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蝙蝠之前,病毒又从何而来?
方圆长短
>《大视野》
2020.02.07
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“
把科学带回家
” 提供
撰文 | Mirror
病毒可以说是自然界中存在最广泛却又最令人摸不着头脑的有机体。从海洋到高空,
病毒无处不在
,其颗粒总数远超一切细胞生物个体数之和;从蓝鲸到细菌,无一物种能够幸免它们的侵染,狠起来就
连“自己人”都不放过
。
不仅数目惊人,病毒的种类也十分多样,而且变异频繁。自19世纪末人类首次发现病毒(烟草花叶病毒)以来,迄今约有
5000种病毒被详细记录
。然而据估计,光是
感染哺乳动物的病毒就至少有32万种
。
即便如此,
新的病毒仍在不断出现
,但只有那些对人类高危的病毒才会受到关注,比如最近举世瞩目的新型冠状病毒(2019-nCov)。
追溯毒源
蝙蝠是众多病毒的宿主 | 图源:pixabay
我们已经知道传播到人类社会的很多病毒都来自于野生动物,比如
蝙蝠家族是SARS、埃博拉病毒和新型冠状病毒的“窝点”
。但蝙蝠等动物也
并非“制毒者”
,追根溯源,病毒究竟从何而来?又于何时在进化树上萌发?
要追溯一个物种的演化史,通常需要相应的化石证据,但病毒实在太过微小,几乎不可能有化石保存下来。而且它们大都存在于宿主细胞内,混在其基因组中,难以区分。
虽然找不到病毒化石,科学家们还是可以基于现有病毒及其宿主的基因组等信息,得到病毒演化的线索。由此他们提出了3种病毒起源的主流理论:
逃逸假说
(The Progressive Hypothesis)、
退化假说
(The Regressive Hypothesis)和
先于细胞起源假说
(The Virus-First Hypothesis)。
病毒的“诡计”
在具体解释这3种理论之前,我们先来简单了解一些基本生物学概念。目前已知的
所有细胞生物都是以DNA为主要遗传物质的
。细胞想要获取DNA中的编码信息需要借助邮差,也就是
信使RNA
(mRNA)。它们专门负责把转录下来的信息送出细胞核,再传达给
转运RNA
(tRNA),最后在
核糖体
等细胞器内合成加工出蛋白质。
遗传信息传递遵循的中心法则 | 图源:维基百科
而病毒的组成极度简化,没有细胞结构,更别提复杂的蛋白质合成系统。它们基本上只有层
蛋
白质衣壳,包裹着遗传物质(DNA或RNA)
,因此只能
盗用宿主细胞的生产工具来复制自己
。更有甚者,直接潜入宿主细胞的基因组中当起了间谍。
最典型的当属
逆转录病毒
(也叫反转录病毒),它们是一类
RNA病毒
。
逆转录
指的是转录的逆向过程,即
通过RNA合成DNA
,然后病毒就可以把带有自身遗传信息的
DNA整合到宿主基因组
中,让被蒙在鼓里的宿主细胞替它们白干。
这样一来,即使我们想清除它们也很难不误伤友军。HIV就是这样一类狡猾的病毒,这也是它们难以攻克的一大原因。
逃逸
假说:“叛逃”的基因
听起来很不可思议,但病毒最初可能就来自于细胞自身。在细胞生物包括我们人类的基因组里大量存在着一类“不安分”的“
跳跃基因
”,也叫
转座子
(transposon),它们能
从原本的位置解离或者通过复制,转移到另一个基因位点
,比如另一条染色体上。
科学家芭芭拉·麦克林托克发现玉米的彩色颗粒是受转座子的影响
而转座子复制的方式有的是从DNA直接拷贝为DNA,还有的则是从DNA转录为RNA,再逆转录为DNA,这种转座子就叫做
逆转录转座子
。
逆转录转座子的“骚操作”是不是让你联想到了上面提到的逆转录病毒?经过对比,科学家的确发现,
逆转录转座子和逆转录病毒在基因结构和转移方式上惊人地相似
。这就意味着,它们在演化史上很可能存在着某种关系。
一种理论的解释是,自我们的祖先诞生以来,就在不断受病毒侵染,渐渐地,一些病毒的基因被
固定
在了
我们的基因组中
,甚至
参与了某些演化的关键环节
,比如胎盘的发育。
另一种理论,也就是逃逸假说认为,病毒或许是
“叛逃”的基因片段,比如转座子演化而来
的,它们在某个契机下获得了蛋白质装备的加持,成功出逃,自此打开新世界的大门。
事实上,已有科学家证明
某些转座子仍有被激活成病毒的潜能
。但转座子和病毒在演化史上的出现究竟孰先孰后,仍未有明确结论。
细菌质粒DNA独立于拟核之外
也有观点认为DNA病毒的起源可能与“逃逸”的
质粒
(plasmid)有关,这是一种存在于细菌内的
环状DNA
,具有
自主复制
和
在细胞间传递
的能力。基因工程正是利用了质粒的这些特点,将其改造为
目的基因的载体
,以实现基因的水平迁移。
退化假说:
“堕落”的细胞
类比线粒体和叶绿体这类
半
自主性细胞器
的起源理论,退化假说提出,病毒的祖先原本有着相对完整的细胞结构,也是自立根生的“好细胞”,后来在和其他细胞共生的过程中,逐渐“迷失自我”,开始
丢失基因
,最后完全依赖其他细胞的劳动,甚至变本加厉,疯狂掠夺。
这一假说最有力的例证来自
核质巨DNA病毒
(NCLDV)。这类病毒与一般病毒最大的不同就是
大
,以至于会被其他小病毒感染。病毒的大小通常不超过200纳米,但NCLDV却能比细菌还大,比如
拟菌病毒
(Mimivirus),直径达750纳米。
拟菌病毒的电镜照片 | 图源:microbewiki
它们的大也不是徒有其表,关键在于其
基因组也大
,并且还拥有
细胞生物蛋白质合成系统的相关基因
,但并不完整,仍无法自主合成蛋白质。这种病毒的发现,在病毒和细胞的演化道路之间搭起了一座桥梁。
更有趣的是,
拟菌病毒和一种细菌(普氏立克次体)十分相似
,这更让一些科学家相信它们的祖先原本也是一种细菌,后来“退化”成了病毒,只是装备丢得没有一般病毒干脆。
不过2017年的一项研究发现,另一种大型病毒(Klosneuvirus)所携带的细胞基因只是它们从宿主那里“盗取”,逐渐积累而成的。
先于细胞起源假说:
蛋先于鸡
上述两种理论都假设病毒是出现在细胞之后的,毕竟病毒都需要依赖细胞生存。但也有科学家打破了这一固定思维,在先有鸡还是先有蛋这个问题上,他们更倾向于后者。
该理论认为
在第一个细胞出现之前,具有自我复制能力的RNA分子或许早已存在
,随着时间的推移,它们演化出了各种功能,表达的蛋白质也越来越复杂。
在关键细胞结构被合成出来之前,一些RNA和蛋白质的组合已经开始蠢蠢欲动,它们中的一部分进一步发展成了细胞,而另一部分则保留了简单结构,成为
最原始的病毒
,而后随着细胞的诞生而激活。
在某些生物比如四膜虫的细胞里就有这样的RNA分子,叫做
核酶
(ribozyme)。我们知道酶是一类具有催化作用的生物分子,绝大多数都是由蛋白质构成的,但核酶却是种
小分子RNA
,参与催化蛋白质合成等重要反应。
某些核酶还能够自我复制,在细胞间传播,比如主要感染植物的
类病毒
(viroid)。类病毒
与病毒不同
,它们连蛋白质衣壳都没有,
仅有RNA
,但同样可以感染各种生物。
交织的演化史
上述理论都还仅仅是假说,仍未有充分证据证明,因此病毒起源和生命起源一样,至今仍是未解之谜。不过,2018年发表在《自然》上的一项研究表明,
病毒很可能早
在第一只脊椎动物出现之时就已经存
在
。它们伴随着整个脊椎动物乃至整个生物界的演化,至今仍在相互影响。
除了病毒起源,它们在自然界中究竟扮演了怎样的角色也十分耐人寻味。无处不在的病毒与其他物种之间似乎
保持着一种奇妙的平衡
。然而无知的人类却时不时将其打破,结果打开了潘多拉魔盒。要想关上魔盒,不仅需要科学家们对病毒更深入的研究,还需要我们每个人对自然法则的敬畏。
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