相愛相殺“三千年”:扒一扒人類和病毒的那些事兒
2020年04月28日10:18

  來源:中國科普博覽

  在如今的年代,說到病毒,可以說是上到七老八十的老人,下到剛剛上學的孩子,或多或少都略有耳聞。狂犬病毒、流感病毒、SARS病毒……這些常常在新聞中出現的名字與我們的生活息息相關,何況是在信息爆炸的如今,想要對其一無所知似乎更難。然而若是穿越回三百年前,那時的人們卻對“病毒”這一名詞一無所知。

  病毒與人類之間的戰役雖說已持續了上千年,但人們對病毒的研究卻是直至近三百年才真正展開。現在不妨讓我們來扒一扒,人類和病毒的那些事兒。

  Part.1

  從未知到發現

  要說清病毒與人的戰役,那真的是很久很久以前的故事了。能有多久呢?

  考古學家們挖出三千年前被製作成木乃伊的拉美西斯五世,他的身上還有著天花發作過的痕跡,這是人類歷史上找到的第一個天花病患者。雖說病毒與人的糾纏由來已久,但直至19世紀,人們才逐步有了“病毒”這一概念,對這一病原體的研究才漸漸明朗了起來。

  19世紀晚期,在荷蘭的菸草農田上,一場疾病肆虐著田間的作物,鮮活的植物經過疾病的摧殘後只殘留下一片片死去的組織,農場收成全部化為雲煙。可憐的荷蘭農場主只好去求助年輕的農業化學家阿道夫·邁耶(Adolph Mayer),邁耶將患病的菸草提取汁液接種到健康的菸草上,幾週後這些健康的菸草也患上了同樣的疾病,於是證明了這是一種傳染性的疾病,並將它稱為菸草花葉病。

  由於在當時的醫學界細菌致病說佔據主流,通過科赫法則(圖1)能夠驗證細菌與傳染病的關係,科赫法則也是當時研究傳染病病原的金科玉律。因此,邁耶也想要通過科赫法則找到菸草花葉病的病原體,但是卻發現,將從患病菸草提取液中分離得到的細菌接種到健康植株上並不能使其患上菸草花葉病。所以,基於當時的研究結果,他並沒有辦法證明菸草花葉病是由細菌感染所引起的傳染病。

科赫法則
科赫法則

  隨後,在1892年,俄國的科學家伊凡諾夫斯基(D.Iwanowski)用當時最先進的細菌過濾器過濾患病菸草提取液,再用過濾液感染健康菸草,結果卻發現過濾掉細菌的提取液依然具有傳染性,於是他推測可能是細菌產生的毒素或者是一種可以通過細菌過濾器的十分細小的細菌引起了菸草花葉病。可能是受當時主流氛圍的影響,伊凡諾夫斯基雖然發現了這一重要的科學現象,但是他依然堅信這是由細菌導致的。

  1898年,荷蘭的微生物學教授貝葉克林(Martinus Beijerinck)同樣重複了用細菌過濾器過濾菸草提取液,繼而感染健康菸草的實驗,當時人們只能通過光學顯微鏡來觀察微生物,而貝葉克林在光學顯微鏡下並沒有在濾液里觀察到任何的生物。

  為了進一步探索濾液中具有感染力的東西究竟是什麼,他將濾液稀釋後再進行感染,結果發現稀釋後的濾液對健康菸草的感染情況與未稀釋組相比並沒有明顯差異,因此他相信引起這種傳染病的肯定不是一種沒有生命的化學物質,而是一種具有生命的活性物質。

  緊接著他又將患病菸草濾液與健康菸草濾液或者蒸餾水混合,感染健康的植株,結果發現這兩種感染條件下菸草的感染症狀一樣,這說明著致病因子沒有在健康菸草的濾液中增殖,從而他得出結論這種致病因子只能在細胞里發生增殖。

  於是,貝葉克林就把這種可以通過細菌過濾器、具有傳染性、可以在生物體內增殖卻不能在體外增殖的病原體稱為病毒。這便是人類發現病毒的開始[1]。

  隨後人們又發現了更多的“病毒”,甚至可以通過培養在培養皿中的一些細胞讓“病毒”增殖。但對於“病毒是什麼”這一問題,科學家們仍各執己見。有的認為“病毒”是一種化學物質,還有人認為“病毒”是生物體的一種寄生生物,自始至終都沒有一個統一的定論。

  隨著發現的病毒數量增多,有的病毒因其電荷特性也無法通過細菌過濾器,“過濾性”這一特徵最後被擯棄,而多虧電子顯微鏡的發明,使得人們可以鑒定具有確定大小和形態的病毒粒子了,這無疑為病毒本質的探究提供了基礎條件。

  Part.2

  病毒究竟是什麼?

  20世紀初,有一位叫做溫德爾·斯坦利(Wendell Stanley)的化學家發現胃蛋白酶可以破壞菸草花葉病毒的感染力,由此好奇:病毒的本質是否是蛋白質?

  於是他從成噸重的感染花葉病的煙葉中提取病毒,並按照純化酶的方法讓病毒結晶,隨後他將病毒存儲起來,置之不理,數月後再將其溶於水中,得到的液體仍然有使健康植株患病的能力。於是斯坦利認為,病毒是一種蛋白質。

  但是,斯坦利還是犯了一個錯誤。來自英國的科學家弗雷德·鮑登(Fred Bawden)和諾曼·皮裡(Norman Pirie)發現菸草花葉病毒提純液中含有相當量的硫和磷,而這兩種元素在蛋白質里少有存在但是卻存在於核酸。1936年,兩人發表觀點,認為菸草花葉病毒是一種核蛋白。這一結論在當時的病毒學界引起了不小的重視,隨後人們對各種病毒展開了大量的研究分析,最終達成了一致的結論:病毒是由蛋白質與核酸構成的。而其後十年中,人們通過不斷的反複試驗,得出了更為重要的結論:核酸是病毒感染、致病及複製的主體。

  病毒是目前人類發現的最小的生命單位,必須要借助於宿主細胞才能開展自己的生命活動,它的結構非常簡單(圖2),通常是由核酸與蛋白質外殼(核衣殼)組成,有一些病毒在核衣殼的外面還會有一層包膜。病毒的生命週期包括:吸附(病毒與宿主細胞表面受體結合),入侵(病毒將自身的遺傳物質注入宿主細胞內),合成(在宿主細胞內合成病毒的核酸與蛋白質),裝配與釋放(在宿主細胞內完成自帶病毒顆粒的組裝並釋放出細胞)[2]。

病毒結構
病毒結構

  隨著不斷的研究,人們又發現了類病毒和朊病毒,類病毒是一種具有感染性的單鏈RNA,朊蛋白是一種具有感染性的蛋白質,這兩種病毒的發現再次刷新了人們對於生命的認識,類病毒和朊蛋白是目前已知的最簡單的生命形式了!更重要的是朊病毒後來被發現其實是由動物腦組織里的一種正常的蛋白變構而來的,因此它可以成功逃脫免疫系統的防守,同時這種病變的蛋白還可以誘導周圍的正常蛋白髮生變構從而加速組織的病變。相信在科學家們不斷地探索下,我們會瞭解到更多關於病毒的未知的知識,弄清楚它們的來曆[3,4]。

  Part.3

  病毒與人類將走向何方?

  前幾日,一條新聞引起了人們的廣泛關註:有科學家發表論文稱,在西藏青藏高原冰核樣本中發現古老病毒存在證據,其中28種是新病毒。然而,這已經不是人們第一次在冰川中發現古代病毒存在的證據了,其實在2014年,就有法國科研團隊在俄羅斯遠東地區的楚科奇自治區採集到的一份凍土樣本中發現了一種新的巨型病毒,西伯利亞闊口罐病毒(Pithovirus sibericum),而這種史前病毒已經在俄羅斯西伯利亞地區的凍土層中封存了3萬多年。科學家們利用阿米巴蟲對病毒進行複活實驗,發現病毒不僅被複活了並且複活的病毒仍然具有感染性,可以殺死阿米巴蟲,但是對於人類來說是安全的。

  即便如此,我們也不得不擔心,假如冰川和永凍層因為氣候變暖而融化,那麼封存在其中的病毒重新甦醒很有可能會對人類健康造成巨大的風險。這也是在預警我們,過度的開發利用大自然,不僅會威脅到其他生物的生命安全,最後也會害了人類自己[5]。

西伯利亞闊口罐病毒
西伯利亞闊口罐病毒

  人們之所以懼怕病毒,是因為我們發現病毒能夠引起嚴重的傳染病,危害人類的健康與發展,但是真正對人類有害的病毒其實非常少。

  按照病毒宿主來分類的話,病毒可以分為植物病毒、細菌病毒和動物病毒,而人類作為動物的一員,也只有一小部分病毒可以感染人類,並在人與人之間進行傳播,比如流感病毒、愛滋病毒、登革熱病毒、SARS病毒、天花病毒等,其餘大部分的病毒則只會在特定的宿主身上生活,並不會危害人類的健康。

  病毒學家們統計發現,在目前所發現的可以在人與人之間傳播的病毒中,有75%是來自於其他的動物,在人類與這些動物接觸的過程中才給病毒創造了入侵人體的機會。比如愛滋病毒本身是存在於黑猩猩體內的,但它對黑猩猩並沒有什麼危害,在非洲人與黑猩猩的接觸中,感染上了愛滋病毒,隨後便使得愛滋病在全世界流行;SARS病毒是從蝙蝠傳播到了果子狸,而人類又對果子狸進行捕食,病毒從果子狸傳播到人,最後才導致SARS病毒在人與人之間的傳播。我們可以發現其實病毒在自然宿主里是能夠與宿主和平共存的,正是我們人類捕殺野生動物才讓這些病毒有機會跨越物種,它們可能還不能適應新的生活環境,沒有找到合適的相處之道,所以才有了傳染病對人類的危害。

  或許我們應該保持與大自然之間的距離,維護自然界的平衡,和大自然共同和平地生活在地球上,這樣才能避免病毒的跨物種傳播。而對於那些在人之間傳播的病毒,或許我們可以在野生動物與病毒的共生共存中看到我們與病毒的未來,經曆漫長的進化和人類的馴化,或許在未來病毒也可以與人類達到互利共生的平衡狀態[6]。

人類與病毒的相處
人類與病毒的相處

  Part.4

  結語

  回顧歷史我們可以發現,在人類文明的發展路程中,一直都有病毒的身影,病毒導致一次又一次傳染病的肆虐,而人類則一次又一次憑藉著智慧找到戰勝疾病的方法,每一次人類與病毒的對抗無疑都在推動著人類文明的進步。

  我們與病毒共同生活在地球上,共享著地球上的資源,難免會發生一些碰撞,在不斷的碰撞中,人類與病毒都在學習和進化,或許在不久的將來我們便能夠與病毒和平共存甚至是互利共生……

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