病毒是微觀世界的“恐怖分子”

◎ 文 朱欽士

在這段不同尋常的日子里，幾乎所有人都在關(guān)注“新型冠狀病毒”。其實(shí)“新型”的背后，是各種各樣“舊型”病毒，以及人類(lèi)與之持續(xù)不斷的斗爭(zhēng)史，“禽流感”“豬流感”“埃博拉”……這些都不是多么久遠(yuǎn)的事?；蛟S是時(shí)候深入了解一下這個(gè)被稱作“病毒”的東西了。

原來(lái)你是這樣的病毒

平時(shí)我們所說(shuō)的生物，無(wú)論是原核生物(細(xì)菌和古菌)，還是真核生物(動(dòng)物、真菌和植物)，都是由細(xì)胞組成的。除了這些細(xì)胞類(lèi)型的生物，地球上還有另一類(lèi)數(shù)量極其龐大的非細(xì)胞類(lèi)型的生物體，這就是病毒(virus)。

法國(guó)科學(xué)家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur，1822—1895)首先意識(shí)到病毒的存在，因?yàn)樗荒苡蔑@微鏡看見(jiàn)引起狂犬病(rabies)的致病原，所以致病原一定比細(xì)菌小。1884年，與巴斯德一起工作的法國(guó)科學(xué)家Charles Chamberland發(fā)明了陶瓷過(guò)濾器，上面的孔比細(xì)菌小，能夠把液體中的細(xì)菌擋住而不讓通過(guò)。8年之后，俄國(guó)科學(xué)家Dimitri Ivanovsky發(fā)現(xiàn)，從患煙草花葉病的煙草葉獲得的液體在通過(guò)細(xì)菌過(guò)濾器以后，仍然能夠使煙葉患病，說(shuō)明致病原能夠通過(guò)該過(guò)濾器。

1894年，荷蘭科學(xué)家Martinus Beijerinck重復(fù)了Ivanovsky的實(shí)驗(yàn)，得到了同樣的結(jié)果，并且認(rèn)為致病原只能在細(xì)胞中才能繁殖，他把這種致病原叫作病毒。但是只有在1931年電子顯微鏡發(fā)明后，人們才第一次看見(jiàn)病毒的模樣。

病毒基本上就是由蛋白質(zhì)包裹的DNA或者RNA。這層蛋白質(zhì)包被叫作衣殼(capsid)，由相同的蛋白質(zhì)單位組成。這些組成衣殼的蛋白質(zhì)單位叫作殼粒。衣殼的形狀常為多面體，例如20面體。有的病毒在衣殼外面還有一層脂質(zhì)的包膜，類(lèi)似細(xì)胞的細(xì)胞膜，上面也有蛋白質(zhì)分子。病毒沒(méi)有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即使有些病毒有類(lèi)似細(xì)胞膜的外膜，膜里面也有遺傳物質(zhì)，但是病毒沒(méi)有細(xì)胞質(zhì)，即沒(méi)有一個(gè)水溶液的環(huán)境。

法國(guó)科學(xué)家路易斯·巴斯德首先意識(shí)到病毒的存在

由于地球上的生命活動(dòng)是以水為介質(zhì)的，化學(xué)反應(yīng)要在水溶液中才能進(jìn)行，沒(méi)有水溶液的環(huán)境也意味著沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，所以病毒沒(méi)有自己的新陳代謝。例如病毒沒(méi)有合成蛋白質(zhì)的核糖體，也不能合成自己的遺傳物質(zhì)。在單獨(dú)存在時(shí)，病毒沒(méi)有通常意義上的生命活動(dòng)，因此也稱為病毒顆粒。我們平時(shí)所見(jiàn)的病毒照片，都是病毒顆粒，即它們?cè)诩?xì)胞外的模樣。要是只看病毒顆粒階段，可以認(rèn)為病毒是沒(méi)有通常意義上的生命的。

病毒的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單(和細(xì)胞相比而言)，但是卻含有儲(chǔ)存生命信息的分子DNA或者RNA。一旦有發(fā)揮它們指令作用的環(huán)境，即到活的細(xì)胞內(nèi)部，這些指令就可以調(diào)動(dòng)細(xì)胞里面的資源和生產(chǎn)線，合成復(fù)制自己所需要的遺傳物質(zhì)和殼粒蛋白。從這個(gè)意義上講，病毒就是只有指揮部，沒(méi)有工廠的單位，指揮部進(jìn)入別人的工廠發(fā)號(hào)施令，由這些工廠來(lái)生產(chǎn)自己。

與真菌和動(dòng)物一樣，依靠其他生物的有機(jī)物來(lái)“生活”，因此所有的病毒都是異養(yǎng)的。真菌和動(dòng)物還要自己消化而后吸收有機(jī)物，再用“基本零件”(氨基酸、核苷酸、葡萄糖等)來(lái)建造自己的身體，病毒把這些活動(dòng)全免了，只發(fā)指令，其他一切活動(dòng)都靠被感染的細(xì)胞進(jìn)行，復(fù)制出多個(gè)自己，真的是“飯來(lái)張口，衣來(lái)伸手”。

由于這種“生活方式”是最省事的，通過(guò)這種方式來(lái)“生活”的病毒也種類(lèi)繁雜，估計(jì)有數(shù)百萬(wàn)種之多，能夠感染地球上所有的生物。無(wú)論是動(dòng)物、植物、真菌，還是細(xì)菌和古菌，都不能幸免于病毒的攻擊，而且同一種生物還可以被多種病毒感染，例如人就可以被感冒、流感、肝炎、SARS、艾滋病、狂犬病、腦膜炎、天花、麻疹、水痘等病毒感染。

暴發(fā)于1918年-1919年的大流感，奪去了全球幾千萬(wàn)人的生命。圖為美國(guó)堪薩斯州的福斯頓兵營(yíng)，罹患流感的士兵擠在一所醫(yī)院里接受治療。

由于病毒能夠把地球上所有的生物當(dāng)作生產(chǎn)自己的工廠，病毒的數(shù)量極其龐大，超過(guò)地球上的任何生物。例如每毫升海水就含有多達(dá)2.5億個(gè)病毒，是同樣體積海水中細(xì)菌數(shù)的10倍至數(shù)十倍。據(jù)估計(jì)，地球上病毒總數(shù)有1031個(gè)之多！從這個(gè)意義上說(shuō)，病毒利用現(xiàn)成有機(jī)物復(fù)制自己的本領(lǐng)比動(dòng)物大得多。它含有和細(xì)胞生物同樣類(lèi)型的遺傳物質(zhì)，使用同樣的遺傳密碼，并且能夠在競(jìng)爭(zhēng)中不斷演化，因此也可以看成是生命的一種形式。

細(xì)胞被病毒“劫持”后，就變成了生產(chǎn)病毒的工廠，在很多情況下會(huì)使被感染的細(xì)胞死亡，即在大量的病毒顆粒被生產(chǎn)出來(lái)之后，細(xì)胞破裂，釋放出病毒。這對(duì)于單細(xì)胞生物如細(xì)菌，就直接是死亡。對(duì)于多細(xì)胞生物，病毒可以造成部分細(xì)胞死亡，或者生物整體的死亡。例如1918年的流感大流行就奪去了數(shù)千萬(wàn)人的生命。從歐洲帶入的天花病毒曾經(jīng)殺死了約70%的美洲原住民。

在海洋中，病毒每天殺死約20%的單細(xì)胞生物，包括細(xì)菌和藻類(lèi)。如果細(xì)胞生物沒(méi)有抵御病毒攻擊的能力，所有的細(xì)胞都會(huì)被病毒消滅。因此從細(xì)菌開(kāi)始，就有抵御病毒攻擊的機(jī)制。病毒和細(xì)胞生物之間，就在這種進(jìn)攻和防御的斗爭(zhēng)中建立大體平衡的關(guān)系，并且雙方都在這場(chǎng)無(wú)休止的斗爭(zhēng)中不斷演化。

病毒如何感染細(xì)胞

病毒要繁殖，首先要進(jìn)入細(xì)胞。根據(jù)要進(jìn)入的細(xì)胞不同，病毒也有不同的進(jìn)入細(xì)胞的方式。

噬菌體感染細(xì)菌是用注射其DNA進(jìn)入細(xì)胞的方法。由于細(xì)菌的細(xì)胞膜外面還有細(xì)胞壁，整個(gè)噬菌體進(jìn)入細(xì)菌的細(xì)胞有困難。噬菌體附著在細(xì)菌表面后，其“頭部”含有的雙鏈DNA經(jīng)過(guò)“尾部”被直接注射進(jìn)細(xì)菌的細(xì)胞質(zhì)，噬菌體的其余部分則留在細(xì)胞外。注射所需要的壓力來(lái)自DNA自身。噬菌體在細(xì)胞中生成時(shí)，蛋白質(zhì)的外殼首先形成，里面還沒(méi)有DNA，所以內(nèi)部是空的。噬菌體的DNA是在末端酶的幫助下，像壓縮彈簧那樣把DNA包裝進(jìn)“頭部”的。這個(gè)被壓縮的“彈簧”在噬菌體附著在細(xì)菌表面時(shí)就能夠“彈”入細(xì)胞。

動(dòng)物的細(xì)胞沒(méi)有細(xì)胞壁，所以病毒可以直接和細(xì)胞質(zhì)接觸。病毒通過(guò)細(xì)胞表面的特種蛋白與細(xì)胞結(jié)合，在特異結(jié)合完成后，細(xì)胞會(huì)用內(nèi)吞(endocytosis)的方式把病毒“吞”入細(xì)胞，所以整個(gè)病毒，包括其衣殼，都會(huì)進(jìn)入細(xì)胞。例如艾滋病的病毒就通過(guò)淋巴細(xì)胞上的CD4蛋白和細(xì)胞結(jié)合，從而進(jìn)入表達(dá)CD4的淋巴細(xì)胞。在進(jìn)入細(xì)胞后，衣殼蛋白質(zhì)解離并且被細(xì)胞降解，釋放出遺傳物質(zhì)。

如果病毒的衣殼外面還有脂質(zhì)的包膜，在包膜上的蛋白質(zhì)與細(xì)胞表面的特殊蛋白結(jié)合后，病毒的包膜會(huì)與細(xì)胞膜融合，使病毒顆粒，包括遺傳物質(zhì)和衣殼，進(jìn)入細(xì)胞，在那里衣殼被降解，釋放出遺傳物質(zhì)。

植物的細(xì)胞也有細(xì)胞壁，而且由于植物的細(xì)胞遠(yuǎn)大于細(xì)菌，其細(xì)胞壁也比細(xì)菌的細(xì)胞壁厚得多，感染植物的病毒，像類(lèi)病毒一樣，無(wú)法直接進(jìn)入植物細(xì)胞，而需要植物細(xì)胞的損傷。但是一旦進(jìn)入細(xì)胞，它們能夠通過(guò)胞間連絲

(plasmodesmata，細(xì)胞之間通過(guò)小孔建立的細(xì)胞質(zhì)聯(lián)系)從一個(gè)細(xì)胞進(jìn)入另一個(gè)細(xì)胞。

由于病毒只能在細(xì)胞內(nèi)才能進(jìn)行繁殖，而原核細(xì)胞和真核細(xì)胞，真核生物中的植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞在大小和結(jié)構(gòu)上有很大的不同，即使是同一種生物也有不同類(lèi)型的細(xì)胞，例如人的身體就由200多種不同類(lèi)型的細(xì)胞組成，某種結(jié)構(gòu)的病毒常常只能感染適合它的細(xì)胞，而不能感染別的類(lèi)型的細(xì)胞。

藍(lán)細(xì)菌

生物如何進(jìn)行自我防衛(wèi)

地球上的生物不斷演化，從原核生物到真核生物，從單細(xì)胞生物到多細(xì)胞生物，構(gòu)造越來(lái)越復(fù)雜，功能越來(lái)越多樣，最后產(chǎn)生了被子植物和哺乳動(dòng)物這樣的高級(jí)生命形式。

人類(lèi)更是地球上生物演化的最高峰。我們的身體由多個(gè)系統(tǒng)(例如消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等)，200多種細(xì)胞，大約60萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞組成。光是我們的大腦就含有100多億個(gè)細(xì)胞，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了感覺(jué)、意識(shí)、思維和情感。我們不僅能夠成功地在地球上生活，成為這個(gè)星球的主宰，我們還能夠反過(guò)來(lái)研究這個(gè)產(chǎn)生我們的世界，了解宇宙誕生和演化(包括生物演化)的過(guò)程和規(guī)律。

但是這并不意味著，低級(jí)生物就會(huì)被高級(jí)生物所取代，像4G手機(jī)取代3G手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)會(huì)取代使用膠片相機(jī)那樣。對(duì)于生物來(lái)講，地球(包括陸地和海洋)是極其巨大的，可以為各種生物，包括原核生物，提供廣大的生活的空間。例如藍(lán)細(xì)菌是地球上最古老的生命形式之一，已經(jīng)有約35億年的歷史，至今仍然在地球上繁衍。

地球上生活環(huán)境的多樣性(海洋、陸地、熱帶、寒帶、酸性、堿性、地表、地下、干燥、潮濕以及不同環(huán)境中化學(xué)組成)也能夠?yàn)楦鞣N生物形式，從低級(jí)到高級(jí)，提供適合它們生存的環(huán)境。許多不適合高等生物生活的地方，如熱泉、地表之下、酸性或者堿性的環(huán)境等，卻是一些原核生物生活的地方。不僅如此，由于真核生物是由大量的有機(jī)物組成，而且會(huì)死亡的，真核生物的出現(xiàn)不僅沒(méi)有使原核生物消失，反而由于真核生物提供的大量有機(jī)物而使異養(yǎng)的原核生物有更大的發(fā)展空間。異養(yǎng)的真核生物，例如真菌，也主要是依靠其他真核生物提供的有機(jī)物生存的。

許多異養(yǎng)的原核生物和真菌，在這里我們統(tǒng)稱為微生物，是依賴死亡的動(dòng)植物提供的有機(jī)物生活的，但是它們并不一定要等到動(dòng)植物的死亡。動(dòng)物和植物，無(wú)論死活，都是有機(jī)物最豐富的來(lái)源。如果動(dòng)物和植物沒(méi)有防衛(wèi)系統(tǒng)，活的動(dòng)植物和死的動(dòng)植物對(duì)于這些微生物來(lái)說(shuō)就沒(méi)有根本區(qū)別，一樣會(huì)被它們所分泌的消化液消化掉。

動(dòng)植物體內(nèi)多水的環(huán)境，適宜的酸堿度，全面和豐富的營(yíng)養(yǎng)，本來(lái)是為動(dòng)植物自己的細(xì)胞所使用的，但同時(shí)也可以是細(xì)菌和真菌生活和繁殖的理想場(chǎng)所。特別是恒溫動(dòng)物那30多攝氏度的體溫，體液中豐富的營(yíng)養(yǎng)，更是許多微生物生活的“天堂”。如果沒(méi)有防衛(wèi)系統(tǒng)，活人就會(huì)很快被微生物消化干凈。

除了微生物，地球上所有的生命形式，包括原核生物，還會(huì)受到病毒的侵害。在許多情況下，被病毒感染的細(xì)胞會(huì)死亡破裂，釋放出更多的病毒。如果生物沒(méi)有對(duì)抗病毒的有效機(jī)制，任由病毒繁殖的“鏈?zhǔn)椒磻?yīng)”進(jìn)行下去，所有的生命形式都會(huì)受到極大的威脅。第二次世界大戰(zhàn)前歐洲流行的流感就是由病毒引起的，造成了數(shù)千萬(wàn)人的死亡。病毒的生活方式，也是利用其他生物身上現(xiàn)成的有機(jī)物來(lái)繁殖自己。病毒不僅攻擊真核細(xì)胞，也攻擊細(xì)菌，所以從原核生物開(kāi)始，就有了對(duì)抗“搶奪”自己有機(jī)物的入侵者的斗爭(zhēng)。

《生命通史》作者：朱欽士北京大學(xué)出版社2019年10月

細(xì)菌、真菌和病毒的例子說(shuō)明，地球上異養(yǎng)生物獲得其他生物現(xiàn)成有機(jī)物的方式，不僅可以“大吃小”，例如大魚(yú)吃小魚(yú)、水螅吃細(xì)菌，而且可以“小吃大”。在這里“小”就成了這些異養(yǎng)生物的優(yōu)點(diǎn)。

由于它們是如此之小，很容易隨風(fēng)飄蕩，所以無(wú)處不在，被侵害的生物“無(wú)處可藏”。動(dòng)物跑得再快，也跑不到?jīng)]有微生物的地方。也正是因?yàn)樗鼈冃。瑒?dòng)物的觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、嗅覺(jué)也發(fā)現(xiàn)不了細(xì)菌、病毒，而且生物對(duì)付捕食動(dòng)物的一些方法也不管用，例如牙齒和爪子對(duì)微生物就相當(dāng)于是用大炮打蚊子，毫無(wú)作用。因此要對(duì)抗微生物的攻擊，必須采取另外的專門(mén)手段，“以小對(duì)小”。

微生物和病毒是細(xì)胞或者亞細(xì)胞水平的，生物也用細(xì)胞水平，甚至分子水平的手段來(lái)對(duì)付。這就是生物的防衛(wèi)系統(tǒng)，也叫免疫系統(tǒng)(immune system)。Immune這個(gè)詞來(lái)自拉丁文的“immunis”，意思就是“免除”，在這里指免除微生物的攻擊。