《基因、病毒与呼吸》，副标题是“从肺的进化起源到呼吸的治愈力量”
英国著名生理学家、血液循环理论的提出者威廉·哈维曾说过：“生命和呼吸是相辅相成的。不存在不呼吸的生命体，也不存在有呼吸的非生命体。”可以这么理解，在哈维看来，呼吸和生命是同义词，这种观点和我们的一般认知也高度吻合：婴儿在母亲子宫外的第一次呼吸和啼哭，代表着一个新生命的诞生，当一位老人呼出他的最后一口气后，意味着他的生命走到了尽头。而承担呼吸这一重要职责的，就是肺。
其实相比于其他器官，肺的受关注程度也许要小得多。心脏被视为情感的化身，在文学艺术中出尽了风头；大脑是思想的产生地，被人类看作自己最与众不同的地方；相比之下，虽然我们一刻也离不开肺，但一般只有在呼吸出了问题时，才会注意到这个默默无闻的器官。
不过这并不意味着我们可以轻视肺的重要性。肺是连接人体与环境的桥梁，我们正是在通过肺来获取生命所需的活力。人平均每分钟要呼吸14次，每次呼吸的空气量平均为500毫升，这样算下来，肺部每天要呼吸高达10080升的空气，实在是劳苦功高。同时，肺还是事关人体健康的重要门户，它时刻都处在抵御外部威胁的第一线，如果肺部受到伤害，那我们的健康自然也就无从谈起。
第一部分：肺的起源、构造和功能
一个人不喝水不吃饭也能存活数日，但如果不让他呼吸，那用不了几分钟就会有生命危险。呼吸对生命的重要性无需强调，肺是呼吸的器官，对我们的意义自然也就不言而喻。
可是人为什么要呼吸呢？其实呼吸的根本目的是获得空气中的氧气。生命要想运转，需要源源不断的能量，葡萄糖是生物的主要供能物质，但细胞不能直接利用葡萄糖，就像汽车不能直接加注从地底下开采出的石油一样，它得先加工成汽油才能当作汽车燃料。类似地，细胞需要通过呼吸作用，把葡萄糖转化成一种名叫三磷酸腺苷的化学物质，才能供自己使用。
呼吸作用分两种，分别是无氧呼吸和有氧呼吸。顾名思义，无氧呼吸不需要氧气的参与，看似省事儿，但效率特别低，每个葡萄糖分子只能转化出2个三磷酸腺苷，实在是少得可怜。相比之下，有氧呼吸需要氧气的参与，此时每个葡萄糖分子能制造出36个三磷酸腺苷，效率明显大幅提升。有了这些额外的能量，生物体才能长得更大、跳得更高、跑得更快。正因如此，我们才离不开氧气，才需要通过呼吸来获得空气中的氧气。
要想呼吸，身体就得有相应的器官。对于脊椎动物来说，最早演化出的呼吸器官是鱼类身上的鳃，鳃可以在水流动的同时进行氧气交换，它的出现大幅提升了鱼类从水中获得氧气的能力。但鳃的最大局限在于，它只能在水中呼吸，而不能在空气中呼吸，所以用鳃呼吸的鱼类就没法走上陆地生存。
这时就要说到肺的起源了。今天在陆地上生存的脊椎动物，主要包括两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类这几大类，它们都拥有肺部，也都有一个共同祖先，这个祖先就是演化出了肺部结构的一批原始鱼类。这些原始鱼类的肺，最初由它们的鱼鳔演变而来，后来性能不断改善，成为今天人类身体里高效的呼吸器官。
每个人都有肺，那肺是如何工作的呢？原理并不复杂。肺进行一次呼吸的起点，要从大脑的脑干发出信号开始算起，信号通过神经传递给一系列肌肉，其中最大最主要的肌肉是横膈肌。每接收到一个信号，横膈肌就向下收缩一次，并带动胸腔和肺一起运动。这就在气管和肺的内部产生了负压，从而让空气涌入。从口鼻进入人体的空气，先通过喉咙、声带进入气管，再依次进入逐渐分叉的支气管和细支气管，最终到达细支气管的末端，那些叫作肺泡的部分。
氧气在肺泡里会自发地从高浓度区域向低浓度区域扩散，到达相邻的毛细血管，毛细血管里的红细胞会吸收氧气、放出二氧化碳，从暗红色变成鲜红色，接着再携带氧气供给全身细胞。在肺泡完成气体交换过程后，富含二氧化碳的气体就会沿着刚才的道路反向排出体外。吸入富含氧气的空气，排出富含二氧化碳的气体，一吸一呼，一次呼吸过程就完成了。
肺的基本工作原理并不复杂，但构造非常精妙，正是在多种专门细胞的协调配合下，肺才能完美履行自己的职责。
肺泡部分主要有两种细胞，分别是Ⅰ型肺泡细胞和Ⅱ型肺泡细胞。Ⅰ型肺泡细胞的结构又薄又长，可以方便气体的扩散和交换，它的数量占肺泡内壁细胞数量的95%。Ⅱ型肺泡细胞的体形比较小，呈立方体，可以分泌肺扩张和收缩时用来润滑的表面活性剂，同时Ⅱ型肺泡细胞还具有分化的潜力，能在肺受到损伤后转化成Ⅰ型肺泡细胞。
肺泡和毛细血管之间的区域，分布着成纤维细胞，它可以制造胶原蛋白，起到结合肺泡和毛细血管的作用。不过胶原蛋白同时也是肺纤维化的罪魁祸首。
肺部在呼吸的同时，还得时刻抵御外来入侵，及时清除不小心吸入的灰尘、细菌和病毒等有害物质。因此在气管网络中，除了构成气管基本结构的气道基底细胞外，还分布着杯状细胞和纤毛细胞。杯状细胞的功能是分泌黏液，通过黏液来捕捉入侵的微小异物；而纤毛细胞则可以通过顶部细小绒毛的摆动，来把沾满黏液的入侵者驱赶出去。
获得氧气和抵御入侵是肺的两大基本功能，不过除此以外，肺还有另外一些功能值得一提，比如可以通过改善呼吸来治疗疾病。一些传统文化中早就有的认识在现代医学中得到了证实。有研究发现，深呼吸可以激活人体的副交感神经系统，从而起到镇定呼吸和心率、通畅胃血管、帮助胃部休息和消化的作用。研究显示，适当呼吸训练可有效控制哮喘患者的病情，降低他们的焦虑和抑郁程度。
研究还表明，适当的呼吸训练可以让人体打开更多的抗炎基因、关闭促炎基因，影响调节能量代谢的基因和分泌胰岛素的基因，甚至会影响掌控人类寿命长短的DNA端粒长度。可以说，肺的功能远比我们想象得强大，它是事关人体健康的核心要素。
第二部分：威胁肺部健康的因素
亿万年以来，肺一直在保护着生命呼吸的顺畅。但随着时代的发展，人类的肺部正在遭受越来越多的威胁，各种肺部疾病的发病率也在不断上升，这让人难以忽视。都有哪些危险因素在威胁着肺部健康？
在所有危险因素中，细菌、病毒等病原体最难以忽视。肺虽然深埋在胸腔内部，但因为它承担着气体交换的职责，所以肺实际上时刻都在与空气中的病原体做着斗争。流感、新冠病毒感染、麻疹和肺结核等肺部疾病，都是细菌或病毒通过呼吸道进入肺部后引发的。
以肺结核为例，在整个人类文明史中，肺结核造成的死亡人数远超其他所有传染病。有数据显示，仅在过去的200年时间里，就累计有超过10亿人死于肺结核。直到今天，全球范围内每年仍有100多万人因肺结核失去生命，而且还有约20亿人处于肺结核的潜伏阶段，随时有可能发作。
肺结核的病原体是结核杆菌，这种细菌的增殖速度很慢，一般细菌可能每30分钟就能分裂一次，但结核杆菌分裂一次则需要16到20小时。既然分裂得这么慢，按理来说，结核杆菌进入肺部后应该很快就会被免疫细胞清除，但实际情况是，结核杆菌引起的轻微早期感染，虽然能很快被免疫细胞控制住，但结核杆菌本身很难被清除彻底。残余的结核杆菌能在人体内潜伏几年甚至几十年，当人变老或者免疫系统因为其他原因变弱时，结核杆菌就会死灰复燃，引发新的致命感染。
肺因为承担着特殊的生理功能，所以一直都暴露在各种病原体的威胁之下，这些病原体既包括结核杆菌等细菌，也包括以新冠病毒为代表的各种病毒。可以说，面对空气中病原体的威胁，是肺终其一生的宿命。
不过，并不是所有肺部疾病都得怪细菌、病毒，有时不当的医疗措施也会威胁肺部健康。还是以肺结核为例，抗生素是细菌类疾病的特效药，所以自然也是治疗肺结核的首选药物，不过要想治愈肺结核，抗生素的服药疗程特别长。举个例子，由链球菌引起的细菌性肺炎，典型疗程是5到7天，而且通常只需要一种药物，但肺结核的典型疗程长达6到9个月，而且需要多种药物并用。如果服药时间不够长，或使用的抗生素种类不够，就很容易让结核杆菌产生耐药性。
实际情况也确实如此，因为不当使用抗生素，如今多重耐药性菌株已经在哈萨克斯坦、乌克兰和俄罗斯等国泛滥，这些结核杆菌能抵抗多种抗生素，由它们引起的肺结核更难治愈。因此我们一定要提高警惕，不能让医疗措施产生本不应该有的负面影响。
很多肺部疾病都由外界的病原体引发，但也有一些发端于人体内部，比如人体免疫系统的失调就是引发哮喘的罪魁祸首。哮喘本质上是一种集中在肺部的过敏反应。有些过敏反应是可见的，比如皮肤接触到有毒的藤蔓时，免疫系统就会被激活，皮肤可能出现肿胀瘙痒的症状。哮喘的基本原理也差不多，只不过它发生在肺部的支气管里，当气管因过敏而肿胀时，人就会出现呼吸困难的症状，严重时甚至可能致命。
如果说病原体和自身免疫疾病都属于很难避免的威胁，那吸烟则纯属人们故意给自己制造的威胁。烟草有镇定和放松的作用，所以很受烟民的喜爱，当人吸入一口烟后，烟雾会通过气管抵达肺泡，烟雾里的尼古丁会进入毛细血管，然后沿着血管网络抵达大脑，让人产生快感。大脑中的腹侧被盖区与尼古丁有比较强的结合力，一旦适应了尼古丁，大脑就喜欢保持其水平不变，所以吸烟者一天里需要不断吸烟才能满足大脑的需求，这就是吸烟成瘾的基本原理。
但问题是，尼古丁本身的毒性很强，而且烟雾中除了尼古丁以外，还有大量有毒物质，比如苯、镉、砷、丙酮、甲苯、丁烷等等，随便拿出来一种都是毒药或致癌物。在这些有毒物质的摧残下，人的肺部组织会出现一系列变化。
首先产生的变化是气管发炎，气管中的杯状细胞会分泌大量黏液，以应对炎症，所以很多吸烟者会出现多痰的症状。接着肺部细胞会大量死亡，对于气道基底细胞来说，它的大量死亡会导致整个气管出现老化，逐渐失去张力、变得松弛，人在呼气时松弛的气管会变瘪，把氧气和二氧化碳困在肺里，于是呼吸会变得困难。在更深处的肺泡里，Ⅰ型肺泡细胞和Ⅱ型肺泡细胞也会纷纷死亡，肺泡会变得大而薄，内部产生空腔并逐渐扩张，最终形成无法进行气体交换的空洞，让肺部功能严重受损。可以说，吸烟对肺的危害是全方位的，所以为了保护自己的肺，烟民朋友们还是尽早戒烟吧。
吸烟会影响烟民和他们身边的亲友，但空气污染则会影响社会中的所有人。根据统计，世界上91%的人口都暴露在质量不达标的空气中。平均每年空气污染都会导致650万人过早死亡，其中90%以上都发生在发展中国家，死亡人群尤以5岁以下的儿童和60岁以上的老人为主。
那空气污染是如何威胁肺部的呢？在所有空气污染物中，危害最大的当属颗粒物。颗粒物可分为PM10、PM2.5和更小的超细颗粒物，PM10是指空气中粒径小于10微米的颗粒物，PM2.5是指空气中粒径小于2.5微米的颗粒物，超细颗粒物的粒径则小于0.1微米。PM2.5和超细颗粒物的主要危害在于它们足够小，小到可以穿过气管中的层层防御，抵达并最终滞留在肺部深处，对肺部产生长期危害。
PM2.5的一个主要来源是未充分燃烧的碳，燃烧劣质燃煤很容易释放大量的PM2.5。在1952年的英国伦敦，就曾出现过一场杀人大雾，大量燃烧煤炭产生的肮脏雾霾，在特殊天气的影响下笼罩伦敦城数日，极大地危害了市民健康，共夺走了约12000人的生命。在这场悲剧中，以PM2.5为代表的空气污染物就是罪魁祸首。
还有一些特殊的职业场景，也会给肺部带来威胁。比如美国9·11事件发生后，很多参与救援行动的清理人员没有按规定佩戴口罩，从而吸入了废墟中的大量有毒物质，包括石棉、汞、铅和镉，后来，这些救援人员患上肺炎、哮喘、肺纤维化和癌症等疾病的概率大幅上升。比如有研究显示，9·11事件之前，在世贸中心工作人员的哮喘发病率是2.9%，而事件发生9年后，哮喘的发病率则达到了惊人的27.6%。
第三部分：肺部疾病治疗的困难与进展
肺时刻都在受到各类危险因素的威胁，在当今时代，肺部健康愈发成为值得每个人重视的议题。那既然如此，我们又该如何应对呢？
随着现代医学的发展，越来越多的肺部疾病有了有效的防治手段。比如抗生素是治疗大多数肺结核的有效药物，接种疫苗是预防病毒侵染肺部的有效手段。可以说，由病原体导致的肺部疾病，目前大多可防可治，相比之下，对肺部健康造成严重威胁，而目前又缺乏足够医疗手段的疾病，当属肺纤维化和肺癌。
肺纤维化。顾名思义，这是一种正常肺部组织逐渐被替换为纤维组织的过程，发病后，肺部会变得像石头一样坚硬，因为纤维组织没法进行气体交换，所以肺部一旦发生纤维化，呼吸机能就会大幅降低。更可怕的是，纤维化是永久性的，一旦出现就不可逆转。肺纤维化的成因有很多，包括环境污染、特定药物、病原体感染等，但大多数情况下原因不明，这类无法归因的肺纤维化被称为特发性肺纤维化。作者指出，特发性肺纤维化的治疗成功率极低，预期寿命很短，患者的四年存活率只有50%，而且直到现在，都没有任何办法可以有效提高患者的预期寿命。
那治疗肺纤维化的前路到底在哪里呢？我们刚才说过，肺泡由Ⅰ型肺泡细胞和Ⅱ型肺泡细胞组成，Ⅰ型肺泡细胞是气体交换的主力，Ⅱ型肺泡细胞可以分泌肺部润滑剂，并且在需要时转化成Ⅰ型肺泡细胞。目前的研究表明，Ⅱ型肺泡细胞的大量死亡是诱发特发性肺纤维化的主要原因，而Ⅱ型肺泡细胞又和成纤维细胞密切相关，一旦缺失，就会促使成纤维细胞产生更多胶原蛋白，从而形成纤维化。因此，治疗肺纤维化的目标就是保护Ⅱ型肺泡细胞免于死亡，或防止成纤维细胞产生过多胶原蛋白。
正是在这些思路的指导下，近些年来，人们在延缓肺纤维化病情方面取得了一些成绩。两款抗纤维化药物显示出了轻微但真实的疗效，它们可以在一定程度上阻止成纤维细胞积累胶原蛋白，虽然这两款药的价格昂贵、效果有限，但这仍是人类在抗击肺纤维化道路上迈出的重要一步。
除肺纤维化以外，肺癌是另一种严重的肺部疾病。其实直到20世纪初，肺癌都属于罕见病，可如今每年死于肺癌的人数，比紧随其后的三种最致命癌症的死亡人数加起来还要多。以美国为例，每年约有16万人死于肺癌，这个数字远远超过死于乳腺癌的4万和死于前列腺癌的2.8万。
肺癌非常狡猾，它的癌细胞分裂和生长速度极快，以至于80%的肺癌患者来看医生时，都已经到了晚期阶段，而且半数以上的肺癌患者都会发生癌症转移。就算是新诊断出的肺癌患者，五年平均存活率也只有18%，相比之下，乳腺癌的这一数字是90%，直肠癌是65%。就算是可以进行手术的早期肺癌患者，5年存活率也只有56%左右。那面对这么一个生命杀手，我们又有什么治疗手段呢？
肺癌的致病因素有很多，有些人患上肺癌的主要原因是吸烟，有些人则是基因问题。对于大约4%的肺癌患者来说，他们身体里存在两种特殊的突变，分别是间变性淋巴瘤激酶基因和内皮生长因子受体蛋白，我们不用弄明白这两个术语到底是什么意思，只需要知道，这两个突变就像这些种类的肺癌的总开关，只要存在这两种突变，就可以用药物关闭这两个开关，让肺癌细胞停止分裂，从而有效治疗癌症。
在这个思路的指引下，科学家们已经研发出了针对这4%的肺癌患者的靶向药物，效果明显。至于剩下96%的肺癌患者，目前的努力方向是进一步研究其他基因突变，看是否也有类似情况，并研发出相应靶向药物。同时，一种名为派姆单抗的新药也在美国获批上市。派姆单抗是一种单克隆抗体药物，它的工作机制是利用人体自身的免疫系统来攻击肿瘤，它可以附着并激活免疫细胞，让其高效攻击癌细胞。有研究表明，对于病情严重的患者来说，接受派姆单抗治疗后的一年存活率为70%，而接受普通治疗的一年存活率只有50%。
当然，如果其他治疗手段都无效，其实还有最后一条路可走，那就是肺移植，这也是肺纤维化和肺癌患者最后的生存希望。和其他器官移植手术相比，肺移植手术的难度系数相当大，成功时间也相当晚。第一例成功的肾脏移植手术出现在1964年，第一例成功的肝脏移植手术出现在1967年。相比之下，虽然人们在1963年就开始尝试进行肺移植，但直到20年之后的1983年，才终于获得了首次成功，其间失败的次数高达43次。
肺移植为什么这么困难呢？首先，肺必须不断与外界进行气体交换，所以肺移植患者很容易出现感染和免疫排斥反应。另外，肺移植还需要完成三处手术连接，分别是与负责肺部血液进出的肺动脉和肺静脉的连接，以及气管的连接，而在早期尝试中，与气管的连接很容易出现缝合不当的问题。后来，加拿大多伦多大学附属医院的乔尔·库珀医生选择了当时发现的新药——环孢霉素，作为抑制免疫反应的免疫抑制剂，并且开发了新的气管缝合技术，才终于实施了史上第一例成功的肺移植手术。
随着医学技术的进步，如今肺移植手术的平均存活率在逐渐上升，但仍比不上肝脏或肾脏移植手术的生存率。这是因为肺移植手术后，容易出现慢性排斥反应，与移植后较快出现的急性排斥反应不同，慢性排斥反应一般发生在手术一年以后，它会导致肺部形成瘢痕，肺功能退化。所以有调查显示，如果有可能的话，高达92%的肺移植接受者都愿意再做一次移植。这就加剧了一个问题，那就是供体肺器官供不应求。
且不说自愿捐献器官的人数有限，就算是签署了器官捐赠协议的捐赠者，他们的肺也不一定能用得上。因为肺非常脆弱，容易受损，所以目前从捐赠者那里获得的肺，只有约20%可以使用，远低于其他器官的回收率。
要想彻底解决这一问题，未来的努力方向应该还是器官再生技术。简单来说就是提取人的体细胞，然后将其诱导成为具有强大发育潜能的干细胞，再用这些干细胞分化出所需要的肺部细胞，从而治疗肺部疾病。目前已经有科学家成功通过人的血细胞，培养出了Ⅱ型肺泡细胞，虽然距离临床应用还有很长距离，但一旦相关技术取得突破，前景是不可限量的。
生命离不开氧气，因此呼吸器官必不可少，我们的肺部起源于原始鱼类的鱼鳔，它通过气管网络和肺泡的配合完成气体交换。获得氧气和抵御入侵是肺部的两大基本功能，但同时，肺部也可以通过改善呼吸的方式来治疗疾病，提升我们的健康水平。可以说，肺是事关人体健康的核心要素。
肺时刻都在与外界进行气体交换，所以细菌、病毒等病原体对肺部的威胁最为直接，同时不当的医疗措施，比如不按规定服用抗生素，也可能加剧病原体对肺的威胁。人体免疫系统的失调，可能导致哮喘等肺部疾病，而吸烟、空气污染和特殊行业等因素，同样会危害肺部健康。
在治疗肺部疾病方面，肺纤维化一旦发生就不可逆转，而且往往原因不明，治疗难度很大，目前已有两款针对肺纤维化的药物上市，这是人们在对抗这种疾病时迈出的一大步。肺癌是生命杀手，一旦确诊，患者的平均寿命往往很短，目前有针对特定基因的靶向药物和单克隆抗体药物上市，也有一定效果。肺移植是很多肺病患者最后的希望，但手术难度很大，成功率较低，肺供体也不易获得，器官再生技术或许才是真正的未来。
保护好自己的肺，是每个人对自己健康做的基本工作。虽然医学技术仍有待发展，但在其他很多方面，我们都有可以努力的地方。比如在空气治理层面上，近些年来我国空气污染治理工作成效显著，肺部健康的大环境正在持续向好。在能源结构层面上，太阳能、风能等清洁能源正在扮演着越来越重要的角色。对我们个人来说，保持良好的卫生习惯，不吸烟，同时规劝身边的亲友不吸烟，都是我们能力范围内的有效手段；经常接触粉尘的高危行业工作者和医护人员，严格按照规定佩戴口罩，也是保护自己和他人的应有之义。相信在社会各界的努力下，我们的呼吸终将变得持久顺畅。
