探秘病毒王國

編譯 林聲

探秘病毒王國

編譯 林聲

隨著病毒的神秘面紗被逐漸揭開，人們對病毒有了全新的認(rèn)識。

蒂姆·羅博特姆是一位微生物學(xué)家，當(dāng)他從生長在英格蘭布拉德福德市的一座水塔中的阿米巴變形蟲中分離出一種未知微生物時(shí)，他顯得格外激動(dòng)，他的神情就好像在看一部令人毛骨悚然的恐怖片。他驚訝萬分，大張著嘴，卻小聲地叫道：“它是活著的！”他將這種未知微生物命名為“布拉德福德球菌”，這讓他在阿米巴變形蟲體內(nèi)收集到的細(xì)菌種類又增加了一種。當(dāng)時(shí)，他正在尋找困擾布拉德福德市民的肺炎爆發(fā)原因。后來經(jīng)確認(rèn)，羅博特姆發(fā)現(xiàn)的這種微生物其實(shí)不是細(xì)菌，而是一種體形巨大的病毒——米米病毒。

體形巨大的米米病毒，以及其他擁有各種奇特特征的病毒的發(fā)現(xiàn)，挑戰(zhàn)著人們以往對生命的定義。

病毒對生命世界的“功”與“過”

長期以來，病毒一直被認(rèn)為是無生命的實(shí)體：沒有自身的代謝機(jī)制，需要通過宿主細(xì)胞來替它們完成復(fù)制繁殖；病毒還被認(rèn)為幾乎沒有屬于自己的遺傳物質(zhì)，它們就像“基因竊賊”，以有機(jī)生命體為目標(biāo)，伺機(jī)竊取其遺傳物質(zhì)。

然而，隨著病毒的神秘面紗被科學(xué)家逐漸揭開，人們對病毒有了全新的認(rèn)識：病毒并非偷偷摸摸的“基因竊賊”，實(shí)際上，它們更像是“商品交易商”，在將基因從一個(gè)物種轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物種的過程中起著非常重要的作用，而新基因的獲得對生物體來說，有可能明顯改變其生活方式，例如適應(yīng)新的環(huán)境、對抗食肉動(dòng)物，等等。

病毒的重要意義還在于，它們不僅能將獲得的基因保留下來，甚至還能將它們獲得的“資產(chǎn)”捆綁在一起，比如科學(xué)家最近在一種海洋病毒中發(fā)現(xiàn)了多個(gè)光合作用基因。病毒對細(xì)胞生命的影響日益引起人們的重視。有科學(xué)家指出，病毒甚至有可能是細(xì)胞生命樹之根，在真核細(xì)胞核的進(jìn)化演變過程中，也有病毒的參與。

當(dāng)然，病毒在很多時(shí)候都扮演著聲名狼藉的“壞蛋”角色。從普通的感冒病毒到埃博拉病毒，病毒讓人們談虎色變，被視為疾病和死亡的象征。病毒感染遍及生命世界的各個(gè)領(lǐng)域，從植物到動(dòng)物，從原生生物到細(xì)菌。事實(shí)上，被指為致病源的許多細(xì)菌背后都有病毒的潛伏在暗處的影子，例如一種細(xì)菌會引起白喉病，而事實(shí)是，只有當(dāng)這種細(xì)菌帶有病毒時(shí)，它才會讓人感染白喉。

病毒驚人殺傷力的生態(tài)意義

長期以來，科學(xué)家對致命病毒的“邪惡”活動(dòng)所知甚詳，但今天他們開始認(rèn)識到，病毒的可怕殺傷力對生命世界并非只有負(fù)面效應(yīng)。病毒并不只是殺死植物和動(dòng)物，它們還殺死食物鏈末端的微生物，而這種大規(guī)模殺戮行為對于生命世界有著重要的意義——隨著這些有機(jī)體的死亡，大量養(yǎng)分被釋放出來，供養(yǎng)著整個(gè)生命世界。

在海洋中估計(jì)有1030種病毒，數(shù)量龐大的病毒感染著海洋中的各類生物，從磷蝦到鯨魚，有時(shí)會產(chǎn)生令人擔(dān)憂的影響，比如引發(fā)綠海龜生長腫瘤。病毒還感染著海洋中的浮游植物——包括海藻和能夠進(jìn)行光合作用的細(xì)菌等微生物。這些海洋中的微小生物是推動(dòng)海洋營養(yǎng)和能量循環(huán)的主要力量，它們占到海洋生物量的大約90%，而海洋中的病毒每天殺死的微生物估計(jì)占到海洋生物量的大約20%。這聽起來太可怕了！不過，你也不必為這些微生物的命運(yùn)擔(dān)憂，因?yàn)樾疫\(yùn)的是，浮游植物在海洋中的繁殖之快和傳播力之強(qiáng)同樣也是十分驚人的。

病毒不僅是對海洋微生物群落的構(gòu)成產(chǎn)生影響。經(jīng)過漫長的地質(zhì)時(shí)期，被病毒殺死的海洋有機(jī)體不斷沉積，最終形成了地球的陸地。以單細(xì)胞浮游生物顆石藻為例。顆石藻在海洋中繁榮生長，有時(shí)它們甚至?xí)钗邓{(lán)的大海呈現(xiàn)一片乳白色。之后，顆石藻迅速瓦解（其衰亡與海洋病毒密切相關(guān)）。當(dāng)顆石藻死亡后，它們的鈣質(zhì)外殼微粒（球石粒）沉積到海底，形成白堊，最終形成白堊紀(jì)時(shí)期的白堊巖石層。英國東南部港口多佛的白色懸崖就是由海洋生物的碳酸鈣骨骼形成的。

由病毒造成的顆石藻的大量死亡甚至還對地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生了影響。死亡的海洋浮游植物不斷沉淀到海床上，由此造成的每年的碳截留和碳封存估計(jì)達(dá)到30億噸。病毒大量殺滅浮游植物的行為還對全球氣候產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，這是因?yàn)椴《敬罅繗⑺栏∮沃参?，?dǎo)致產(chǎn)生更多的二甲基硫（這種海洋氣體是空氣中硫的主要天然來源），通過一系列反應(yīng)，二甲基硫轉(zhuǎn)換成在空氣中傳播的粒子，促使云層形成，對全球風(fēng)暴循環(huán)周期產(chǎn)生直接影響。

病毒在基因轉(zhuǎn)移中的重要作用

越來越多的證據(jù)表明，病毒很可能是生命王國中幫助完成基因交流的“經(jīng)紀(jì)人”。下面以能夠從陽光中吸收能量進(jìn)行光合作用的海蛞蝓為例，來看看病毒在其中所起到的不可或缺的作用。

海洋里有一種學(xué)名為綠葉海蛞蝓（Elysia chlorotica）的海蛞蝓，它們通過食用一種叫做Vaucheria litorea的海藻，使身體呈現(xiàn)出鮮艷的綠色，并因此獲得藻類植物進(jìn)行光合作用的能力。在海蛞蝓消化海藻的過程中，海藻的“太陽能工廠”（也被叫做“光合作用工廠”）——葉綠體，被海蛞蝓體內(nèi)一種特殊的細(xì)胞截留下來，存留在海蛞蝓體內(nèi)并繼續(xù)進(jìn)行光合作用。通過吸收陽光提供足夠的能量，海蛞蝓可以在數(shù)月不進(jìn)食的情況下依然生存下去。另外，由于葉綠體基因組并不包含讓“太陽能工廠”正常運(yùn)行所需要的所有基因，海蛞蝓還必須獲取海藻的細(xì)胞核基因。

為了解開海蛞蝓如何維持“太陽能工廠”之謎，科學(xué)家在它們的核DNA中進(jìn)行搜尋，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了原本屬于藻類植物的進(jìn)行光合作用的基因。顯然，今天的海蛞蝓生來就擁有藻類植物的光合作用基因，但它們?nèi)匀恍枰a(bǔ)充一些葉綠體。

有趣的是，科學(xué)家在海蛞蝓“偷”來的葉綠體和細(xì)胞核中還發(fā)現(xiàn)了類似病毒的粒子。所有這些研究結(jié)果都表明，當(dāng)初海蛞蝓很可能通過某種病毒的傳遞作用獲得了光合作用的基因。

關(guān)于病毒的更多發(fā)現(xiàn)

病毒除了充當(dāng)基因轉(zhuǎn)移的“中間人”之外，顯然它們也為自己積存了某些基因。最近，研究人員在感染海洋藍(lán)藻菌的病毒基因組里發(fā)現(xiàn)了進(jìn)行光合作用所需要的部分基因，一共有7個(gè)。在藍(lán)藻菌里，這些基因被DNA片段分隔開來，但是在病毒里，這些基因似乎被“打包”在了一起，一個(gè)個(gè)互相緊挨著，因此這種病毒的光合作用比藍(lán)藻菌更為高效。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，病毒在土壤中可能比在海洋中更為普遍，其中就包括本文開頭講到的羅博特姆在布拉德福的水塔中發(fā)現(xiàn)的米米病毒。通常來說，病毒在光學(xué)顯微鏡下是看不到的，因?yàn)樗鼈儗?shí)在太小。但是，米米病毒（在英文中的意思是“假冒細(xì)菌的病毒”）不僅僅對于病毒來說大得出奇，它甚至比某些細(xì)菌還要大。DNA分析顯示，它擁有比一般細(xì)菌更多的遺傳物質(zhì)，當(dāng)然肯定也擁有比已發(fā)現(xiàn)的任何其他病毒更多的遺傳物質(zhì)。米米病毒基因組中含有超過900個(gè)基因，相比之下，在米米病毒被發(fā)現(xiàn)之前，人們所知最大型的病毒T4也只有大約77個(gè)基因。米米病毒的部分基因似乎還參與了被認(rèn)為只有作為病毒宿主的細(xì)胞生物才擁有的機(jī)制，例如將信使核糖核酸轉(zhuǎn)換為蛋白質(zhì)。總之，米米病毒的發(fā)現(xiàn)，在極大程度上顛覆了人們以往對病毒王國的認(rèn)知。

重新確立病毒在生命世界中的地位

比細(xì)菌還大的病毒的發(fā)現(xiàn)，再次引發(fā)了一場由來已久的爭論，即關(guān)于生命的定義，關(guān)于病毒在生命進(jìn)化壯麗畫卷中所處的地位的爭論。在米米病毒的基因中，有80%都與細(xì)胞基因不同，這表明我們不能簡單地將米米病毒看作只是一個(gè)為所欲為的“基因竊賊”。

由于病毒能夠感染各種生命形式，并可由一切形式的遺傳物質(zhì)構(gòu)成，有科學(xué)家認(rèn)為病毒的出現(xiàn)可能早于細(xì)胞生命。還有科學(xué)家認(rèn)為，一種“原始病毒”也許是在海底熱液噴口的小生境處形成的。甚至還有科學(xué)家認(rèn)為，病毒可能與細(xì)胞核的起源有關(guān)。

病毒在地球生命發(fā)展史中所起的作用，以及病毒究竟是無生命的實(shí)體還是一種生命體，引起了科學(xué)家們的熱烈討論。無論人們?nèi)绾味x病毒，對于病毒的最新研究成果都無可置疑地展現(xiàn)了病毒所擁有的強(qiáng)大生命力。

病毒與宿主共生共存

生物有機(jī)體的共生關(guān)系體現(xiàn)在多個(gè)層面上，最簡單的一種是互相交換代謝物，如植物根系和菌根真菌之間的營養(yǎng)交換共生關(guān)系，就是一個(gè)很好的例子：菌根真菌為植物根系提供礦物質(zhì)營養(yǎng)，而植物根系則為菌根真菌提供糖分營養(yǎng)。最為復(fù)雜的共生關(guān)系則體現(xiàn)在共生動(dòng)植物的行為上，如魚蝦為大型海洋捕食動(dòng)物“義務(wù)清潔口腔”的行為，就是一種非常典型的共生互利現(xiàn)象，魚蝦放心地在捕食動(dòng)物的嘴里獲取食物，而捕食動(dòng)物則悠然自得地享受免費(fèi)的“口腔清潔服務(wù)”。

共生現(xiàn)象還存在于遺傳層次之上，即共生雙方共享基因。如一種以陽光為能量的海蛞蝓，從所食的海藻中吸收葉綠體，在海蛞蝓的基因組里包含有從海藻獲得的基因，沒有這種基因，海蛞蝓將無法有效地將葉綠體轉(zhuǎn)化為能量。因此，海蛞蝓與海藻共享了將葉綠體轉(zhuǎn)換成能量的基因，在遺傳層次上形成了一種共生體。

病毒與宿主之間也形成共生關(guān)系。病毒是一種“專性寄生物”，它們只能在宿主的細(xì)胞內(nèi)繁殖，與宿主形成一種密切的伙伴關(guān)系。

對于許多病毒來說，比如流感病毒，與宿主的關(guān)系是一種寄生關(guān)系，同時(shí)也是一種短暫存在的關(guān)系。但是，有些病毒一直不離開宿主，從而引起持續(xù)的感染，這種在宿主體內(nèi)長期逗留的行為改變了共生的性質(zhì)，有可能朝著共生互利的方向進(jìn)化，被稱之為“侵略性共生”。一個(gè)典型的例子是上世紀(jì)50年代澳大利亞野兔群中爆發(fā)的疫病——多發(fā)黏液瘤病。歐洲兔子于1859年作為食物來源被引入澳大利亞，在澳大利亞的新環(huán)境中，由于沒有了天敵的制約，“兔口”迅速膨脹，導(dǎo)致了一場農(nóng)業(yè)生態(tài)災(zāi)難，大批牧草地被破壞。1950年，這些兔子感染了被人類故意釋放到野外的黏液瘤病毒，短短幾個(gè)月里，澳大利亞東南部地區(qū)荒野中的野兔中的99.8%被消滅。

黏液瘤病毒淘汰了絕大部分澳大利亞野兔，但還是有極小部分野兔通過遺傳基因變異幸存了下來——疫病掃蕩過后，進(jìn)化產(chǎn)生了澳大利亞野兔和黏液瘤病毒的共生機(jī)制。也就是說，這種病毒和澳大利亞野兔成為共生伙伴。之前，黏液瘤病毒的天然宿主是巴西野兔，它們是巴西野兔的共生伙伴，但對其的影響至多也就是在皮膚上出現(xiàn)一些小小的皮疹色斑而已。如今，病毒在一種互利共生的狀態(tài)下，與澳大利亞野兔相安無事地共生共存。