这是一土教育的第539篇文章
一土教育 | 内心充盈 乐天行动
构建可复制的成全式教育生态
题图：电子显微镜下的冠状病毒 （后期上色）http://www.globochannel.com
作者：韩冬。一土中学部学术校长。北京大学学士，加拿大西蒙弗雷泽大学硕士。曾任教于北大附中，后任教于北京鼎石学校，为该校首任科学组组长。毕业生遍布哈佛，耶鲁，斯坦福，MIT 等世界顶级大学，超过 200 名北大清华毕业生。
过去的一周，一土中学创校团队连续开展了5场线上公益课程，分别从五个学科视角，引导五六年级的学生解读发生在我们身边的疫情。我们也将全部课程讲义详尽整理，即日起陆续发布，为同学们提供反复研究的学习资料。更希望启发同学们结合实际生活进行学习，将所学贯通到生活。如著名教育家大卫·奥苏伯尔所言——“为迁移而教”。
科学课（2月18日）
引导学生从事物的本质特征（病毒依靠宿主复制和表达遗传信息）理解可见的现象（传染病的传播与防治）。
带领学生进行了从简单到复杂，逐步增加变量（影响疫情传播的因子）的建模过程。引导学生将英语作为一种工具和媒介，从而为自己打开一扇看到更广阔世界的窗，听到更多的声音、了解更多的观点，通过主动搜索、筛选和精读语料，在跨文化的多元语境下深刻读懂疫情。教给学生从“验证事实点”，到“梳理逻辑线”，再到“构建意义网”的阅读范式
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一场疫情让2020年的冬天格外寒冷。全中国，甚至全世界似乎都被笼罩在对病毒的恐惧之中。其实，人类对病毒的恐惧由来已久。在中文中，病毒的名字更是由汉字中最令人恐惧的两个字组成。病毒真的那么邪恶吗？它到底是什么？它怎样使人生病？人类应该怎样对付他？其实一切恐惧皆源于未知。要想战胜病毒，首先要了解它。当用科学的透镜去看穿病毒，也许你会发现其实它并没有那么可怕。
http://www.globochannel.com从中文字面意思来看，病毒的意思是“使人生病的毒素”。实际上，它既不是毒素，也不一定使人生病。我们通常将毒素定义为具有毒性的化学物质，尺度在分子层面，而病毒则是有很多不同种类分子组成的具有复杂结构的微粒。而它使人生病的方式也并不是在体内释放毒素，而是通过自身的大量繁殖。这特征似乎暗示着它是一类生物。然而关于这一点，科学界是一直存在争议的。先暂且不讨论病毒是否属于生物的范畴，我们先来仔细看一看病毒长什么样子。我们要想看到病毒并不容易。不要说肉眼，普通的光学显微镜也无法用于观察病毒。它实在太小了，小到直径只有一根头发丝的十万分之一左右（约几十到几百纳米）。要想看清它，我们必须借助各种电子显微镜。在高倍电子显微镜下，不同的病毒呈现出不同的形态。从下图中可以看到几种不同病毒的形态：有棍状的烟草花叶病毒，蠕虫状的埃博拉病毒，正十二面体的腺病毒，颇似杨梅的流感病毒（冠状病毒与之相似），还有好像月球登陆仓一般的噬菌体。虽然不同病毒形态各异，但它们都有相似的结构：蛋白质（protein）的外壳，包裹着核酸（nucleic acid）（DNA或RNA），有些具有脂质的包膜。
▲从左至右依次为人类免疫缺陷病毒（HIV），噬菌体，流感病毒，腺病毒，烟草花叶病毒和埃博拉病毒。上列为模式图，下列为电子显微镜照片，后期上色 。 https://i1.wp.com/orbitbiotech.com蛋白质在生物体内负责执行各种具体功能，就像一个庞大工厂里的各种机器。这些千差万别的机器又由更小的零部件组成。神奇的是，这些零部件却十分相似，而且一共只有二十多种。这些零部件的名字其实大众是很熟悉的：氨基酸（amino acid）。实际上蛋白质就是由不同的氨基酸连成串，再按照一定方式缠绕折叠和拼接构成的。这就像广受小朋友们喜爱的乐高积木，由有限的几种积木块，可以拼接成无数种功能复杂的机器。那么这些复杂的蛋白质机器是如何建造的呢？又依据什么要求建造呢？对于这两个问题，你的答案也许会脱口而出：需要制造机器的工厂，按照设计图纸建造！没错。但对于病毒来说，有图纸，却没有工厂。这种建造机器的图纸，或说蓝图（blueprint），就储存在遗传物质里面。
编辑注：这一部分涉及高中生物学重要知识点，高中生可重点关注。广为人知的DNA（脱氧核糖核酸）就是其中一种。这种物质以其优美的双螺旋结构而闻名。如果我们仔细审视DNA的结构，会发现它是由两条链状分子像拉链一样结合而成，每条链又都由4种不同的小分子按照一定的顺序排列连接而成。 换句话说，DNA上的遗传信息是以四进制编码的，就如计算机以二进制（0和1）编码。我们将这四个字母命名为A、T、C、G，这样，这条链状的分子就像由A、T、C、G 四个字母的语言书写的一部天书。DNA双链的两条链有严格的互补关系：A与T对应，C与G对应，也就是将一条链序列中的字母替换成对应的字母就是另一条链的序列。因此，这两条链实际上编码的是同一套信息。这两条链通过互补配对缠绕在一起，形成了非常稳定的结构，只有特定的蛋白质机器（酶）或者高温才能将它们分开；同样道理，当两条链被分开后，每一条链都可以作为“模板(template)”，依据其序列将零散的ATCG四种小分子在其对面合成新的互补链，形成新的双螺旋结构——这就是DNA复制的方式。虽然我们似乎用一句话就阐明了DNA的复制机制，但实际上这一过程需要诸多复杂的蛋白机器（酶系统）协同运作，并消耗大量的能量。（过程如下图所示）
另一种遗传物质是RNA（核糖核酸），一种和DNA很相似的大分子。RNA与DNA使用几乎一样的编码方式，并遵循相同的配对原则。因此，DNA和RNA分子可以互为模板合成对方。但与DNA的稳定不同，RNA分子相对活泼，因此并不太适合于稳定储存遗传信息，但却可以携带着信息与其它分子进行相互作用。在生物细胞中，DNA中的一段一段的遗传信息（也就是我们通常说的基因，gene）会根据互补配对的原则被抄录（生物学上被称为转录，transcription）为一小段一小段的RNA序列（被称为信使RNA，mRNA），并被送至细胞质中进行信息的表达，即合成蛋白质。我们说过蛋白质就像由乐高积木拼成的机器，而且积木的种类大概有20种。因此，要根据用核酸四进制语言书写的蓝图用20种积木进行拼装就需要一个翻译（translation）的过程。承担翻译工作的也是一种RNA分子（转运RNA，tRNA）。这种形如三叶草的分子一端可以利用互补配对原则读取mRNA上的序列，一端可以根据序列连接特定的氨基酸（也就是组成蛋白质的乐高积木），进而形成由氨基酸排列形成的串珠，最终折叠成特定结构，形成有功能的蛋白质。这一过程需要在一个小小的工厂内进行。这种由蛋白质和另一种RNA分子构成的蛋白质工厂被称为核糖体（ribosome）。和DNA的复制一样，根据DNA序列表达为蛋白质的过程也十分复杂且十分耗能。（过程如下图所示）
▲基因的表达：转录（transcription）和翻译（translation）https://biology.stackexchange.com我们可以发现，无论是遗传信息的复制，还是遗传信息的表达（即根据设计蓝图搭建蛋白质机器），都需要复杂的生命系统并消耗能量才能实现，而病毒体内既不具备这些机器又无法供应能量，因此病毒也就无法独立完成自身的复制。打个比方，病毒就像携带着信息的U盘，并且携带的唯一信息就是复制这些信息的流程；而生物细胞则是一台完整的电脑，具有完整的操作系统并可以连接电源获取能量。要想复制或运行U盘中的信息就必须将U盘插入电脑，利用电脑的操作系统、各种程序和电能。所以病毒要想在自然界中延续存在，就必须做一件事情：入侵宿主。一个生物细胞就像一个迷你国家，内部有政府（遗传物质）、能源基地（负责能量转化的酶系统或细胞器）以及蛋白质机器生产基地（核糖体）等各种部门协调运行，而外部则围绕着明确的边界——细胞膜（cell membrane）。细胞膜也和国家的边界一样，对进出的物质具有高度选择性。通常，有害的物质是不允许跨进这个疆界的，然而病毒却有特殊手段跨越雷池。
https://www.thinglink.com/在下面这张照片中，可以看到一些形似月球登陆仓的噬菌体正在攻击一个倒霉的细菌。其中一些正附着在细菌表面，中央的“钻头”已钻透细菌的细胞壁和细胞膜，正在将遗传物质（DNA）向其体内注射；另一些已经注射完成，脱落的外壳已经离开细菌。这些含有噬菌体信息的DNA将在细菌体内借由细菌的生命系统复制和表达，将整个细菌变为孕育新噬菌体的温床。最终无数新生噬菌体从爆裂的细菌中散逸到环境中，分头寻找新的受害者。
▲附着在细菌表面的噬菌体 ， 电子显微镜照片，后期上色Freeman and Company, 2012, Introduction to Genetic Analysis, Tenth Edition流感病毒则利用其包膜表面的“假钥匙”骗过动物宿主细胞的守卫，使自身包膜与宿主细胞膜融合，将包含病毒RNA的蛋白质颗粒送入宿主体内。这个不速之客会很快被宿主细胞内的“警察”们发现，并将蛋白质外壳消化掉。但在裸露的病毒RNA被发现并分解之前，一同进入细胞的一种叫RNA聚合酶的病毒自带蛋白机器已经开始将其大量复制。其中一些RNA作为信使RNA，劫持细胞的翻译系统翻译出新的病毒蛋白；另一些则作为新病毒的遗传物质被新合成的病毒蛋白重新封装。最终这些用宿主细胞的能量、原料和表达机器生产的病毒颗粒从细胞膜表面逃逸以感染新的宿主细胞，顺便窃取一部分细胞膜包在蛋白外壳之外成为新的包膜。2003年的SARS和这次灾难的共同罪魁祸首冠状病毒也是使用了相同的策略为害宿主。只不过流感病毒的目标是喉部细胞等上呼吸道细胞，而引起肺炎的冠状病毒则专攻肺部细胞。这实际上是由于它们所持有不同的“假钥匙”。需要注意的是，虽然病毒表面的钥匙只能打开特定物种的特定细胞，但在复制过程中的变异可能让病毒获得入侵新宿主的能力。实际上无论是流感，埃博拉，HIV，还是2003年和今年（2020年）流行的冠状病毒都来自于寄生其它宿主的祖先。
虽然不同病毒攻击的宿主不同，但其实它们的需求一样：复制自己，然后感染新的宿主；而杀死宿主对它们并不一定有什么好处。作为毫无运动能力又没有能源供应的U盘一样的存在，病毒显然是没有能力自己主动寻找新宿主的。像噬菌体这样的病毒只能随波逐流的碰运气，好在细菌在生长中通常会形成密度很高的菌落；另一些病毒会通过中间宿主进行转移，如通过蚊子传播的登革热病毒；而还有一些病毒则学会了利用宿主的行为进行传播。例如流感病毒和致肺炎的冠状病毒都会通过使人呼吸道受损引起人打喷嚏和咳嗽，同时将包含病毒的飞沫大量快速的扩散到周围的空间；轮状病毒的策略是攻击消化道引起呕吐和腹泻，进而通过污染水源或食物的方式扩散；致死率达100%的狂犬病毒会攻击神经系统，让感染者发疯一样撕咬，再顺着唾液进入新受害者的血液中；时常肆虐非洲的埃博拉病毒不但使人上吐下泻，还会使人浑身出血，因此受害者往往死相恐怖，而且所有这些来自病人体内的东西都可以感染新的宿主。目前对整个人类社会危害最大的病毒大概要数人类免疫缺陷病毒（HIV）。它能够通过血液、性行为和母婴传播，并引发几乎无法治愈的艾滋病（获得性免疫缺陷综合征，AIDS）。与其它病毒相比，HIV具有更复杂也更狡猾的入侵策略。和流感病毒一样，它也会用包膜上的假钥匙打开宿主细胞膜上的锁并将包裹RNA的蛋白颗粒送入。与流感病毒不同的是，HIV自带的蛋白机器并非用于复制RNA，而是以RNA为模板合成DNA。这一过程被称为逆转录（reverse transcription）；而这类病毒也被称为逆转录病毒。更为阴险的是，一种叫整合酶的病毒蛋白会将这段携带了病毒信息的DNA插入宿主细胞的DNA并与之融为一体。如此一来，宿主细胞再也无法将病毒的遗传信息清除，并且会在表达自身基因同时将病毒的遗传信息转录为RNA，以及翻译出各种病毒蛋白。不过通常这段DNA并不会被立刻大量表达，甚至沉默很多年，这也就是为什么HIV具有很长的潜伏期。所以携带了HIV基因的人仿佛头顶悬挂着一把达摩克利斯之剑，一旦病毒的表达开始启动，他的世界将一下子变得危机四伏，任何可能本来无害的微生物都可能把他杀死。这是因为，HIV所攻击的是人体赖以抵御各种病菌入侵的免疫系统（immune system）。https://courses.lumenlearning.com/
我们每时每刻都在接触各种微生物。它们中有很多都会伺机进入人体以延续自己的种群。但我们大可不必为此过于担心，因为我们的身体已经在数亿年的演化中构筑了严密的防线以适应这种环境。
第一道防线是我们的体表。我们的皮肤不但以具有角质的表皮形成城墙一般的防护，而且还会主动分泌抑制细菌生长的物质。但皮肤之外其实还有很多地方是直接连通外界的，比如呼吸道、消化道、生殖道等。这些地方虽然也覆盖着能够抑制病菌繁殖，阻碍异物进入的黏膜，但相比皮肤，这种屏障就脆弱得多了。
当病菌通过皮肤的伤口或穿过黏膜进入体内，第二道防线就要发挥作用了。这时我们身体内的警察——各种白细胞会尽量识别并攻击入侵者。例如其中的代表，巨噬细胞，会毫不留情的将入侵者吞掉。但警察们的行动并不总是及时的，有时在它们发现情况的时候病菌已经繁殖扩散。这时候大量的细胞警察会应召赶到事发地点投入战斗。白细胞呼唤支援的方式是分泌一些化学物质。这些物质随血液流遍全身，因此即使是局部的感染也会有全身的反应。比如在重感冒的时候人们往往感觉浑身乏力酸疼，这是因为白细胞分泌的物质会使神经末梢敏感，并以这种方式提醒身体要减少活动，节省能量以对抗感染。另外我们的身体还会获得体温上升的信号，用高温抑制病毒繁殖。这些细胞警察解决问题的方式简单粗暴，例如天然杀伤细胞（natural killer cell）探测到被感染的细胞就释放毒素予以毁灭。但这种无差别攻击常常伤及无辜，周围的正常细胞也会大量受损。实际上这种伤敌一千自损八百的战术往往比入侵者本身造成的伤害还要大。2003年的SARS和此次疫情都是如此，真正造成患者严重肺部损伤的是免疫系统的过度反应。要想真正取得这场战役的胜利，身体需要调动最后的防线。
▲正在吞食细菌的巨噬细胞 扫描电镜照片（后期上色）https://www.extremetech.com/在前期的混战中，一些细胞吞噬病原后，会将病原的一部分碎片呈现在表面，像举着一张通缉令一样来到淋巴器官中招贤纳士。在数千亿个淋巴细胞中，通常会有两个细胞可以通过这张通缉令辨认出病原，并迅速进入战时状态，开始大量分裂，扩充为两支特种部队。其中一支部队由T淋巴细胞组成，它们可以定位受感染细胞并给予精确而致命的贴身打击，让里面未成熟的病菌胎死腹中；另一支由B淋巴细胞组成的部队则释放红外导弹一样的抗体分子（antibody）进行远程攻击，将游离的病原锁住，最终被其它细胞警察清理。当硝烟散尽，大部分特种部队成员都会死去，但少部分队员会继续存活下来成为记忆细胞（memory cell），执行针对这种病原的持续警戒任务。当这种病原再次入侵时，这些记忆细胞会立刻分裂扩增，将病原在第一时间围殴致死。因此，对于那些不太善变的病原（比如天花病毒），我们的身体一旦经受住考验就会获得终身免疫能力。如今，科学家们已经利用我们身体的这种特性制作出了对抗病毒的最有力武器：疫苗（vaccine）。
▲T淋巴细胞（左）正在攻击一个受感染细胞（右）， 扫描电镜照片，后期上色http://www.researchmagazine.lu.se/2016/05/16/do-migratory-birds-have-a-better-immune-system/
▲正在结合抗原的抗体分子（白色Y状物）， 计算机三维模拟https://www.drugtargetreview.com/news/6774/regeneron-and-eti-team-up-to-discover-monoclonal-antibodies/200多年前，一位叫琴纳的英国医生偶然发现挤牛奶的女工会感染无伤大雅的牛痘但不会患上致命的天花，最终据此开始使用主动接种的方式预防天花。这实际上是利用与病原相似的物质激发人体的免疫反应，并获得对这种病原的记忆。这种物质有些是病原的一部分，有些是病原的减弱版，它们被统称为疫苗。如今疫苗每年都会拯救数以亿计的生命。有些传染病一旦发作无法治疗，只能依靠疫苗提前预防：例如前文提到过的狂犬病。大多数国家都会让国民进行有计划的疫苗注射。比如在我国，绿色的疫苗注射记录本是儿童入学的必要文件之一。
疫苗只能起预防作用。当人真正患上传染病 ，并且免疫系统不足以战胜的时候，就需要医疗手段的介入。对于细菌引起的传染病我们已经有各种抗生素来对付，但是对于多数病毒引起的传染病，医生能够做的通常很有限。一种策略是压制人体过激的免疫反应以延长人体自身抵抗时间（如对SARS患者进行激素治疗），另一种则是通过各种方法阻断病毒复制的某个环节。例如一些抗艾滋病的药物可以抑制逆转录的过程，而一种应对流感的特效药则是在病毒即将脱离宿主细胞时将其困住。实际上就算不使用现代科技，人类还是可以用最简单的策略对抗传染病：阻断传染途径，不让病原接触新的宿主。这就是在疫情之中人人戴口罩，勤洗手，减少外出，避免聚会的道理。人类与病毒以及其它病原的战争从未停止过。过去的几千年文明史中，传染病曾多数次影响了人类历史的进程。传染病曾摧毁繁荣的雅典，让亚历山大的征服之旅戛然而止，断送屹立东方400余年的大汉王朝，紧随蒙古人的铁蹄席卷欧洲，兵不血刃的几乎灭绝印第安人，给即将垮掉的大清王朝又添加一根致命的稻草，以残酷的方式促使残酷的第一次世界大战提前结束…… 传染病是人类挥之不去的威胁，而传染病的元凶之一病毒则似乎是人类的宿敌。然而也许事实并非这么简单。实际上病毒与人类密切的关系源远流长。我们每个人的体内都有大约8%的病毒基因。如果大家还记的如HIV的逆转录病毒如何将自己的遗传信息与宿主的DNA融为一体，就不会对这一事实太感意外。这些病毒基因可以理解为古老病毒与我们共存的结果，它们已经成为我们身体必不可少的一部分。我们的祖先在驯化动物的过程中接触并习惯了许多新的病毒，也许正是这些病毒无意中成为武器帮助祖先们战胜了潜在的竞争对手，最终迎来人类文明的曙光……如今，病毒不仅是十分重要的研究对象，也是十分重要的科研技术工具。用逆转录病毒改造的“基因穿梭机”可以协助人们在不同物种之间进行转基因操作。病毒不仅可以致病，其实也可以用来治病。基因治疗是很多绝症患者的康复希望，这一过程还是需要用逆转录病毒将健康的基因替换到体内。抗生素的长期使用已经让很多致命细菌产生了令人绝望的抗药性，而噬菌体则是人类战胜超级细菌的希望所在……
http://www.aminrukaini.com/病毒，肆虐起来绝对对得起它恶毒的名字，但在科学的透镜之下，又显得那么迷人。它是那么简单，却又那么神秘，以至于人类至今无法弄清它的起源，也似乎永远无法控制它。无论它剥夺了多少人类的生命，都无可否认它与包括人类在内的一切生灵一样都是大自然的一部分。也许，我们对待病毒的态度正应像对待大自然一样，不是恐惧，而是敬畏。
