我們對(duì)于生命起源的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)膚淺,大病毒的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步拉近了生命與非生命之間的距離,也為生命起源和進(jìn)化的研究提供了重要的信息。
病毒不是嚴(yán)格意義上的生命,它沒有自己的蛋白質(zhì)翻譯和能量代謝等系統(tǒng),只能寄生在細(xì)胞內(nèi),利用宿主的一系列因子來進(jìn)行復(fù)制擴(kuò)增,產(chǎn)生新的病毒粒子。病毒很小,典型的病毒大小在0.02微米~0.2微米間,無法用普通光學(xué)顯微鏡看到,而且非常簡單,一般由一種類型的核酸(DNA或RNA)組成的基因組和蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成,有些病毒還含有脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成的包膜。病毒自己編碼的蛋白質(zhì)的功能較為單一,一般僅包括構(gòu)成病毒顆粒的結(jié)構(gòu)蛋白以及負(fù)責(zé)病毒基因組復(fù)制和病毒顆粒組裝的非結(jié)構(gòu)蛋白。還有一種病毒僅含有蛋白質(zhì)而沒有核酸,所以它被稱為朊病毒或蛋白質(zhì)病毒。不過,它該不該被劃到病毒里,還有爭議。
具有生命特征的細(xì)胞體積大,成分和結(jié)構(gòu)復(fù)雜,具有蛋白質(zhì)合成系統(tǒng),含有DNA和RNA兩種核酸,可以自主進(jìn)行物質(zhì)和能量代謝,具有增殖的能力或潛力。所以,無論是單細(xì)胞還是多細(xì)胞生物,所有的動(dòng)植物、原核生物(細(xì)菌)、原生生物和真菌都和病毒劃清了界限??茖W(xué)家一般通過上述特征區(qū)分病毒和細(xì)胞生命體,但是,他們卻不斷地遇到麻煩。
首先來找麻煩的是醫(yī)療廣告中常說的“衣原體”。它的體積比典型的細(xì)菌小很多,寄生于活細(xì)胞中,一度被認(rèn)為是一種病毒。但是后來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),衣原體雖然需要宿主細(xì)胞提供能量,但其同時(shí)含有DNA和RNA兩種核酸,也有與細(xì)菌類似的細(xì)胞壁,同時(shí)還對(duì)多種抗生素敏感,所以將其歸入了廣義的細(xì)菌范疇。
1992年,科學(xué)家偶然間發(fā)現(xiàn)了一種寄生體,它在革蘭氏染色(細(xì)菌鑒別染色方法)時(shí)類似于細(xì)菌,但不能自主完成生命周期。2003年,科學(xué)家將它歸為病毒,并正式命名為Mimivirus(mimi: mimicking microbe,意為“酷似細(xì)菌”)。
發(fā)現(xiàn)新的病毒不是新鮮事,現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的病毒僅占地球病毒種類的一小部分。然而,Mimivirus的發(fā)現(xiàn)徹底刷新了人們對(duì)病毒的認(rèn)識(shí)。原因在于,這種病毒很大,超過了人們?cè)菊J(rèn)為的病毒應(yīng)有的大小。于是,科學(xué)家興奮地宣布,他們發(fā)現(xiàn)了世界上最大的病毒。
這種病毒大到什么程度呢?我們回顧一下病毒的發(fā)現(xiàn)來說這個(gè)問題。
100多年前,孟德爾剛剛種出他那劃時(shí)代的豌豆,一種會(huì)導(dǎo)致煙草這一經(jīng)濟(jì)作物減產(chǎn)的花葉病引起了人們的關(guān)注。1892年,俄國科學(xué)家伊凡諾夫斯基把患有花葉病的煙草葉子搗碎成汁,并使用一種細(xì)菌濾器來過濾,卻發(fā)現(xiàn)濾液仍能導(dǎo)致另外的植株生病。他使用的濾器孔徑為0.2微米~0.4微米,典型的細(xì)菌直徑在0.5微米~5微米之間,這種孔徑的濾器可以過濾掉幾乎所有的細(xì)菌,所以他認(rèn)為這種感染性物質(zhì)可能是細(xì)菌分泌的毒素。隨著研究的深入,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),這是一種具有傳染性的可溶性分子,并可在宿主細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)增?,F(xiàn)在我們知道,這種可溶性分子就是病毒,它的直徑通常小于0.2微米,可以自由地通過細(xì)菌濾器。因此,在相當(dāng)長的一段時(shí)間里,病毒也被稱為濾過性細(xì)菌,還有人通過這種方法來判斷一種微生物是不是病毒。
Mimivirus的直徑為0.4微米~0.5微米,比脊髓灰質(zhì)炎病毒(直徑為0.02微米~0.03微米)大幾十倍,幾乎不能通過細(xì)菌濾器。所以,放在過去,這種微生物肯定不會(huì)被歸入病毒范疇。Mimivirus的基因組含有近120萬個(gè)堿基對(duì),相比之下,脊髓灰質(zhì)炎病毒僅含有約7500個(gè)堿基對(duì)??茖W(xué)家對(duì)其基因組序列分析后發(fā)現(xiàn),這種病毒編碼1000多個(gè)基因(通常的病毒僅有幾個(gè)或十幾個(gè)基因),其中相當(dāng)一部分從來沒有在其他病毒中發(fā)現(xiàn)過。更讓科學(xué)家驚訝的是,這種病毒竟然自己編碼了涉及基因組DNA修復(fù)和蛋白質(zhì)翻譯功能的部分基因,而這些功能一直被認(rèn)為僅存在于細(xì)胞生命體中。不過,由于Mimivirus不編碼核糖體相關(guān)蛋白,所以它仍然需要借助宿主細(xì)胞的翻譯系統(tǒng)才能完成自己蛋白質(zhì)的翻譯。
2008年,科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了一種大病毒,將其命名為Mamavirus (其實(shí)起這個(gè)名字是為了和Mimivirus相呼應(yīng),連起來就是媽媽咪咪病毒)。這種病毒的大小和基因組長度與Mimivirus差不多,它的宿主也是阿米巴原蟲。這些發(fā)現(xiàn),使得科學(xué)家對(duì)于這類巨型病毒的研究越來越感興趣。
2011年,科學(xué)家在智利海岸分離出了一種更大的病毒,將其命名為Megaviruschilensis,個(gè)頭比Mimivirus大6.5%,基因數(shù)量也多了10%。于是,科學(xué)家又一次興奮地宣布,他們發(fā)現(xiàn)了世界上最大的病毒。
然而,這個(gè)紀(jì)錄僅保持了兩年就被刷新了。2013年7月,一個(gè)研究小組宣布他們發(fā)現(xiàn)了兩種更大的病毒,分別是從智利Tunquen河口的表層沉積物層中采集到的Pandoravirus-salinus(咸的潘多拉病毒)和從澳大利亞墨爾本附近的一個(gè)淺層淡水池塘分離到的Pandoravirus-dulcis(甜的潘多拉病毒),這兩種病毒的宿主也是阿米巴原蟲。
潘多拉病毒的發(fā)現(xiàn),再一次刷新了人們對(duì)病毒的認(rèn)識(shí)。它的長徑可以達(dá)到1微米,甚至超過了一些細(xì)菌(金黃色葡萄球菌直徑在0.5微米~1.0微米),普通光學(xué)顯微鏡都可以輕松看到它。咸的潘多拉病毒基因組長度達(dá)到247萬個(gè)堿基對(duì)(大腸桿菌基因組長度為400多萬個(gè)堿基對(duì)),編碼了2500多個(gè)基因,大約為人類基因組編碼數(shù)量的1/10。
經(jīng)過初步分析,潘多拉病毒基因組中有約93%的基因功能未知,而且在目前已知的生命體中找不到相似的基因。在可知的信息中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn),潘多拉病毒也編碼了一些蛋白質(zhì)翻譯系統(tǒng)中的組分,但仍然不能自主完成蛋白質(zhì)合成。另外,依然沒有在它們身上找到負(fù)責(zé)糖代謝的酶和構(gòu)成細(xì)胞骨架的蛋白質(zhì),而這些蛋白質(zhì)在細(xì)胞生命體能量代謝和分裂增殖中發(fā)揮著重要的作用。同時(shí),科學(xué)家在潘多拉病毒的基因組中發(fā)現(xiàn)了大量的內(nèi)含子,這進(jìn)一步增加了其基因組的復(fù)雜性。由于對(duì)這種病毒知之甚少,我們還很難對(duì)這種病毒的起源和進(jìn)化進(jìn)行研究。也正是由于有太多的未知,對(duì)這種病毒的研究就像正在打開潘多拉魔盒,里面會(huì)有更多的驚奇等待著科學(xué)家去發(fā)現(xiàn)。
潘多拉病毒的發(fā)現(xiàn)著實(shí)讓科學(xué)家興奮了一次。同樣,他們又一次向世界宣布,這是目前發(fā)現(xiàn)的世界上最大的病毒。誰也不知道未來還會(huì)不會(huì)有更大的病毒被發(fā)現(xiàn),不過,大病毒的發(fā)現(xiàn),打破了人們對(duì)于病毒的經(jīng)典認(rèn)識(shí),促使科學(xué)家重新思考病毒的定義以及生命和非生命界限的劃分。
有科學(xué)家認(rèn)為,巨型病毒可能來源于某些單細(xì)胞生物體,它們?cè)谶M(jìn)化過程中丟失了一些基因,結(jié)果變成了行寄生生活的病毒。也有科學(xué)家建議將大病毒單獨(dú)劃為一域,以區(qū)別于以往的三域系統(tǒng)(細(xì)菌、古生菌和真核生物)。目前,這些巨型的寄生微生物仍被歸入病毒范疇,因?yàn)樵谝欢ǔ潭壬?,它們?nèi)匀环辖?jīng)典病毒的特征,比如只含有一種核酸,不能自主進(jìn)行能量代謝,無法自我分裂增殖,只在宿主細(xì)胞中顯示出生命特性。
我們對(duì)生命起源的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)膚淺,大病毒的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步拉近了生命與非生命之間的距離,也為生命起源和進(jìn)化的研究提供了重要的信息。
值得欣慰的是,現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的大病毒對(duì)人類并沒有什么威脅,僅有極少數(shù)報(bào)道說Mimivirus可能引發(fā)人類肺炎。最后推薦Giant Virus Site(www.giantvirus.org),這個(gè)網(wǎng)站上收集了近年來人們對(duì)于巨型病毒的認(rèn)識(shí),同時(shí)還列出了基因組最大的100多種病毒的信息,如果您有興趣,可以去查查看。