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從普通感冒到巨型病毒,病毒在生命演化中發揮什么作用?

曾夢龍2020-02-04 16:26:27

我是齊默的死忠粉,《病毒星球》也讓我過足了癮?!R默有種神奇的能力,他在講述關于自然的新奇故事的同時,能更新你對自然的想法和理解,并且始終做到科學準確?!聿榈隆て绽姿诡D,《血疫》作者

《病毒星球》

內容簡介

早在人類出現之前,病毒就占領了這顆星球,歷經高溫、酷寒或干旱等極端條件,到現在病毒仍然無處不在,抗生素或感冒糖漿等最近用來對付它們的小玩意,更是無法傷及病毒毫發。

病毒在我們的 DNA 里留下了豐富的信息,人類 DNA 片段中 8% 來自病毒,說它們是我們親緣有點遠的祖先也不為過。但是要小心,這些休眠在人類 DNA 中的片段在特定條件下可以復蘇,重新組織成活躍的病毒。

病毒并不總是面目可憎,人類吸入的氧氣里,有 1/10 是病毒惠予的。被視為宮頸癌罪魁禍首的 HPV ,其實男女通吃且分布廣泛,但絕大多數情況下它們都與人類和平共處。病毒在不同宿主間穿梭,有一定幾率攜帶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,在你感嘆人類或其他物種多樣性的時候,別忘了其中也有病毒的一份功勞。

不可否認,病毒也是自然創造的冷血殺手。甲流、埃博拉、 SARS ,這些病毒讓人類措手不及,它們本來只攻擊蝙蝠、老鼠或鳥類等,怎料自然演化無意之間將人類寫進了病毒的黑名單。盡管疫苗不斷更新,但演化的力量讓病毒一次次地突破我們的防線。

這本書會讓你重新理解病毒與人類的關系,認識人類在萬物中的位置。

作者簡介

卡爾·齊默(Carl Zimmer),知名科普作家,在耶魯大學教授科學和環境寫作。他寫過多本廣受歡迎的科普作品,包括《演化》《在水的邊緣》《萬物身刻》等,曾于 2007 年摘得美國國家科學院科學傳播獎(The National Academies Communication Award),這一獎項是該領域的桂冠榮譽。

譯者簡介?

劉旸(桔子),畢業于北京大學,后于芝加哥大學取得分子、遺傳及細胞生物學博士學位,九三學社成員,科學寫作者、記者,科學松鼠會成員,果殼網吱扭 App 主編。與他人合著出版《當彩色的聲音嘗起來是甜的》《一百種尾巴或一千張葉子》《冷浪漫》等作品,另有譯作《共情時代》《永生的海拉》等。

書籍摘錄

引言 有傳染性的活液

煙草花葉病毒和病毒世界的發現

距離墨西哥奇瓦瓦州東南 80 公里的沙漠里,有一條寸草不生的山脈,名叫奈卡山脈。 2000 年,幾位礦工在山底錯綜復雜的地下洞穴中作業。當他們挖到 300 米深的時候,一個奇異的世界豁然展現在他們眼前。這個空間大概 9 米寬,將近 30 米長,洞頂、四壁、地面,都排布著光滑透亮的石膏晶體。有礦物晶體的洞穴并不少見,但奈卡“水晶洞”與眾不同。洞里的晶體都有著驚人的體量,長度都在 10 米以上,最沉的有 55 噸重。這些晶體可不是我們通常理解的用在項鏈上的小水晶,而是像山一樣大,人都能往上爬。

山洞被發現以來,已經有不少科學家得到許可進入這個神奇的水晶洞,格拉納達大學的地質學家胡安·曼努埃爾·加西亞—魯伊斯(Juan Manuel Garcia-Ruiz)就是其中的一位?;谧约旱难芯?,他確定了這些晶體的年代,它們是在 2600 萬年之前,火山活動造就奈卡山脈的同時形成的。那時山體中出現了一些空洞,里面充滿了含有礦物質的熱水?;鹕綆r漿不斷釋放熱量,把水維持在灼熱的 58 攝氏度,這個溫度是礦物析出、形成晶體的理想溫度。山洞里的水就這樣在幾十萬年間神奇地維持在這個完美的溫度,讓晶體能長成今天的龐然大物。

2009 年,加拿大不列顛哥倫比亞大學的科學家柯蒂斯·薩特爾(Curtis Suttle)到訪水晶洞。他和同事從洞穴的水洼里舀了一些水,帶回實驗室分析。如果你知道薩特爾的研究領域,一定會覺得他去分析洞里的水簡直是莫名其妙。薩特爾的學術研究和晶體、礦物,甚至和任何石頭都扯不上半點關系。他研究的是病毒。

水晶洞里從來也沒有人,又不會感染什么病毒,事實上,洞里甚至連一條魚也找不到。這個神奇的洞穴在幾千萬年間一直與世隔絕,仿佛是生物圈外一個獨立的存在。然而,薩特爾的那次拜訪的確不虛此行。他把從水晶洞里帶回的水放在顯微鏡下,大片大片的病毒展現在他眼前,每滴水里都足有 2 億個病毒。

同年,科學家達娜·威爾納(Dana Willner)也開展了她自己的病毒探尋之旅。不過這一次她沒有去什么洞穴,而是“潛入”了人體。威爾納和同事從人的痰里分離出了一些 DNA 片段。他們把這些 DNA 片段同在線數據庫里的上百萬個現有序列進行了比對。當然,片段中大部分 DNA 來自人體,但同時也有相當數量來自病毒。在此之前,科學家一直認為,健康人的肺里是沒有病毒或細菌的。但威爾納發現,人的肺里平均駐扎了 174 種之多的病毒,其中只有 10% 是已發現病毒的近親,另外 90% 就和水晶洞里躲藏的病毒一樣陌生。

病毒世界向科學家打開了大門。從深深的地下,到撒哈拉沙漠的沙里,再到南極冰蓋之下1英里深藏的湖水中——新發現的病毒無處不在,數量之巨令科學家措手不及,根本來不及逐一仔細研究。病毒學還是一門非常年輕的學科。幾千年來,我們對病毒的全部了解只是它們會讓人得病,甚至取人性命。而直到現在,我們盡管看到了病毒對人的影響,卻不知道它們是如何做到的。

連“病毒”這個詞也是自相矛盾。它承自羅馬帝國,當時的意思是蛇的毒液或者人的精液。這一個詞被賦予了“毀滅”和“創造”兩層意思。

經歷幾個世紀,“病毒”這個詞逐漸呈現出另一層含義,它可以指代任何有傳染性的物質,比如傷口流出的膿液,或者能神秘地通過空氣傳播的物質,甚至有的“病毒”能滲透在紙張內部,只要用手指頭摸一下就會染病。

來自:《病毒星球》

直到 19 世紀晚期,“病毒”這個詞才比較接近我們現在采用的意思,而這一轉變還要歸功于一次農業的大災難。荷蘭的煙草農場上的作物遭一種疾病洗劫,它們在曾經鮮活的葉片上留下一片片死去的組織,所有植株的發育全都受到影響,農場收成全無。

1879 年,可憐的荷蘭農民向年輕的農業化學家阿道夫·邁耶(Adolph Mayer)求助。邁耶仔細地研究了這場大災難,他把摧毀煙草農場的疾病稱為煙草花葉病。這些植物生長的環境,包括土地、溫度及日照,都是邁耶的研究對象,但邁耶根本沒有發現染病的植株和健康的植株究竟有什么不同。他推測,或許這些植物被一些不可見的病原體感染了。之前,植物學家發現真菌可能感染土豆等植物,因此邁耶也在煙草上尋找有沒有真菌感染,卻一無所獲。他還查看了寄生蟲,仍然什么也沒有發現。

最后,邁耶從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。邁耶意識到,一定有一些微小的病原體在植物體內繁殖。他再取了一些染病植株的汁液,放在實驗室里培養。結果真的長出一些細菌菌落來。這些菌落越長越大,到最后邁耶可以不借助顯微設備直接看到它們。邁耶用這些生病組織培養出細菌,把它們涂抹到健康植株上,并沒有讓健康植株出現相同的癥狀,他只好作罷。病毒世界繼續沉寂。

幾年后,另一位名叫馬丁努斯·拜耶林克(Martinus Beijerinck)的荷蘭科學家從邁耶止步的地方再次啟動了病原體尋找之旅。他想,會不會是什么比細菌小得多的病原體讓煙草染上了花葉???他把染病植株磨碎,把得到的汁液用精細的過濾器過濾,去掉植物細胞和細菌,然后把得到的澄清液體注射到健康植株體內。這下,煙草得病了。

拜耶林克把新染病的植株再次磨碎,汁液過濾,得到的液體能繼續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細菌還小的東西,它們能自我復制,能傳染疾病。 1898 年,拜耶林克把它們稱為“有傳染性的活液”。

這些液體里含有的物質,是到那時為止所有生物學家前所未見的生命形式。這些物質不僅極其微小,也非常堅韌。酒精沒能讓濾出液失去傳染性,甚至把液體加熱到快沸騰了,這些物質似乎仍然毫發無傷。拜耶林克把濾紙泡在濾出液里,讓液體蒸發,直到濾紙徹底干燥。三個月后,他再把濾紙浸入水里,再用浸過濾紙的水去感染煙草,仍然能讓煙草染病。

拜耶林克將他的“有傳染性的活液”里的神奇物質稱為病毒,這是它第一次以我們如今熟悉的意義使用。然而,拜耶林克只是用這個詞來和之前人們所知的物質做出區分,從而標示這種物質不是動物、植物、真菌或細菌。它們究竟是什么,拜耶林克也沒有結論。

不久人們就發現,拜耶林克發現的,只是眾多病毒中的一種。 20 世紀初,其他科學家用類似的過濾后感染的方法,找到了其他疾病的致病病毒。他們甚至最終掌握了一種讓病毒增殖的方法,這種方法不依賴活體動植物,而只靠在培養皿或者燒瓶里培養的一些細胞。

但當時的科學家對病毒到底是什么仍然各執一詞。有些人認為,病毒僅僅是一些化學物質。還有一些科學家認為病毒是長在細胞里面的寄生生物。關于病毒的一切都爭議巨大,科學家甚至對這些病毒究竟有無生命都未能達成共識。 1923 年,英國病毒學家弗雷德里克·特沃特(Frederick Twort)甚至宣稱:“人類無法確定病毒的本質?!?/p>

由于化學家溫德爾·斯坦利(Wendell Stanley)的工作,越來越多人了解到病毒帶來的種種困惑。 20 世紀 20 年代,斯坦利還是一個學生,他在學校里學到了結晶的手段:分子可以聚合成重復的結構,從而形成晶體。晶體能夠展現出這種物質在一般情況下不會表現出的性質。比如,科學家用X射線照射晶體,通過觀察射線的反射方向,就能推斷晶體中分子的排布規律。

20 世紀初,晶體幫助解決了生物學領域最大的謎團之一——酶到底是什么??茖W家早就知道動物和其他生物會合成酶,酶能行使不同的功能,例如分解我們吃下去的食物??茖W家想辦法讓酶結晶,從而發現了酶的本質是蛋白質。病毒會不會也是一種蛋白質?斯坦利感到好奇。

他選擇了人們熟悉的煙草花葉病毒,開始嘗試讓病毒結晶。斯坦利效仿了拜耶林克四十年前的做法,從受感染的煙草植株中獲得汁液,用精細的過濾器過濾。為了讓病毒結晶盡量沒有雜質,斯坦利從“有傳染性的活液”里盡力去除了蛋白質以外的所有化合物。

在經過重重凈化的液體里,斯坦利觀察到微小的細針形晶體開始生長。它們又慢慢長成乳白色的薄片。這是人類歷史上第一次有人不借助任何工具,僅用肉眼觀察到了病毒。

病毒晶體立馬變得如同礦物一樣堅硬,卻也像微生物一樣鮮活了。斯坦利把這些病毒晶體像廚房里的食鹽一樣儲存起來,數月不理。等再取一些溶進水里時,這些晶體仍然能恢復成不可見的病毒,再次感染煙草,其兇猛程度絲毫不減從前。

斯坦利于 1935 年發表了自己的實驗結果,他的發現震驚了世界?!都~約時報》評價這一發現“動搖了人們對生與死的區辨”。

不過,斯坦利還是犯了個不能忽略的小錯誤。 1936 年,英國科學家諾曼·皮里(Norman Pirie)和弗雷德·鮑登(Fred Bawden)發現病毒并不僅僅是由蛋白質構成的,事實上,蛋白質占了病毒組成的 95% ,另外 5% 是另一種神奇的長條狀分子,也就是核酸。在很多年以后,科學家會發現,核酸就是構成基因的物質,也正是在核酸的指導下,細胞才得以合成蛋白質和其他分子。我們人類的細胞,把基因的信息存儲在雙鏈核酸里,它們的全名叫脫氧核糖核酸,簡稱 DNA 。許多病毒的基因也是基于 DNA 的,但同時也有很多病毒,利用的是單鏈的核酸,也就是核糖核酸,簡稱 RNA ,前面提到的煙草花葉病毒就是這樣的病毒。

斯坦利結晶出煙草花葉病毒之后的四年,一個德國科研團隊終于成功看到了單個病毒。 20 世紀 30 年代有工程師發明了新一代顯微鏡,在新技術的幫助下,人們可以觀察比之前小得多的對象。古斯塔夫·考舍(Gustav Kausche),埃德加·普凡庫赫(Edgar Pfannkuch)和赫爾穆特·魯斯卡(Helmut Ruska)三位科學家把煙草花葉病毒晶體滴到純凈水里,放到新儀器下觀察。 1939 年,他們發表了觀察結果,描述了他們在顯微鏡下看到的一些 300 納米長的微小桿狀結構。在此之前,沒有人看到過如此微小的活物。讓我們來做個比較,假如你把一粒鹽撒在桌上,現在看著這個小顆粒,它的一條邊上可以挨個排下 10 個表皮細胞,或者 100 個細菌。如果你用煙草花葉病毒,則可以排下 1000 個。

在隨后的數十年里,病毒學家繼續深入地“拆解”病毒,希望全面了解它們的分子構成??茖W家發現,病毒和人體細胞里都有核酸和蛋白質,但二者有很多區別。人的細胞內塞滿了上百萬不同種類的分子,細胞利用這些分子來感知環境,在環境中爬來爬去,把營養物質吞噬進去,然后生長,最終決定自己究竟要一分為二,還是要為了細胞同伴的利益而舍棄自己的生命。病毒通常比細胞要簡單得多,絕大多數病毒只是蛋白外殼包裹著幾個基因而已。

病毒學家逐漸發現,盡管病毒的遺傳信息量非常小,但它們仍然可以通過劫持其他生命體來自我復制。病毒把自己的基因和蛋白質注入宿主細胞,把它變成幫自己復制的“代工廠”。一粒小小的病毒進入一個細胞,一天之內,就有可能產出上千個病毒。

20 世紀 50 年代,病毒學家已經掌握了關于病毒的基本信息,但他們遠遠沒有滿足,畢竟我們連病毒是通過哪些途徑讓人得病都還沒搞清楚。乳頭瘤病毒為什么能讓兔子長出角來,為什么它們到了人體內,又能引發全球每年數十萬例宮頸癌?為什么有的病毒對人致命,但另一些卻相對無害?病毒如何攻克宿主的防御系統,它們怎么能演化得比地球上任何別的物種都快……對這些問題,當時科學家都還沒有思路。在那個時候,他們還不知道一種日后會被命名為 HIV 的病毒,已經從黑猩猩和大猩猩蔓延到我們人類身上,而三十年后,這種病毒會變成人類歷史上最兇殘的殺手之一。病毒學家還無法想象地球上存在的病毒數量之巨,他們更猜不到,地球上生命的基因多樣性,很大一部分就蘊藏在病毒之中。他們不知道,我們呼吸的氧氣很大一部分是在病毒的幫助下生產出來的,連我們所在的這顆星球的溫度,都和病毒的活動息息相關。他們當然想象不到,人類基因組的一部分就來自感染了我們遠古祖先的上千種病毒,甚至今天地球上的生命,都可能是在四十億年前從病毒起源的。

如今的科學家都知道這些事了,更準確地說,他們都聽過這些說法。他們認識到,從遙遠的水晶洞到我們人類身體內部,地球就是一顆病毒星球。盡管科學家的認識還非常粗淺,但至少他們的探索已經開始。

讓我們也從這里開始吧。


題圖為電子顯微鏡下的埃博拉病毒,來自:《病毒星球》

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