互动科普

尽管病毒挑战着我们关于“有生命”的概念，但它们却是生命网络中的关键成员。

在1950年份的经典电视喜剧《蜜月期》（The Honeymooners）中有这样一段情节，布鲁克林的公共汽车司机Ralph Kramden大声地对妻子Alice说道：“知道吧，我明白你多么容易感染上病毒。”半个世纪之前，连Kramden家这样的普通人都有一些病毒方面的知识——知道病毒是疾病的微型使者。不过几乎可以肯定，他们并不确切地理解什么是病毒。不论在当时还是现在，像他们这样的人还有很多。

在10年左右的时间里，科学界对病毒定义的集体看法不断发生改变。病毒最早被认为是毒药，然后是生命的形式，再后来是生化物质，如今，病毒则被看成处于有生命和非生命之间交叉区域的存在物：它们自身不能复制，但可以在真正的活细胞中复制，而且能够深刻影响宿主的生物习性。在现代生物科学时代的很长一段时期内，病毒都被归人非生命的一类，这种分类法带来了一种不曾预料到的后果：导致大多数研究者在进化研究中都忽略了病毒。但是，科学家终于开始意识到，病毒是生命史中的重要参与者。

“病毒”概念的演变

为什么一直以来都很难对病毒进行分类，这一点不难理解。每一次被置于显微镜下检查时，它们的形态似乎都不一样。最早对病毒产生兴趣是源自于它们与疾病的关系——“病毒”这个词就来源于拉丁语的“毒药”。在19世纪晚期，研究者们认识到，某些疾病，包括狂犬病和口蹄疫，都是由行为类似细菌、但体积小得多的微粒引起的。由于病毒本身具有确切无疑的生物性，能够在受害者之间传播并产生明显的生物效应，因此被看成所有活的、具有基因的生命形式中最简单的一种。

1935年之后，病毒被降级成无生命的化学物质，因为温德尔·斯坦利（Wendell M. Stanley）及其同事在现在的纽约市洛克菲勒大学第一次结晶了一种病毒——烟草花叶病毒。他们发现，这种病毒由一系列复杂的生化物质组成，但是缺少实现生命的生化活动——新陈代谢功能——所必需的基本系统。由于这项工作，斯坦利分享了1946年的诺贝尔奖——是化学奖，而不是生理医学奖。

斯坦利和其他人的进一步研究发现，病毒是由蛋白质外壳包围着的核酸（DNA或RNA）组成，而且蛋白质外壳也可以保护参与感染的病毒蛋白质。按照这种描述，病毒似乎更像是化学物质，而不是生物体。但是，病毒进入细胞（感染后被称为宿主）之后，绝对不是一种没有活性的物质。它会脱去外壳，暴露出基因，引导细胞自身的复制体系复制入侵者的DNA或RNA，并且根据病毒核酸的指令，制造更多的病毒蛋白质。新制造的病毒片段组合起来，接着，就出现了更多的病毒，它们也可以继续感染其他细胞。

正是病毒的这些行为让很多人相信，病毒处于化学物质和生命体的边界线上。法国斯特拉斯堡大学的病毒学家Marc H. V. van Regenmortel和疾病预防控制中心的Brian W. J. Mahy最近提出了一种更具诗意的观点，他们说，由于病毒要依赖宿主细胞，所以它们过着“一种借来的生活”。有意思的是，尽管生物学家长期以来都认为病毒只是盛放化学物质的盒子，但是，他们却利用病毒在宿主细胞中的活动，确定核酸如何为蛋白质编码：事实上，通过病毒获得的信息为现代分子生物学打下了基础。

分子生物学家继续将细胞的大部分基本组分具体化，如今，他们已经习惯于将核糖体、线粒体、细胞膜、DNA和蛋白质等细胞组分看成化学机器，或者是该机器使用或制造出的材料。整天面对完成生命过程的多种复杂化学结构，这也许就是大多数分子生物学家不愿花很多时间为病毒是否有生命而伤脑筋的原因。对他们来说，在该问题上花心思就相当于考虑那些亚细胞组分自身到底有没有生命。由于这种短视的观点，他们只能认识到病毒如何破坏细胞或引起疾病。至于病毒对地球生命史有何贡献这样一个更为概括性的问题，很大程度上还没有得到回答，甚至无人问起。后面我会简单地谈谈该问题。

是不是生命体

病毒到底有没有生命？我的学生常常会问这个看似很简单的问题，但是多年来，我们一直都难以对这个问题作出简单的回答，因为它引出了一个基本问题：“生命”的准确定义到底是什么？要对生命作出精确的科学定义是很困难的，但是，大多数观察者都会认同，生命包括某些特性和复制能力。比如说，生命体是处于出生与死亡之间的一种状态。同时，有生命的生物体具有一定程度的生化自主性，会进行新陈代代谢活动以产生维持生物体所需要的分子和能量。在大多数定义中，这种自主性是必不可少的。

然而，病毒的全部生命生物分子活动本质上都是依靠寄生来完成的。这就是说，它们要依靠宿主细胞获得必需的原材料和能量，才能完成核酸合成、蛋白质合成、加工和运输以及所有其他实现病毒的繁殖和传播所需的生化活动。由此可能就会得出结论，尽管这些过程是在病毒的指令下进行的，但病毒只是有生命新陈代谢系统中的无生命寄生者。不过，在确定的有生命和无生命之间，可能还存在着一个中间范围。

岩石没有生命，有新陈代谢活动的物体，如果缺乏遗传物质和繁殖能力，就没有生命。细菌是有生命的。尽管它只有一个细胞，但它能够产生所需的能量和分子以维持自己的生产，而且它能够复制。那精子又怎样呢？精子可能不应该被看成有生命的物体。尽管它具有获得生命的潜力，但它却可能受到破坏。这样看来，病毒不像活细胞，反而更像精子。他们都有一定的潜能，但可能遭到扼杀，它们没有达到更为自主的生命状态。

考虑生命的另一种方式是，将其看作一组特定非生命物质的突生性质。生命和意识都是突生复杂系统的实例。它们都需要严格的复杂性或相互作用，才能达到各自的状态。神经元本身没有意识，甚至在神经网络中也是如此——必须要有整个大脑的复杂性才行。甚至完整的人类大脑，虽然从生物学上来说是有生命的，但却没有意识，或叫作“脑死亡”。类似地，细胞和病毒的基因或蛋白质本身都不能被认为是有生命的。被除去细胞核的细胞近于脑死亡的状态，在这种状态下，它缺少完整的严格复杂性。同样，病毒也无法达到严格的复杂性。所以，生命本身是一种突发的复杂状态，但是它的基本构成组分与构成病毒的成分相同。从这个观点来看，我们不能认为病毒完全具有生命，但是可以认为它们处于超越非生命物质的状态：病毒处于生命的边缘。

事实上，法国研究者在十月份宣布的发现，再一次揭示出一些病毒是多么地接近生命。马赛地中海大学的Didier Raoult及其同事宣布，他们测定了最大的已知病毒（1992年发现的米米病毒）的基因序列。这种病毒大约与小型细菌一样大，会感染阿米巴变形虫。对这种病毒进行序列分析后，发现了许多先前认为只存于细胞生物体中的基因。这些基因中，有些在病毒DNA对蛋白质进行编码的过程中起作用，而且可以让米米病毒更容易使用宿主的复制系统。正如这个研究小组在科学杂志上发表的报告中指出的那样，米米病毒遗传互补的巨大复杂性“对现有关于病毒和寄生细胞生物体之间的界线提出了挑战”。

对进化的影响

关于病毒是否有生命的争论自然而然地引出了另一个问题：思考病毒处于有生命还是非生命状态是否仅仅是一种哲学练习，只是为活跃、热烈、浮华的辩论作基础，而几乎没有真正的意义？在我看来，这个问题很重要，因为看待这个问题的方式将会影响科学家对进化机制的看法。

病毒自身有古老的进化历史，可以追溯到细胞生命的起源。比如说，有些病毒修补酶——用来切除并重新合成受损DNA、修补氧化损坏等等[参见下面的框图]——是专用于某些病毒的，可能数十亿年来几乎没有发生过变化。

然而，大多数进化生物学家坚持认为，由于病毒没有生命，所以在试图理解进化过程时，不值得对其进行严肃考虑。他们还把病毒看作来自宿主的基因，不知什么原因脱离了宿主，并获得了蛋白质外壳。按照这个观点，病毒是由出逃的宿主基因退化而成的寄生生物。这样，就会把病毒排除在生命网络之外，因而无法了解它们对物种起源和维持生命所起的重要作用。（事实上，在2002年出版、篇幅达1205页的《进化百科全书》[The Encyclopedia of Evolution]中，只有4页是说病毒的。）

当然，进化生物学家并不否认病毒在进化过程中扮演了一定的角色。但是，这些研究者将病毒看作无生命的物体，因而将它们与气候变化归入了同一类。这类外部影响会在具有由遗传控制的不同遗传特征的个体间进行选择；面临这些挑战时，生存和生长能力最强的个体将会继续成功地繁殖，由此将自己的基因传给后代。

但是，病毒会直接与具有生命的生物体——也就是在生命网络中——交换遗传信息。大多数已知的病毒能够持久生存、没有害处，而且不会致病，可能大多数医生以及进化生物学家都会为此感到吃惊。病毒在细胞中生存，在那里，它们可能很长时间都会处于休眠状态，或者利用细胞的复制系统以缓慢而稳定的速度繁殖。这些病毒利用许多巧妙的方法，防止被宿主的免疫系统检测到——基本上，免疫过程中的每个步骤都可以被某个病毒中的各种基因调控。

此外，病毒基因组（完整的DNA或RNA补体）可以永久地移植在宿主中，为宿主后代加入病毒基因，最终成为宿主物种的基因组中的关键部分。因此，与仅仅在缓慢产生的内部基因变化中进行选择的外部力量相比，病毒的影响绝对要快得多，也直接得多。病毒的数量巨大，再加上它们极快的繁殖和突变速度，使它们成为这个世界上基因革新的最主要源泉：它们经常会“发明”新的基因。来自病毒的独特基因会四处传播，进入其他生物体，并且在进化过程中发挥作用。

国际人类基因组测序协作组发表的数据显示，在细菌和人类基因组中出现的大约113至223个基因中，其中有一些在得到充分研究、处于进化过程这两个极端之间的生物体中并不存在，例如酿酒酵母、黑腹果蝇以及美丽线虫等。一些研究者认为，这些出现在细菌之后、脊椎动物之前的生物体在其进化史的某一时刻丢失了上述基因。还有人提出，这些基因乃是通过入侵的细菌，直接转移到人类世系中。

我和俄勒冈卫生与科学大学疫苗与基因疗法研究所的同事Victor DeFilippis提出了第三种可能性：也许是病毒制造出基因，然后将它们移植到两个不同的世系中——比如说，细菌和脊椎动物。明显由细菌给予人类的基因，可能是最初源自于病毒。

事实上，我与澳大利亚悉尼市麦加里大学的Philip Bell都主张细胞核本身就源自病毒。细胞核的出现将包括人类在内的真核生物（细胞中含有真正细胞核的生物体）与细菌等原核生物区分开来，仅仅将这种过程解释为原核细胞通过逐渐适应环境然后进化成为真核细胞，这种说法并不能让人满意。一种更可能的情况是，细胞核可能是从在原核生物中永久安家的大型DNA病毒进化而来的。基因组测序数据可以为该观点提供支持，数据显示，一种感染细菌的、名为T4的病毒，其控制DNA聚合酶（复制DNA的酶）的基因与真核生物及感染它们的病毒体内的其他DNA聚合酶密切相关。巴黎南大学的Patrick Fortere也分析了控制DNA复制的酶，并得出结论，在真核生物中控制这些酶的基因可能来源于病毒。

从单细胞生物到人类，病毒感染地球上的所有的生命，常常因此而决定哪种生物会继续生存下去。但是，病毒本身也在进化。新的病毒，如引起艾滋病的HIV-1病毒可能是研究者们亲眼目睹其产生的唯一生物实体，提供了一个实时的进化实例。

病毒对生命很重要。它们是生物界与生化界之间不断变化的分界线。随着我们不断揭示越来越多生物的基因组，病毒这一古老的动态基因库所作的贡献也会越来越明显。1959年，诺贝尔奖获得者萨尔瓦多·卢里亚（Salvador Luria）思索着病毒对进化的影响。“我们可能没有感觉到，”他写道，“在病毒体内，在它们与细胞基因组结合，然后又再度出现的过程中，也许可以发现在进化期间创造出成功遗传模式的装备和过程。”不管我们是否把病毒看作生命体，如今应该是时候恢复其本原面貌了——即承认它们在生命网络中的地位并研究它们。