与进化,生态,病毒和气候变化的复杂性共存

与进化,生态,病毒和气候变化的复杂性共存

像我这样的生物医学研究人员正在探索健康和疾病的机制基础。 在这个光谱发现的漫长职业生涯中,我很荣幸能够在医学理解和人类福祉方面经历一场非同寻常(持续)的革命,并为此做出一些小贡献。

通过观察和实验的结合,我特别关注病毒是如何杀死的,特别是我们特定的(或适应性的)免疫反应如何保护我们,特别是如果我们接种疫苗的话。

随着概念的不断突破,各种颠覆性技术改变了我这样的疾病侦探的工作生活。 最近,我们的想法越来越需要参与大量的数据集。

在那个和许多其他的意义上,我们发现自己正在谈论复杂的语言,跨越了与癌症研究,动物生态学和气候科学不同的领域。

实际上,我们称之为科学的大自然的大量审问的各种线索正在一个丰富的,互相信息丰富的知识挂毯中聚集在一起。 避免技术细节,我会尽力让你走上一条小路。

一个微妙的挂毯

没有科学家独自工作。 在过去的25年或更长的时间里,我参与的研究项目主要关注如何理解哺乳动物宿主反应(小鼠和人类)如何处理导致定期流行病和流行病的甲型流感病毒(IAV)。

像所有病毒一样,IAV是专性细胞内寄生虫; 它们只在活细胞中生长,而且比我们复杂得多。 就蛋白质而言,所有生命的基本组成部分,IAV由八个RNA基因片段编码的11蛋白组成,而人类具有多于由20,000到20,000 DNA基因指定的25,000蛋白。


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人类基因组中也包含了很多被认为是一段时间的东西 “垃圾”DNA,但现在已知有各种不同的监管和其他功能。

当生物学变得非常复杂的时候,看起来很简单的流感病毒感染了我们。 基因被打开和关闭,病毒和宿主蛋白质被制造出来,我们呼吸道中的细胞被破坏,我们变得发烧,呼吸困难,希望能够恢复和恢复。 而且,即使在我们临床上有病之前,新的病毒颗粒也正在被组装并通过我们的呼吸传递给附近的病人。

研究者试图阐明的是细胞动力学和分子机制的细节。 当我们了解这些过程时,我们可以通过吸收新的不同专家团队,开发更好的治疗药物和预防策略(疫苗),尽管可能需要十年甚至更长的时间才能达到这一点。

人才进入这个等式的过程就是认识到一个新的发现,然后提出正确的问题走下去。 有些人有这种能力,有些人不知道,而且不一定知道整个“东西”的广度。 作为一个了不起的科学教师的个人类型不一定是一个伟大的研究者。 研究科学家往往不像你在电视上看到的博学家。

生物学家有时有很大的想法,比如“垃圾DNA”必须有功能。 但是,总的来说,我们都是工匠和(通常是狭隘的)思想家,他们让我们的鼻子靠近地面,同时使用实验装置(感染流感老鼠)和现实世界发生的事情(研究流感大流行)通知我们。

基本的规则是看“物”本身,受自然的指导。 实际上,研究生物学家的大部分激烈的智力活动都是试图弄清楚数据告诉我们的。

大发现往往是一些关键的技术进步,而不是一个“尤里卡”时刻。 新的和更好的数据使我们能够从“通过黑暗的玻璃”看到更清晰。 在这方面,我的免疫学领域的人员非常感谢制造和编程机器的物理学家,工程师和数学家。

科学领域在组织上有所不同。 例如,物理学家倾向于把理论家和实验家分离开来,这个分裂在生物学中并没有多大用处。 理论物理学家提出了一些重要的想法 - 比如说 希格斯玻色子, 黑洞 暗物质 - 但是我们生物学家必须要更加谦虚和扎根于我们的思想。

而在最后的分析中,所有生物或非生物都遵守物理定律,这些定律并不是大多数生物医学研究者的头脑。

一个例外是传统上使用X射线(现在是同步加速器)的结构生物学家或结晶学家,以及物理学和化学的最基本的规则,来计算个体生命分子如何组织(特别是蛋白质)折叠功能。

虽然结构生物学家的许多工作可以在计算机屏幕上完成,可能被认为是一种“逆向设计”,但生物学和物理学之间的根本区别在于植物和动物(不同于岩石和行星)进化。

赛车致死

生命形式最强调的不是设计。 尽管现代分子生物学技术确实允许研究人员扮演“上帝”,制造出在自然界可能永远不会发现的“设计师”IAV,“创造科学家”似乎对声称流感病毒并不特别感兴趣。

最近有很多关于某些分子工程师试图理解IAVs如何引起疾病的可能性,这种可能性无意中“设计”了一种毒性病原体,这种病原体可能只能从这种超高安全性的实验室中逃脱已经完成了。

与此相反,不试图获得这种理解的风险是,进化压力也是一个伟大的“工程师”:对一种或多种物种极其致命的IAV在自然界中经常出现。 在我们发现自己陷入新的大流行的阵痛之前,能否领先于这场比赛并确定危险的遗传变化可能不明智?

例如,我们知道,关键流感基因中的单个突变可以将轻度禽类IAV改变为在三天或四天内可怕地杀死鸡的极端病原体。 这就是为什么几年前每个人都害怕禽流感的原因。

如果有些神只“设计”了IAV,唯一的目的就是杀死。 如果你想相信,那么上帝的意图可能是限制包括我们在内的易感物种的人口增长速度。

事实上,进化论是生物学的核心理论,无论我们是在讨论病毒还是脊椎动物。 感染并可能杀死我们的病原体已经通过“删除”不太“成功”(在疾病易感性的意义上)变体来清楚地“塑造”我们的免疫系统。

还有大量的证据表明,EB病毒(Epstein-Barr virus,EBV)等大病毒(超过100基因)已经进化出遗传机制,阻止其被免疫系统完全消除。 EBV已经确定了一个渐进式的妥协方案,允许我们在内部控制(由免疫系统)的生存水平,尽管如此,足以允许传播。

当首次感染EB病毒时,青少年可能会出现传染性单核细胞增多症(“短暂性”)或“亲吻症”。 完全恢复,他们将终生成为EBV运营商。

大多数人不会死于EBV,但是如果免疫系统被例如用于器官移植的大规模免疫抑制制度或发展后天获得性免疫缺陷综合征(在没有抗病毒药物治疗)感染人类免疫缺陷病毒(艾滋病毒).

活生物体的复杂性反映出,在不同的挑战(或选择压力)下,现有基因的突变改变使物种能够存活。 其结果是,演变的手段分子战略,类似于建立在连续的现有基础上的建筑物。

从最初的原则出发,“神圣的建筑师”会选择最佳的解决方案并不一定是最好的解决办法,而是用可用的起始材料完成的最好的解决方案。 这就是为什么生物有时看起来如此混乱和不可预测的原因,为什么生物学的核心理论是进化论。

与物理世界不同,生物体受到稳态的限制,需要保持稳定的环境。 洪水和较高的环境温度不是例如岩石的问题,而是将生命形式远离其稳态舒适区域或可接受的“环境包络”,并且将会死亡。

例如,一些单细胞细菌已经进化成在沸水中存活,但对于多细胞,多器官系统(如脊椎动物)来说,情况决不会如此。 复杂的生命形式确实在进化,但却是缓慢的,只有在非常有限的范围内。

进入生态系统

作为一个具有广泛背景的实验病理学家,反映了早期的兽医学培训,我对生命机械学基础的思考主要由两个方面来考虑。

第一,任何在进化语境中毫无意义的知识结构都是无用的。 顺便提一下,由于宿主免疫应答(特别是中和抗体)施加的选择性压力,IAV不断变化并以最简单的形式显示出进化。

第二个想法是,传染病的研究主要关注生态系统的本质:无论是生态系统的“内部”生态系统 白纹伊蚊 寨卡病毒正在复制的物种蚊子或灵长类动物(包括我们); 或者由易感宿主(人和一些猴子)的数量,环境温度以及蚊虫滋生的停滞水量决定的“外部”生态系统。

我们可以通过“排泄沼泽”,在潮湿地区喷洒杀虫剂,使用驱虫剂,睡在滴滴涕渗透的蚊帐下,或者制作疫苗,以便使复制病毒和感染蚊子的易感人群减少,来扰乱这些相互联系的生态系统。

我们现在看到的寨卡病毒在美洲是一种经典的“原始土壤”疫情:没有人受到以前的经验保护(尽管它们可能没有多少临床症状),病毒在被感染者咬伤的人的血液中繁殖伊蚊。 在随后的几年中,易感人群将会减少,感染的程度将会减少。

对于我们大多数人来说,生态学的科学学科处理自然界中植物和动物的生活 - 这是Tim Flannery等人所做的工作类型 - 而不是感染因子和脊椎动物,特别是人类生物之间的界面。

但是许多专门研究微生物学/病毒学的医学博士在过去都是这样想过的。 而且,如果你看一下医学界,那不仅仅是那些对全球变暖大量关注的微生物学家。

关于气候变化的后果的研究实际上是关于生物学的。 从海洋变暖和酸化对珊瑚和动物 - 浮游生物的影响,到改变鸟类,鱼类和昆虫的迁移和定位模式,以及极端热量对人类恒温动物的直接影响。

除了可能的医疗后果之外,每个人思考的前沿还有物种损失的问题,特别是鸟类,蜜蜂和蝙蝠等做重要工作,如营养物质周围的传播和植物授粉。

鸟类不会出汗,它们很容易受到热压力的影响:我们担心热带物种可能会丢失,除非我们主动将它们移到较冷的地方。

全球变暖的最坏的负面影响是在我们的未来,但我们已经在地球历史上第六大物种灭绝的人类灭绝的风口浪尖。

作为一名医学科学家,他发表的只是400关于金属毒性的研究论文 - 绵羊中的铜 - 而且是在植物毒素的意识下长大的,所以我非常关注累积效应。 持续摄入少量重金属,包括铅和砷,会导​​致进行性的积累,严重的组织损伤和死亡。

CO2排放到大气中的事情是,浓度不可阻挡地上升,并保持高达数千年。 没错,越来越多的树木,海藻,海藻,浮游植物等将会去除一些CO2,但即使现在我们的经验是树木遍布整个地球,森林仍然是清晰的,不断扩大的人口,伴随着城市化,正在破坏脆弱的沿海环境中的植物生命。

数据时代

有时候,如果说一些主张老气的地质学家,工程师和理论物理学家认为气候变化不是问题,那么他们有没有听过“累积”这个词呢? 主要的是,他们似乎很大程度上是关于岩石和行星,而不是人。 岩石在任何气候下都能生存。

当然,对于全球变暖的成因和进展的研究,主要还是与自然科学家,海洋学家,天体物理学家,气象学家,冰川学家等等有关。 他们处理的是大量的数据集,而随着诸如分散的Argo浮标的创新,通过卫星在海洋不同深度的温度报告不断扩大。

处理所有这些信息需要大量的计算能力,但是在我自己的感染和免疫领域也是如此,因为在蛋白质组学和基因组学方面的非凡进步提供了识别每个表达基因和每种蛋白质的可能性,例如,感染甲型流感病毒的人支气管上皮细胞。

气候科学家和医学科学家都严重依赖程序员,统计学家和建模工具来构建这些海量数据集的工具。

这样的人在医学信息学和气候科学之间容易交换。 有些人甚至走向黑暗,成为银行家或加入博彩机构。

至少对于科学应用来说,一般的协议是,“原始的”和“平滑的” - 去除混淆的异常值 - 数据集必须放在网上,在任何怀疑的托马斯分析的开放访问。

对于像我这样的医学研究人员来说,我们最近才能够获取所有这些信息并不重要,但是气候科学家的情况却不同。

全球变暖的分析主要取决于评估随时间变化的程度。 体面温度计测量土地和地表温度主要只有一个世纪左右的时间。 第一颗卫星和Argo浮点数据分别可以追溯到1967和1999。

只是最近才将卫星放置在允许测量海浪高度的方式上,这样就可以分析风力对海洋运动的影响,而不仅仅是波浪频率。

因此,专注于了解历史时期发生的气候学家必须依靠“替代”参数,例如确定冰芯中的气体含量,珊瑚中与气候和养分相关的变化,深海沉积物的分析和树木年轮。

所有的医学研究人员所要做的只是感染更多的细胞与流感病毒,并重复实验。

从实验室研究人员的角度来看,他们习惯于分析给予各种“治疗”的五个受试者群体的结果,人类在过去几个世纪中不断升级的大规模不受控制的CO2大气倾倒实验确实令人恐惧。 它有一个实验组大小 - 地球和地球上的所有生命。

我们必须停止。 我们必须停止开采煤炭,燃烧包括石油和天然气在内的所有化石燃料。

正如我们在任何文明社会中管理人类的健康,我们明确而现在的责任就是管理这个星球,我们唯一的家园,以及它所有的宏伟的生命形式。 在这里,我们当然要进一步探讨复杂性,特别是人类行为和短期需求。

挑战是巨大的。 至少我们这些居住在民主国家的人可以使用我们宝贵的选票。

关于作者

Peter Doherty感染与免疫研究所获奖教授Peter C. Doherty

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章. 阅读这篇文章和其他人的较长版本 从格里菲斯评论的最新版本在这里。

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