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病毒,并非你所想象

正文:

长久以来人们对病毒有着一些想当然的理解,比如:所有的病毒都很小,是纳米尺寸的小颗粒,只能用电子显微镜检测,滤网拦不住它们,内部要么含有RNA要么含有DNA,外部是类似于二十面体这样的对称的蛋白结构,不能自我复制,寄生,需要细胞来复制,不能进行蛋白质合成,需要宿主细胞提供能源。它们主要生活在特定宿主中,有时候可以使用宿主的原料形成一层外衣,外衣上通常还有一些分子受体用于和特定宿主细胞结合。它们是病原体,导致疾病,十分危险;它们从宿主窃取基因,出卖并滥用宿主细胞使得自己的后代受益;它们善于伪装,像特洛伊木马一样。简而言之:病毒是敌人。

对于这段时间由新冠病毒引发的疫情,最大的恐慌或来源于未知。三联书店一向注重引介新知,近年来的《新知文库》已刊行一百余种,其中数种涉及微生物研究与疾病:病毒到底是怎样的物质,它与人类的关系如何,人类对微生物的认知经历了怎样的过程、为控制微生物的威胁所做的努力是否有效,人类与自然该如何相处……这些图书所涉内容有些已有定论,有些因比较前沿尚有争议——但通过阅读,可以了解这些知识演进的背景和过程,领悟隐藏其中的理性精神和科学方法,从而能够以更为宽广的视野来思考当下所发生的一切。“人是一根会思考的芦苇”。阅读,意味着思想空间的拓展,带来沉静的定力和前行的勇气。

达尔文对生命起源的看法是什么?他十分谨慎,在1871年写给一位朋友,时任伦敦基尤皇家植物园馆长约瑟夫·达尔顿·胡克(Joseph Dalton Hooker)的一封信里,他写道,“人们常说,产生第一个生物所需的所有条件现在就有,这是可能的。但是如果(啊!这个如果是多么的牵强!)我们可以设想有一些温暖的小池塘,里面有各种各样的氨和磷酸盐,有光、热、电等等的存在,蛋白质可以很容易的化学合成,然后再进行更复杂的变化。如果这发生在今天的话,这些蛋白质啊简单的生物啊什么的,马上就会被吞噬吸收掉。所以说(现在的环境)不可能是当初生命刚刚形成时的样子。” 所以生命起源很不容易在今天重现。我们不知道原始地球上的环境因素是什么样。但是达尔文也说过,我们不能排除地球上所有物种是来自同一个起源。作为一名前物理学家,我强烈赞同这一观点。

『生活需要读书和新知』

我们举个例子来说明如何从一个单一的包罗万象的“消息”来产生许许多多的消息,从下面这个英文单词,你可以通过移除和组合,可以分离出多少单词:supercalifragilisticexpialidocious (无比奇妙的)——这还不是最长的英文单词,只是最有名气的长单词。通过删除字母(不改变顺序)我们可以得到:super(超级), supercilicous(傲慢的), perfidious(不忠的), precious(宝贵的), serious(严肃的), superficial(肤浅的), fragile(脆弱的), pallid(苍白的), series(系列), focus(专注)等等,还有许多,你可以自己尝试一下。病毒只在一个单词内部剪接,它们简单的基因只有外显子,没有内含子。通过不同的途径,我们和病毒都学会尽可能的利用我们的遗传资源。这种复杂性是人类复杂性的根源,也是病毒复杂性的根源,这也是为什么我对水手的礼物倍加感激的原因。

知名科学家卡琳·默灵通过数十年对病毒的研究,将病毒的实质与人类的关系,以及对人类有何重大影响一一以科学的态度写了下来,从而使我们对病毒的本质有了正确的认识:病毒并非是我们的大敌,其实很多时候更是我们的朋友。 全书共为12章,从病毒的本质、历史、家族,及在人类生活中的应用与影响等方面较为全面地讲述了病毒,纠正了大多数人之前将病毒完全视为我们敌人的偏见。

15年前,人类基因组第一次被完整测序,法兰克福汇报(FAZ)在整整一面上印满了生命的字母表:四个字母分别是A, T, C和G,没有一处停顿、单词、句子或段落。这个版面后来获奖了。它清楚地表明了我们对我们的基因的了解程度:仅仅是字母而已。所有的一切还都有待解析。“文本分析”现在还在继续。这些字母代表什么意义?人类基因组里有32亿个字母,对应了2万个基因;然而,基因仅仅占据了2%的基因组。“剩下”的那些占绝大多数的字母是干什么的?它们也是遗传信息?还是像人们经常说的“垃圾DNA”?还是别的什么?让我先告诉你答案:它们主要是用来调节基因表达量的。为了理解所有的细节,科学家们可能还要忙活上50年。这个项目叫做ENCODE:DNA元素的百科全书(Encyclopedia of DNA Elements)。

文 [瑞士]卡琳·默灵

病毒会不会毁掉宿主,把我们都杀死,导致人类灭绝吗?不,那是个童话故事,是不会发生的。在进化的角度来说,这是无稽之谈。因为如果病毒这么干了,它们同时也毁灭了它们赖以生存的根基,它们自己也会随之灭亡。如果大多数的宿主消失了,变得十分稀少,那么病毒就无法找到新的宿主。因此如果宿主匮乏,病毒就会做出调整以适应新的宿主类型。“人畜共患病“的危险也在于此。人畜共患病指的是,人和患病动物接触后,染上了从未患过的病毒。在所有的现有宿主都完全灭绝前,病毒会做出新的调整,从寄生变为共生,共生往往是互惠互利的,这对病毒和宿主都有益处。如果病毒帮助宿主更好的生存,那同时也增加了它们自身以及后代的存活性。共同进化可以让病毒不那么猛烈,毒性不那么强。这有两种可能:要么宿主产生更强大的抵抗力,要么病毒变的无害。后者可以通过将病毒序列在宿主基因组中内源化达到。我们的基因组里布满了内源化的病毒,堪称前病毒的墓地。下文会详细介绍内源化。

病毒从很久远的时候就存在地球上了,他们遍及每一个生命,无一例外;病毒不是从实验室逃出去或者是通过传染病传播开的,这都不能解释病毒在全球范围内的广泛存在。毕竟,地球上有180万种已知的生物,而未知生物却有10倍之多,这还没把细菌算进去。包括我在内的研究人员不停地搜寻,怎么也找不到一个没有病毒的地方。我没见过一个没有病毒的生态系统——或许有一个,那就是秀丽隐杆线虫(C. elegans)。该线虫有着最强悍的抗病毒系统!因此,它肯定曾经经历过病毒,因为病毒防御系统就来自病毒本身。(详见后文)

病毒的一个可能有意义的定义是:他们是可移动的遗传元件。的确,病毒需要能量,但不一定来自于宿主细胞。化学能也行。在暗无天日的海底,黑烟囱(在大陆板块相互挤压的地点,海底被撕裂开,形成海底火山并捧发出大量岩浆,岩浆在海底迅速冷却固化。这些在海底高高耸立的烟囱,也被称作是热液喷口,或是“黑烟”。由于水深所带来的高压,附近的水温可高达400摄氏度。正是在这种地方,生命从无到有地开始了。)提供的化学能促使了生命发源。病毒的生长需要一个微环境,一定的隔离性,和粘土作为催化剂——比如达尔文所说的温暖的小水塘——那里所需元件的浓度都比较高。这种最初的容器可能就是脂质包,虽然我们并不知道这算是早期的病毒还是早期的细胞。最开始的时候,病毒和细胞之间并没有明显的界线,相反,它们形成一个连续的统一体。特别是最新发现的巨病毒,更加打破了这个界限:巨病毒长相几乎和细菌一模一样,它们甚至带有通常被认为只在细菌中存在的关键标志:合成蛋白的元件。一般来说生命的定义是具有合成蛋白质的能力。因此,这些“准细菌”的病毒代表了病毒和细菌间的过渡物种,介于非生命和有生命之间。巨病毒的发现完全改变了我们对病毒的看法,让我们更倾向于认为病毒有生命。对于病毒的极简定义中包含了它们无法合成蛋白质,而合成蛋白质是生命的特征。然而巨病毒几乎可以合成蛋白质!

水手和结绳

请记住这条普遍规矩:外部入侵,要么被整合,要么在压力下崩溃。这就算对社会来说也是正确的。

我们可以追溯病毒在过去2亿年里留下的足迹,但是再往前的话,探索之旅只得到此结束。由于随机突变,病毒的基因就淹没在“背景噪音”中了。内源性逆转录病毒化石可以作为病毒曾经存在的证据。新发现的腔棘鱼,一度被认为已经灭绝,已经存在了3亿年;它的基因组异常稳定,也携带者逆转录病毒的化石。

我们可以拿苹果和病毒进行类比。桌上的苹果不能复制自己,变成两个;病毒也不能。苹果需要泥土,长成苹果树后才能结果子。苹果有生命吗?那么病毒呢?达尔文是怎么说的来着?他把生命发源处描绘成一个“温暖的小池塘”,认为一开始什么都很原始;但此外他什么也没有预测。病毒需要小池塘,或者起码一个试管,一个能够提供复制所需的养料的环境,以及容纳后代的空间。病毒的确不复杂。病毒比石头有活力,没错,不过石头可从来就没活过。令人惊讶的是,有些病毒可以聚集起来,呈现出对称的准晶体结构,从而极端稳固且耐热,从这个角度来说它们更像是石头。异常的晶体结构甚至可以继续衍生下去,和复制过程很相似。我们大脑中有些蛋白质就会有这样的表现,比如说阮病毒;所以蛋白质也是病毒吗?我们很快会知晓答案。

病毒不是没有生命的——起码不像石头或者晶体一样毫无生机。有人把这个看法简化后说,任何比病毒小的都是无生命的,比病毒大的则是有生命的。所以病毒就在临界上:死的,或是活的,或者两者兼有。我不认为存在奇点,一个临界点,一个尖锐的分界线;相反,从一个个独立的生物分子直到细胞,存在着连续的过渡。在生命起源的时候,RNA病毒是最大的生物分子了,从那时起它们就一直存在。

我们的基因可以被分为两部分,一部分叫外显子,它们是可被翻译成蛋白质的部分;另一部分叫内含子,它们是外显子之间的部分,在RNA的剪切和拼接的过程中被移除。人类基因平均有7到9个外显子,每两个外显子之间有一个内含子。可以想象一下花园的栅栏,有木板和中间的间隙:分别对应了外显子和内含子;虽然外显子和内含子之间的间隔没有这么规律。此外,有一些内含子可以很大(想象一下栅栏上的门)。

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最近几年我们发现上面的看法几乎都是错的。病毒的体积并不总是很小,有时候可以比许多细菌还要大。病毒本身可以作为其他病毒的宿主,它们可以比纳米颗粒大许多,也可以小许多;事实上,它们并不总是颗粒状的。病毒的体积有很大的范围,可达一万倍之多;它们有很多种形态,十几种不同类型的基因组和千差万别的复制策略。病毒的基因数目下至0(惊讶吧!)上至2500——相比之下,我们人类只有2万个基因,仅仅比病毒多10倍而已。类病毒没有一个基因,不过通常来说科学家不把类病毒当作病毒。类病毒仅仅由核酸组成,没有蛋白质;或者相反,只有蛋白质没有核酸。朊病毒就是后者,它们通常来说也不被认为是病毒,但是我还是想把它们算作病毒。有一些病毒完全没有自己的基因,所有的基因都是从外部获得的。多DNA病毒(poly-DNA-riruses, PDVs)就是这样的植物病毒,非常奇特;它们可以告诉我们一些进化过程中的趣事。还有一些内源性病毒,它们从不离开宿主细胞;以及一些在我们基因组中跳来跳去的原病毒。这两种病毒没有外衣,不能从一个细胞跑到另一个细胞中去,也就是所谓的被锁住的病毒。

细菌通常被认为是有生命的微生物:它们可以通过细胞分裂的形式复制自我,更重要的是,它们能够合成蛋白质。合成蛋白质的能力是区分有生命和无生命物质的重要分水岭。细菌也需要从外部获取营养,因而它们也不可以完全做到自给自足。细菌一点也不原始。世界上不存在所谓的“生物永动机”,那种不需要能源供给的系统是不存在的。但是能源并不一定要来自细胞,可以是化学能,就像暗无天日的海底深处那些黑烟囱一样。

其他类似HIV的病毒可以追溯至420万年前到马达加斯加群岛的狐猴身上(猴子的近亲)。没人预料到HIV这样的病毒已经存在了如此长的时间,而且它们居然是可以遗传给下一代的。

这就要定义病毒到底是什么。

外显子和内含子组合起来有很多种方案,通常来说内含子都会被丢弃。内含子并不是像栅栏上的间隙那样是“空”的。那么它们包含了什么信息呢?它们虽然不编码蛋白质,但会指挥调节蛋白质的产生;它们含有调控信息,决定蛋白质在何处与何地产生。也就是说,内含子控制着外显子。科学家过去认为外显子更加重要,但是今天,外显子被认为依赖于内含子。根据科学定义,外显子“编码”蛋白质;而内含子“不编码”(non-coding, nc)。作为重要的调控RNA,已知的非编码RNA的种类迅速地在增加,最近又新发现了十几种。因此,亲爱的读者,请记住“非编码RNA”(ncRNA)这个名词。对应的DNA叫做非编码DNA(ncDNA),它们转录产生非编码RNA。我觉得特别有意思的一件事是,人类和病毒是剪接的并列世界冠军。为什么病毒也是?因为它们从很少的开始,制造出了如此多的可能!(病毒是我们的先祖!)那位水手在送我这个礼物的时候,并不知道这后面又多复杂的背景。

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病毒是遗传信息的发明者也是提供者。它们建造了我们的基因组。我相信这是正确的,我认为再怎么强调也不为过,这是我的信念。

一位美国纽约州立大学石溪分校的同事——艾卡德·维默(Eckard Wimmer)——从事小儿麻痹症病毒的研究。这是最小的感染人类的病毒,仅仅含有3326552个碳原子、492288个氢原子、1131196个氧原子、98245个氮原子、7501个磷原子和2340个硫原子。因为可以写下病毒的分子式,维默认为只要该病毒在细胞外,那就是一种化学物质。如果病毒进入细胞,那它就不再仅仅是一种化学物质了,它可以自我复制并繁殖。这种双相式的生命形式非常独特。那么有人可能会问,人类是不是也仅仅是化学物质呢?答案是否定的。

我认为美国国家航空太空总署(NASA)对生命是什么一定有个很好的定义,因为NASA正在努力寻找地球以外的生命。他们肯定知道自己在找什么。杰里·乔伊斯(Jerry Joyce)对此有贡献,他当时在加州的索尔克研究所(Salk Institute),在试管中制造出能自我复制的RNA,而且RNA可以变异和进化。这是他的方法来“重现生命起源“。也许是他的成果激起了NASA的灵感,NASA给生命的定义是:一个能复制自我的系统,携带遗传信息,并能够进化。(我甚至会省略“遗传信息”这个因素,因为结构信息同样也可以进行演化。没错,我指的就是类病毒。)

蒙克《晨曦》

病毒——死的还是活的?

我们对病毒的了解有多久?让我们倒退着看。35年前HIV在人群里扩散,迄今为止造成3700多万人死亡。100年前,在第一次世界大战期间,流感大暴发造成了多达1亿人死亡。麻疹由欧洲的征服者带入墨西哥,造成整个玛雅文明的灭亡。中世纪期间,鼠疫杆菌在整个欧洲肆虐,造成2500万人死亡,约占欧洲1/3的人口。再往前推600年,也就是公元543年,查士丁尼大瘟疫摧毁了罗马,并在地中海地区蔓延开来一直到君士坦丁堡,最严重的时候每天有6000人病亡。公元前400年,修昔底德记下了雅典的伯罗奔尼撒战争时期的一场不知名的疾病,病因可能是埃博拉、水痘、麻疹或其他病毒或鼠疫杆菌。3500年前,一名埃及法老患有小儿麻痹症,他墓碑上还刻着他跛腿的肖像。25万到3万年前,尼安德特人患有类似逆转录病毒的疾病,此后他们就灭绝了。再往前是一段历史记载的空缺。科学家在兔子身上发现了一种类似于HIV的病毒,叫RELIK,它可以追溯到1200万年前。

“事物的源头肯定既小又简单”。这个说法似乎很合理,不过也仅仅是一种信念而已。细菌或古细菌的基因组约有一百万个核苷酸组成,这对于原始生命来说实在是太过巨大了。我正是这么想的,原始生命肯定比这更小,更原始,也许只是几个分子的混合物,就像达尔文提出的、现在经常被引用的“温暖的小水塘”。作为最初的生物分子,这些RNA可能就是生命之树的开端。巨病毒的发现,有力地支持了巨病毒是最初的生命这一观点,不过这略有偏颇,毕竟他们太大了,不可能是最原始的生命。最开始的RNA在某种意义上说是一种裸露的病毒,更确切的说,是一种类病毒。这种RNA类病毒至今还和我们的细胞息息相关。(详见后文)

有一次,我在丽莉玛琳号三桅帆船上航行,横跨波罗的海。某个早上,一名水手送给我一个惊喜的礼物:一段绞接过的绳子。他把两截绳子绞接在一起,做成一个我可以在病毒学课上用的演示道具。他跟我说,绞接绳子需要一些技巧,是他在守夜中打发无聊时间的一个法子。有一本书《绞接与打结》,书里介绍介绍这些航海的艺术。分子生物学领域中可以有一本同样重要的同名书。绞接在某种意义上是打结的反义词。当水手要通过滑轮拉起帆的时候,打的结会形成阻碍,而绞接的绳子则不会,拉起来又快又无阻力。在分子世纪里,这个原则同样的适用。双链DNA会转录出单链RNA,后者是僵硬的DNA的一个灵活的复制品。RNA——像绳子一样——可以通过剪切的过程缩短:绳子可以被剪开,丢掉一部分,再把剩下的两头绞接起来,同时避免了打结。丢弃的部分可长可短,现在我告诉你另外一个秘密:人类基因中的这种可移除部分的数量最多。这是我们比任何其他动物都要复杂。它是我们的独特之处,毕竟,我们是“造物的巅峰之作”。

我在近几年发表了一篇论文,标题是“病毒是我们最古老的祖先吗?”(于2012年发表在EMBO Report期刊上)。文章归入“意见”一类,因为标题最后有一个问号,我们也不知道答案是什么。很快一位读者给我写了一封电子邮件,告诉我费利克斯·德·赫勒尔(Félix d’Herelle),和他的同事约翰·伯登·桑德森·霍尔丹(John Burdon Sanderson Haldane)(他们将会在后文中提到)于20世纪20年代各自发表过论文,阐述病毒可能就是生命起源。那时候德·赫勒尔刚刚发现噬菌体,即细菌的病毒。两位科学家很快就做出推测,认为可以自我复制的病毒,就是达尔文所说的生命的最原始起源。我赞同他们的远见卓识。然而他们同时代的人们强烈抵触这一观点。

最初的生命是病毒

“生命是什么?“是物理学家埃尔温·薛定谔在1944年提出的问题,它也是薛定谔的一本著作的名字,这篇论著激励了整整一代物理学家投身于生物学研究。生命遵循热力学原理和能量守恒原理。活细胞的一个特征是有结构的熵减现象。熵是一个物理概念,简单来说是描述“无序的程度”。打个比方,如果我什么都不管,我的书桌会变得越来越凌乱;然而,如果我攒足精力来清理一番,它就会变得整洁有序。生命和热力学第二定律满足以下这个规律:营养和能量使得有序的生命成为可能。诚然,薛定谔所问的是生命的法则,不是生命的起源。

历史回顾

病毒肯定对细胞的形成有帮助。事实确凿,无可争议。到了今天,病毒成了寄生虫,依赖于细胞。寄生虫可把它部分的职责交给宿主,从而比独立存活或者在宿主细胞外生存,有更少的基因。目前现有的研究手段也只让我们去检测那些依赖宿主细胞的寄生病毒。进化,不仅仅让简单变得复杂,也可以反过来。复杂的系统可以变得简单:它们可以丢掉些基因,功能转移,变得特异化。根据所处环境的不同,可以增加或放弃一些功能。线粒体就是一个好例子。请看本书最后一章。

DNA是双链结构,而RNA是单链结构因此而更加灵活,像跟绳子一样:RNA可以更容易地产生变化,这对病毒产生新的序列非常重要。克里克提出了分子生物学中心法则来描述遗传信息在细胞里的流动方向:从DNA到RNA到蛋白质。有人说,克里克的思想并不是教条主义的,但是由于是他起了这个“中心法则”的名字,他已经被贴上了教条主义的标签。DNA占据分子生物学家的思潮达半个世纪之久,而现在,RNA又逐渐流行了起来。RNA在进化上早于DNA出现,所以中心法则反过来应该也成立:RNA可以变成DNA。这正是我们从病毒身上学到的。所以啊,亲爱的读者,你几乎不再需要懂更多的分子生物学知识就能读懂本书。你可以跳过很多细节;术语列表中也会包含更多的信息。

尽管如此,利用一些小技巧,我们可以找到更早期病毒的线索。我们今天可以在阿米巴变形虫中发现巨病毒,也可以在巨噬细胞中找到它,这两种细胞类型在8亿年前就开始各自独立发展,因而科学家认为他们在独立进化之前就已经被感染了。要继续寻找8亿年之前的证据几乎是不可能的。这距离38亿年前的生命起源中间有一个巨大的空白。在生物化石中,病毒可以算是最古老的。真正令人惊讶的是类病毒,它们有病毒那样的结构,可是在今天仍然存在着;不仅仅以类病毒的形式,还可以作为核糖酶或类似环形RNA的形式,在当今所有人的细胞中存在。它们可以追溯到没有遗传密码的时代——大约在35亿年前。我曾发表一篇论文,试图基于当代的病毒来重建生命的进化历程。论文标题是《关于进化,当代病毒能告诉我们什么》,杂志编辑为了保险起见,在后面加上了“个人观点。” (论文于2013年发表于Archives of Virology)

在我们继续之前,我希望每位读者要记住下面这两个单词,或者至少记住它们的缩写:RNA和DNA。大家只要记住它们,再加上一点额外的信息就好啦。RNA和DNA是大分子,是基因片段的遗传信息的载体。主要的遗传信息通常用DNA编码;只有病毒也可以使用RNA,或者是RNA和DNA的混合体,来记录遗传信息。DNA也被称作是生命分子。双螺旋结构是众所周知的,它就像一个螺旋形的楼梯,两条扶手(链)被中间楼梯一样的水平版(堆叠的基底)连接起来。这个结构在1953年被詹姆斯·杜威·沃森(James D. Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)发现。他们是英国剑桥大学的两位年轻、大胆而雄心勃勃的科学家。在沃森的传世著作《双螺旋》的第一句话里,沃森讲克里克形容为“从不谦逊”。他们希望获得诺贝尔奖,也的确做到了。罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)提供了重要的信息,她使用X光衍射模式分析提出了结构模型。她真的告诉沃森和克里克他们的模型是错的,应该内外翻过来嘛?沃森在他的畅销书中讲述了这个发现的经过。美国剧作家安娜·齐格勒(Anna Ziegler)创作了“第51号照片”侦探舞台剧,讲述了富兰克林的X光照片是如何促成了这一发现的,以及她当时对实际做出的重要贡献毫不知情。由于富兰克林常年从事X光实验,她在很年轻的时候死于癌症,令人扼腕。很少有人提及莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins),他是富兰克林所在研究部门的主管,虽然富兰克林不这么认为,他也分享了诺贝尔奖。威尔金斯从一位慷慨的瑞士同事那里得到了大量提纯了的DNA,这是他用于结晶的重要原材料。后来因为他可能参与共产主义,被卷入政治漩涡中,因此没有得到广泛的认可。

病毒——并非你所想象(节选)

哪里有生命,哪里就有病毒。病毒可以对基因进行很多操作:吸收、传递、变异、重组、插入、删除和混合。它们的复制过程容易出错,因而对于病毒和宿主来说都有新意。肿瘤病毒可以从细胞里提取基因,并且在复制的过程中产生突变,从而增强它们的致癌性。可是反过来一样也成立:它们可以给细胞传递基因,增加新的特征,有时候有益,有时候有害。它们可以把致癌基因带给细胞从而导致癌症;也可以引入基因从而治愈癌症。进入细胞的基因数量要多于从细胞里出来的数量。病毒不会导致“战争”或者“军备竞赛”,这些负面描述是不正确的。病毒和它们的宿主打乒乓。微生物和其他所有宿主之间的水平基因转移造就了复杂的基因组。这就是为什么我们的基因组包含了来自各种不同生物的基因。每种生物都从别的生物那获取了许多基因,其中最多的来源于病毒。病毒是迄今为止最庞大的基因库,有着世界上最多的基因序列,而其中绝大多数几乎从未被使用过。病毒比细胞有更多样化的基因,这个结果支持了病毒比细胞来源更久远这个论断(详见下文)。

病毒如何与宿主细胞进行交流?有一类细胞没有细胞核,比如说包含了细菌和古细菌的原核生物;另外的一类具有细胞核,叫做真核生物,包含了昆虫、蠕虫、植物、哺乳动物等等。它们都是病毒的宿主,不过宿主为细菌的病毒有另一个名字,叫噬菌体。然而,没有必要把病毒和噬菌体区分开来。对于宿主来说,它们的行为非常类似。它们的“生命周期”或“复制周期”有几个特征:病毒通过感染进入宿主,之后可以潜伏、整合、复制和/或裂解。潜伏——宿主往往对此毫不知情——是一个慢性或者长期的状态。疱疹病毒就是这样藏匿在神经元中,可达数年之久。很多植物病毒可以永久潜伏下去,从不产生外壳,从不活跃(或产生毒性),于是和植物细胞一起繁殖下去。噬菌体以整合前体的形式,潜伏在细胞内。这个叫做溶原态。此外,逆转录病毒和别的一些DNA病毒可以整合到宿主基因组中去。这样宿主细胞就多了几个基因。然而,病毒整合也可能导致毒性,产生诱变作用,于是对宿主细胞有害。在面对压力的时候,噬菌体和病毒都可以将宿主细胞裂解掉,从而释放成千上万的子代病毒。这和我们面对没有足够空间或食物这种压力时的情形是一样的。去牙医那看牙齿也可能有类似的效果,疱疹病毒从它们的藏匿处跑出来,散布到嘴唇上,造成病灶。

原标题:病毒,并非你所想象

什么是病毒?首先,病毒这个词来源于拉丁语,它的原意是植物的汁液、黏土或者毒药。

病毒会不会毁掉宿主,把我们都杀死,导致人类灭绝?不,那是个童话故事,是不会发生的。在进化的角度来说,这是无稽之谈。因为如果病毒这么干了,它们同时也毁灭了它们赖以生存的根基,它们自己也会随之灭亡。如果大多数的宿主消失了,变得十分稀少,那么病毒就无法找到新的宿主。因此如果宿主匮乏,病毒就会做出调整以适应新的宿主类型。“人畜共患病“的危险也在于此。

在过去的十年里,古生物学这个新兴学科,在普林斯顿和伦敦一直是研究的大热门。科学家在蝙蝠、猪和猴子的基因组中发现了5000万年前的埃博拉病毒序列。在人身上发现了博尔纳病毒序列,马身上则没有。然而如果马染上博尔纳病毒就会生病,人则没事。因此我们发现,内源性的病毒序列以及它们的产物可以保护机体免受相应的病毒的侵害。这些RNA病毒通常不应该被整合到我们的基因组中,但它们利用一些“非法”机制做到了。这些非法机制是一些细胞分子学小花招,比如说外源性的逆转录酶等。人类内源性的逆转录病毒(HERV-W)对我们人类的胎盘也有贡献,它和HIV比较相似,在约3000万年前进入我们的基因组。内源性逆转录病毒据估计在1亿至3500万年前就存在于我们基因组中了。其中有一些还是完整病毒,可以形成病毒颗粒,不过基本上不具有传染性。逆转录病毒可能比我们预测的历史还要久远,因为经过漫长的变化,他们已经和病毒相差很远了。柏林自然历史博物馆收藏的一头恐龙标本,生活在约1.5亿年前,被一种类似于麻疹的副粘病毒感染,结果骨营养不良,导致骨骼变形。这种疾病现在依然存在,被称为佩吉特综合症。

每一年,“The Edge”杂志社的宣传专员约翰·布罗克曼(John Brockman)会向顶尖科学家们询问一个年度问题,问题和未来的知识有关。2005年的年度问题是:“在现今这个充满不确定性的时代里,什么是顶尖思想家相信但不能证明的?”如果问我的话,我就会回答“病毒是生命起源”。

许多病毒在进化过程中,对宿主的危害越来越小。比如说,埃博拉病毒就与蝙蝠(它们的主要宿主)达成了这样的协议;严重急性呼吸道综合征病毒(SARS)也是如此。在猴子中传播的猴免疫缺陷病毒(SIV,在人中对应的是HIV)也不再会导致猴子生病。如果我们等待足够久的话,我们也许可以和HIV达成友好协议?我猜是会的,只不过那样的话我们就真的得等很久了。

最令人惊讶的是,研究发现巨病毒含有蛋白质合成所需的部件。因此巨病毒与活细菌非常接近,可以称之为是“准细菌”。这些巨病毒也被叫做“拟菌病毒”,因为它们似乎在模拟细菌的一切。和细菌一样,这些巨病毒是其他一些更小的病毒的宿主;小一点的病毒在体积大的病毒内部进行复制。这些发现让传统病毒学家极为光火,因为所有现有的定义或者约定俗成的分类方法对巨病毒都不适用。巨病毒在2013年被发现,《自然》杂志上的评论文章说,这个发现,让病毒获得被讨论是不是生命的资格,而且病毒应该在生命之树的底层;拟菌病毒的发现者也是这么希望的。在生命之树的最底层,那里还没有细胞,也没有拟菌病毒——这两者和病毒相比都过于巨大,因此不可能代表生命的起源。早期病毒很可能不需要细胞,这个想法很有风险。我的推测“病毒首先出现”一样很有风险。当今的病毒需要细胞,不过这很可能是长期进化的结果。事实上,类病毒这样的裸露的RNA,可以无需细胞进行复制和进化;它们从一开始就不需要细胞。类病毒可以在乔伊斯的试管中做所有的事情,一点也不依赖于细胞的存在。它们也可以称为“裸病毒”。

也就在120年前,科学家在实验中发现,传播病毒可以导致疾病。把受感染的烟叶的滤液放到健康的烟叶上,会导致健康的烟叶受感染而生病。这是俄罗斯植物学家德米特里·伊凡诺夫斯基(Dmitri Ivanovsky)于1892年首次发现的。然而他一直坚信这是由于细菌引起的。所以后来,发现病毒的功劳被记在荷兰微生物学家马丁努斯·拜耶林克(Martinus Beijerinck)的身上,虽然拜耶林克自己也承认伊凡诺夫斯基的工作成果。拜耶林克推广了“病毒“这个字眼的使用,以便把病毒和体积更大的细菌区分来了。细菌无法通过张伯伦滤菌器,只有更小的病毒可以通过。1898年,德里希·吕弗勒(Friedrich Loeffler)和保罗·弗罗施(Paul Frosch)几乎同时发现了一种可以在牛群中传播口蹄疫的传染性小颗粒。这种病毒会传染给奶牛,具有极强的传染性,因为这个原因,第一个研究口蹄疫的研究所就建立在波罗的海的一个半岛上。然而,海风还是足以把病毒从那里散播出去。这个研究所以上述两位先驱者的名字命名,叫吕弗勒弗罗施研究所(LFI),是整个欧洲种类研究所中规模最大的。几年前研究所重新开放,吸引了众多好奇的访客,以至于交通都被访客堵塞了。研究所里的的灭菌釜(autoclaves)非常巨大,足以给整头牛消毒。

[瑞士]卡琳·默灵 三联书店三联书情

以下是一些值得记住的数据:HIV这样的病毒有10个基因,噬菌体有70个,细菌有3000个,人类有2万至2.2万个,香蕉有3.2万个——什么?比人类的基因数目还要多?没错,吃惊吧!然而香蕉并不比我们聪明。这甚至一度被称为悖论:随着生物物种复杂性的增加,基因组的大小或者基因的数量并不随之增多。人类的基因数不是最多的,但是我们有最长的基因,而且更重要的是,我们的基因可以被更好地组合(通过剪切机制,见下一节)来增加整体复杂性;在这方面,我们胜过所有其他已知物种。最后一个数据是,病毒的一个基因约由1000个核苷酸组成。

原标题:《病毒——并非你所想象》

*文章选自《病毒》( [瑞士]卡琳·默灵 著 生活·读书·新知三联书店即将刊行)。文章版权所有,转载请在文末留言

posted @ 20-02-09 07:37  作者:admin  阅读量:

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