在病毒中生存：一种进化论的解释

作者简介

苗德岁 毕业于南京大学地质系，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所理学硕士，美国怀俄明大学地质学、动物学博士，芝加哥大学博士后。堪萨斯大学自然历史博物馆暨生物多样性研究所荣休教授，中国科学院古脊椎动物与古人类研究所客座研究员。1986年获北美古脊椎动物学会罗美尔奖，是亚洲首位获得该项殊荣的古生物学家。

内容简介

“既生瑜，何生亮？” 中国古典小说《三国演义》中有两位聪明绝顶的人物：周瑜与诸葛亮。由于他们服务于两个不同的国家，常常斗智斗勇，互不服气，但又有一点儿彼此欣赏。周瑜曾感叹说：“老天既然生了我周瑜，为什么还生出诸葛亮呢？”其实病毒与宿主细胞之间的关系，也有点儿像周瑜与诸葛亮：两者都想战胜对方，但是常常互有胜负，似乎谁也占不了绝对的优势。病毒与宿主细胞之间，在亿万年间进行了无数次的较量，至今也没有分出胜负。在这场旷日持久的战争中，双方都受到自然选择的驱动，因而存在着协同进化的关系。 故有人认为，在大约40亿年前，地球上生命起源之初，病毒与非病毒生物之间，就采取了两套完全不同的策略。两者在迈入生命的“门槛”之前便分道扬镳。病毒“选择”走极简主义之路，始终保持最简单的结构—遗传物质加上保护它的蛋白质外壳。病毒没有细胞，没有新陈代谢，没有能量消耗，不需要觅食、生长、求偶、交配等“维持生计”的种种“耗能”的生命活动。病毒是单纯的基因运载器，利用生物宿主的细胞“借腹生子”，进行自我复制，因而至今被视为非生命体。而非病毒生物从单细胞生物（比如细菌等）开始，向着越来越复杂的方向演化，为了生存和繁殖，费尽了心机，各显神通，最后演化出缤纷多彩、最美丽、最奇妙的生命世界（即地球上的生物多样性）。 病毒的起源与演化 关于病毒是如何起源的，科学家们至今还没有定论，目前主要有三种假说。“假说”是科学家根据已知的科学事实与科学原理，对自然界的某种现象提出合乎情理的推论，作为目前相互间工作和交流的基础。科学假说只有被证实之后，才能上升为科学理论。 科学家公认，病毒在地球上分布极广，超过任何一种生物。从南极到北极，从沙漠到海洋，从高空到地下，从细菌、动植物身上到人体内外，病毒无处不在。病毒的种类和数量可能远远超过地球上所有生命体的总和。从病毒的数量与广泛分布上看，今天的病毒是长期演化的结果。那么，病毒是如何起源和演化的呢？ 部分科学家认为，病毒的起源是个渐进的过程。最早可能起源于核酶，核酶是具有催化特定生物化学反应功能的RNA分子，它跟“类病毒”有些相似（请注意：类病毒是核酸类酶，但并非所有核酸类酶都是病毒）。类病毒是一种具有传染性的单链RNA病原体，比病毒还要小，而且没有蛋白质外壳。类似于类病毒的活性遗传物质，在获取了几个结构蛋白之后，获得了从一个细胞内出来并进入另一个细胞的能力，于是就演化成了穿梭于细胞间的具有感染性的病毒。 另一些科学家则认为，病毒的起源是个倒退的过程。病毒是具有细胞的有机物退化而来的残留物。微生物学家一般认为，某些细菌是细胞内寄生物，是从独立生存的有机体那里演化而来的。或许现在的病毒，也是因为采取了寄生复制的策略，而从原本独立生存的有机体那里退化出来的产物。 还有一些科学家认为，简单的、能够复制的RNA分子在细胞生命出现之前就已经存在了，并有了传染性，感染了最初出现的细胞。因此，实际上病毒是所有生物的祖先。到目前为止，在这三种假说中，还没有哪一种假说可以成为定论。也有科学家认为，或许病毒起源不止一次，也不一定只是通过一种方式起源的。也许所有病毒的起源方式，我们目前压根儿还没有认识到呢！总之，这个问题的解决，有待于病毒学、基因组学以及结构生物学等多领域基础研究的进展。 …… 前面提到，虽然在严格意义上病毒不能算是生物，但是由于它要借宿主细胞才能繁殖，因而也必然遭受自然选择下的演化压力。现在让我们来看一看自然选择驱动病毒演化的实例。 人体的免疫系统有一套对付病毒侵害的办法。在这种情况下，病毒必须想办法躲开人体的免疫系统，尽快地多多复制自己并去传染更多的宿主。因此，有助于完成上述任务的病毒特征（或性状），就会被保存下来并传给新生的病毒；而不利于病毒复制和传播到其他宿主的病毒特征（或性状），就会被淘汰而消失。这就是自然选择的力量！ 假如有一种病毒突变会在感染人体几小时之内便杀死宿主，这一突变的杀伤力就太大了；如果新病毒在这几小时内不能感染新的健康宿主，新病毒就无法继续生存与繁殖，那么这一杀伤力极大的病毒突变便会消失。这就是为什么大多数病毒的毒性并不是杀伤力极大的，而且其毒性在感染宿主的过程中，一般来说会逐渐减弱。总之，病毒通常并不会做跟宿主同归于尽的“人肉炸弹”的蠢事。 人体宿主对付病毒攻击的办法之一，是人体免疫系统产生抗体。抗体会锁定在病毒蛋白质外壳的表面，使它无法进入宿主细胞。如果一个病毒跟先前攻击过该宿主的那些病毒外表面貌不同，感染成功的希望就会大一些；因为宿主产生的抗体，只“认识”先前的那些病毒，可能会对这一新面孔病毒“网开一面”。这也是为什么病毒经常通过突变来“更新”其外表，实际上是通过突变而“变脸”，好在宿主先存的抗体面前“蒙混过关”。因此，很多病毒的适应性演化，主要是改变病毒的外表。这对于大多数RNA病毒来说，简直是易如反掌的事，因为RNA病毒非常容易产生突变。 让我们来看看病毒演化中的两个熟悉的例子吧：一个是流感病毒，另一个是艾滋病病毒（HIV）。这两种病毒都是RNA病毒，即它们的遗传物质是用RNA编码，而不是用DNA编码的。DNA是比RNA更稳定的分子，DNA病毒在其繁殖过程中，有编码校对的程序，它利用宿主细胞检验DNA复制是否出错（即发生突变），而且宿主细胞还有纠错功能。而RNA则是不稳定分子，在复制过程中也没有校对和纠错的程序和功能。因而，相对而言，DNA病毒变异（或突变）较少，RNA病毒复制过程中经常出错，且没有宿主细胞给它纠错。因此，RNA病毒经常会发生突变。 古生物学家苗德岁写给每个人的病毒科普，讲述病毒与人类“相爱相杀”的故事