2020年02月21日 齊魯晚報
◤美國科學家通過透射顯微鏡獲取了新型冠狀病毒圖片,並進行上色。
頂級期刊《柳葉刀》公佈了新型冠狀病毒的彩色照片.。
病毒的結構比較簡單。
2020年伊始,一場突如其來的新冠肺炎來襲,當人們備受其困擾時,很多人不免發問:病毒究竟是什麼?
的確,在大自然演化所產生的所有物種當中,病毒無疑是最難以捉摸的物種,與其他物種都能夠在生命的演化之樹上找到自己大致位置不同,病毒奇怪的生活方式讓我們難以將其置於演化之樹的任何地方。這種神奇而致命的物種究竟從何而來?最新的科學發現又給了我們什麼樣的啟示呢?
齊魯晚報·齊魯壹點
記者 王昱
徘徊在生死之間
的“類生物”
想要說清楚病毒起源的原委,我們必須先說說它獨特的生存方式。
病毒是生命嗎?這個聽起來似乎很簡單的問題實際上是生物學中一個極具爭議的大問題。
對於寄生在其他生物體內的寄生蟲,我們都再熟悉不過,而我們可以將病毒想象成為一種細胞層面的“寄生蟲”。
目前已知的所有細胞生物都是以DNA為主要遺傳物質的。細胞想要獲取DNA中的編碼信息需要藉助郵差,也就是信使RNA(mRNA)。它們專門負責把轉錄下來的信息送出細胞核,再傳達給轉運RNA(tRNA),最後在核糖體等細胞器內合成加工出蛋白質。
而病毒的組成極度簡化,沒有細胞結構,更別提複雜的蛋白質合成系統。它們基本上只有一層蛋白質衣殼,包裹著遺傳物質(DNA或RNA),在沒有遇到合適的宿主細胞時,病毒完全就是個死物,毫無生命特徵。但一旦合適的宿主細胞出現,它就能盜用宿主細胞的生產工具來複制自己。更有甚者,病毒會直接潛入宿主細胞的基因組中當起“間諜”。
以此次“作妖”的新型冠狀病毒為例,它是一種單股正鏈RNA病毒,是已知基因組最大的RNA病毒之一,大約包含2.6-3.2萬個鹼基對。這類病毒通常會感染哺乳動物和鳥類,造成宿主呼吸道和腸道感染。在侵入細胞後,新型冠狀病毒所帶有的正鏈RNA會藉助細胞內的核糖體直接指導合成其所需要的蛋白質外殼並完成RNA的自我複製,等到時機成熟,被感染的細胞就將死亡破裂,成千上萬個新組裝出的新型冠狀病毒就會“破繭而出”,感染新的宿主。
總結起來說,所有病毒都是由遺傳物質(DNA或RNA)和蛋白質構成的有機物,從這一點來看,它們似乎是具有生命特徵的；但是,它們無法自行表現生命現象,必須依賴宿主細胞才能生長和複製,這一點又有違我們對生命的定義。
因此,目前在大多數生物分類中,生物的三大域(真細菌域、古菌域、真核生物域)中並沒有包含病毒。病毒被更多地視為一種“類生物”。當真是“跳出三界外,不在五行中”。
遠古生命?
叛逃的基因?
由於病毒無法留下化石證據,使得我們對其起源和演化的推斷更多地來自於對病毒與宿主之間的DNA序列的研究和比較。由此科學家們提出了三種病毒起源的主流理論:逃逸假說、退化假說和先於細胞起源假說。
在這三種假說當中,最有意思的當數先於細胞起源假說,該假說認為,別看眼下的病毒都是營寄生的,但病毒卻是先於細胞出現的。在距今約40億年前的遠古海洋當中,在某些機緣巧合之下,海水中產生了史上第一批有機大分子,從而點燃了生命的星星之火。慢慢地,有一些大分子,比如說RNA、DNA以及蛋白質開始或獨立或彼此協作地複製自身,這個階段可以稱為“分子生命”。然而在一片祥和的分子生命中卻產生了一個異類,那就是包括現存所有細胞生物的最近共同祖先“露卡”(LUCA)在內的一些分子生命,它們發展出了細胞。擁有膜結構的細胞可以更好地保護其中嬌弱的RNA和蛋白質等核心大分子,極大增強了這些生物的適應力,從而佔據了演化優勢地位。
然而,像病毒這樣的古老生命卻也找到了自己獨特的生存路徑——就是鑽進細胞生物的體內,營寄生生活。
在這種假說的理論中,病毒其實才是地球生命的原住民,而我們的細胞生命其實是後來者,病毒與細胞的“相愛相殺”持續了數十億年。
與之針鋒相對的則是逃逸假說,該假說認為,病毒不是“原住民”而是“叛逃者”。最初可能就來自於細胞自身。
在細胞生物,包括我們人類的基因組裡大量存在著一類“不安分”的“跳躍基因”,也叫轉座子,它們能從原本的位置解離或者通過複製,轉移到另一個基因位點,比如另一條染色體上。
逃逸假說則認為,病毒或許是“叛逃”的基因片段,比如轉座子演化而來的,它們在某個契機下獲得了蛋白質裝備的加持,成功出逃,自此打開新世界的大門。
事實上,已有科學家證明某些轉座子仍有被激活成病毒的潛能。但轉座子和病毒在演化史上的出現究竟孰先孰後,仍未有明確結論。由此看來,先於細胞起源假說和逃逸假說可以被看做一個硬幣的兩面,爭論的只是先有雞還是先有蛋問題。
新理論病毒
來自“墮落細胞”?
當人們都覺得先於細胞起源假說和逃逸假說已經足夠解釋病毒的起源時,一種更新奇的理論近年來卻日漸受到熱捧:退化假說,病毒的祖先原本有著相對完整的細胞結構,也是自力更生的“好細胞”,後來在和其他細胞共生的過程中,逐漸“迷失自我”,開始丟失基因,最後完全依賴其他細胞的勞動,甚至變本加厲,瘋狂掠奪。
這種說法聽起來光怪陸離,但卻隨著最新發現一步步得到佐證。美國科學家近日在《自然》雜誌撰文稱,他們最近發現了一些巨型噬菌體,其中最大噬菌體的基因組擁有73.5萬鹼基對,這些複雜的噬菌體模糊了生命和非生命間的界限。
研究人員稱,一般噬菌體擁有5萬個鹼基對,但他們發現了351種噬菌體擁有20萬個鹼基對,是普通噬菌體的4倍,其中一種噬菌體擁有73.5萬個鹼基對——相比較而言,人類基因組包含約30億個鹼基對。
這些“巨型噬菌體”的基因組比許多細菌(生命形式之一)的基因組都大得多,這種病毒的發現,在病毒和細胞的演化道路之間搭起了一座橋樑。也為病毒的起源提供了另一種可能,認為病毒本質上是墮落的生物。有些單細胞生物在長期寄生生活中,逐漸退化掉絕大部分細胞結構,最終成為細胞內的寄生蟲。不斷被發現的大型噬菌體,可能就是這些病毒開始退化時的最初形態。
那麼,病毒究竟是遠古種族的遺民,還是叛逃的基因,抑或是墮落的細胞呢?這三種假說都有合理之處,同時也存在著不能解釋的問題。
也許,病毒的起源遠比這一切假說都更加複雜,甚至未必有著唯一的來源,在數十億年的生命演化史上,一切難以想象的偶然和巧合都有可能發生。也許三種演化方式共同造成病毒今天的模樣。我們所能確知的是,病毒與細胞生命之間的戰爭,已經持續了數十億年,在未來漫長的歷程當中,還將一直持續下去。
就在近日,美國俄亥俄州立大學的一個研究團隊,在青藏高原的冰核樣本中發現了古老病毒存在的證據,在33種不同病毒的遺傳信息中,科學家發現有28種病毒是全新的,人類未曾發現和描述過它們,這意味著它們可能已經在冰層中存在了數萬年之久。科學家對此的研究論文已經發表在《bioRxiv》上。
冰川中封印著病毒已經是不爭的事實。因此,全球變暖帶來的冰川融化,實際上並不僅僅是讓海平面上升那麼簡單,它可能會釋放出曾經冰封下的古老病毒,這無疑會對人類和其他生物造成危害。
閱讀更多 周歧武 的文章
