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病毒入侵的故事—BBC细胞的暗战The Hidden Life of the Cell 精选

已有 12695 次阅读 2017-9-23 06:09 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦

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写在前面

本周推荐一部英国BBC的的精彩科普纪录片《人体奥秘之细胞的暗战》英文名《Our Secret Universe: The Hidden Life of the Cell》,侧重讲病毒入侵和免疫应答的故事,与每个人息息相关,全片CG动画特效堪比《魔兽》,绝对震撼。

简介

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每时每刻,你的身体中正进行着一场大战。这场起源于几十亿年前的战斗现今仍然在我们每个的体内发生。

这是关于病毒入侵的故事——细胞的生死之战。从细胞的内部世界揭示了人体细胞系统的精细机制:从狂热的、扮演着针对进出细胞的每个物体的安全防御系统的细胞膜、贯穿细胞的输送物质颗粒的细胞架、以及保持整个细胞世界运转的线粒体,到保存着DNA的细胞核和成千上万种各自拥有不同的蛋白质的合成。而病毒正是旨在劫持这套系统以为其所用:制造更多的病毒。

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自我们呱呱坠地以来,身体就具备了,完善的抵御、免疫机智。病菌出现一种新的变体,相应的我们免疫系统也会开发出一套新的抵御机制。

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然而,纵观现今的药物泛滥,使免疫系统原来越多的依赖药物,身体越来越少的主动抵御、主动研制新方式抗毒,反倒病菌在药物不断地刺激下 变异、伪装能力愈来愈强。而我们自身的免疫系统,却被我们养尊处优起来。不敢想象,假如某一天研制药物的资源被我们耗尽,那时,我们的机体是否有能力抵抗,这“药物炼狱”中顽强生长的病毒 。

腾讯视频
https://v.qq.com/x/page/t0351n03joc.html

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图文介绍

在我们人类所居住的这个地球上,目前已经容纳的人口总数超过了七十亿。我们觉得这是一个了不起的天文数字。
不过,如果把我们的身体比做一个地球的话,那么,在我们身体里,科学家们发现,它所容纳的属于它那个世界的生命——细胞,竟然达到了120万亿个。

这是一个什么概念呢?相当于地球每承载一个人,我们身体这个世界就要承载近两万个同样鲜活的生命。
细胞是构成人体的最小单位。然而,每一个细胞表面之下都含藏了一个比科幻小说更为离奇的世界。借助放大五万倍的电子显微镜,我们可以看到发生在这个神奇世界里的一切。
在这个世界里,数十亿微型机器每时每刻都在各司其职,相互协作。
有数以亿万计的马达蛋白,它有强健的肢体和双脚,能够将细胞所需要的养分和物质,通过细胞内特殊的轨道运送到细胞的每一处地方。
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有被称为线粒体的微型机器,它们能够自由漂移,其内部有个每分钟旋转一千多次的涡轮,能给细胞的生存带来能量。
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有无数的白细胞,它们有敏锐的嗅觉和快速的行动力,可以随时出击,吞噬入侵体内的各种细菌。

细胞有它们自己的交流方式,可以通过激素等信号物质,接触、胞间连丝等方式进行信息的交流。
在细胞这个世界里,巨量的蛋白质可组成令人惊叹的构造,比如支撑细胞的内部骨架。这些宏伟的支架结构,根据受力的改变不断调整,通过自建与重建,赋予细胞形状和坚韧度。
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当搬运工的马达蛋白,它们利用细胞骨架为公路将养料、化学物及生命必需物运送到需要的地方。
这世界里的一切都在按照一个精妙无比的计划行事,而这计划被珍藏在每个细胞的中心深处。
细胞核就像个储藏室,用来存放指导生命运作的说明书,即DNA。这种双螺旋结构的 DNA有两万多条指令,指示我们的细胞该在何时制造何物,该怎样组建细胞乃至整个人体。
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人类的每一个细胞都包含一个极为复杂、令人惊叹的世界,它们听从其核心,细胞核的指挥,永不停歇地执行着 DNA的指令。
然而我们的细胞也在不断遭受攻击,这个细胞将要面对的是位宿敌,引发这种抗衡的起因非常普通,你甚至都不会察觉,我们每天都在遭受这些无形生物的频频轰炸——细菌与病毒。
我们有皮肤,作为第一道防线抵挡它们入侵,但我们也有致命的弱点,我们的嘴巴鼻子是通往外界的开放通道,我们会触碰物体,会摸嘴唇,揉眼睛,擦鼻子,它们得以入侵。一旦进来了,就无法驱逐。
这支“外来大军”通过喷嚏传播,被吸入我们体内无数的入侵者一心来搞破坏。
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我们最常见的敌人是腺病毒。这种病毒设计精良,每个都只抱着一个目标,突破细胞的重重防线,入侵细胞核。但凡有一个病毒进入细胞核,就能控制整个细胞,并在细胞内繁殖不下万次。这可导致各种后果,可能是普通感冒,也可能是肺炎,甚至是死亡。
但我们的机体已经准备好了,当病毒接近细胞时,将会受到第一重抵抗,它们便是抗体。
这种 Y形蛋白会识别外来入侵者,它们在细胞之间来回巡逻,监控是否有病毒。一旦识别出入侵者,抗体会将自己紧锁于病毒的“盔甲”上,将它们连环镣铐,使它们变成专门吞噬外侵者的白细胞的盘中餐。抗体和白细胞联手组成了人体免疫系统的第一道防线。
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免疫系统着实令人惊叹,它不断进化,能识别并消灭入侵的微生物。而那仅仅是你身体防御的一部分,人体在抵抗病毒各个阶段的功能均被编码为 DNA。
尽管身体迅速做出免疫应答,成千上万的病毒仍然能冲过防线。但在细胞表面,它们遇到了下一道阻碍——细胞膜,即细胞的皮肤。
细胞表面十分复杂,成百上千的受体蛋白从细胞表面伸出,它们各自拥有独特的功能,其中一些会将信息从细胞外传递到细胞内,其他一些则可将整个货物运进去。
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每个细胞膜都是个动态保护层,包含掌管物质进出的监控。蛋白质小分子如水和氧气,可以直接穿过细胞膜。大一些的分子例如糖,则必须通过专用泵进入细胞。而最大的分子若想进入细胞,则需要一把特制钥匙。在细胞表面不停巡逻的哨兵们会识别这些蛋白钥匙。这套精密的系统防止有害分子进入细胞内部。
但是经过数十亿年的进化,腺病毒演变出了自己的钥匙,就镶在这些突出的纤维尾部。抗体仍会附着在其中一些纤维上,封锁住大部分伪造的钥匙,但并非全部。
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逐渐地,细胞表面的哨兵被欺骗,病毒大军潜入了细胞内部。在这与细胞的较量中,病毒在第二关胜出。
细胞做好了迎接这些致命入侵者的准备,误将病毒认作重要营养物的细胞,指示特殊的蛋白质汇聚成一个球体。它们从细胞膜上掐出一个囊泡将病毒包裹在内,最终,一个分离蛋白将囊泡释放将病毒运入细胞内部,无意之中,细胞促成了自己的衰亡。
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这支入侵病毒大军中的每个成员都携带了足以摧毁细胞的致命武器,它的蛋白质衣壳含藏多层伪装,留有多种骗术,在其内核携带了一小束 DNA,这是它的终极武器,是进化和设计的杰作。
严格来说,病毒并非活着的,它无法自食其力地繁殖,而只能靠劫持细胞部件进行自我复制。
然而细胞仍然拥有强大的防御系统来阻止这群杀戮机器。
细胞接收到的所有物质都会被送到一个叫核内体的分拣站,核内体对传入物质进行加工,并决定将它们运往细胞的哪个部位,此过程的第一步就是将它们分解。病毒大军即将被侵蚀。
分拣站内壁配有专用的蛋白质泵,泵吸入特殊原子,使核内体的内部呈酸性,酸将大分子营养物分解为小分子,从而便于细胞对其的运输和利用。当酸侵蚀掉病毒的衣壳病毒开始被分解。
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这本应是腺病毒的末日,但是,酸正是病毒逃离计划的一部分。病毒纤维首先被分解开,但它们的瓦解释放出一种隐藏于内部的特殊蛋白质,会将自己粘附于分拣站内壁,将壁膜撕开,释放病毒。
但并不是所有病毒都能逃脱,许多病毒依然被抗体紧紧粘附,其最初作用是提醒免疫系统入侵者来袭,而现在却确保病毒衣壳无法分解,使纤维无法脱离,因此逃离蛋白质也就无法释放。
无数病毒在逃离前被酸侵蚀,但仍有足够病毒被释放,如今已没有任何防线阻挡这些病毒攻入它们的最终目的地——细胞核。
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细胞膜之下,大量的马达蛋白即分子搬运工,正等着运输核内体加工好的营养物。病毒已进化出能依附于马达蛋白的精确结构,现在它可以利用线粒体产生的能量了,病毒向细胞核迈进。
它劫持了细胞自身的运输系统,被带往细胞核,以及它的终极目标,劫持复制DNA所需的机械从而控制细胞。
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这双微小的机动腿是自然界的奇迹,将其正常速度放慢三十倍,它们的运动就会清晰可见。但若以每秒超过一百步的实速播放,它们只会是模糊一闪。

腺病毒袭击细胞,入侵细胞核只需花几个小时,病毒需要利用人体细胞的机制来达到它自私的目的。
但细胞自身也有一套内部免疫系统。细胞内部有一整套消灭病毒的机制。
有一种特殊的蛋白质,分布在细胞运输系统各处,搜寻携带抗体的物质。这种蛋白的绝妙之处在于它运用了细胞原有的系统,一旦附着于抗体它就会向名叫蛋白酶体的细胞机发出信号。蛋白酶体在细胞中起到回收蛋白的作用,它被招来将病毒摧毁,分解成非常小的碎块。
一旦依附,防御蛋白就会启动连锁反应,吸引特殊的标记蛋白,它们一起将病毒标上摧毁记号。接下来只是时间问题了,等待回收机的到来,它们把病毒绞成碎片。
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在防御蛋白和回收机的共同努力下,几小时内就能歼灭病毒大军。
然而往往只需一个病毒,便能控制整个细胞,感染就会传播到全身。个别没有抗体粘附的病毒逃脱了被粉碎的命运,通向细胞核的道路畅通无阻,病毒进入了细胞的控制中心。
腺病毒已经证明了自己是个欺诈高手,不断利用细胞的机制来达到自己的终极目标。
细胞的 DNA机械无法区分自身 DNA与病毒 DNA,它们开始盲目地将病毒的遗传编码,转录为给细胞的执行指令,绘出了自我毁灭的蓝图。
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病毒占领细胞仅一天之后,就已取得了全面控制权。随着正常给养的停止,细胞开始衰败。仅有的活动就是在细胞核内制造新的病毒大军。
新军队可以自动组装,病毒怎么知道如何入侵人体细胞,如何冲破防御并进入细胞核。
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我们知道病毒与细胞协同进化了很长时间,但还不止于此,它们之间还有着惊人的密切关系。原来,攻击我们的病毒正是由人体自身的细胞碎片演变而成。
病毒进入人体两天以后,曾是细胞控制中心的细胞核成为了上万病毒大军的避风港,细胞核外的蛋白质工厂在病毒指示下,开始制造破坏性蛋白。
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第一种破坏蛋白被释放到衰败的细胞中,专门攻击细胞骨架。这次攻击是灾难性的,失去骨架的支撑,细胞开始塌陷。
此时,病毒又将注意力转向核膜,并释放出第二种破坏蛋白质,名叫腺病毒死亡蛋白。它钻入核膜,并将其削弱,细胞核再也无法容纳激增的病毒,细胞核之外已是一片废墟。仅仅48小时前的那个和谐欢乐的社区现已面目全非。
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至此,细胞已无回天之力,病毒像洪水般地涌向周围的组织攻击临近的细胞,并将感染扩散到全身。
对这个细胞来说,战役已结束。但人体真正的战争才刚刚打响,我们身体内免疫系统将以强大的战力和快速反应,调动全身心的力量,来迎击病毒所带来的灾祸。
当病毒还在细胞内部忙碌时,受攻击的细胞在垂死之际发出了信号,身体里大量的巨型白细胞向被侵略的细胞聚集,吞噬逃逸的病毒。它们也在学习如何击败这些入侵者,一旦病毒被免疫系统发现,你体内的安全系统便会提升级别,其益处就是,负责生产抗体的细胞将生产出专门针对这种病毒的抗体,并复制出大量和自身一样的白细胞。
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它们以每秒生产五千个的速度释放大量抗体,涌入血液和细胞间隙,拓展防线。当病毒从临死的细胞中涌出时,它们会被抗体标记,然后被白细胞消灭。
为保万无一失,白细胞会吞噬附近所有可能被感染的细胞。与此同时,周围的健康细胞也做出最伟大的牺牲,毁灭自己,以阻止病毒的传播。
只有到了这个阶段,我们才会意识到发生在自己体内的战役。加速的血流将更多白细胞送抵战场,导致鼻部组织充血红肿,我们感觉到的鼻塞,实际上正是猛烈攻击病毒的迹象。
一旦被一种病毒感染过,能制造对付该病毒抗体的白细胞将永远保留在你的骨髓中。
如果你再次感染同种病毒,免疫系统会知道如何应对,知道应制造哪种抗体,并可迅速做出反应。免去你病痛之苦。
依靠团队合作,人体的免疫系统终于阻止了病毒感染的扩散。但这只是永无休止战争中的一场战役。

在经历了这样一场令人惊心动魄的病毒与我们人类的大战之后,你是否会联想到以下这样一个问题?
病毒不管沉睡千年万年,它却自始自终带着它生命中唯一的一个使命,就是要进入我们人的身体,盗取我们生命里最机密的密码——DNA,复制它丑陋的生命。
更为可怕的是,病毒居然还会带有我们人类身体里的密钥?这究竟是怎么一回事?这一切是偶然的吗?

附录:细胞生物学基础

细胞是神奇的,每个细胞内时刻都发生着这样壮观的场景!不由得惊叹生命之美!

1.细胞是生物体基本的结构和功能单位,如同一个小宇宙。
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2.细胞分裂:细胞分离后,每个细胞又是一样的,又各自发展,这样就出现了无数的平行空间。细胞的遗传性和复制性就如同穿越时空的过去和未来。
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3.每个细胞含有23对染色体,这些染色体是由超过3000000000个碱基对的,含有20000个基因。我们就此开始细胞内的“星际”旅行吧。
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4.线粒体,看上去像细菌,是细胞内微小的细胞器,它是活细胞里微小的发电机,以ATP的形式生产我们几乎所有的能量,它就如同星际探险的飞船一般。
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5.RNA聚合酶:催化以DNA为模板、三磷酸核糖核苷为底物、通过磷酸二酯键而聚合的合成RNA的酶。其行为奇怪,在产生RNA转录本时停停顿顿,经常休息。
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6.核苷酸各就各位,排列聚合。
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7.驱动蛋白:展现“行走”的力量。它能利用ATP水解所释放的能量驱动自身及所携带的货物分子沿微管运动的一类马达蛋白,与细胞内物质运输有关。
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8.RNA复制就是以DNA为模板合成RNA。如果说DNA对蛋白质来说是一张图纸,那么RNA就是能够下达指令的建筑商。
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9.白细胞: 当病菌侵入人体体内时,白细胞能通过变形而穿过毛细血管壁,集中到病菌入侵部位。这就像在穿越时空隧道。
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Reference

  1. 每天1h记录片 http://www.onehourlife.com/the-hidden-life-of-the-cell/

  2. 六维 http://bt.neu6.edu.cn/thread-1449285-1-1.html

  3. 腾讯45min版 https://v.qq.com/x/page/g03514fj153.html

  4. 腾讯60min版 https://v.qq.com/x/page/t0351n03joc.html

  5. 图文上 https://baijiahao.baidu.com/s?id=1556227625796040&wfr=spider&for=pc  

  6. 图文下 http://www.sohu.com/a/119639822_533155

  7. http://mp.weixin.qq.com/s/cjHNXKEN5jxT-hvx6yRKOw

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