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从普通感冒到巨型病毒,病毒在生命演化中发挥什么作用?

曾梦龙2020-02-04 16:26:27

我是齐默的死忠粉,《病毒星球》也让我过足了瘾。……齐默有种神奇的能力,他在讲述关于自然的新奇故事的同时,能更新你对自然的想法和理解,并且始终做到科学准确。——理查德·普雷斯顿,《血疫》作者

《病毒星球》

内容简介

早在人类出现之前,病毒就占领了这颗星球,历经高温、酷寒或干旱等极端条件,到现在病毒仍然无处不在,抗生素或感冒糖浆等最近用来对付它们的小玩意,更是无法伤及病毒毫发。

病毒在我们的 DNA 里留下了丰富的信息,人类 DNA 片段中 8% 来自病毒,说它们是我们亲缘有点远的祖先也不为过。但是要小心,这些休眠在人类 DNA 中的片段在特定条件下可以复苏,重新组织成活跃的病毒。

病毒并不总是面目可憎,人类吸入的氧气里,有 1/10 是病毒惠予的。被视为宫颈癌罪魁祸首的 HPV ,其实男女通吃且分布广泛,但绝大多数情况下它们都与人类和平共处。病毒在不同宿主间穿梭,有一定几率携带上一部分宿主的基因片段,然后插入到下一位宿主的基因里,在你感叹人类或其他物种多样性的时候,别忘了其中也有病毒的一份功劳。

不可否认,病毒也是自然创造的冷血杀手。甲流、埃博拉、 SARS ,这些病毒让人类措手不及,它们本来只攻击蝙蝠、老鼠或鸟类等,怎料自然演化无意之间将人类写进了病毒的黑名单。尽管疫苗不断更新,但演化的力量让病毒一次次地突破我们的防线。

这本书会让你重新理解病毒与人类的关系,认识人类在万物中的位置。

作者简介

卡尔·齐默(Carl Zimmer),知名科普作家,在耶鲁大学教授科学和环境写作。他写过多本广受欢迎的科普作品,包括《演化》《在水的边缘》《万物身刻》等,曾于 2007 年摘得美国国家科学院科学传播奖(The National Academies Communication Award),这一奖项是该领域的桂冠荣誉。

译者简介 

刘旸(桔子),毕业于北京大学,后于芝加哥大学取得分子、遗传及细胞生物学博士学位,九三学社成员,科学写作者、记者,科学松鼠会成员,果壳网吱扭 App 主编。与他人合著出版《当彩色的声音尝起来是甜的》《一百种尾巴或一千张叶子》《冷浪漫》等作品,另有译作《共情时代》《永生的海拉》等。

书籍摘录

引言 有传染性的活液

烟草花叶病毒和病毒世界的发现

距离墨西哥奇瓦瓦州东南 80 公里的沙漠里,有一条寸草不生的山脉,名叫奈卡山脉。 2000 年,几位矿工在山底错综复杂的地下洞穴中作业。当他们挖到 300 米深的时候,一个奇异的世界豁然展现在他们眼前。这个空间大概 9 米宽,将近 30 米长,洞顶、四壁、地面,都排布着光滑透亮的石膏晶体。有矿物晶体的洞穴并不少见,但奈卡“水晶洞”与众不同。洞里的晶体都有着惊人的体量,长度都在 10 米以上,最沉的有 55 吨重。这些晶体可不是我们通常理解的用在项链上的小水晶,而是像山一样大,人都能往上爬。

山洞被发现以来,已经有不少科学家得到许可进入这个神奇的水晶洞,格拉纳达大学的地质学家胡安·曼努埃尔·加西亚—鲁伊斯(Juan Manuel Garcia-Ruiz)就是其中的一位。基于自己的研究,他确定了这些晶体的年代,它们是在 2600 万年之前,火山活动造就奈卡山脉的同时形成的。那时山体中出现了一些空洞,里面充满了含有矿物质的热水。火山岩浆不断释放热量,把水维持在灼热的 58 摄氏度,这个温度是矿物析出、形成晶体的理想温度。山洞里的水就这样在几十万年间神奇地维持在这个完美的温度,让晶体能长成今天的庞然大物。

2009 年,加拿大不列颠哥伦比亚大学的科学家柯蒂斯·萨特尔(Curtis Suttle)到访水晶洞。他和同事从洞穴的水洼里舀了一些水,带回实验室分析。如果你知道萨特尔的研究领域,一定会觉得他去分析洞里的水简直是莫名其妙。萨特尔的学术研究和晶体、矿物,甚至和任何石头都扯不上半点关系。他研究的是病毒。

水晶洞里从来也没有人,又不会感染什么病毒,事实上,洞里甚至连一条鱼也找不到。这个神奇的洞穴在几千万年间一直与世隔绝,仿佛是生物圈外一个独立的存在。然而,萨特尔的那次拜访的确不虚此行。他把从水晶洞里带回的水放在显微镜下,大片大片的病毒展现在他眼前,每滴水里都足有 2 亿个病毒。

同年,科学家达娜·威尔纳(Dana Willner)也开展了她自己的病毒探寻之旅。不过这一次她没有去什么洞穴,而是“潜入”了人体。威尔纳和同事从人的痰里分离出了一些 DNA 片段。他们把这些 DNA 片段同在线数据库里的上百万个现有序列进行了比对。当然,片段中大部分 DNA 来自人体,但同时也有相当数量来自病毒。在此之前,科学家一直认为,健康人的肺里是没有病毒或细菌的。但威尔纳发现,人的肺里平均驻扎了 174 种之多的病毒,其中只有 10% 是已发现病毒的近亲,另外 90% 就和水晶洞里躲藏的病毒一样陌生。

病毒世界向科学家打开了大门。从深深的地下,到撒哈拉沙漠的沙里,再到南极冰盖之下1英里深藏的湖水中——新发现的病毒无处不在,数量之巨令科学家措手不及,根本来不及逐一仔细研究。病毒学还是一门非常年轻的学科。几千年来,我们对病毒的全部了解只是它们会让人得病,甚至取人性命。而直到现在,我们尽管看到了病毒对人的影响,却不知道它们是如何做到的。

连“病毒”这个词也是自相矛盾。它承自罗马帝国,当时的意思是蛇的毒液或者人的精液。这一个词被赋予了“毁灭”和“创造”两层意思。

经历几个世纪,“病毒”这个词逐渐呈现出另一层含义,它可以指代任何有传染性的物质,比如伤口流出的脓液,或者能神秘地通过空气传播的物质,甚至有的“病毒”能渗透在纸张内部,只要用手指头摸一下就会染病。

来自:《病毒星球》

直到 19 世纪晚期,“病毒”这个词才比较接近我们现在采用的意思,而这一转变还要归功于一次农业的大灾难。荷兰的烟草农场上的作物遭一种疾病洗劫,它们在曾经鲜活的叶片上留下一片片死去的组织,所有植株的发育全都受到影响,农场收成全无。

1879 年,可怜的荷兰农民向年轻的农业化学家阿道夫·迈耶(Adolph Mayer)求助。迈耶仔细地研究了这场大灾难,他把摧毁烟草农场的疾病称为烟草花叶病。这些植物生长的环境,包括土地、温度及日照,都是迈耶的研究对象,但迈耶根本没有发现染病的植株和健康的植株究竟有什么不同。他推测,或许这些植物被一些不可见的病原体感染了。之前,植物学家发现真菌可能感染土豆等植物,因此迈耶也在烟草上寻找有没有真菌感染,却一无所获。他还查看了寄生虫,仍然什么也没有发现。

最后,迈耶从得病的植株里提取出汁液并注射到健康植株上,健康植株被感染了。迈耶意识到,一定有一些微小的病原体在植物体内繁殖。他再取了一些染病植株的汁液,放在实验室里培养。结果真的长出一些细菌菌落来。这些菌落越长越大,到最后迈耶可以不借助显微设备直接看到它们。迈耶用这些生病组织培养出细菌,把它们涂抹到健康植株上,并没有让健康植株出现相同的症状,他只好作罢。病毒世界继续沉寂。

几年后,另一位名叫马丁努斯·拜耶林克(Martinus Beijerinck)的荷兰科学家从迈耶止步的地方再次启动了病原体寻找之旅。他想,会不会是什么比细菌小得多的病原体让烟草染上了花叶病?他把染病植株磨碎,把得到的汁液用精细的过滤器过滤,去掉植物细胞和细菌,然后把得到的澄清液体注射到健康植株体内。这下,烟草得病了。

拜耶林克把新染病的植株再次磨碎,汁液过滤,得到的液体能继续感染更多的健康植株。在染病植株的研磨液里一定有什么比细菌还小的东西,它们能自我复制,能传染疾病。 1898 年,拜耶林克把它们称为“有传染性的活液”。

这些液体里含有的物质,是到那时为止所有生物学家前所未见的生命形式。这些物质不仅极其微小,也非常坚韧。酒精没能让滤出液失去传染性,甚至把液体加热到快沸腾了,这些物质似乎仍然毫发无伤。拜耶林克把滤纸泡在滤出液里,让液体蒸发,直到滤纸彻底干燥。三个月后,他再把滤纸浸入水里,再用浸过滤纸的水去感染烟草,仍然能让烟草染病。

拜耶林克将他的“有传染性的活液”里的神奇物质称为病毒,这是它第一次以我们如今熟悉的意义使用。然而,拜耶林克只是用这个词来和之前人们所知的物质做出区分,从而标示这种物质不是动物、植物、真菌或细菌。它们究竟是什么,拜耶林克也没有结论。

不久人们就发现,拜耶林克发现的,只是众多病毒中的一种。 20 世纪初,其他科学家用类似的过滤后感染的方法,找到了其他疾病的致病病毒。他们甚至最终掌握了一种让病毒增殖的方法,这种方法不依赖活体动植物,而只靠在培养皿或者烧瓶里培养的一些细胞。

但当时的科学家对病毒到底是什么仍然各执一词。有些人认为,病毒仅仅是一些化学物质。还有一些科学家认为病毒是长在细胞里面的寄生生物。关于病毒的一切都争议巨大,科学家甚至对这些病毒究竟有无生命都未能达成共识。 1923 年,英国病毒学家弗雷德里克·特沃特(Frederick Twort)甚至宣称:“人类无法确定病毒的本质。”

由于化学家温德尔·斯坦利(Wendell Stanley)的工作,越来越多人了解到病毒带来的种种困惑。 20 世纪 20 年代,斯坦利还是一个学生,他在学校里学到了结晶的手段:分子可以聚合成重复的结构,从而形成晶体。晶体能够展现出这种物质在一般情况下不会表现出的性质。比如,科学家用X射线照射晶体,通过观察射线的反射方向,就能推断晶体中分子的排布规律。

20 世纪初,晶体帮助解决了生物学领域最大的谜团之一——酶到底是什么。科学家早就知道动物和其他生物会合成酶,酶能行使不同的功能,例如分解我们吃下去的食物。科学家想办法让酶结晶,从而发现了酶的本质是蛋白质。病毒会不会也是一种蛋白质?斯坦利感到好奇。

他选择了人们熟悉的烟草花叶病毒,开始尝试让病毒结晶。斯坦利效仿了拜耶林克四十年前的做法,从受感染的烟草植株中获得汁液,用精细的过滤器过滤。为了让病毒结晶尽量没有杂质,斯坦利从“有传染性的活液”里尽力去除了蛋白质以外的所有化合物。

在经过重重净化的液体里,斯坦利观察到微小的细针形晶体开始生长。它们又慢慢长成乳白色的薄片。这是人类历史上第一次有人不借助任何工具,仅用肉眼观察到了病毒。

病毒晶体立马变得如同矿物一样坚硬,却也像微生物一样鲜活了。斯坦利把这些病毒晶体像厨房里的食盐一样储存起来,数月不理。等再取一些溶进水里时,这些晶体仍然能恢复成不可见的病毒,再次感染烟草,其凶猛程度丝毫不减从前。

斯坦利于 1935 年发表了自己的实验结果,他的发现震惊了世界。《纽约时报》评价这一发现“动摇了人们对生与死的区辨”。

不过,斯坦利还是犯了个不能忽略的小错误。 1936 年,英国科学家诺曼·皮里(Norman Pirie)和弗雷德·鲍登(Fred Bawden)发现病毒并不仅仅是由蛋白质构成的,事实上,蛋白质占了病毒组成的 95% ,另外 5% 是另一种神奇的长条状分子,也就是核酸。在很多年以后,科学家会发现,核酸就是构成基因的物质,也正是在核酸的指导下,细胞才得以合成蛋白质和其他分子。我们人类的细胞,把基因的信息存储在双链核酸里,它们的全名叫脱氧核糖核酸,简称 DNA 。许多病毒的基因也是基于 DNA 的,但同时也有很多病毒,利用的是单链的核酸,也就是核糖核酸,简称 RNA ,前面提到的烟草花叶病毒就是这样的病毒。

斯坦利结晶出烟草花叶病毒之后的四年,一个德国科研团队终于成功看到了单个病毒。 20 世纪 30 年代有工程师发明了新一代显微镜,在新技术的帮助下,人们可以观察比之前小得多的对象。古斯塔夫·考舍(Gustav Kausche),埃德加·普凡库赫(Edgar Pfannkuch)和赫尔穆特·鲁斯卡(Helmut Ruska)三位科学家把烟草花叶病毒晶体滴到纯净水里,放到新仪器下观察。 1939 年,他们发表了观察结果,描述了他们在显微镜下看到的一些 300 纳米长的微小杆状结构。在此之前,没有人看到过如此微小的活物。让我们来做个比较,假如你把一粒盐撒在桌上,现在看着这个小颗粒,它的一条边上可以挨个排下 10 个表皮细胞,或者 100 个细菌。如果你用烟草花叶病毒,则可以排下 1000 个。

在随后的数十年里,病毒学家继续深入地“拆解”病毒,希望全面了解它们的分子构成。科学家发现,病毒和人体细胞里都有核酸和蛋白质,但二者有很多区别。人的细胞内塞满了上百万不同种类的分子,细胞利用这些分子来感知环境,在环境中爬来爬去,把营养物质吞噬进去,然后生长,最终决定自己究竟要一分为二,还是要为了细胞同伴的利益而舍弃自己的生命。病毒通常比细胞要简单得多,绝大多数病毒只是蛋白外壳包裹着几个基因而已。

病毒学家逐渐发现,尽管病毒的遗传信息量非常小,但它们仍然可以通过劫持其他生命体来自我复制。病毒把自己的基因和蛋白质注入宿主细胞,把它变成帮自己复制的“代工厂”。一粒小小的病毒进入一个细胞,一天之内,就有可能产出上千个病毒。

20 世纪 50 年代,病毒学家已经掌握了关于病毒的基本信息,但他们远远没有满足,毕竟我们连病毒是通过哪些途径让人得病都还没搞清楚。乳头瘤病毒为什么能让兔子长出角来,为什么它们到了人体内,又能引发全球每年数十万例宫颈癌?为什么有的病毒对人致命,但另一些却相对无害?病毒如何攻克宿主的防御系统,它们怎么能演化得比地球上任何别的物种都快……对这些问题,当时科学家都还没有思路。在那个时候,他们还不知道一种日后会被命名为 HIV 的病毒,已经从黑猩猩和大猩猩蔓延到我们人类身上,而三十年后,这种病毒会变成人类历史上最凶残的杀手之一。病毒学家还无法想象地球上存在的病毒数量之巨,他们更猜不到,地球上生命的基因多样性,很大一部分就蕴藏在病毒之中。他们不知道,我们呼吸的氧气很大一部分是在病毒的帮助下生产出来的,连我们所在的这颗星球的温度,都和病毒的活动息息相关。他们当然想象不到,人类基因组的一部分就来自感染了我们远古祖先的上千种病毒,甚至今天地球上的生命,都可能是在四十亿年前从病毒起源的。

如今的科学家都知道这些事了,更准确地说,他们都听过这些说法。他们认识到,从遥远的水晶洞到我们人类身体内部,地球就是一颗病毒星球。尽管科学家的认识还非常粗浅,但至少他们的探索已经开始。

让我们也从这里开始吧。


题图为电子显微镜下的埃博拉病毒,来自:《病毒星球》

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