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与人类过招的病毒是从哪里来的?
文章来源:文汇报2020.2.23  点击次数:26   添加时间:2020/3/26 10:26:19    

与人类过招的病毒是从哪里来的?
来源:文汇报2020.2.23           唐骋(作者系中国科学院脑智卓越创新中心博士研究生)
     
       日前,世界卫生组织(WHO)给新型冠状病毒所致疾病确定下了正式名称:COVID-19,而国际病毒分类委员会(ICTV)则宣布新型冠状病毒的正式名称为“严重急性呼吸综合征冠状病毒2型”(SARS-CoV-2)。
     
       虽然对于这种未知病毒的命名还存在不少争议,但已有研究纷纷把“破案”线索指向了野生动物。为何致命病毒总是来自野生动物?又是怎样的进化逻辑让病毒如此狡猾,拥有与人类相较量的智慧和力量?要回答这些问题,就得先了解病毒这种古老生命体的起源与演化。
     
       假说一
     
       远古分子生命的复仇之魂
     
       病毒的故事或许还要从远古说起。几十亿年前,在那个了无生机的地球上,某些机缘巧合之下,海水中产生了史上第一批有机大分子,从而点燃了生命的星星之火。
     
       慢慢地,有些大分子,比如RNA、DNA和蛋白质,开始或独立、或彼此协作地复制自身,这个阶段可以称为“分子生命”。然而,在一片祥和的分子生命中,它们发展出了一个改变生命法则的结构,那就是细胞——拥有膜结构的细胞可以更好地保护其中娇弱的RNA和蛋白质等核心大分子,极大增强了这些生物的适应力。
     
       有一种假说认为,病毒正是原始分子生命世界的遗民,它们在最后一刻创造出了寄生的生活方式,反过来利用了别人的细胞结构,宛如一群远古的复仇之魂,对于夺取它家园的族裔进行着永恒的抗争。
     
       这个假说一度十分盛行,毕竟病毒的构造是如此简单,甚至简陋,它们与细胞生命的差异又是如此巨大。比如,引起这次疫情的冠状病毒,以及每年冬天都会来报到的流感病毒,它们的遗传物质都是RNA,而不像细胞生物那样利用DNA来承载自己的遗传信息。
     
       更实锤的证据来自于“拟病毒”,它就是一个RNA分子。拟病毒没办法直接感染细胞,但是它可以感染病毒。确切地说,拟病毒是在某些病毒感染细胞的时候,通过“搭便车”来顺便复制自己、扩散自己,从而引发一些诸如人类丁型肝炎之类的疾病。
     
       假说二
     
       劫持细菌老板的叛逃基因
     
       在这个假说里,基因为了让自己流传下去,什么事情都做得出来。
     
       细菌中广泛存在一种名叫“质粒”的小片段环状DNA,它们基本上就是一群打工仔、临时工,细菌随时可以从环境中吸收它们为己所用,也能随时赶走它们。
     
       “我们不要一辈子打工!”于是,在漫长的演化中,有些质粒开始尝试一件事:它们走上了“叛变”之路,反过来把它们的细菌老板给“劫持”了,夺走细菌所有的营养来复制自身。随着时间推移,它们中的一部分就演化成了病毒。
     
       人类以及所有动植物的细胞跟细菌很不一样,我们都属于真核生物,细胞中并没有细菌那样的质粒。但在真核生物细胞里,还是有那么一些基因会蠢蠢欲动,它们不肯在染色体上好好待着,而是在细胞核里的染色体上左右横跳,跑来跑去。不过这帮调皮捣蛋的基因倒是有一个仙风道骨的名字——转座子。
     
       根据分子生物学检测,很多转座子都拥有与病毒非常相似的基因序列,两者将自己整合进宿主细胞染色体的机制也高度相似。尤其是病毒样逆转录转座子,与某些病毒简直一模一样。唯一不同的,只是这些转座子还不能像病毒一样,在细胞之间迁移。
     
       然而,病毒的身世到这里依旧扑朔迷离,因为它们根本就不遵循一般生物的演化模式。
     
       病毒感染的一般流程是:把自己的基因注入宿主细胞中,然后利用宿主细胞复制自己的基因,并且制造构建病毒颗粒所需的各种材料,最后操控细胞将病毒颗粒的各个零件连同病毒的基因一起包装成新的病毒颗粒,释放出去感染别的细胞。但在这个过程中,病毒每时每刻都在和各种生物交换基因。比如,病毒在指挥宿主细胞包装病毒颗粒时,有时候会把一些宿主细胞的DNA一块儿包进去,或者不小心在宿主细胞中留一点点自己的基因。
     
       哺乳动物的基因中,ERVW-1基因可以阻止母体免疫系统攻击胎儿,这就是某个病毒在一亿多年前,不小心落在我们祖先细胞中的。病毒在跨物种传播时,经常导致基因从一个物种转移到另一个物种,这也成为大自然中“转基因”的一条途径。
     
       正因为病毒的“转基因”如此之频繁,让人不得不重新思考:病毒真是叛逃的基因吗?还是那些转座子其实是病毒偶然留在细胞中的基因“礼物”呢?
     
       假说三
     
       病毒或为沉沦的细胞生物
     
       2003年,科学家发现了一种非常不讲道理的病毒——“拟菌病毒”。这个病毒的体型达到了0.4至0.5微米,在显微镜下看,个头和细菌差不多。引发此次疫情的冠状病毒也被认为是比较大的一类病毒,但其体型还不到0.1微米。
     
       2008年,科学家发现了第二种大病毒,将其命名为 “妈妈病毒”。此后,一种又一种“大病毒”开始接二连三地出现在人类视野中,2013年发现的“潘多拉病毒”更是把最大病毒的体型刷新到了1微米以上。
     
       从此,病毒与某些单细胞生物的界限开始变得模糊。比如,拟菌病毒的结构与基因和一类叫做“古菌”的单细胞生物非常相似。唯一不同的是,拟菌病毒丢失了一部分自主完成细胞分裂的关键基因,所以不得不寄生在其它生物的细胞中,利用宿主细胞来生长繁殖。
     
       于是,这就引发了病毒起源的第三种假说,认为病毒本质上是堕落的细胞生物——有些单细胞生物在长期寄生生活中,逐渐退化掉绝大部分细胞结构,最终变成了病毒这种“活死人”般的样子。而像拟菌病毒这样的生物,可能就是刚刚开始堕落的古菌。
     
       进化推手
     
       在生物演化史上烙下深印
     
       那么,病毒究竟应是远古的复仇之魂,还是叛逃的基因,亦或是堕落的细胞生物呢?这三种假说都有合理之处,同时也都存在着不能解释的问题。也许,病毒起源的故事远比这一切假说都更加复杂,甚至它的起源也未必是唯一的。
     
       这也给科学家的研究带来了数不清的烦恼,因为很难将病毒像细胞生物那样根据亲缘关系来分类,所以大部分病毒还是以它们的形态和引发的症状来粗糙归类,比如说冠状病毒就是因为在电子显微镜下看起来有很多凸起,样子像皇冠一样而得名。
     
       尽管我们还没弄明白病毒从何而来,但是病毒却真真切切地在生物的演化中留下了深深的烙印。
     
       病毒与生物之间的斗争,也一直是演化的最强推手之一。由于病毒无比强大的变异能力,我们可能无法预测下一个对我们有致命威胁的病毒会在何时何地出现。这最终逼得很多生物不得不采取一些获得更多基因变异后代的手段。比如,有性生殖就可以让一个生物的后代有着不同的基因组合,它所带来的基因多样性,尽可能保障了所有后代不至于被一种病毒“全歼”。
     
       同时,病毒还打破了生殖隔离的壁障,让基因得以在不同物种之间流动。所以,病毒虽不属于生命演化之树上的任何一个枝丫,但它们宛若围绕在演化之树上的流萤,在这棵树上处处都留下它们的痕迹。
    

      (余鸣皋选发)

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