日，网络流行用语「你就是列文虎克」，正正用来调侃那类事事观察细致入微、爱研究细节的人。

解剖病毒分析生物结构

病毒的结构相对简单，主要由蛋白质外壳包裹着基因组而成，如前所述，它不属于生物，没有完整的细胞结构，本身并不具备代谢酶，无法进行代谢作用，意味着一切合成核酸、合成蛋白质、分子的加工处理和运输等任务，都要借助宿主细胞提供所需的原料和能量。

然而，病毒与一般死物，例如岩石和金属又不一样，虽然没有代谢能力，却拥有自己的基因组，可以借助宿主进行繁殖和复制基因。相反，同为微生物的细菌便属于传统意义上的生物，含有代谢酶，可进行代谢作用，毋须宿主活细胞，可自行繁殖。

天生的悲剧角色

我们平日经常搞混细菌和病毒，但其实两者在结构上有不少差别：

细菌的基因组悬浮在细胞内，而且它有一条称为质粒（plasmid）的小型环状 DNA 链，可以自行复制其遗传结构；
病毒的基因组受一层核衣壳蛋白（capsid）包里，没有任何结构帮助它自行合成核酸。

单从结构来看，病毒注定只能依赖入侵其他生物，控制宿主细胞，才能延续「生命」，其实病毒天生带着一种身不由己的悲剧性。

基因重配（reassortment）是一种属于抗原转变的机制。图中展示了两种不同的流感病毒株如何通过基因重配，产生出全新的病毒株。（图片来源：维基百科）

免疫系统的攻防战

任何物种都会为生存而努力，正如人类的身体面对病毒威胁，亦有一套免疫系统。迎战病毒，人类的第一道防线是生理屏障，例如皮肤、呼吸道纤毛等，阻止病原体进入体内。若城墙不幸失守，还有人体内的两大军队：

先天性免疫（Innate Immunity），专一性较低，找出并分解入侵的病原体，通过细胞素（Cytokine）引起「发炎反应」、召集免疫细胞，例如巨噬细胞、嗜中性白血球等等；
一旦再次失守，便由专一性较高的后天性免疫（Adaptive Immunity）补上，遇上抗原时（antigen），便会诱发免疫系统产生抗体，身体的杀手T细胞（T cell）负责消灭敌人，B细胞负责分泌抗体，在下一次遇上相同抗原时迅速反应。

我们每日曝露在充满细菌和病毒的环境下仍能保持身体健康，这两支军队实在功不可没。

免疫系统的攻防战示意图（图片来源：Klook Creative Diagnostics）

训练特种士兵 —— 疫苗

后天性免疫的特点是记忆和专一性，即是可针对再次来犯的同一种病原体迅速产生免疫反应，这正是一般疫苗背后的科学原理，就如预先训练特种士兵一样。我们日常听到不同药厂和种类的疫苗，例如 mRNA 疫苗、蛋白质亚单位疫苗、载体疫苗等等，其核心原理都是借着把加工后的抗原注射入身体，使后天性免疫系统作出反应，产生记忆B细胞，当感染病毒时，能够迅速应对。

注射疫苗，实际上是将病原体或病原体的一部分打入身体，容易引起身体产生不良反应或副作用，一般疫苗研发时间可长达十年，例如美国医师恩德斯（John Enders）于1954年着手研发麻疹疫苗，至1963年才开始施打；但今次推出新冠疫苗速度最快的辉瑞和 Moderna 仅花了八个月研发，速度实在前所未见，或者正标示着人类科技的大跃进。

牛奶守护神巴斯德高温消毒法

除了疫苗，我们当然还有很多应对病毒和细菌的方法，不但是为了新冠病毒，平日亦要保持食物及环境衞生。其实，日常生活处处可见各种消毒方法，例如买鲜奶的时候总会见到包装上有个奇怪的名字 ——「巴斯德消毒法」，很多人以为是某种复杂的化学方法。

回到1864年的法国，当时的酒厂正烦恼着酒变酸的问题，便请巴士德进行研究，他发现了问题的根源在于酒中存在乳酸杆菌，研究出一个合适的温度，既可以杀灭细菌，又不会使酒的质量受到影响，后来用同样的思路解决了牛奶变质的问题；所以，巴斯德消毒法就是高温消毒 —— 现时一般以 72-75^。C 高温加热牛奶15-30秒，然后即时冷却至4-5^。C。这方法既能保存牛奶的风味，亦刚好将大部分病原体消除，有效延长保质期。

奶类饮品的杀菌方法（图片来源：消费者委员会）

从战场走进家居次氯酸钠消毒法

甚么是次氯酸钠（NaClO）？它的另一个名字就是大家熟悉的「漂白水」。其化学原理并不复杂，次氯酸钠溶于水后会解离成次氯酸离子（ClO^-）和钠离子（Na⁺），因为前者的化学特性，能轻易地夺走其他物质的电子，利用氧化作用杀死细菌，同一时间，因为氧化掉有颜色的化合物而达到「漂白」的效果。

今时今日，漂白水是窝在家居的「化学宅男」，想当年可是征战沙场的名将。第一次世界大战期间，为了帮大量伤兵消毒伤口，英国化学家达金（Dakin）发现浓度4%的次氯酸钠溶液既能杀菌又不会伤害人体，在战场上发挥很大作用。直至上世纪九十年代末期，科学家发现这种浓度的次氯酸钠溶液对人体具有刺激性，改良至0.5%甚至更低浓度，仍具良好的消毒效果，至今广泛应用于家居、游泳池、公共场所等等，是一种「长寿」的消毒液。