為了完成自己的生命周期，病毒不得不去感染細胞生物。但病毒並不一定總扮演起著破壞作用的有害性角色。和地球生態系統任何一個主要組成部分一樣，病毒在維持全球生態平衡方面扮演著關鍵的角色。例如在海洋生態系統里，病毒每天要殺死20%～40%的細菌。這對以氨基酸、碳和氮形式出現的有機化合物的釋放，起了關鍵性作用。雖然該領域的研究甚少，但人們大體上認為，病毒在任何生態系統里都扮演著「反壟斷能手」的角色——有助於確保沒有一種細菌物種能夠稱王稱霸，因而促進了物種多樣化。

我們現在來設想這樣的情境：在第一首詩歌的第一節里嵌入了第二首詩，於是從第1個單詞第1個字母開始的這首詩，與從第1個單詞第2個字母開始的那首詩，都構成了流暢易懂的一節詩。再設想你將相同的詩從后往前閱讀，相同的字母又構成了第三首隱藏的詩。病毒有著與此相同的精巧結構對詩人而言，能否像自然選擇賦予病毒的能力一樣，富有創造性地寫出這樣的詩歌是一個很大的挑戰。有重疊讀框能力的病毒，可以利用相同的鹼基對串編碼出3種不同的蛋白質，這種不可思議的基因組效率，令小小的基因組產生了巨大威力。

19世紀末，貝傑林克意識到一種比細菌更小的生命形式會導致疾病，他將這一新型生物體命名為virus（病毒）。這是一個拉丁語單詞，意思是毒藥。virus一詞14世紀就出現了，但貝傑林克第一次將其與我們今天所說的這種微生物聯繫在一起。

我在斯坦福大學講授一門叫作「病毒的生活方式」（Viral Lifestyles）的研討課。課程名稱意在激發修課學生的好奇心，也描述了設立課程的一個目的：讓學生學會從病毒的角度看世界。為了了解病毒和其他微生物（包括了解它們如何引發流行病），我們首先需要用它們的語言來了解它們。

這種外來軍團隨處可見，實力最強的是那些個頭最小的士兵。毫不誇張地說，這些最小的微生物已經滲透到地球的每一根纖維里。它們無處不在，難以避開，感染著構成我們生活世界的每一種細菌、植物、真菌和動物。它們是和貝傑林克在19世紀末所發現的同樣的生命形式，是微生物世界里最重要的成員。它們就是病毒。

我們可以將地球上已知生物大致分成兩類：非細胞生物和細胞生物。在已知非細胞生物中唱主角的是病毒。而在地球上占統治地位的細胞生命形式是原核生物（prokaryotes），包括細菌及其姊妹體古菌。這些生命形式已在地球上生存了至少35億年。它們種類繁多，加在一起在地球上所佔生物量的比例，遠遠高於另一種更顯眼的細胞生命形式：真核生物（eukaryotes）。真核生物包括我們熟悉的真菌、植物和動物。

貝傑林克好奇地用一個精細陶瓷過濾器對病株汁液進行強化過濾后，發現病株汁液傳染健康植株的能力未減。在當時，細菌一般被認定是引發傳染病的「嫌疑犯」，但因為細菌體積大，無法通過過濾器，所以貝傑林克認為肯定有其他東西引起了傳染性疾病，儘管當時尚無人知曉，但它應該比所有已知的生命形式的體積都要小很多。

有趣的是，貝傑林克將病毒稱作read.99csw.com「有感染性的、活的流質」，或者「可溶的活性介質」，認為它們在自然界可能以液態形式存在。這就是他用virus，即毒藥一詞來表示其「流動性」的原因。直到後來科學家對小兒麻痹症和口蹄疫病毒進行了研究，才確定病毒是顆粒狀的。

病毒感染所有已知的細胞生物群落。對病毒而言，不管是生活在地殼深處的細菌，還是人體肝臟細胞，細胞都只是一個生活和繁殖後代的場所。從病毒和其他微生物的角度來看，人體就是一個棲息地。如同森林為鳥兒和松鼠提供棲息地一樣，人體為這些微生物提供了賴以存活的小環境。要想在這些環境中存活下來，就要面臨各種各樣的挑戰。和所有生命形式一樣，病毒彼此競爭以獲取資源。

如果這種寄生蟲沒能落腳在貓科動物身上，它會選擇一種可怕卻有效的回家路徑。有研究曾詳細記錄下，它如何傳播到毫無警覺的嚙齒類動物的神經系統中，併入侵它們的大腦。一直對貓避之不及的老鼠，在感染弓形蟲後有時會認為貓頗有吸引力。這種致命的吸引力會讓老鼠必死無疑，也會使一個弓形蟲包囊有可能在新感染的宿主內完成生命周期。那宿主，不消說，就是飽餐一頓的貓了。

病毒是種類最多的生命形式。但在100多年前，貝傑林克發現病毒的蹤影之前，人類全然不知其存在。大約400年前，安東尼·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）利用紡織商使用的鏡片，製造了第一架顯微鏡，第一次觀察到了細菌。這一發現意味著一個驚人的認知模式的轉變，英國皇家學會（British Royal Society）4年之後才承認，那些肉眼看不見的生命形式，並不是列文虎克製造的獨特儀器上的人造物。

真正的致命性疾病，必須在受害者感染后引發死亡的可能性和讓受害者將疾病傳染給其他人的傳播成功率之間取得平衡。一般魚和熊掌不可兼得。在宿主體內繁殖為很多微生物增加了向外擴散的機會，但也對宿主造成了傷害，因此微生物有時會使用全然不同的方式來製造人類災難。有些微生物能讓宿主長時間存活，以保證其有可能將微生物傳染給多個受害者，比如人|乳|頭狀瘤病毒。也有些微生物能迅速幹掉受害者並向外擴散，一天之內就傳染給許多新的受害者，比如天花和霍亂病毒。

列文虎克的發現所意味的模式轉變，其重要性怎麼形容都不為過。人們意識到行星和恆星的存在已經有幾千年了。然而直到幾百年前顯微鏡發明之後，我們才知道有看不見的生命存在著，而且無處不在。對新的生命形式的發現，一直持續到今天。最新發現的生命形式，是非比尋常的朊病毒，其發現者在1997年被授予諾貝爾獎。

病毒無處不在，如果將它們看成破壞者的角色，確實令人驚訝。深入的研究將可能揭示這些生物體具有的重大生態意義。對於許多被感染的生命形式而言，它們不僅是破壞者，也是施恩者。自貝傑林克發現病毒以來，有關病毒的研究絕大部分集中在致命性病毒上，這是可以理解的。這和儘管在眾多蛇類中毒蛇只佔極小的比例，我們卻依舊掌握了很多有關毒蛇的知識是一樣的原理。在本書第三部分思考病毒學的前沿課題時，我們將深入探究病毒的潛在益處。

另一種給生物分類的方式，是將其分為肉眼可見生物和肉眼不可見生物。因為我們的感官只能發現地球上相對大一些的事物，思考生物豐富性的視角就變得狹隘。事實上不可見生物才是地球上真正的主角，它們包括細菌、古菌、病毒以及很多顯微鏡下才能看見的真核生物。如果有先進的外星球物種降臨到地球上，並以哪些生物構成地球生物多樣性和生物量的主體為基礎，編撰一部生物百科全書的話，那麼其中大部分內容會介紹肉眼不可見的世界和原核生物。被我們一般認為是全部生物的真核生物只用薄薄幾卷就可以被介紹完。不管怎樣，人類在動物卷里最多佔一個註腳，一個顯眼的註腳，僅此而已。

炭疽桿菌是一種感染牛羊類食草動物的細菌性病原九*九*藏*書體。它偶爾會感染人類，引發發病快且致死率高的炭疽感染。動物在吃草時攝入炭疽桿菌芽孢后，炭疽桿菌被激活，在動物體內迅速傳播，動物往往即刻斃命。但是宿主的死亡並不意味著炭疽桿菌的壽終正寢，它利用已死宿主的能量資源進行大規模複製，又變回芽孢的形式。放牧食草宿主的草原上一旦有風吹來，芽孢就會四處傳播，等待著新宿主的到來。就炭疽而言，病菌製造了生命力超強的芽孢，避免了自身隨著宿主死亡的悲慘結局。

在貝傑林克時代，顯微鏡下顯示出的全新世界向科學家們敞開了大門。通過顯微鏡和越來越小的過濾器，這些微生物學家開始了解至今仍令我們著迷的世界：一個人類憑感官無法捕捉到的世界，廣闊無邊，充斥著各種各樣的微生物。

對一個微生物而言，既保證宿主活著，又能讓自己繁殖後代，似乎是一項理想計劃，一些微生物成功地實現了這一計劃。人|乳|頭狀瘤病毒，即HPV，能感染50%性生活活躍的成年人。目前地球上約有10%的人群感染此病毒，患病人數高達驚人的6.5億。雖然有幾個HPV病毒株會引發宮頸癌，但大多數不會。宿主在感染了這些致癌的病毒株很多年後才會發病。即使目前預防致癌的HPV變異體的疫苗被廣泛使用，無害HPV病毒株仍將持續大量地傳播，對人類最大的影響，也不過是偶爾出現的不太雅觀的疣。這些病毒傳播很快但沒有殺傷力，而有些微生物卻是令人不寒而慄的殺手。

重疊讀框現象僅僅是病毒適應所處世界的眾多招數之一。也許對病毒來說更重要的，是它們產生新基因的能力。病毒擁有一個用於變身的「百寶箱」，最基本的變身是簡單突變。沒有生物體會世代保持一成不變的穩定性。一旦一個人體細胞或者一個細菌分裂生成子細胞，或者一個病毒在一個宿主細胞里複製，就會產生突變。這意味著哪怕是缺乏有性生殖的基因混合，子代也不會和親代一模一樣。但是，病毒將突變帶到一個全新的水平。

已知病毒中最大的是600納米長的米米病毒（Mimivirus），用肉眼仍然看不見。但世界上病毒的絕對數量之大，令人印象深刻。1989年，來自挪威卑爾根大學（University of Bergen）的奧伊文·伯格（Oivind Bergh）及其同仁發表了一篇具有開創性的論文。科學家利用電子顯微鏡來計算病毒數量，結果在每毫升海水中共找到2.5億個病毒顆粒。對地球上病毒生物量更為全面的測量結果，更大得令人難以想象。一項研究表明，如果地球上所有病毒頭尾相連排成一列，那麼這一病毒鏈的長度估計將達到2億光年，大大超出了銀河系的邊緣。雖然人們經常視病毒為討厭的刺|激因素或者疫病，但實際上病毒所扮演的角色和施加的影響，遠超出我們過去的了解——這是一個科學家剛剛有所認識的角色。

間日瘧原蟲通過蚊子傳播。在寒冷的地區，每年只有在昆蟲孵卵的短暫夏季里，間日瘧原蟲才能季節性地感染蚊子，所以瘧原蟲不是全年都在消耗能量孕育子孫，而是大部分時間都蟄伏在人體肝臟內。但到了夏天，它就驟然蘇醒，積極生兒育女並通過被感染人群的血液進行傳播。雖然我們還不十分清楚是什麼將瘧原蟲喚醒，但近期的研究顯示，也許是蚊子本身的叮咬暗示擴散的季節到了。

對肉眼看不見的生物的研究，進展極其緩慢。與數千年來其他一些主要的科學突破相比，人類最近才了解了大部分的不可見生物。例如，有關地球是如何運轉的、其大致的體積大小、與太陽和月亮的大致距離，這些問題的關鍵要素，人類在大約公元前100年到公元100年之間就已經了解。對於理解我們在宇宙中的位置而言，這些都是相當先進的研究成果。到1610年時，伽利略已經用一架望遠鏡進行了首次太空觀察。50年後，列文虎克才製造出了第一架顯微鏡（見圖1-3和圖1-4）。

在19世紀後期，貝傑林克關注到一種阻礙煙草正常生長的疾病。貝傑林克是家裡最小的孩子，父親德克·貝傑林克是一個煙草經銷商，因枯萎病害造成煙草減產而破產。這種煙草花葉病使煙草幼株脫色，葉子上出現一個獨特的深淺相間區域，徹底減緩九九藏書了成株的生長。作為一位微生物學家，貝傑林克必定心生挫敗感，因為拖垮父親生意的花葉病的致病源尚不清楚。儘管它像其他傳染性疾病一樣向外擴散，但經過顯微鏡分析后科學家沒能發現病原菌。

哪怕每個細胞生物物種身上只寄居一個特定的病毒，病毒也當仁不讓地成為世界上已知生命形式中最為多樣的。包括人類在內的很多細胞生物身上，寄居著各種各樣不同的病毒。在海洋里、陸地上、地底深處，病毒隨處可見。

中學生物老師告訴我們，生物體要麼是有性繁殖，要麼是無性繁殖。但病毒和其他微生物交換基因信息的方式，使我們對早期的教科書提出了疑問。當兩種不同的病毒感染了同一個宿主時，它們時常會感染同一個細胞，為基因交換提供基礎條件。在這種情況下，病毒有時製造鑲嵌體子代病毒，一部分基因來自其中一種病毒，而完全不同的那部分基因則來自另一種病毒。在基因重配的情況下，子代病毒所有基因都由不同種類親代病毒互換構成。在重組過程中，一種病毒的基因物質交換給另一種病毒，兩種病毒的基因混合，促使病毒以迅速而激烈的方式創造新病毒。和突變一樣，新的子代病毒擁有了新的結構，偶爾可以幫它們存活下來並向外傳播。

一個極小的微生物有改變宿主肉體和行為的潛力，體現了一個運籌上的巨大成就。科學家對不同物種進行的基因組測序，令我們了解到讓這些生物體發揮機能的基因藍圖的相對規模，使我們感受到微生物的成就有多麼巨大。很多細胞生物的基因組規模數值能以數十億來計算。比如人類大約有30億組鹼基對（也就是基因信息片段），玉米大約有20億組鹼基對。某些像人類免疫缺陷和埃博拉病毒這樣使用RNA而不是DNA作為基因信息的病毒，平均只有1萬組鹼基對就能存活，生物的極簡程度令人驚嘆：它們如何用如此少的基因信息進行複製，甚至做出改變宿主行為這類相當複雜的事情？這真是令人困惑。

第一堂課我讓學生們做了一個思維實驗：設想自己有一副很厲害的眼鏡，能夠看到所有微生物。如果戴上這副魔力眼鏡，那麼展現在你眼前的將是一個新的、動感十足的世界。地板上熙熙攘攘，牆壁上喧囂熱鬧。細小的微生物布滿了所有物體的表面，包括你的咖啡杯、擱在你膝上的書和你自己的膝蓋。而大一點的細菌本身也布滿了體積稍小的微生物。

描繪全球微生物多樣性的探索才剛剛起步。僅以病毒為例，我們就能感受到未知世界有多大。一般認為每一個細胞生物是至少一種病毒的宿主。基本上只要生物有細胞，就能攜帶病毒。每一個藻類、細菌、植物、昆蟲、哺乳動物都是如此。病毒棲息在一個肉眼完全看不到的世界里。

從微生物的角度來看，其對宿主的影響只能通過存活和繁殖能力來衡量。改變我們的肉體僅僅是個開端，一些微生物還會影響我們的行為，令我們在不自覺的情況下為它謀利。最明顯的例子來自一種貓科動物寄生蟲——弓形蟲。雖然弓形蟲能夠傳染人類、嚙齒類動物等各種各樣的哺乳動物，但除非落腳到一隻貓身上，否則其無法完成自身生命周期。

我們對微生物仍舊知之甚少。這一肉眼看不見的巨大世界對於地球和人類而言甚為重要，可我們並不了解它。我們已經發現了地球上絕大多數的動植物，但我們仍會定期發現全新的微生物。有關動物、植物、土壤和水系中微生物多樣性的持續研究，展示了巨大冰山的一角。這些研究中採集的幾百萬個樣本，將加速我們對生命的了解。這些知識有助於促進新型抗生素的研製，也將有助於我們預防下一個流行病。微生物世界是地球上最後一塊能發現未知生物體的「新大陸」。我們對微生物仍舊知之甚少。這一肉眼看不見的巨大世界對於地球和人類而言甚為重要，可我們並不了解它。我們已經發現了地球上絕大多數的動植物，但我們仍會定期發現全新的微生物。有關動物、植物、土壤和水系中微生物多樣性的持續研究，展示了巨大冰山的一角。這些研究中採集的幾百萬個樣本，將加速我們對生命的了解。這些知識有助於促進新型抗生素的研製，也將有助於我們預防下一個流行病。微生物世界是地球上最後一塊能發現未知生物體的「新大陸」。

認為地球上再也不存在未知生命形式的觀點是狂妄自大的。那些未被發現的生物最有可能來自肉眼看不見的世界。read.99csw.com

病毒和其他微生物對傳播時機的慎重選擇與其他生物體沒有差別。無論是熱帶果樹選擇結果時機，還是水牛選擇交配時機，只要生物在合適的時機繁殖後代，成功率就會更高。這意味著生物準確選擇繁殖時機的特性被保留下來並呈多樣化發展。微生物如何在人體內選擇傳播時機，也是引發疾病的主要因素。

病毒能以如此少的基因發揮功效，靠的是用多種「計謀」來使微小基因組的影響力最大化，其中最高超的「計謀」之一是 重疊讀框現象（overlapping reading frames）。作為類比，我們可以找一首大約有13000個字母的詩歌，比如艾略特的詩歌《荒原》（The Waste Land），詩中的字母數與埃博拉病毒的鹼基對數差不多。當你閱讀《荒原》時，能感受到其中的意義、節奏與指代，這些是我們一般希望文學作品能展現的特徵。與此類似，埃博拉病毒的基因組也通過鹼基對表達意義。組成基因的鹼基對轉換成蛋白質，使病毒能夠進行繁殖與傳播。《荒原》的第一節大約有1000個字母。若從第1個單詞的第2個字母開始念，並將其他單詞的第1個字母移位，結果定是一場災難。「April is the cruelest month」（4月是最殘酷的月份）變成了Prili sthec rueles tmonth。沒有任何意義。

我們以單純皰疹病毒所致的普通單純性皰疹為例，來闡釋病毒為適應人體這一複雜的棲息地所面臨的一些挑戰。這些病毒在人體神經細胞中找到了庇護所。因為神經細胞在人體內享有特權和保護地位，免疫系統對其關注程度低於皮膚、口腔或消化道細胞。但待在神經細胞里一直不向外擴散的皰疹病毒只有死路一條，因此皰疹病毒有時通過神經節擴散到人臉上，引發病毒性的單純性皰疹。此舉為病毒的人際傳播提供了一條路徑。

在宿主間進行傳染是感染源（infectious agent）的一種基本需求，令人難以置信的是，間日瘧原蟲居然有類似按日程行動這樣的驚人之舉。像間日瘧原蟲這樣的寄生蟲比單純性皰疹病毒大好多倍，它們是像病毒和細菌一樣的感染源，但屬於真核生物類，因此與動物的親緣關係最近。

馬丁努斯·貝傑林克（Martinus Beijerinck）是一個嚴肅的男人，他流傳至今的照片極少，其中有一張大約攝於1921年（圖1-1），拍完這張照片幾天後他就很不情願地退休了。照片中，貝傑林克坐在實驗室里，穿著西裝，戴著眼鏡，端坐在顯微鏡、過濾器和裝著實驗試劑的瓶瓶罐罐中間，一副想要被人銘記的派頭。貝傑林克擁有一些怪異的觀念，比如婚姻和科學不可兼得。雖然在生物學史上鮮有人記得他，但這位古怪而嚴肅的男士進行了一系列關鍵性研究，第一次揭示了地球上種類最為豐富的生命形式。

致命性微生物對進化生物學家而言一直是挑戰，因為它們為了自身存活而依附於寄居地，卻又對寄居地進行破壞，這是自相矛盾的習性。此舉類似鳥兒破壞自己和後代生活的森林。演變過程主要發生在個體乃至基因層面。演變並非是事先預謀好的，而且沒有什麼能遏制病毒以這樣死路一條的方式向外傳播。不管最終受害者是病毒還是宿主，這樣由病毒引發的絕種事件，無疑貫穿了我們與微生物互動的整個歷史中。

病毒是已知生物體中突變率最高的。一些像RNA病毒這樣的病毒群落，因突變率很高而設有一個閾值，任何超過閾值的突變都會令其崩潰，因為突變造成了關鍵機能的損失。儘管很多突變對新病毒不利，但由於親代病毒製造了大量子代病毒，使得一些基因突變成功的概率，以及個體性狀勝過親代病毒的概率增加了。病毒成功入侵宿主免疫系統，成功抵禦新葯，以及有能力跳向一個全新的宿主物種的機會也都隨之增加了。

大部分感染人類的微生物是相對無害的，但有些微生物有著驚人的致病力。病毒感染有時以普通感冒（由鼻病毒或者腺病毒引發）的形式出現，有時以天花這樣的致命形式出現。

人體免疫系統持續向病毒施加壓力，採取各種策略阻止病毒進入人體，或在病毒設法入侵人體后抓住它們、殺死它們。病毒一直面臨選擇：如果向外傳播，就有被人體免疫系統捕獲的風險；如果保持潛伏休眠狀態，就可以自我保護，但會失去繁殖後代的機會。

病毒也是已知的最小微生物。如果一個人可以膨脹到一座體育場那麼大，那麼一個典型的細菌就有場上的一個足球那麼大，一個典型的病毒就有足球上的一塊六角形花紋那麼大。因此，雖然人類總是受病毒的影響，卻花了好長時間才得以發現它們（見圖1-2）。

這種情況並不僅限於會製造芽孢的細菌。引發痢疾的霍亂菌和引發嚴重病毒性疾病的天花病毒，都會讓宿主在幾天或幾周內送命。但在宿主送命之前，致命的臨床癥狀會將數萬億微生物傳播給潛在的新宿主。對人類而言不幸的死亡，卻是微生物到達下一個宿主的唯一機會。

從病毒的角度來看，更中心的問題是疾病對傳播的影響。正如我們在引言中所知道的那樣，每個感染源平均必須感染至少一個新的受害者來補償每個消失的舊的受害者。這些舊的受害者或者死亡，或者身體恢復健康並徹底將微生物從體內清除。這是基本再生數原則，即R₀。如果R₀<1，微生物的扩散态势将会逐渐消退。因为微生物一般不能从一个宿主走向或者飞向另一个宿主，它们经常有预谋地变换宿主，帮助自身扩散。從病毒的角度來看，人類的某種臨床癥狀可以成為它們傳播的一個重要途徑。微生物經常讓我們咳嗽或者打噴嚏，藉此經由我們的呼吸向外傳播；讓我們腹瀉，藉此通過地方水源傳播開來；讓我們皮膚上生瘡，經由人與人的皮膚接觸而傳播。以上例子清楚地告訴我們，為什麼一個微生物會引發這些不良癥狀。

病毒由兩種基本成分組成：基因物質RNA或DNA，以及保護基因的蛋白質外殼。病毒自身缺乏生長或繁殖機制，所以依靠所感染的細胞存活。實際上，如果病毒要存活，就必須感染以細胞為基本結構單元的生物體。

病毒如何選擇擴散時機，我們知之甚少，但它們肯定對所處環境變數進行了監測，並以此為決策依據。很多感染上單純性皰疹的成年人知道壓力可引發此病，一些人也能舉出例子，說明懷孕似乎容易引起活動性感染。雖然還是猜測，但如果病毒在棲息的人體環境中，捕捉到嚴重的壓力或是懷孕這樣的線索，由此激活自身也並不奇怪。因為一方面，嚴重的壓力顯示有死亡的可能性，宿主的死亡也意味著病毒的死亡。這也許是病毒傳播的最後機會。另一方面，懷孕為病毒傳播提供機會：或者通過母親分娩時生殖器與嬰兒接觸傳染病毒，或者在嬰兒出生后無法避免的親吻中傳染病毒。