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病毒是微观世界的“恐怖分子”

◎ 文 朱钦士

在这段不同寻常的日子里,几乎所有人都在关注“新型冠状病毒”。其实“新型”的背后,是各种各样“旧型”病毒,以及人类与之持续不断的斗争史,“禽流感”“猪流感”“埃博拉”……这些都不是多么久远的事。或许是时候深入了解一下这个被称作“病毒”的东西了。

原来你是这样的病毒

平时我们所说的生物,无论是原核生物(细菌和古菌),还是真核生物(动物、真菌和植物),都是由细胞组成的。除了这些细胞类型的生物,地球上还有另一类数量极其庞大的非细胞类型的生物体,这就是病毒(virus)。

法国科学家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur,1822—1895)首先意识到病毒的存在,因为他不能用显微镜看见引起狂犬病(rabies)的致病原,所以致病原一定比细菌小。1884年,与巴斯德一起工作的法国科学家Charles Chamberland发明了陶瓷过滤器,上面的孔比细菌小,能够把液体中的细菌挡住而不让通过。8年之后,俄国科学家Dimitri Ivanovsky发现,从患烟草花叶病的烟草叶获得的液体在通过细菌过滤器以后,仍然能够使烟叶患病,说明致病原能够通过该过滤器。

法国科学家路易斯·巴斯德首先意识到病毒的存在

1894年,荷兰科学家Martinus Beijerinck重复了Ivanovsky的实验,得到了同样的结果,并且认为致病原只能在细胞中才能繁殖,他把这种致病原叫作病毒。但是只有在1931年电子显微镜发明后,人们才第一次看见病毒的模样。

病毒基本上就是由蛋白质包裹的DNA或者RNA。这层蛋白质包被叫作衣壳(capsid),由相同的蛋白质单位组成。这些组成衣壳的蛋白质单位叫作壳粒。衣壳的形状常为多面体,例如20面体。有的病毒在衣壳外面还有一层脂质的包膜,类似细胞的细胞膜,上面也有蛋白质分子。病毒没有细胞结构,即使有些病毒有类似细胞膜的外膜,膜里面也有遗传物质,但是病毒没有细胞质,即没有一个水溶液的环境。

由于地球上的生命活动是以水为介质的,化学反应要在水溶液中才能进行,没有水溶液的环境也意味着没有化学反应,所以病毒没有自己的新陈代谢。例如病毒没有合成蛋白质的核糖体,也不能合成自己的遗传物质。在单独存在时,病毒没有通常意义上的生命活动,因此也称为病毒颗粒。我们平时所见的病毒照片,都是病毒颗粒,即它们在细胞外的模样。要是只看病毒颗粒阶段,可以认为病毒是没有通常意义上的生命的。

病毒的结构虽然简单(和细胞相比而言),但是却含有储存生命信息的分子DNA或者RNA。一旦有发挥它们指令作用的环境,即到活的细胞内部,这些指令就可以调动细胞里面的资源和生产线,合成复制自己所需要的遗传物质和壳粒蛋白。从这个意义上讲,病毒就是只有指挥部,没有工厂的单位,指挥部进入别人的工厂发号施令,由这些工厂来生产自己。

与真菌和动物一样,依靠其他生物的有机物来“生活”,因此所有的病毒都是异养的。真菌和动物还要自己消化而后吸收有机物,再用“基本零件”(氨基酸、核苷酸、葡萄糖等)来建造自己的身体,病毒把这些活动全免了,只发指令,其他一切活动都靠被感染的细胞进行,复制出多个自己,真的是“饭来张口,衣来伸手”。

爆发于1918年-1919年的大流感,夺去了全球几千万人的生命。图为美国堪萨斯州的福斯顿兵营,罹患流感的士兵挤在一所医院里接受治疗。

由于这种“生活方式”是最省事的,通过这种方式来“生活”的病毒也种类繁杂,估计有数百万种之多,能够感染地球上所有的生物。无论是动物、植物、真菌,还是细菌和古菌,都不能幸免于病毒的攻击,而且同一种生物还可以被多种病毒感染,例如人就可以被感冒、流感、肝炎、SARS、艾滋病、狂犬病、脑膜炎、天花、麻疹、水痘等病毒感染。

由于病毒能够把地球上所有的生物当作生产自己的工厂,病毒的数量极其庞大,超过地球上的任何生物。例如每毫升海水就含有多达2.5亿个病毒,是同样体积海水中细菌数的10倍至数十倍。据估计,地球上病毒总数有1031个之多!从这个意义上说,病毒利用现成有机物复制自己的本领比动物大得多。它含有和细胞生物同样类型的遗传物质,使用同样的遗传密码,并且能够在竞争中不断演化,因此也可以看成是生命的一种形式。

细胞被病毒“劫持”后,就变成了生产病毒的工厂,在很多情况下会使被感染的细胞死亡,即在大量的病毒颗粒被生产出来之后,细胞破裂,释放出病毒。这对于单细胞生物如细菌,就直接是死亡。对于多细胞生物,病毒可以造成部分细胞死亡,或者生物整体的死亡。例如1918年的流感大流行就夺去了数千万人的生命。从欧洲带入的天花病毒曾经杀死了约70%的美洲原住民。

在海洋中,病毒每天杀死约20%的单细胞生物,包括细菌和藻类。如果细胞生物没有抵御病毒攻击的能力,所有的细胞都会被病毒消灭。因此从细菌开始,就有抵御病毒攻击的机制。病毒和细胞生物之间,就在这种进攻和防御的斗争中建立大体平衡的关系,并且双方都在这场无休止的斗争中不断演化。

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编辑:姚瑶