生命的进化,是不是一定要与病毒同行?
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发布时间：2022-05-27 13:35
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时间：2023-10-25 19:53
2020年，一场突发的新型冠状病毒感染的肺炎（COVID-19）疫情席卷全球。据国内媒体报道，截至9月30日，全球累计已有3400多万人确诊感染了这种新冠病毒（SARS-CoV-2），其中累计超过100万人的生命被这次新冠病毒感染的肺炎所吞噬。
我国抗击第一波新冠肺炎疫情取得了重大胜利，得到了世卫组织的高度赞赏，同时也付出了巨大的代价。全球的医疗科研团队至今仍在为研发有效的治疗方法和疫苗不懈地努力中。那么，既然病毒对于我们人类有如此生命攸关的巨大影响，我们就该了解病毒的生物特性、感染方式，以及它们与人类的共存关系，做到趋利避害，以避免病毒对人类的伤害，甚至能够利用病毒来为人类服务。
一、认识病毒
当你坐在家里舒适的沙发上，手中拿着一本书......一切似乎很正常。也许你隐约感到你不是一个人呆着，周围到处是看不见的生命群落——沙发上、书页上，甚至你的衣服上。一种无法用肉眼识别的生物，虽小但明显是活的，它们没有细胞、没有酶，并且缺乏普通生命体应具有的大部分生物机制。这些入侵者无处不在，它们毫不夸张地将自己整合到了我们周围的生命组织中，整合到了组成这个世界的每一种细菌、每一种植物、真菌，以及每一种动物体内。这就是病毒（Virus）。
生物科学告诉我们，地球上的生命有多种类型。地球不仅供养着细胞生命（细胞、古菌）和真核细胞生命（真菌、植物和动物），还供养着病毒——一种没有细胞的微小生物体。病毒能够以惊人的效率侵入其他生命体，它们是一种裹着蛋白质外套的纯粹的遗传物质。它们始终依赖于宿主细胞，离开宿主它们既不能生长，也不能增殖复制。
显然，病毒是一种完全不同于细菌、真菌的存在。它们是一种介于“生命”和“非生命”之间的特殊物质。
在上生物课时老师拿来做显微镜观测的草履虫（一种单细胞生物），体长大约200微米（0.2毫米）。常见的细菌，如大肠杆菌的大小约为1～2微米。而病毒的大小普遍仅有10～300纳米（1纳米为千分之一微米），比如冠状病毒，是直径约为100纳米的圆球体。三者比较一下，形象一点说，如果病毒相当于一个幼儿，细菌则是双层大巴车的大小，而草履虫则有20个鸟巢体育馆相加那么大。尽管这样，我们还必须通过显微镜才能观察草履虫。
因此，当一个物体即将小到分子级别，其轮廓、结构对人类而言都是模糊的，今天那些病毒的高清彩图，其实是通过电子显微镜分析，再用计算机处理后得到的图像和模型。
病毒千奇百怪，生物学家概括其共性就是：病毒没有任何细胞结构，成份仅为核酸和蛋白质两种。每一种病毒只含有一种核酸，要么是DNA，要么是RNA。它们不能在无生命的培养基中增殖，只能利用宿主活细胞内现成的代谢系统复制自身核酸和蛋白质，并组合成千万个完整的感染性病毒颗粒。换言之，病毒必须感染生命体的细胞才能完成其生命周期，进行增殖复制、遗传和变异演化。核糖体对遗传物质进行“翻译”，产生相对应的蛋白质。
二、病毒无处不在
地球是一个活的星球，展示出丰富的生命印迹。然而，从生物量和多样性来衡量，地球上生命的主要形式是微观的。微观的生命形式无处不在：海洋中、陆地上和地下深处。虽然细胞微生物（如细菌和古菌）也许更容易被发现，但以病毒形式存在的无细胞微生物则代表了这种多样性的重要组成部分。
科学家估计，地球上有数百万种病毒，但其中只有约5000种已被人类发现并详细记录。2013年，美国俄亥俄州立大学微生物学家马修·沙利文（Matthew Sullivan）带领的团队，在全球海洋中搜索病毒，甚至到达了南、北两极，将海洋病毒的种类从5476种，提升到了195728种。然而，这和预计的数百万种仍然相差甚远。
生物学家认为，每一种宿主细胞生命体内至少有一种类型的病毒。每一种藻类、细菌、植物、昆虫、哺乳动物，无不如此。即使每一种细胞生命体只容留一种独特的病毒，那也将使病毒成为地球上最多样化的已知生命形式。实际上，很多物种，包括人类，都寄生着大量各种类的病毒。
虽然病毒既小又轻——已知最大的阿米巴感染性病毒也只有600纳米长，但它们留下的生物学足迹却可观得令人难以置信。挪威卑尔根大学（Universitetet i Bergen，UIB）的厄伊温·贝格（Oivind Bergh）研究团队曾撰文，他们用电子显微镜对未受污染的天然水生态系统里感染细菌的病毒进行了计数，发现每毫升水中有多达2.5亿个病毒颗粒。
另一个更全面的对地球生态系统中细菌类病毒的生物量的统计更是大大超出人们的想象。获免疫学和传染病学博士学位的斯坦福大学教授内森·沃尔夫（Nathan Wolfe）的一项研究估计，如果将病毒头尾相连排列起来，由此得到的长链将长达2亿光年。要知道，我们浩瀚的银河系直径才12万光年，真是不可思议。他还说，这些病毒的重量估计相当于约100万头蓝鲸的体重。
病毒的影响岂止是一点点，它们简直覆盖了我们的地球，其丰富性和影响力我们才刚刚开始了解。
三、病毒与人体免疫
病毒无孔不入，而人类有意识地研究和开发抗病毒药物和疫苗则是非常晚近的年代，那么之前的数十万年，人类是如何在这个充满危险的地球上生存下来的呢？这就是人体免疫的概念，先天性免疫系统存在于所有的动植物中。直到今天，人体的免疫系统依然是我们对抗病毒以及对付其他微生物的强大防线。
免疫系统是生物体内一系列的生物学结构和进程所组成的疾病防御系统。它可以检测到病毒等各类病原体和有害物质，并且能够将这些物质与生物体自身的健康细胞和组织区分开来。
人体有许多器官和不同功能的系统，如每一块骨骼、一块肌肉就是一个独立的器官，其功能相当复杂。如果没有免疫系统识别和抵御外来入侵者，那么我们的身体就会变成一座千疮百孔的破败“建筑”，随时都会被入侵的包括病毒在内的病原体抢劫一空。
人体的免疫系统在与病毒对抗中进化出了多种识别和防御病毒的机制。免疫系统由多种蛋白质、细胞、器官和组织组成，它们之间相互作用，共同构成一张精细的动态网络，通过不断的适应来更有效地识别特定的病毒，这种适应过程就成为“获得性免疫”或者“适应性免疫”。适应性免疫是人体的最后一道防线。
针对特定病毒的初次入侵，免疫系统中的记忆细胞（如T细胞）能够产生“免疫记忆”。一旦该种病毒再次入侵，这种记忆就可以使免疫系统快速做出强化免疫应答（或者叫“适应性”），而适应性免疫正是疫苗注射能够产生免疫力的生物学基础。
接种疫苗是一种诱导人体产生对抗疾病的抗体的有效方法，可以让人体在病毒入侵时就得到预警并做好准备。疫苗可以根据不同疾病来选择杀死、减缓或灭活病毒。
如果绝大多数人接种了疫苗，少数没有接种的人仍然会得到较好保护：疾病是在人与人之间传播的，如果这种疾病缺乏被感染的“候选人”，那么疫情就会立刻结束。换句话说，人群中因为多数人接种疫苗而获得免疫力，就会使得病毒的感染链条中断。
当没有人接种疫苗时，病毒将在人群中迅速传播。当部分人接种疫苗时，病毒在人群中局部传播。只有当人群中大部分人都接种了疫苗时，疾病的传播才得到有效遏制。这就是切断感染链的“群体免疫力”。
所谓抗体（antibody），英文写作immunoglobulin,简Ig，又称为免疫球蛋白，是一种主要由浆细胞分泌的被免疫系统用来识别与中和外来物质（如病毒、细菌等病原体）的大型Y形蛋白质。抗体能通过细胞膜表面可变区，唯一识别特定外来物的一个特征，该外来目标也被称为抗原。抗体可以“标记”外来微生物以及受感染的细胞，以诱导其他免疫机制对外来目标进行攻击，或直接中和该目标。
免疫球蛋白，自从被发现后，其在医学上的应用极其广泛。
例如，通过与入侵和生存至关紧要的部分相结合而阻断微生物的感染能力等，如同给犯人戴上手铐脚镣一样。针对不同的抗原，抗体的结合可能阻断致病的生化过程，或者召唤巨噬细胞消灭外来目标。
四、病毒是朋友，还是敌人？
既然寄宿在地球上的几乎每一种细胞有机体内的所有病毒都有着惊人的危害性、多样性和丰富性，难道它们对人类只会有负面作用？
答案是：绝对不会！
生物学家认为，病毒并不总是引起破坏，我们的地球现有的平衡依赖于病毒世界的行动，它们的灭杀作用有着深远的影响。据报道，海洋系统中每天有20%～40%的细菌是由病毒杀死的。这些细菌的死亡提供了巨大的有机物质来源，它们向海洋环境释放出氨基酸、碳和氮。而在这些海洋营养物质循环中，病毒起着主要作用。病毒有助于维持像细菌这样的环境角色的多样性。这个意义上来说，病毒起着“检察官”的作用——也就是，它们可以防止任何一种细菌变得占绝对优势。
病毒在生物进化过程中扮演着重要角色，例如，人体大约8%的基因是病毒提供的，病毒会将自己的部分基因嵌入宿主细胞，这些基因常年累积，已经变成了我们身体不可或缺的一部分。
大多数病毒与宿主形成了一种相对中性的关系，对人体不会造成致命的威胁，比如大约80%的感冒都是由病毒感染导致的，一般的感冒基本能够自愈。有些病毒损害其宿主，有些则对宿主有益。例如，噬菌体病毒已成了人类治疗细菌类疾病和对抗超级细菌的利器。今天，噬菌体已被用于许多有多重耐药性细菌的治疗。
以前，人们对病毒的病原体作用的研究，似乎存在负面偏见，影响到人们对病毒的全面认识。现在科学家们的进一步的研究揭示出病毒作为生物体行为的重要性：病毒不只是具有破坏作用，它们对被感染的许多事物是有益的。它们既是敌人，也是朋友。
五、与病毒同行
有学者认为，我们对居住在我们身体内的，以及这个世界上的病毒的了解还处于初级阶段。病毒科学通常被看作是微生物学和人类医学的分支学科，这种认识还远远不够，病毒的研究必须提升到基础科学的地位。对全球范围病毒多样性的理解，无论从预防疾病传染，或者从了解自然界碳循环角度，还是从生命进化的历程来看，都符合人类的近期和长远利益。
一个新的、全方位的病毒科学具有巨大的潜力。病毒已经被证明是一种非常宝贵的疫苗和生物学工具。例如，让未成年人接种牛痘病毒疫苗使人类彻底消灭了天花，这种疾病曾经是人类面临的最严重的由天花病毒感染的疾病。
但是，像流感病毒、冠状病毒这样的种类，人类对它们一时还难以招架。也许在未来较长一段时间里，人类不得不和各类病毒相处了。科学家正在研究利用病毒作为载体，将特定基因引入细胞，修改遗传物质。目前正在研发中的病毒治疗法，就是以病毒为载体引入基因来治疗各种遗传疾病。
例如，噬菌体病毒在分子生物学里已经被证明是做出基本发现的重要模型，它是向活细胞引入新基因的分子工具和载体。未来的医疗，很可能将某些病毒送入患者体内，定向地清除或改造特定的病原体或癌细胞。专家们设想，未来或许可以开发纳米机器人潜入人体细胞中，把被病毒入侵的基因修改回来或直接清除之。
病毒，作为行走在生命与化学物质边缘的类生物体，在全球碳循环、生物进化和疾病防治中自始至终发挥着关键作用。今天，地球上包括人类在内的几乎所有动植物体内多多少少都带有某种特定病毒的基因。重要的是，病毒携带的基因不断地将遗传信息从一种生物体带到另一种生物体，随机地将自身的或前任宿主的新的遗传信息带给新的宿主，有利于通过自然选择形成新的基因，为地球上生命的进化提供了创新动力和流动性。
2016年，美国密歇根大学医学院的研究者在筛查了2500份人类基因后，发现了36种“潜伏”在人类基因中的病毒基因，其中有19种是之前从未见过的、新确认的来自病毒的DN*段。在数百万年前，这些病毒侵入了人类祖先，并将自己的遗传信息整合进了人类基因中，开启了漫长的潜伏之旅。
我们可以毫不夸张地说，没有病毒，地球生命就无法进化，甚至无法成其为生命。地球生命的进化，始终将与病毒同行。
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