尾声 冷却塔中的“外来客”
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与病毒共赴未来
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尾声 冷却塔中的“外来客”
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布拉德福德球菌没有细菌那种常见的光滑表面。相反,它看起来像个足球,由许多小平面镶嵌在一起。在这个几何形状拼成的外壳表面,还能看到一些细长的蛋白质像细毛一样伸展出来。自然界中唯一已知有这种外壳和表面细毛结构的就是病毒。但和当时所有的微生物学家一样,拉斯科拉也知道布拉德福德球菌的大小不对,它们看上去比病毒大100倍。
科学家甚至在动物体内也发现了潜伏的巨型病毒。拉斯科拉与他的同事们和巴西科学家一起开展了一项合作研究,他们从许多哺乳动物身上取了血清样本,在其中的猴子和牛身上发现了巨型病毒抗体。研究人员甚至还从人体内分离出巨型病毒,他们的样本还有一份取自一名肺炎患者。然而目前科学家还不清楚巨型病毒在我们的身体中究竟扮演什么角色,对我们的健康有什么影响。它们可能会直接感染人体细胞,也可能只是潜伏在我们身体内的变形虫里,对人不造成任何危害。
罗博特姆花了很多年的时间深入研究布拉德福德球菌,想看看它是否真是肺炎爆发的罪魁祸首。罗博特姆用其他细菌物种的已知DNA片段在布拉德福德球菌基因组中寻找相匹配的片段,结果一无所获。1998年,罗博特姆的研究走到了尽头,由于预算削减,他被迫关闭了实验室。但这位科学家不想让自己的研究前功尽弃,于是安排了法国的同行替他保存疑点重重的布拉德福德球菌样品。
最后,让我们回到“病毒”这个词本身。它原本就包含了两面性,一面是能给予生命的物质,另一面则代表致命的毒液。病毒在某种意义上的确是致命的,但它们也赋予了这个世界必不可少的创造力。创造和毁灭又一次完美地结合在一起。
尽管如此,布拉德福德球菌确实是病毒。随着研究的深入,拉斯科拉和他的同事发现,这种新病毒会入侵变形虫,迫使变形虫帮它们复制出无数新个体。只有病毒才是用这种方式繁殖的。旧名字显然是误导的,于是,拉斯科拉和他的同事给布拉德福德球菌取了一个新名字——拟菌病毒(mimivirus,九-九-藏-书-网“米米病毒”),用来表示这种病毒和细菌有很多相似性。
2003年,拉斯科拉和他的同事们正式发表了关于神奇的拟菌病毒的各种研究细节。但他们仍然很好奇,这种病毒在自然界中是独一无二的吗?我们身边会不会也藏着其他巨型病毒?他们从法国本地冷却塔里也取了一些水,在水里加入变形虫,想看看水里有没有什么东西能感染这些变形虫。很快,变形虫就涨破了,释放出一些个头巨大的病毒,但它们并不是拟菌病毒,而是一种拥有1059个基因的新种,创造了病毒基因组数量的新纪录。虽然新病毒从外表看起来很像拟菌病毒,但二者在基因层面相去甚远。科学家把新病毒和拟菌病毒的基因组进行比对,发现其中有833个基因能很好地匹配,另外226个是新病毒独有的。科学家认为这么大的差异足以让新病毒单独划为一种,而且它也应该有个名字,就叫妈妈病毒(mamavirus)吧。
随着病毒分子生物学研究的聚焦,许多科学家倾向认为病毒只是类似生物的一种存在形式,而并不是一种真正的生命体。科学家研究的所有病毒都只携带很少的几个基因。因此病毒和细菌之间还存在巨大的遗传鸿沟,足以把这两个类群清晰地区分开来。然而,这么少的基因已经可以让病毒具有最基本的增殖能力,包括入侵细胞,把自己的基因插入细胞原本的“生化工厂”等等。病毒缺失了作为一个完整生命所需要的另一些重要基因,比如,它们没有制造核糖体的指令(核糖体是依据RNA合成蛋白质的分子工厂),也没有分解食物的酶的编码基因——病毒缺乏的似乎恰恰是真正的生命体所需的遗传信息。
在发现病毒之前,科学家对生命其实有一个基本统一的定义。生命体能通过自身的新陈代谢来生存、生长和繁殖。而其他非生命形态,比如天上的云或者一块水晶,可能从某种角度考虑也有生命,但综合来说,它们都没有达到生命体的这些标准。
法国科学家率先着手分析拟菌病毒的基因。罗博特姆也曾经尝试过在拟菌九-九-藏-书-网病毒的基因组里寻找和其他细菌基因相匹配的片段,但一无所获。法国科学家的运气就好多了,他们在拟菌病毒中发现了很多的病毒基因。在此之前,科学家已经习惯从每种病毒中只找到几个基因。但拟菌病毒足有1018个病毒基因,看起来就好像有人把流感、普通感冒、天花和其他一百种病毒的基因组都塞进了同一个蛋白质外壳里。拟菌病毒的基因甚至比某些细菌的基因还多。在体型和基因数量上,拟菌病毒都打破了病毒的基本规则。
这么高的变异速度可能正成为了基因组大小的限制因素。基因组没法扩大,病毒也就没办法成为真正意义上的生命体了。因为假如基因组变大了,病毒就比人更可能产生致命突变。因此,是自然选择成就了病毒的微型基因组。如果这种假说成立,在病毒有限的基因容量里,已经装不下那些负责从原材料合成新基因和蛋白质的基因了。因此病毒不能生长,不能主动排出废物,不能抵御炎热和寒冷,也不能通过分裂而增殖。
但没过多少年,病毒学家就纷纷对这种陈述提出质疑,其中也不乏公开反对者。新发现层出不穷,很多旧的规则不再适用。比如,很长时间以来人们一直无视巨型病毒的存在,部分原因是它们太大了,比大多数已知病毒都起码大一百倍。它们的基因也数量庞大,完全不符合之前病毒的定义。科学家并不知道巨型病毒要这么大的基因组到底有什么用,有人猜测这些基因能行使不少生物的功能,例如巨型病毒的基因编码了一些酶,能起到修复DNA的功能。这样,当它们从一个宿主细胞转移到另一个宿主细胞时,如果发生了基因层面的损伤,就可以及时修复。另外,巨型病毒入侵变形虫时,并不会融入宿主的无数分子团中,相反,它们会组织形成大量复杂的结构,这种结构被称为“病毒工厂”。病毒工厂通过一个入口吸收原料,然后通过另外两个出口输出新的DNA和蛋白质大分子。巨型病毒起码能用自己的病毒基因开展这个过程中部分的生物化学工作。
严格区分生命和非生命的做法不仅九_九_藏_书_网让病毒变得更难理解,也让生命的起源更匪夷所思。生命起源的过程还没有完全明朗,但有一点是明确的:生命并不是由宇宙中什么伟大力量在一瞬之间变出来的,而是随着糖类和磷酸盐等原料在早期地球上聚合并发生越来越复杂的反应,慢慢演变出来的。例如,有可能是单链RNA分子逐渐生长,又获得了自我复制的能力。对于这种以RNA作为遗传物质的生命来说,想在它们的演化之路上找到一个具体的生命“无中生有”的时刻,无疑会让我们忽视生命逐渐过渡的事实。
巨型病毒的故事让我们认识到,人类对这个充满病毒的生物圈的了解有多么匮乏。大概一百多年前人类发现了病毒,从那时起人们就一直在争论病毒对于生命到底意味着什么,巨型病毒的发现无疑给这个长久的争论注入了新的话题。
地球上有水的地方就有生命——不管这些水存在于黄石公园的间歇泉,水晶洞里的小水洼,还是医院屋顶上的冷却塔中。
微生物学家安德烈·利沃夫(André Lwoff)曾在1967年的诺贝尔奖领奖辞里宣称:“生物是由细胞构成的。”病毒显然不是细胞,从前人们认为病毒只不过是一些游离的遗传物质,因为恰好也组合了一些合适的化学成分,因而能在细胞内自我复制。2000年,国际病毒分类委员会也正式表态支持这个说法,他们宣称:“病毒不是活的生物。”
最后,量变积累成质变,所有的不利积累成一个大大的“不行”——病毒始终是没有生命的。
但理论上来说病毒完全可能获得这些遗传信息,成为真正的生命体,毕竟它们又不是一成不变的。随时随地发生的突变很可能意外复制已有基因,并在此基础上造出新的功能;一种病毒也可能从另一种病毒甚至从宿主细胞中获取新基因。可以想象,有很多方式能让病毒的基因组丰富起来,直到能自主进食、生长,最后借助自己的力量分裂增殖。
这样的演化路径对病毒来说并非难事,但科学家却看到了挡在这条演化之路上的巨大绊脚石。拥有庞大基因组的生物都需要一些机制来保九*九*藏*书*网证复制是精确控制的,随着基因组增大,积累危险突变的几率也随之增加。人类细胞中有一类酶,专门对复制中的DNA进行纠错,这种纠错机制可以保护我们巨大的基因组能比较稳定地复制,其他生物,包括动物、植物、真菌、原生动物和细菌都是如此。而病毒则没有专门修复DNA错误的酶。因此,它们在复制中产生错误的速度也比我们快得多,在某些情况下,甚至比我们快上千倍。
在RNA世界,所谓的“生命”可能只是一些稍纵即逝的基因组合,抓住机会就拼命生长,有时则被像寄生者一样的另一些基因破坏殆尽。这些原始“寄生者”中的一些可能演化成了第一批病毒,不断复制繁衍至今。法国病毒学家帕特里克·福泰尔(Patrick Forterre)提出假说:双链DNA分子有可能就是RNA病毒“发明”出来的,双链有不同的结构,能保护基因免受攻击。最终,这些病毒的宿主反而接管了DNA分子,接着接管了整个世界。也就是说,现在所知的生命可能全起源于病毒。
1992年,一位名叫蒂莫西·罗博特姆(Timothy Rowbotham)的微生物学家从英国布拉德福德的一座医院冷却塔中取了一些水,把它放在显微镜下。展现在他眼前的是一派生机盎然——有和人类细胞差不多大小的变形虫及单细胞原生动物,还有它们体积1/100大小的细菌。当时,罗博特姆正在寻找布拉德福德市爆发肺炎的原因。在冷却塔水里游走的众多微生物中,他认为最大的疑凶是一种存在于变形虫内部、细菌大小的球形生物。罗博特姆认为自己发现了一种新细菌,将其命名为布拉德福德球菌。
1935年,温德尔·斯坦利首次得到了烟草花叶病毒的结晶,完美打破了生命和非生命的界限。这些病毒凝结成晶体之后,从各方面看都像一块冰或者钻石,但当你把这些病毒放在烟草上,它们立马开始增殖,就像其他生命体一样。
很多年过去,布拉德福德球菌似乎就将这样沉寂下去,直到法国艾克斯—马赛大学的贝尔纳德·拉斯科拉(Bernardhttp://www.99lib.net La Scola)决定再看它一眼。他把罗博特姆的样本放到了显微镜下,一眼看去,立马意识到有什么东西不对劲。
其他研究人员也加入了寻找巨型病毒的行列。不久,成果相继诞生,河流、海洋甚至南极冰层所掩盖的湖泊中,人们都发现了巨型病毒的身影。2014年,法国研究人员解冻了冻结三万年之久的西伯利亚冻土,在其中也发现了巨型病毒——这些病毒足有1.5微米长,是目前发现的最大的巨型病毒。
虽然巨型病毒弥合了大多数病毒和细胞之间的“生命”鸿沟,但目前还不清楚它们是如何演化到如今这种“高不成低不就”的位置的。有的科学家认为,它们最初可能也是普通的病毒,后来从宿主细胞里窃取了一些额外基因,才成了今天的样子。也有科学家持完全相反的观点,他们认为巨型病毒在演化的早期是以活细胞的形式存在的,并不依附于其他生物而生存,在其后数十亿年间逐渐蜕变,成为了今天这种更像病毒的样子。

巨型病毒及生命的定义

巨型病毒能组织病毒工厂,这一点从各方面看起来都非常像一个真的细胞。无独有偶,2008年,拉斯科拉和他的同事发现,巨型病毒甚至可能被同类的其他病毒感染。这种入侵的新病毒被命名为噬病毒体,它们潜入病毒工厂,欺骗本应复制巨型病毒的工厂制造出更多噬病毒体。
给自然界中的成员划出分界线,在科学研究的时候是有用的,但当我们想要了解生命本身,这些分界线就成了人为设置的障碍。与其试图搞清楚病毒怎么区别于其他生物,还不如研究研究病毒是怎么和其他生物形成一个连续的演化谱。人类作为一种哺乳动物,已经和病毒组成了难以分割的混合体。移除了身上的病毒基因,我们可能根本无法活着从子宫里生出来。而人在日常生活中抵御感染可能也是借助了病毒DNA的帮助。就连我们每日呼吸的氧气中的一部分,也是海洋中的病毒和细菌共同产生的。海里的病毒和细菌含量并不是固定不变的,而是处在动态变化中。海洋是基因的流动库,众多基因不停在宿主和病毒之间交换。
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