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病毒是微观世界的“恐怖分子”

病毒如何感染细胞

病毒要繁殖,首先要进入细胞。根据要进入的细胞不同,病毒也有不同的进入细胞的方式。

噬菌体感染细菌是用注射其DNA进入细胞的方法。由于细菌的细胞膜外面还有细胞壁,整个噬菌体进入细菌的细胞有困难。噬菌体附着在细菌表面后,其“头部”含有的双链DNA经过“尾部”被直接注射进细菌的细胞质,噬菌体的其余部分则留在细胞外。注射所需要的压力来自DNA自身。噬菌体在细胞中生成时,蛋白质的外壳首先形成,里面还没有DNA,所以内部是空的。噬菌体的DNA是在末端酶的帮助下,像压缩弹簧那样把DNA包装进“头部”的。这个被压缩的“弹簧”在噬菌体附着在细菌表面时就能够“弹”入细胞。

动物的细胞没有细胞壁,所以病毒可以直接和细胞质接触。病毒通过细胞表面的特种蛋白与细胞结合,在特异结合完成后,细胞会用内吞(endocytosis)的方式把病毒“吞”入细胞,所以整个病毒,包括其衣壳,都会进入细胞。例如艾滋病的病毒就通过淋巴细胞上的CD4蛋白和细胞结合,从而进入表达CD4的淋巴细胞。在进入细胞后,衣壳蛋白质解离并且被细胞降解,释放出遗传物质。

如果病毒的衣壳外面还有脂质的包膜,在包膜上的蛋白质与细胞表面的特殊蛋白结合后,病毒的包膜会与细胞膜融合,使病毒颗粒,包括遗传物质和衣壳,进入细胞,在那里衣壳被降解,释放出遗传物质。

植物的细胞也有细胞壁,而且由于植物的细胞远大于细菌,其细胞壁也比细菌的细胞壁厚得多,感染植物的病毒,像类病毒一样,无法直接进入植物细胞,而需要植物细胞的损伤。但是一旦进入细胞,它们能够通过胞间连丝(plasmodesmata,细胞之间通过小孔建立的细胞质联系)从一个细胞进入另一个细胞。

由于病毒只能在细胞内才能进行繁殖,而原核细胞和真核细胞,真核生物中的植物细胞和动物细胞在大小和结构上有很大的不同,即使是同一种生物也有不同类型的细胞,例如人的身体就由200多种不同类型的细胞组成,某种结构的病毒常常只能感染适合它的细胞,而不能感染别的类型的细胞。

蓝细菌

生物如何进行自我防卫

地球上的生物不断演化,从原核生物到真核生物,从单细胞生物到多细胞生物,构造越来越复杂,功能越来越多样,最后产生了被子植物和哺乳动物这样的高级生命形式。

人类更是地球上生物演化的最高峰。我们的身体由多个系统(例如消化系统、呼吸系统、循环系统等),200多种细胞,大约60万亿个细胞组成。光是我们的大脑就含有100多亿个细胞,在此基础上产生了感觉、意识、思维和情感。我们不仅能够成功地在地球上生活,成为这个星球的主宰,我们还能够反过来研究这个产生我们的世界,了解宇宙诞生和演化(包括生物演化)的过程和规律。

但是这并不意味着,低级生物就会被高级生物所取代,像4G手机取代3G手机、数码相机会取代使用胶片相机那样。对于生物来讲,地球(包括陆地和海洋)是极其巨大的,可以为各种生物,包括原核生物,提供广大的生活的空间。例如蓝细菌是地球上最古老的生命形式之一,已经有约35亿年的历史,至今仍然在地球上繁衍。

地球上生活环境的多样性(海洋、陆地、热带、寒带、酸性、碱性、地表、地下、干燥、潮湿以及不同环境中化学组成)也能够为各种生物形式,从低级到高级,提供适合它们生存的环境。许多不适合高等生物生活的地方,如热泉、地表之下、酸性或者碱性的环境等,却是一些原核生物生活的地方。不仅如此,由于真核生物是由大量的有机物组成,而且会死亡的,真核生物的出现不仅没有使原核生物消失,反而由于真核生物提供的大量有机物而使异养的原核生物有更大的发展空间。异养的真核生物,例如真菌,也主要是依靠其他真核生物提供的有机物生存的。

许多异养的原核生物和真菌,在这里我们统称为微生物,是依赖死亡的动植物提供的有机物生活的,但是它们并不一定要等到动植物的死亡。动物和植物,无论死活,都是有机物最丰富的来源。如果动物和植物没有防卫系统,活的动植物和死的动植物对于这些微生物来说就没有根本区别,一样会被它们所分泌的消化液消化掉。

《生命通史》作者:朱钦士 北京大学出版社2019年10月

动植物体内多水的环境,适宜的酸碱度,全面和丰富的营养,本来是为动植物自己的细胞所使用的,但同时也可以是细菌和真菌生活和繁殖的理想场所。特别是恒温动物那30多摄氏度的体温,体液中丰富的营养,更是许多微生物生活的“天堂”。如果没有防卫系统,活人就会很快被微生物消化干净。

除了微生物,地球上所有的生命形式,包括原核生物,还会受到病毒的侵害。在许多情况下,被病毒感染的细胞会死亡破裂,释放出更多的病毒。如果生物没有对抗病毒的有效机制,任由病毒繁殖的“链式反应”进行下去,所有的生命形式都会受到极大的威胁。第二次世界大战前欧洲流行的流感就是由病毒引起的,造成了数千万人的死亡。病毒的生活方式,也是利用其他生物身上现成的有机物来繁殖自己。病毒不仅攻击真核细胞,也攻击细菌,所以从原核生物开始,就有了对抗“抢夺”自己有机物的入侵者的斗争。

细菌、真菌和病毒的例子说明,地球上异养生物获得其他生物现成有机物的方式,不仅可以“大吃小”,例如大鱼吃小鱼、水螅吃细菌,而且可以“小吃大”。在这里“小”就成了这些异养生物的优点。

由于它们是如此之小,很容易随风飘荡,所以无处不在,被侵害的生物“无处可藏”。动物跑得再快,也跑不到没有微生物的地方。也正是因为它们小,动物的触觉、视觉、听觉、味觉、嗅觉也发现不了细菌、病毒,而且生物对付捕食动物的一些方法也不管用,例如牙齿和爪子对微生物就相当于是用大炮打蚊子,毫无作用。因此要对抗微生物的攻击,必须采取另外的专门手段,“以小对小”。

微生物和病毒是细胞或者亚细胞水平的,生物也用细胞水平,甚至分子水平的手段来对付。这就是生物的防卫系统,也叫免疫系统(immune system)。Immune这个词来自拉丁文的“immunis”,意思就是“免除”,在这里指免除微生物的攻击。(本文内容节选自朱钦士《生命通史》)(责编 王茜 美编 赵佳)

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编辑:姚瑶