認識看不見的小惡魔消滅病毒防疫有法｜STEM教室

更新時間：14:00 2025-02-05 HKT
發佈時間：14:00 2025-02-05 HKT

十九世紀前，世界「不存在」病毒？病毒甚至不算是生物？「病毒」這種看不見、摸不到，比細菌小一千倍的「小惡魔」，在新冠疫情期間顛覆了我們的日常。各位同學對這位始作俑者有多少理解？平日強調洗手、消毒、防疫，到底人類是如何對抗這位隱形的敵人？疫情時的那幾年，我們的生活都被「新冠病毒」佔據，今期就和大家後退一步，從病毒的「誕生」說起，拆解病毒結構、打破防疫迷思。

病毒以前瘴氣理論（Miasma Theory）

「今天空氣有點差，所以我生病了」，十九世紀的學生或者是如此向老師請病假的。原來早在1850年代前，大多醫生都相信「瘴氣理論」（Miasma Theory，miasma，古希臘語「污染」），認為霍亂（Cholera）、黑死病（Black death）等流行疾病的源頭皆來自有機物腐爛引起的瘴氣，例如有毒蒸氣或薄霧，主要是受污染的水和不良的衞生條件所造成。瘴氣理論如今聽來有點荒謬，但環境衞生與控制疾病的關係確實密不可分，這種從經驗推論結果的方法，是科學發展的必經之路。

現代醫學全面發展以前，不同地區都有瘴氣的概念，使當時的主流思想一直否定那些細小得難以看見的細菌會傳染疾病，更遑論比細菌更小的病毒會使人病倒。可以說，一直到十九世紀中後期，世界「並不存在」病毒。

Robert Seymour 於 1831 年創作的彩色石版畫將霍亂描繪成一個身穿長袍的骷髏生物，散發出致命的黑雲。

偉大的科學研究病毒「誕生」

誠然，科學進步並非一兩位天才便能推動的巨輪，時間回到1676年，荷蘭微生物學之父列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）通過改良的顯微鏡觀察到單細胞的原生生物（protozoa），為今日全球應用的微生物疾病理論奠定基礎。及至十九世紀，不同科學家陸續發表研究和假說，例如1880年的科赫假說（Koch's postulates）提出四項原則，把一種微生物與某一疾病聯繫在一起；1892年荷蘭生物學家、病毒學的開創者貝耶林克（Martinus Beijerinck）進行過濾實驗，證明菸草花葉病的病原體比細菌還要細小，最後推論出一種新病原體的存在，並命名為「病毒」（virus）。距今一百多年，經過多位偉大科學家的努力，人類正式辨認出今日困擾全球的罪魁禍首。

荷蘭微生物學之父列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）

「殺不死」的小惡魔生命邊緣生物

疾病的細菌學理論（Germ Theory of Disease）是現時全球公認的疾病科學理論，研究由細菌、真菌、病毒等微生物（microbe）入侵身體引致的疾病。其中，病毒沒有完整的細胞結構，本身是沒有生命的，必須依賴宿主細胞才能存活，一般認為屬於活體與非活體之間的「生命邊緣生物」。病毒會利用各種手段混入細胞，然後脫掉蛋白質外衣，使宿主細胞複製其 DNA 或 RNA，再根據病毒核酸中的指示產生更多病毒片段，感染其他細胞，絕對是擅長鵲巢鳩佔的小惡魔。

疾病的細菌學理論（Germ Theory of Disease）的簡單解釋。（圖片來源：Biology Dictionary）

列文虎克（Anton van Leeuwenhoek）

列文虎克（1632-1723年）是荷蘭商人兼微生物學家，他沒有受過系統性的科學訓練，卻因為好奇心「爆棚」，喜愛鑽研顯微鏡，自學如何製造不同透鏡和操作儀器，任何東西都要放在鏡筒下仔細觀察，例如肌纖維、微血管、細菌、精子細胞等等。當時微生物一直被當成稀奇但無用的科學研究，這位充滿好奇心的「業餘人士」卻醉心於此，日夜觀察這些不受重視的小東西，最後為微生物學奠下堅實的基礎。時至今日，網絡流行用語「你就是列文虎克」，正正用來調侃那類事事觀察細緻入微、愛研究細節的人。

解剖病毒分析生物結構

病毒的結構相對簡單，主要由蛋白質外殼包裹着基因組而成，如前所述，它不屬於生物，沒有完整的細胞結構，本身並不具備代謝酶，無法進行代謝作用，意味着一切合成核酸、合成蛋白質、分子的加工處理和運輸等任務，都要借助宿主細胞提供所需的原料和能量。

然而，病毒與一般死物，例如岩石和金屬又不一樣，雖然沒有代謝能力，卻擁有自己的基因組，可以借助宿主進行繁殖和複製基因。相反，同為微生物的細菌便屬於傳統意義上的生物，含有代謝酶，可進行代謝作用，毋須宿主活細胞，可自行繁殖。

天生的悲劇角色

我們平日經常搞混細菌和病毒，但其實兩者在結構上有不少差別：

細菌的基因組懸浮在細胞內，而且它有一條稱為質粒（plasmid）的小型環狀 DNA 鏈，可以自行複製其遺傳結構；
病毒的基因組受一層核衣殼蛋白（capsid）包裏，沒有任何結構幫助它自行合成核酸。

單從結構來看，病毒注定只能依賴入侵其他生物，控制宿主細胞，才能延續「生命」，其實病毒天生帶着一種身不由己的悲劇性。

基因重配（reassortment）是一種屬於抗原轉變的機制。圖中展示了兩種不同的流感病毒株如何通過基因重配，產生出全新的病毒株。（圖片來源：維基百科）

免疫系統的攻防戰

任何物種都會為生存而努力，正如人類的身體面對病毒威脅，亦有一套免疫系統。迎戰病毒，人類的第一道防綫是生理屏障，例如皮膚、呼吸道纖毛等，阻止病原體進入體內。若城牆不幸失守，還有人體內的兩大軍隊：

先天性免疫（Innate Immunity），專一性較低，找出並分解入侵的病原體，通過細胞素（Cytokine）引起「發炎反應」、召集免疫細胞，例如巨噬細胞、嗜中性白血球等等；
一旦再次失守，便由專一性較高的後天性免疫（Adaptive Immunity）補上，遇上抗原時（antigen），便會誘發免疫系統產生抗體，身體的殺手T細胞（T cell）負責消滅敵人，B細胞負責分泌抗體，在下一次遇上相同抗原時迅速反應。

我們每日曝露在充滿細菌和病毒的環境下仍能保持身體健康，這兩支軍隊實在功不可沒。

免疫系統的攻防戰示意圖（圖片來源：Klook Creative Diagnostics）

訓練特種士兵 —— 疫苗

後天性免疫的特點是記憶和專一性，即是可針對再次來犯的同一種病原體迅速產生免疫反應，這正是一般疫苗背後的科學原理，就如預先訓練特種士兵一樣。我們日常聽到不同藥廠和種類的疫苗，例如 mRNA 疫苗、蛋白質亞單位疫苗、載體疫苗等等，其核心原理都是藉着把加工後的抗原注射入身體，使後天性免疫系統作出反應，產生記憶B細胞，當感染病毒時，能夠迅速應對。

注射疫苗，實際上是將病原體或病原體的一部分打入身體，容易引起身體產生不良反應或副作用，一般疫苗研發時間可長達十年，例如美國醫師恩德斯（John Enders）於1954年着手研發麻疹疫苗，至1963年才開始施打；但今次推出新冠疫苗速度最快的輝瑞和 Moderna 僅花了八個月研發，速度實在前所未見，或者正標示着人類科技的大躍進。

牛奶守護神巴斯德高溫消毒法

除了疫苗，我們當然還有很多應對病毒和細菌的方法，不但是為了新冠病毒，平日亦要保持食物及環境衞生。其實，日常生活處處可見各種消毒方法，例如買鮮奶的時候總會見到包裝上有個奇怪的名字 ——「巴斯德消毒法」，很多人以為是某種複雜的化學方法。

回到1864年的法國，當時的酒廠正煩惱着酒變酸的問題，便請巴士德進行研究，他發現了問題的根源在於酒中存在乳酸桿菌，研究出一個合適的溫度，既可以殺滅細菌，又不會使酒的質量受到影響，後來用同樣的思路解決了牛奶變質的問題；所以，巴斯德消毒法就是高溫消毒 —— 現時一般以 72-75^。C 高溫加熱牛奶15-30秒，然後即時冷卻至4-5^。C。這方法既能保存牛奶的風味，亦剛好將大部分病原體消除，有效延長保質期。

奶類飲品的殺菌方法（圖片來源：消費者委員會）

從戰場走進家居次氯酸鈉消毒法

甚麼是次氯酸鈉（NaClO）？它的另一個名字就是大家熟悉的「漂白水」。其化學原理並不複雜，次氯酸鈉溶於水後會解離成次氯酸離子（ClO^-）和鈉離子（Na⁺），因為前者的化學特性，能輕易地奪走其他物質的電子，利用氧化作用殺死細菌，同一時間，因為氧化掉有顏色的化合物而達到「漂白」的效果。

今時今日，漂白水是窩在家居的「化學宅男」，想當年可是征戰沙場的名將。第一次世界大戰期間，為了幫大量傷兵消毒傷口，英國化學家達金（Dakin）發現濃度4%的次氯酸鈉溶液既能殺菌又不會傷害人體，在戰場上發揮很大作用。直至上世紀九十年代末期，科學家發現這種濃度的次氯酸鈉溶液對人體具有刺激性，改良至0.5%甚至更低濃度，仍具良好的消毒效果，至今廣泛應用於家居、游泳池、公共場所等等，是一種「長壽」的消毒液。