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政经社论

从演化的视角看真实的病毒世界

“病毒”是一个让人一听就感觉非常恐怖的一个词,尤其是这次的新型冠状病毒引发的肺炎疫情更是让大家认识到了小小的病毒所产生的巨大威力。


历史上病毒引发的重大疫情不计其数,比如天花病毒、麻疹病毒、骨髓灰质炎病毒、流感病毒等。都曾经杀死过数以亿计的人口,最近一次病毒对人类的大屠杀就是1918年的西班牙大流感,全球超过五亿人感染最终导致五千万人死亡。


现代人比较熟悉的病毒还有HIV(艾滋病)病毒,埃博拉病毒,SARS(非典)病毒,狂犬病病毒,HPV病毒等等。


但是如果你对病毒的认识仅仅停留在会让人生病这一点上,那你就太小看病毒的能耐了,事实上病毒在地球40亿年的地球生命演化史上所扮演的角色和影响力,远超乎你的想象。


列文虎克在17世纪就凭借显微镜发现了细菌,但人类发现病毒的时间却晚了将近三百年,主要就是因为病毒的个头实在是太小了,小到超出了光学显微镜的极限范围。人眼可见的光的波长大约是380纳米~780纳米,而一个典型的病毒的直径大概是几十纳米到一两百纳米,远小于人眼可见光的波长范围,所以最精密的光学显微镜也看不到一般的病毒。只能等到电子显微镜发明后人类才能真正看到病毒。


让我们用普通的细胞、细菌、病毒来做一个比较吧,如果在桌上放一粒普通的食盐晶体,然后在这颗食盐朝上的一个面上用典型的哺乳动物细胞铺满表面,大概能摆放几百个细胞左右。如果换成一种典型的细菌,大概能放上万个,而如果换成普通的病毒,那就能放几百万个。

病毒虽然个头小,但数量却非常多。1986年,纽约州立大学的一名叫Lita Proctor研究生决定看看海水中究竟有没有病毒,结果让她发现每升海水中竟含有多达1000亿个病毒。后来多位科学家也做了类似的研究,大体也得出了类似的数据。


后来科学家们又对地球上的病毒做了一个更全面的测量,结果更为令人吃惊。据估算。地球上所有病毒如果按照一条直线挨个排列起来,长度将达到一亿光年。如果把病毒的总重量加起来,比地球上所有动物的总重量还要重好几倍。


可能你会觉得惊讶,病毒数量多还能理解,但总质量怎么可能比所有动物总质量还重呢?虽然可以肯定每个动物体内肯定会都携带有很多病毒,但重量跟动物细胞相比却几乎不值一提。


是这样的,其实地球上动物的总质量只占地球所有生物总质量非常低的比例。有一项发表在《美国国家科学院院刊》上关于地球上所有生物质量的研究显示,全球生物的碳元素加和大约是5500亿吨,而所有动物的含碳量加和才20亿吨,只占生命碳总质量的0.36%左右。


就碳含量而言,占比最高的生物种类是植物,大约占了82%左右,也就是4500亿吨左右。排在第二位的是细菌,大约700亿吨,之后是真菌,大约120吨左右,再之后是古细菌70亿吨和原生生物40亿吨。所以从质量上来讲,动物真的只是地球生命中微不住道的存在。


而病毒是什么,病毒是以所有地球生命为食的一种存在,一直以来,我们人类以为自己是站在了食物链顶端一种生物,但真正站在食物链顶端的其实是病毒,它们的食谱包括了任何一种地球生物。包括每一种动物、植物、细菌、真菌、古菌、藻类。可以说,病毒遍布了地球的每一个角落,把这些病毒全部加起来总质量超过动物就一点也不奇怪了。


既然病毒的数量这么多,并且我们生活的环境到处都是病毒,那我们岂不是很危险?其实并不是,因为能够感染人的病毒其实只是病毒中极其少数的几种,绝大多数病毒对我们而言就跟普通的灰尘没任何区别。


为了完成自己的“生命”周期,病毒不得不去感染各类细胞生物,但如果你只是把病毒看成是一个破坏者的话那就大错特错了。因为病毒不但是地球生态中非常重要的一环,还极大的促进了物种的多样性和物种进化的速度。


就拿海洋里的细菌举例吧,海洋中每天都有20%到40%的细菌会被各种病毒杀死。一旦海洋里某种细菌占据了绝对优势开始大量繁殖,这时候以细菌为食的噬菌体(一类病毒统称)就会大量繁殖并且随着细菌数量的增多密度增大,病毒感染细菌的速度也会越来越快直到超过了这种细菌的繁殖速度。所以病毒生态系统里扮演着非常重要的反垄断角色。

一种典型的噬菌体


试想一下如果没有噬菌体,那么一旦某种细菌演化出了掠夺能量的优势,他们的繁殖速度是非常惊人的,因为细菌一旦有充足的营养,他们繁殖分裂是1个变2个,2个变4个,4个变8个,还记得那个国王奖励国际象棋发明者的故事吗?在资源充足的海洋里这种翻倍增长的速度如果没有病毒的抑制是非常恐怖的。


面对病毒的这种杀戮,细菌唯有用多样性去对抗,当周边都是不同类型的细菌的时候,就会对病毒的扩散起到了很大的阻碍作用。所以病毒对生态系统的第一大功劳就是极大的促进了生物(尤其是微生物)的多样性。


可能你要问了,微生物的多样性有什么实际意义呢?意义太大了,在生命从简单到复杂的演化的过程中,微生物的多样性一直都扮演着至关重要的作用。


如果每一种生物的进化都只是靠自身的基因一个一个碱基的突变积累变异,那么这个速度是非常缓慢的。地球生命最初在经过了20亿年的演化之后,还依然只是一些非常简单的单细胞生物,一直到大约18亿年前,一个个头较大的古菌吞噬了一个体型较小的细菌,碰巧这个小细菌并没有被分解消化掉,而是在这个大细菌体内定居了下来形成了共生关系。这个小细菌就是线粒体,这个共生体就是所有真核细胞的先祖。


真核细胞由于体内有了线粒体这个发电机,使得他们利用能量的效率提升了20倍,从此生命演化进入了快车道,从而演化出了所有的真菌、植物、动物。


试想一下,如果一个古细菌要通过一个个碱基的突变积累演化出一整套几十万碱基对的线粒体基因,那是非常困难的。这主要是由于这个积累的过程中绝多数时间里这个基因还没有任何功能,但每次分裂的时候却还需要花费更多的能量和时间来复制这些碱基,在和其他细菌的竞争中就处于劣势了。这也能解释为什么生命经过了20亿年的演化还都是一些简单的单细胞生物。


但这些简单的单细胞生物由于多样性丰富,就让基因重组有了更多的可能性。通过各种类型的细菌的相互吞噬和寄生,偶然之间就会组合出新的生命形式。


除了线粒体这个经典的例子之外,生物通过融合重组的例子还有很多,比如让植物能够进行光合作用的叶绿体也是一种被真核细胞吞噬的细菌,二者形成了共生关系,才有了后来的植物。


微生物的多样性对于复杂的生物而言同样也是非常重要。比如我们每个人体内大约有50万亿个细胞,而我们体内的细菌和真菌的细胞却超过了100万亿个,比我们自身的细胞还多一倍。这些微生物在人体内协同演化了这么多年,已经和我们形成了共生关系。


这些微生物帮我们一起抵御病原体入侵,帮助我们降解食物纤维消化淀粉,提高食物的营养率。据统计,结肠微生物为我们提取的能量最多可以占到食物总能量的15%,这在食物匮乏的时代是非常重要的。微生物还能为我们身体合成一些重要的物质。比如我们身体所需的维生素K就是靠肠道细菌合成的。


居住在新几内亚高原的原住民,由于环境因素,他们的食谱中90%以上都是红薯,这种饮食结构最大的问题就是缺乏蛋白质,但研究者们发现这些新几内亚原住民的肠道微生物能利用红薯中的糖类来合成蛋白质。这些细菌和根瘤菌一样能够固定空气中的氮来制造氨基酸。


所以微生物的多样性对整个生态和绝大部分物种都意义重大。让生物进化增加了更多的可能性,而这一切又都离不开病毒的功劳,所以病毒对整个生态系统都非常的重要。


而且病毒可不只是通过影响细菌间接影响整个生态的,它们自己也一直有直接参与其中并对所有生物的演化都起着至关重要的作用,比如逆转录病毒。


逆转录病毒也是属于RNA病毒中的一类,但它们并不是像其他RNA病毒那样一进入宿主细胞就挟持核糖体大量复制自身蛋白质和遗传物质组合成大量新的病毒个体然后杀死细胞,它们是先经逆转录酶把RNA转录成双链DNA然后再插入到宿主细胞染色体DNA上。


这段病毒DNA会潜伏在细胞里随着细胞的分裂一起被复制,然后这个细胞分裂出来的所有后代都会携带这段病毒DNA。这些DNA又会在某个时间被激活,大量复制病毒所需的蛋白质和RNA遗传物质并且合成大量新的病毒。最后细胞破裂,大量病毒被释放出去感染其他细胞。


那为何逆转录病毒不嫌麻烦的要先把自己转录成双链DNA,然后再复制自己,而不是像其他RNA病毒那样直接劫持核糖体复制自己,这种多此一举复制的方式到底有什么优势呢?答案就是可以更好的潜伏。因为DNA比RNA要稳定的多,所以更适合长期潜伏。


如果病毒直接复制自己并破坏细胞,就等于是直接要和免疫系统硬碰硬,结果要嘛是病毒赢了宿主死亡,要嘛免疫系统获胜病毒被全面清理。这次的新冠病毒就是这种类型,潜伏期平均也就7天,最长也就半个多月。


而逆转录病毒由于把自己整合到了宿主细胞的染上体上,可以长期潜伏在细胞里,等到合适的机会再激活。有些逆转录病毒甚至可以潜伏在宿主细胞里长达几十年,等宿主衰老免疫力下降以后,才开始激活自己。


不过有些逆转录病毒由于潜伏的时间太长了,忘记了自己的使命。或者由于某个碱基的突变使得病毒无法激活了,那么这段DNA就成了宿主细胞染色体的一部分。而如果这个细胞刚好是宿主的生殖细胞,那么这段DNA就有可能会传给下一代。这种被宿主细胞俘获的可遗传的病毒基因被称之为内源性逆转录病毒。


1999年,让-吕克·布隆和他的同事发现了一种名为HERV-W的人类内源性逆转录病毒。他们惊讶的发现,这种逆转录病毒中的一个基因能合成出一种名为合胞素的蛋白质。这种蛋白质只出现在胚胎里并且执行着一项非常重要且精准的使命,它们把胎盘外层的细胞母体细胞黏在一起,从而让分子在细胞之间顺畅的流通。


科学家们用小鼠做了一个实验,他们删除了小鼠的合胞素基因,结果小鼠胚胎没有一个能活到出生。他们就此推断,这种本事源自于病毒的蛋白质对于胚胎从母亲血液中吸取营养是必须的,由此他们推断一亿年前我们的祖先正是被一种带有合胞素的逆转录病毒感染后,俘获了这段病毒基因,才演化出了最早的胎盘,这才有了后续所有哺乳纲的动物,当然也包括哺乳纲灵长目人科人属智人种的我们。


由此可见病毒对复杂生物演化也起到了很关键的作用,病毒对所有生物的入侵从来没有停止过,所以任何生物体内的基因里都可以找到大量的病毒基因片段。比如我们人类基因组中就携带了10万个内源性逆转录病毒,要知道我们人类基因组中用来合成蛋白质的基因也就2万多个。


当然,这些内源性逆转录病毒基因绝大多数都是没任何作用的,它们就是一段垃圾DNA,但这些垃圾DNA也可能会在经过几次突变之后成为有用的基因,这就为生物进化提供了更多的可能性。


这就是一个真实的病毒世界,它们看不见却无处不在。它们极其微小却一直站在食物链的最顶端。它们除了是生命的破坏者,还是生物进化的催化剂。



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文章转载自微信公众号:奔向自由之路

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