尾聲 冷卻塔中的「外來客」
在發現病毒之前,科學家對生命其實有一個基本統一的定義。生命體能通過自身的新陳代謝來生存、生長和繁殖。而其他非生命形態,比如天上的雲或者一塊水晶,可能從某種角度考慮也有生命,但綜合來說,它們都沒有達到生命體的這些標準。
布拉德福德球菌沒有細菌那種常見的光滑表面。相反,它看起來像個足球,由許多小平面鑲嵌在一起。在這個幾何形狀拼成的外殼表面,還能看到一些細長的蛋白質像細毛一樣伸展出來。自然界中唯一已知有這種外殼和表面細毛結構的就是病毒。但和當時所有的微生物學家一樣,拉斯科拉也知道布拉德福德球菌的大小不對,它們看上去比病毒大100倍。
雖然巨型病毒彌合了大多數病毒和細胞之間的「生命」鴻溝,但目前還不清楚它們是如何演化到如今這種「高不成低不就」的位置的。有的科學家認為,它們最初可能也是普通的病毒,後來從宿主細胞里竊取了一些額外基因,才成了今天的樣子。也有科學家持完全相反的觀點,他們認為巨型病毒在演化的早期是以活細胞的形式存在的,並不依附於其他生物而生存,在其後數十億年間逐漸蛻變,成為了今天這種更像病毒的樣子。
最後,量變積累成質變,所有的不利積累成一個大大的「不行」——病毒始終是沒有生命的。
但沒過多少年,病毒學家就紛紛對這種陳述提出質疑,其中也不乏公開反對者。新發現層出不窮,很多舊的規則不再適用。比如,很長時間以來人們一直無視巨型病毒的存在,部分原因是它們太大了,比大多數已知病毒都起碼大一百倍。它們的基因也數量龐大,完全不符合之前病毒的定義。科學家並不知道巨型病毒要這麼大的基因組到底有什麼用,有人猜測這些基因能行使不少生物的功能,例如巨型病毒的基因編碼了一些酶,能起到修復DNA的功能。這樣,當它們從一個宿主細胞轉移到另一個宿主細胞時,如果發生了基因層面的損傷,就可以及時修復。另外,巨型病毒入侵變形蟲時,並不會融入宿主的無數分子團中,相反,它們會組織形成大九九藏書量複雜的結構,這種結構被稱為「病毒工廠」。病毒工廠通過一個入口吸收原料,然後通過另外兩個出口輸出新的DNA和蛋白質大分子。巨型病毒起碼能用自己的病毒基因開展這個過程中部分的生物化學工作。
1992年,一位名叫蒂莫西·羅博特姆(Timothy Rowbotham)的微生物學家從英國布拉德福德的一座醫院冷卻塔中取了一些水,把它放在顯微鏡下。展現在他眼前的是一派生機盎然——有和人類細胞差不多大小的變形蟲及單細胞原生動物,還有它們體積1/100大小的細菌。當時,羅博特姆正在尋找布拉德福德市爆發肺炎的原因。在冷卻塔水裡遊走的眾多微生物中,他認為最大的疑兇是一種存在於變形蟲內部、細菌大小的球形生物。羅博特姆認為自己發現了一種新細菌,將其命名為布拉德福德球菌。
巨型病毒能組織病毒工廠,這一點從各方面看起來都非常像一個真的細胞。無獨有偶,2008年,拉斯科拉和他的同事發現,巨型病毒甚至可能被同類的其他病毒感染。這種入侵的新病毒被命名為噬病毒體,它們潛入病毒工廠,欺騙本應複製巨型病毒的工廠製造出更多噬病毒體。
在RNA世界,所謂的「生命」可能只是一些稍縱即逝的基因組合,抓住機會就拚命生長,有時則被像寄生者一樣的另一些基因破壞殆盡。這些原始「寄生者」中的一些可能演化成了第一批病毒,不斷複製繁衍至今。法國病毒學家帕特里克·福泰爾(Patrick Forterre)提出假說:雙鏈DNA分子有可能就是RNA病毒「發明」出來的,雙鏈有不同的結構,能保護基因免受攻擊。最終,這些病毒的宿主反而接管了DNA分子,接著接管了整個世界。也就是說,現在所知的生命可能全起源於病毒。
2003年,拉斯科拉和他的同事們正式發表了關於神奇的擬菌病毒的各種研究細節。但他們仍然很好奇,這種病毒在自然界中是獨一無二的嗎?我們身邊會不會也藏著其他巨型病毒?他們從法國本地冷卻塔里也https://read.99csw.com取了一些水,在水裡加入變形蟲,想看看水裡有沒有什麼東西能感染這些變形蟲。很快,變形蟲就漲破了,釋放出一些個頭巨大的病毒,但它們並不是擬菌病毒,而是一種擁有1059個基因的新種,創造了病毒基因組數量的新紀錄。雖然新病毒從外表看起來很像擬菌病毒,但二者在基因層面相去甚遠。科學家把新病毒和擬菌病毒的基因組進行比對,發現其中有833個基因能很好地匹配,另外226個是新病毒獨有的。科學家認為這麼大的差異足以讓新病毒單獨划為一種,而且它也應該有個名字,就叫媽媽病毒(mamavirus)吧。
1935年,溫德爾·斯坦利首次得到了煙草花葉病毒的結晶,完美打破了生命和非生命的界限。這些病毒凝結成晶體之後,從各方面看都像一塊冰或者鑽石,但當你把這些病毒放在煙草上,它們立馬開始增殖,就像其他生命體一樣。
儘管如此,布拉德福德球菌確實是病毒。隨著研究的深入,拉斯科拉和他的同事發現,這種新病毒會入侵變形蟲,迫使變形蟲幫它們複製出無數新個體。只有病毒才是用這種方式繁殖的。舊名字顯然是誤導的,於是,拉斯科拉和他的同事給布拉德福德球菌取了一個新名字——擬菌病毒(mimivirus,「米米病毒」),用來表示這種病毒和細菌有很多相似性。
隨著病毒分子生物學研究的聚焦,許多科學家傾向認為病毒只是類似生物的一種存在形式,而並不是一種真正的生命體。科學家研究的所有病毒都只攜帶很少的幾個基因。因此病毒和細菌之間還存在巨大的遺傳鴻溝,足以把這兩個類群清晰地區分開來。然而,這麼少的基因已經可以讓病毒具有最基本的增殖能力,包括入侵細胞,把自己的基因插入細胞原本的「生化工廠」等等。病毒缺失了作為一個完整生命所需要的另一些重要基因,比如,它們沒有製造核糖體的指令(核糖體是依據RNA合成蛋白質的分子工廠),也沒有分解食物的酶的編碼基因——病毒缺乏的似乎恰恰是真正的生命體所需九-九-藏-書的遺傳信息。
嚴格區分生命和非生命的做法不僅讓病毒變得更難理解,也讓生命的起源更匪夷所思。生命起源的過程還沒有完全明朗,但有一點是明確的:生命並不是由宇宙中什麼偉大力量在一瞬之間變出來的,而是隨著糖類和磷酸鹽等原料在早期地球上聚合併發生越來越複雜的反應,慢慢演變出來的。例如,有可能是單鏈RNA分子逐漸生長,又獲得了自我複製的能力。對於這種以RNA作為遺傳物質的生命來說,想在它們的演化之路上找到一個具體的生命「無中生有」的時刻,無疑會讓我們忽視生命逐漸過渡的事實。
微生物學家安德烈·利沃夫(André Lwoff)曾在1967年的諾貝爾獎領獎辭里宣稱:「生物是由細胞構成的。」病毒顯然不是細胞,從前人們認為病毒只不過是一些遊離的遺傳物質,因為恰好也組合了一些合適的化學成分,因而能在細胞內自我複製。2000年,國際病毒分類委員會也正式表態支持這個說法,他們宣稱:「病毒不是活的生物。」
很多年過去,布拉德福德球菌似乎就將這樣沉寂下去,直到法國艾克斯—馬賽大學的貝爾納德·拉斯科拉(Bernard La Scola)決定再看它一眼。他把羅博特姆的樣本放到了顯微鏡下,一眼看去,立馬意識到有什麼東西不對勁。
巨型病毒的故事讓我們認識到,人類對這個充滿病毒的生物圈的了解有多麼匱乏。大概一百多年前人類發現了病毒,從那時起人們就一直在爭論病毒對於生命到底意味著什麼,巨型病毒的發現無疑給這個長久的爭論注入了新的話題。
羅博特姆花了很多年的時間深入研究布拉德福德球菌,想看看它是否真是肺炎爆發的罪魁禍首。羅博特姆用其他細菌物種的已知DNA片段在布拉德福德球菌基因組中尋找相匹配的片段,結果一無所獲。1998年,羅博特姆的研究走到了盡頭,由於預算削減,他被迫關閉了實驗室。但這位科學家不想讓自己的研究前功盡棄,於是安排了法國的同行替他保存疑點重重的布拉德福德球菌樣品。
巨型病毒及生命的定義
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這麼高的變異速度可能正成為了基因組大小的限制因素。基因組沒法擴大,病毒也就沒辦法成為真正意義上的生命體了。因為假如基因組變大了,病毒就比人更可能產生致命突變。因此,是自然選擇成就了病毒的微型基因組。如果這種假說成立,在病毒有限的基因容量里,已經裝不下那些負責從原材料合成新基因和蛋白質的基因了。因此病毒不能生長,不能主動排出廢物,不能抵禦炎熱和寒冷,也不能通過分裂而增殖。
給自然界中的成員劃出分界線,在科學研究的時候是有用的,但當我們想要了解生命本身,這些分界線就成了人為設置的障礙。與其試圖搞清楚病毒怎麼區別於其他生物,還不如研究研究病毒是怎麼和其他生物形成一個連續的演化譜。人類作為一種哺乳動物,已經和病毒組成了難以分割的混合體。移除了身上的病毒基因,我們可能根本無法活著從子宮裡生出來。而人在日常生活中抵禦感染可能也是藉助了病毒DNA的幫助。就連我們每日呼吸的氧氣中的一部分,也是海洋中的病毒和細菌共同產生的。海里的病毒和細菌含量並不是固定不變的,而是處在動態變化中。海洋是基因的流動庫,眾多基因不停在宿主和病毒之間交換。
這樣的演化路徑對病毒來說並非難事,但科學家卻看到了擋在這條演化之路上的巨大絆腳石。擁有龐大基因組的生物都需要一些機制來保證複製是精確控制的,隨著基因組增大,積累危險突變的幾率也隨之增加。人類細胞中有一類酶,專門對複製中的DNA進行糾錯,這種糾錯機制可以保護我們巨大的基因組能比較穩定地複製,其他生物,包括動物、植物、真菌、原生動物和細菌都是如此。而病毒則沒有專門修復DNA錯誤的酶。因此,它們在複製中產生錯誤的速度也比我們快得多,在某些情況下,甚至比我們快上千倍。
最後,讓我們回到「病毒」這個詞本身。它原本就包含了兩面性,一面是能給予生命的物質,另一面則代表致命的毒液。病毒在某種意義上的確是致命的,但它們也賦予了這個世界必不可
九九藏書少的創造力。創造和毀滅又一次完美地結合在一起。
地球上有水的地方就有生命——不管這些水存在於黃石公園的間歇泉,水晶洞里的小水窪,還是醫院屋頂上的冷卻塔中。
法國科學家率先著手分析擬菌病毒的基因。羅博特姆也曾經嘗試過在擬菌病毒的基因組裡尋找和其他細菌基因相匹配的片段,但一無所獲。法國科學家的運氣就好多了,他們在擬菌病毒中發現了很多的病毒基因。在此之前,科學家已經習慣從每種病毒中只找到幾個基因。但擬菌病毒足有1018個病毒基因,看起來就好像有人把流感、普通感冒、天花和其他一百種病毒的基因組都塞進了同一個蛋白質外殼裡。擬菌病毒的基因甚至比某些細菌的基因還多。在體型和基因數量上,擬菌病毒都打破了病毒的基本規則。
其他研究人員也加入了尋找巨型病毒的行列。不久,成果相繼誕生,河流、海洋甚至南極冰層所掩蓋的湖泊中,人們都發現了巨型病毒的身影。2014年,法國研究人員解凍了凍結三萬年之久的西伯利亞凍土,在其中也發現了巨型病毒——這些病毒足有1.5微米長,是目前發現的最大的巨型病毒。
但理論上來說病毒完全可能獲得這些遺傳信息,成為真正的生命體,畢竟它們又不是一成不變的。隨時隨地發生的突變很可能意外複製已有基因,並在此基礎上造出新的功能;一種病毒也可能從另一種病毒甚至從宿主細胞中獲取新基因。可以想象,有很多方式能讓病毒的基因組豐富起來,直到能自主進食、生長,最後藉助自己的力量分裂增殖。
科學家甚至在動物體內也發現了潛伏的巨型病毒。拉斯科拉與他的同事們和巴西科學家一起開展了一項合作研究,他們從許多哺乳動物身上取了血清樣本,在其中的猴子和牛身上發現了巨型病毒抗體。研究人員甚至還從人體內分離出巨型病毒,他們的樣本還有一份取自一名肺炎患者。然而目前科學家還不清楚巨型病毒在我們的身體中究竟扮演什麼角色,對我們的健康有什麼影響。它們可能會直接感染人體細胞,也可能只是潛伏在我們身體內的變形蟲里,對人不造成任何危害。