透过两个“非典”病历探讨病毒的生态特性

孙 刚，王振堂，李 跃，房 岩

透过两个“非典”病历探讨病毒的生态特性

孙 刚1，王振堂2，李 跃3，*房 岩1

（1. 三明学院资源与化工学院，药用植物开发利用福建省高校工程研究中心，福建省资源环境监测与可持续经营利用重点实验室，福建，三明 365004；2. 东北师范大学环境学院，吉林，长春 130117；3. 长春一汽铸造有限公司，吉林，长春 130013）

病毒在侵染人体的开始阶段，以极小的数量、极低的密度、极隐蔽的态势隐于人体极少数细胞中，并以极少的次数、极短的时间完成复制组装翻倍的程序，呈暴发式增长，并形成巨大数量。这既是病毒的生态特性，也是其生态对策。一粒病毒经3~5次复制可达数10亿个。病毒数量扩繁至一定程度时，便集中攻击人体的供氧系统与免疫系统。病毒在两次复制组装翻倍之间脱离人体细胞，裸露移行在人的体液阶段是施药救治最佳时机。

病毒；生态特性；生态对策；生态参数；复制翻倍

目前已发现7种冠状病毒可感染人类致病[1]。世界卫生组织于2020年3月12日宣布此次由SARS-CoV-2病毒引起的COVID-19已具有全球大流行特征[2]。在COVID-19向世界各国迅速蔓延的特殊时期，笔者从18年前的文献中发现两名“非典”患者的病历，看似没有规律，但历史资料极其可贵，往往掩藏着真相。两个病历严肃告知我们，“非典”病程是分阶段的；有的阶段病情无任何显现，有的阶段病情具突发性，有的阶段病情呈剧烈性，病情的这些表征是由患者体内病毒的生态特性、生态参数、生态对策决定的。透过病情演变，再结合病毒的生态特性，可以初步揭示病毒在患者体内的微生态规律，有助于研究者对病毒更加全面的了解以及攻药施治对策的科学制定。

1 两个“非典”患者病历

第1个病例是一名感染“非典”的医生，男，30岁，河源市医院急诊科医生（下称“病例1”）。2002年12月15日23时，因诊护“非典”患者受到感染，前3 d（16-18日）身体无任何反应。感染后第2个3 d（19-21日）仍正常工作，21日晚则“感觉特别累，回家倒头便睡”。感染后第3个3 d（22-24日）仍无明显反应，24日晚还聚会唱卡拉OK。就在24日半夜，突发性“梦中冻醒，发寒发热”。天亮时，即12月25日早晨，第4个3 d的开端，体温升高至39 ℃。25日上午，经医院检查，白细胞数量未明显升高，肺部无变化。病例1进入第4个病情阶段后发展特别迅速。在此三天的中间一天（26日），出现3个重要指标：高烧、干咳、肺部阴影。26日晚5时，咳嗽、气促、呼吸达30次/min、说话困难。27日双肺出现阴影，这是感染后第4个3 d（25-27日）的末端[3]。

第2个病例是报道中称为首位“非典”患者，男，35岁，深圳一家酒楼的厨师，身体健康强壮（下称“病例2”）。2002年12月5日，“觉得不舒服，浑身没力气”，自己以为“太累了，睡一觉就好了”。11日开始发烧，体温38.9 ℃，诊断为感冒，回到家中（河源县，深圳东北部山区）休息了几天，病情没有好转。14日住进镇卫生院，高烧、浑身酸痛。15日病情加重，高烧40 ℃、干咳、呕吐；当天21时转入县医院，高烧、咳嗽、呼吸更加困难，双肺均有阴影。各种退烧药、加上冰袋仍无效。12月17日21时入住广州部队总医院。鉴于患者肺功能衰竭，神志不清，插上无创呼吸机，仍然无效。18日上有创呼吸机，19日开始神志清醒，23日起高烧全退。最后患者健康出院且无后遗症[3]。

病例1从12月15日23时被感染，到12月28日“双肺出现阴影”，历时12个昼夜，其中第二阶段的21日晚“感觉特别累，回家倒头便睡”，至第三阶段的24日半夜，“梦中冻醒，发寒发热”[3]。这是感染后第6 d至第9 d夜晚，也即第3个3天患者的自我感受，一般情况下只认为疲劳过度，不当作患病。此9天之中，病毒在患者体内的微生态状况几乎无人讨论。实际上，病毒侵染人体后的前三个阶段，极隐蔽地潜伏在该名患者体内细胞之中，极少引发患者的明显反应，这是病毒的特性，又是其生态对策。病例1、病例2的病情均呈现阶段性进程，分别为四个3 d、三个6 d。对于不同的个体，病毒的潜伏时段和演化进程各有不同。

2 病毒在患者体内的复制

病毒虽然极其微小，但每一个病毒粒子都是一个独立的单体，具有结构、运动方式、独立成活的本性和生态对策。病毒在患者体内繁殖不是杂乱无章的，而是有序的、分阶段的、可计量的。在侵染开始阶段，大多是以极少的数量、极低的密度、极隐蔽的状态，一个或几个或一小批病毒进入人体内，通过粘膜等途径进入极少数细胞，且维持细胞的活性。或进入细胞质或进入细胞核，或进入细胞间质。控制细胞、指令细胞为其提供所需的一切，以病毒的核酸为模板，大量地、数以百倍、千倍地复制核酸，同时组装蛋白质包膜，这是病毒进入人体后的首次复制。若是一个病毒，则病毒完成了一个单体的复制；若是几个或一小批病毒，则病毒完成了几个单体或一小批单体的复制。在这个阶段，既不引起人体的抗逆反应，也不引起人体的抗病作用机制，这是病毒的特性，也是其重要的生态对策之一。在病毒复制组装翻倍进程中，借助人体细胞膜的保护，此时攻药或施治，难以收到效果。

病毒侵染人体后的第一个阶段，是最需要认真知晓的阶段，但它又是极其隐蔽、难以揭示的，埋藏在活体细胞膜的保护之中。对于人类抗病毒而言，这是人与病毒新组成的统一体的源头，首先应了解：（1）进入患者体内的病毒数量。这里仅设定1个病毒进入人体，侵染一个细胞；（2）病毒在细胞内复制组装翻倍的时间长度。从患者病历给出的几个阶段可知，第1个病例为3 d，第2个病例为6 d，不同个体的抗逆能力不同，时间长度有别；（3）一个病毒的翻倍数量。由于病毒种类、侵染细胞部位、微生态环境条件等不同，翻倍数量存在差异。或200-300、或500-800、或1000以上，这里设定一个近于平均的数值1300，即1个病毒在一个细胞内，经过3 d或6 d或其它天数复制了1300个新的病毒。一旦完成后这1300个病毒便迸破人体的细胞膜，再分别侵染新的细胞，于是患者病情转入第二个阶段，病毒复制进入第二个阶段。

第一批病毒单体复制翻倍的数量按1300计，第二批病毒的复制则为“群体复制”。假定1300个病毒在相近时间侵染进入1300个细胞，这应是病例1经历的体内第2个病毒复制翻倍阶段，即从12月19-21日，此1300个病毒即使增加20-30倍，也仅是几万个，相比整个身体，还是极少数。所以病例1没有任何不适反应。重要的是，第二个阶段的最后一天即21日晚，1300个细胞内皆完成了病毒复制组装，即病例1体内1300个细胞中每个细胞内都充满1300个病毒，即(1300)²=169万个新的“非典”病毒而等待攻击。

病毒复制翻倍第2个阶段的最后一天，对应病例1的12月21日晚，包含169万个（或更多或更少些，数量因具体情况而变化）新病毒的1300个人体细胞暴裂而亡，病毒从各自细胞中迸发而出，开始攻击体内的169万个健康细胞。从细胞暴裂的数量来看，此时尚不应引起病例1“感觉特别累，回家倒头便睡”、病例2“觉得不舒服，浑身没力气”。最大可能是大量病毒释放神经抑制毒素，两位患者的神经系统受到病毒的毒害与控制，不再调动白细胞等免疫系统对抗数以百万计的病毒。病毒对患者神经系统的毒害与控制，使患者处于昏睡状态，更有利于病毒的裸露移行。这是数以百万计的病毒离开细胞后自我保护的又一生态对策。

病毒在患者体内完成第2次复制组装翻倍后，即开始攻击数以百万计的活细胞并进入第三次复制组装翻倍的临床反应，但这时很少有人认为自己染病，一般不会求医住院。病例1进入病程的第3个3 d（22-24日），仍正常工作，其预警系统、免疫系统皆安然平静，体内169万个（这是个合理的设定数字）被病毒侵染且被病毒控制为病毒工作的细胞，一方面为病毒复制核酸、蛋白质包膜提供充足的资源，另一方面以细胞膜保护正在组装的病毒。12月24日晚病例1聚会唱卡拉OK，充分说明表面一切正常，毫不知情即将有169万×1300倍、即22亿病毒大军将迸破而出。

12月25日零时，病例1“梦中冻醒，发寒发热”，进入病程的第4个3 d，即25-27日，以患者的发烧、肺部病变为主。其实质是病毒经过前面三个3天，完成了数量巨大的暴发式增长，达到22亿个。这时病毒一改之前的“隐蔽”的生态对策，开始猛烈攻击人体的两个抗逆系统。自25日早晨发烧以后，经过一天，26日肺部出现阴影、干咳、无痰，应是22亿病毒中一大批攻击肺部的结果。治疗过程（无创呼吸机、有创呼吸机）证明[3]，O2可有效杀死病毒。根据病情变化，25日上午以后，肺部病变迅速恶化，高烧不退，表明大批病毒被O2杀灭之后，有更多的病毒向肺部集中，同时攻杀白细胞。主动攻击人体抗逆系统，这是病毒的本性和生态对策，但只有病毒数量巨大、密度足够高时，才可能由病毒某种内分泌信息素而激发。

3 病毒主要生态参数的讨论

3.1 病毒复制翻倍的平均倍数（λ）

病毒在各个复制翻倍阶段平均翻倍的倍数（）。为了使人们更清晰地理解，这里设定=1300。对于1个病毒而言，复制1300个新的个体；对于病毒群体而言，则是翻倍1300倍。若第3次翻倍后的数量为3，则3=³=1300³=22亿。在与病毒的共同作战中，需要知己知彼，而λ是病毒在人体内最重要的参数之一。但这个参数的获得需要对机体内病毒侵染部位进行细致的分层切片分析，目前尚未见到“非典”的λ数据报道。现暂使用作者在“我国东部沿海对虾病毒疫病发生机理及防治对策”（国家“八五”应急攻关项目，021-03-04）中获得的病毒复制照片和数据，作为直观参照[4]。图1是对虾杆状病毒在细胞间质腔中复制组装新一批病毒的切片，这是间质腔的一部分，病毒整齐而紧密地排列。此层病毒数在200~300之间，其上部、下部还各有几层，层数按6层、每层按220个计，总数为1300左右，这是一个病毒单体复制组装翻倍的数字[4]。

(左上角为细胞与细胞膜，右下侧为间质腔膜。对虾杆状病毒，长椭圆棒状，长250~330 nm，平均直径80 nm。中部黑色部分为病毒的蛋白鞘及鞘内的核酸，外部明亮部分是其双层的脂状囊膜。这是病毒在对虾胃粘膜细胞间质腔中复制成功的切片剖面，病毒整齐、分层、紧密排列)[4]

12月25日零时，病例1在梦中被冻醒，应是169万个细胞死亡、病毒散出的结果。凌晨发热发烧，这是22亿个病毒进入体液、向各处细胞攻击、体内抗病免疫体系抗击病毒的结果。12月26日，病例1病情迅速发展，高烧不退，肺部阴影，干咳、无痰；当天晚间，气促，呼吸每分钟30次，气喘说不出话，双肺阴影。病毒在体内的这一阶段，即复制翻倍的第4个阶段，疯狂进攻供氧的肺部与有效免疫的白细胞系统，这是特殊的信息素，还是其它因子进行调控，目前还无法知晓。可以认为，病毒群体逆势攻击的巨大代价，是为了下个阶段的进一步复制翻倍。假设22亿病毒死亡一半，余下11亿，进入第5个复制阶段，侵占11亿个细胞，将复制翻倍14000多亿个第5代病毒。这时人体内每mm³有10000多个病毒，救治生命的可能性已经很小了。

作为一个极为重要的参数，病毒在患者体内复制翻倍的次数（）可以依据下式计算[5]：

=(ln-ln0)/ln(1)

式中：-人体的体积，对应病毒的大小，可将人体的指标以纳米级表示（nm³）；0-病毒的单体体积（nm³）；-病毒平均翻倍的倍数，这里设定为1300。

若人体按高170 cm、宽40 cm、厚20 cm计，则体积为：(17×108nm)×(4×108nm)×(2×108nm)=1.36×1026nm3。新型冠状病毒取冠径300 nm、高80 nm，则体积为：(300/2)2×80π=5.6549×106nm3。于是：

=[ln(1.02×1026)-ln(5.6549×106)]/ln(1.30×103)=

(59.9-15.5)/7.17=6.19 (2)

也就是说，按人体和新型冠状病毒的平均大小计，病毒在人体内复制组装翻倍的极限是6次，病毒个体数几乎与人体的极微小尺寸单元的总数相等，人体必然崩溃。因此治疗新型冠状病毒的最关键时间，是病毒在体内翻倍复制的第3、第4两个阶段，一旦超过这两个阶段，即难以救治。

3.2 病毒复制翻倍一次的时间长度（l）

由τ可知，新型冠状病毒在人体内只能复制翻倍6次，即1、2、3、4、5、6。从人体的总体来衡量，1=2......=6，即各段时长相等。1、2很难被人判知，最重要的是3、4，是施治救人的关键时程，因此对的长度及次数的确知十分重要。

病毒进入人体第一个阶段，即=1，一个或几个或一小批病毒，在每个细胞内（假定一个病毒进入一个细胞）复制翻倍一次的时间长度，依人而异，根据两个病历推知，1分别为3 d和6 d。一个细胞或几个细胞或一小批细胞被病毒侵染、即1与2期间，很难引起人体的反应。3是最重要阶段，因为人体内已埋伏基数为169万个病毒，且患者仅在3开始时才有所感知。病例1的3=3天，这3 d在表观上也安然无事，而这恰恰是所有患者最紧要的几天，因为数以百万计的病毒在机体发烧反应之前已埋伏在数百万个细胞内，3 d后将复制翻倍为几十亿个攻击者。因此，病例1的3这3 d急需找到有效药物或因素打破病毒的蛋白质组装。

3.3 病毒的生态复制参数（H）

病毒在人体内完成群体复制组装翻倍之后，脱离被侵染的人体，才可能进入社区，实现更大的传播范围。病毒脱离患者身体，进入一个新的健康者体内，必须依靠两者之间的生态条件，我们称之为“生态复制”。一种病毒利用某一患者在限定条件下成功感染（或称“生态复制”完成）一批新的确诊患者数，称为“病毒的生态复制参数”（）。一般情况下很难获得的准确数值，新型冠状病毒的值是一个十分可贵的实证。

2020年1月5日武汉市卫健委严肃地、科学地、确定性地宣布：发现不明原因肺炎59例[6]。这是立足于一城一地、一个时期、一种病毒、一个生存期内的一个特定时间段（患者生存期内，更是一个潜伏期长度左右）值，即59例确诊病人。=59意味着什么？从1月5日宣布59例确诊患者起，到3月5日，历经2个月，59这个数字，几乎已被浩瀚的信息海洋所湮没，不经意中已远离人们视野。

第1例病人入院12月12日，第59例病人确诊12月29日，两者之间17 d，于是1=59。由此可知，经过第2个17 d，即1月15日，2=59×59；经过第3个17 d，即2月2日，3=59×59×59。截至3月5日，历时第5个17 d，5.06=595.06≈91亿。59个病例不是一般的平常人们所习以为常的确诊人数，它告诉我们，病毒将一个患者作为生态复制模版，在17 d内，这个模版制作了大致59个新的模版。这是关于病毒本性的一个极其重要的参数，其中蕴含着病毒攻击人类社会的巨大潜能。实际上，同时期全国累积确诊病例只有8万多，不到91亿（无重大干扰下病毒生态复制翻倍应有的数量）的十万分之一。中国人民在中国共产党、中国政府的领导下，万众一心，众志成城，卓有成效地控制了此次新型冠状病毒的疯狂蔓延，取得了辉煌的成功。

4 分析与结论

病毒是由核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成、营寄生生活、介于生命体与非生命体之间的非细胞形态，借由感染的机制，利用宿主的细胞系统进行自我复制，但无法独立生长和复制。病毒可以感染几乎所有具有细胞结构的生命体。人类与这些极其微小的特殊生物之间的战争日趋频繁、复杂和严峻[7-9]。全球的医疗体系、政府决策及执行力等面临空前挑战[10-12]。透过两个“非典”患者的病历发现，病情的发展具有明显的阶段性、时程等长性、陡度巨大的跃迁性等特征，而病毒的生理、生态本性、对策及参数正是造成这种表观变化的内在根源。

随着人们对病毒生物学和生态学特征的揭示愈加全面和深入，病毒在生态系统平衡中起到举足轻重的作用，既是生命进化的推动者，同时也是整个自然界正常运转的支撑者。病毒通过侵染和裂解宿主细胞，将大量胞内物质释放到海洋，对生物的群落结构、多样性以及进化方向产生重要的调控作用，是海洋物质循环和能量流动的主要推动力[13-14]。海洋中的病毒每天会杀死几乎半数的细菌，释放数十亿吨碳供给其它生命体利用，这是生物圈碳循环不可或缺的组成部分。如果海洋中没有病毒，物质循环缺少了一个重要环节，许多生命形式将无法生长繁衍[15]。病毒也是地球上举足轻重的遗传资源库[16-17]和横向基因传递的使者[18-19]，对生物地球化学循环产生实质性影响。据科学家估计，地球上10%的光合作用都有病毒基因编码蛋白参与[20-22]。

最新的研究表明，病毒具有明显的多态性。首先是病毒存在形式的两重性[23-26]。病毒对活细胞有绝对的依存性。在细胞外环境存在时，病毒保持感染活性，但不显现复制活性，属于病毒体或病毒颗粒形式；在细胞内环境存在时，病毒则解体释放出核酸分子，利用独特的生命活动体系进行复制和增殖，产生新的子代病毒，属于核酸分子或基因形式。其次是病毒结构和功能的两重性。二是一个细胞被两种病毒同时感染，其中一种病毒在增殖过程中，可能包被本身的蛋白外壳，即真病毒；但如果一种病毒的核酸被另一病毒外壳编码时，则为假病毒，此时一种病毒的固有性质被另一种病毒的性质所代替。这种混合感染的情况发生时，还有可能发生病毒核酸重组，即一种病毒颗粒中含有两种病毒的遗传物质，称为杂种病毒。三是病毒病理学的两重性。在细胞水平有细胞病变作用，但在机体水平可能并不显示临床症状，即亚临床感染或不显感染。病毒感染导致的临床症状还有急、慢之分，有的病毒只表现急性感染，有的病毒则既有急性过程，也有慢性过程。病毒多态性给人类的疫病预防和控制带来了更大的难度。

病毒在宿主体内复制翻倍的时间因病毒种类、宿主种类及宿主免疫能力而异。最简单的组装方式是核酸与衣壳蛋白相互识别（如烟草花叶病毒），由衣壳亚单位按一定方式围绕RNA聚集而成，不用酶参与，也无需能量再生体系。许多二十面体病毒粒先聚集其衣壳，然后再装入核酸。具有包膜的病毒在细胞内形成核后，转移至被病毒修饰的细胞核膜或质膜下面，以芽生方式释放病毒粒。本研究主要讨论SARS病毒在侵染人体，复制组装翻倍的时长一般为3~10 d。每次翻倍的数量在3位数左右。在第一、第二、第三次复制组装翻倍阶段，病毒藏匿于患者活细胞内。到了第三阶段末期、第三阶段与第四阶段的间期（至少有3~5 h），大批量的病毒迸破人体细胞膜，裸露移行在人的体液中，失去人体细胞膜的“保护”，此时攻药施治应最有效。

为了更加科学地制定流行性疫病的防治对策，各国研究人员建立了多种数理函数模型，预测疫病的波及范围和发展趋势。这些计算模型无一例外都需要病毒生态特性参数的支持[27-29]。进一步认识、揭示、利用病毒的一系列生态参数、生态特性与生态对策，是战胜病毒的基础性工作。生态环境破坏、生态系统失衡、全球气候变化等对病毒生理特性、分布格局、生态策略产生的直接或间接影响，是值得研究者进一步深入研究的核心内容之一[30]。

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A discussion on the ecological traits of virus BASED ON two cases of SARS

SUN Gang1，WANG Zhen-tang2，LI Yue3，*FANG Yan1

(1. School of Resources and Chemical Engineering, Fujian Provincial Medical Plant Exploitation and Utilization Engineering Research Center, Fujian Provincial Key Laboratory of Resources and Environment Monitoring & Sustainable Management and Utilization, Sanming University, Sanming, Fujian 365004, China;2. School of Environment, Northeast Normal University, Changchun, Jilin 130117, China;3. FAW Foundry Co., LTD, Changchun, Jilin 130013, China)

At the initial infecting stage, the virus conceals in the human cell with a small number, a low density, and a cryptic condition. Then the virus accomplishes duplication, assembling and multiplication at a short period of time. The explosive growth results in tremendous number of virus. This is the ecological trait and the ecological strategy of virus. After 3-5 times of duplication, a single virus can multiply to billions of viruses. A certain number of viruses may attack the systems of oxygen supply and immunization. Between the two stages of duplication and assembling, the virus escapes from human cell and moves freely in the body fluid. At this moment, the drug feeding and treatment measure may be the most effective.

virus; ecological trait; ecological strategy; ecological parameter; multiplication

Q938.1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2021.02.008

1674-8085(2021)02-0044-06

2021-01-16；

2021-02-22

国家自然科学基金项目（31671010）；吉林省自然科学基金项目（20180101280JC）；吉林省教育厅“十三五”科学技术项目(JJKH20181167KJ)；三明学院引进高层次人才科研启动项目（18YG02，18YG01）

孙 刚(1969-)，男，辽宁大连人，教授，博士，主要从事环境生态学研究(E-mail:sungang@nenu.edu.cn);

王振堂(1938-)，男，吉林长春人，教授，主要从事环境生态学研究(E-mail:2569053000@qq.com);

李 跃(1992-)，男，吉林长春人，工程师，博士，主要从事生物统计学研究(E-mail:universitae@163.com);

*房 岩(1965-)，女，吉林长春人，教授，博士，主要从事生理仿生学研究(E-mail:fangyan124@aliyun.com).