病毒的进化:从流感到埃博拉病毒

直到近十年人们才逐渐意识到，我们不仅生活在一个可见的生物圈（包括土壤、空气和海洋）中，还生活在一个不熟悉、不可见的病毒圈中。我们所生活的周围环境以及机体内部都含病毒，它们既是自我进化的外在有机体，也是能与我们体内细胞相互作用的共生体。我们可能并没有意识到这些时时刻刻生活在我们体内的微型乘客，但是，它们却用自己的方式发现了我们。 这对某些人来说可能有点吓人，甚至有些可怕，但事实上我们不必为此惊慌，因为病毒一直都在。在地球生物进化的历程中，它们很可能出现在人类起源之前，或者早于哺乳动物，又或者早于任何的动物、植物和真菌；如果我没猜错的话，它们甚至在单细胞变形虫出现之前就已经存在了。现在，病毒学开始逐渐明白病毒在生命起源、生物多样性及生物圈健康中的作用。 病毒肯定具有一些非凡的特征，否则将无法完成这一切功能。例如，虽然病毒无法移动，但它们能通过流行病的方式在人类之间传播，并且毫不费力地遍布全球。虽然病毒没有视觉、听觉、触觉、嗅觉和味觉，但它们能异常精准地探测到目标细胞、器官或组织。为防止这种情况的发生，我们的免疫系统会进行无情的反击，但是，它们还是能侵入我们的机体。一旦它们发现目标细胞，就会穿透细胞膜，冲破细胞防御，进入细胞的大本营，接管细胞内的生理、生化和遗传过程，迫使细胞成为子代病毒的制造工厂。 欢迎来到病毒世界！ 毫无疑问，这是一个奇怪的世界，充满了神秘色彩。而且，我们还不能在*基本的层面上研究它。 什么是病毒？我们该如何定义病毒？病毒和细菌之间又有什么区别呢？因为许多常见的传染病都是由病毒和细菌造成的，所以大众往往会混淆它们，其实，病毒和细菌是两个完全不同的概念。病毒比细菌更难定义，因为病毒是一种界于生命和非生命之间的物质。曾有一位杰出的学者将病毒喻为“包裹在蛋白质里的灾祸”，对它们不予理睬。虽然这种傲慢的比喻中夹杂着一丝真理，但病毒可不仅仅是灾害的来源这么简单。不如让我们更深入地探讨一下吧！从鲸鱼到人类，从毛茛到所谓的低级生物细菌，病毒是否像其他生物一样依赖于基因和基因组呢？这个问题的答案无疑是肯定的！病毒的确含有基因组，上面有编码蛋白质的基因。我们将在随后的章节中讨论病毒基因组的相关内容，届时，我们还会发现病毒基因组与其他生物基因组之间的重要差异。 那么，病毒是否与植物和动物一样遵循着同一种进化规律呢？答案依然是肯定的！由于病毒的存在，进化规律（涉及的具体机制）受到了一些影响。病毒只能利用宿主细胞来实现自我复制，因此，病毒曾被称为“专性基因寄生生物”。但是，随着我们对病毒的了解逐渐加深，再加上它们在宿主进化过程中所起到的复杂作用，这个旧定义已经不合适了。我们需要一个更恰当的定义，这个定义必须将病毒是共生体的事实考虑在内。其实，我们已经知道，病毒是终极共生体，具有三种共生行为模式——寄生、共栖和互利共生。此外，由于病毒在处理与宿主相关的进化规律中具有积极的一面，因此，它们也是潜在的“积极共生体”。 随着我们对病毒自身进化轨迹以及它对宿主进化影响的研究的不断深入，它们的故事会变得越来越离奇、越来越引人入胜。在地球上出现细胞形式的生命之前，病毒就已经出现在化学物质的自我复制阶段，这一说法是否合理呢？如果这是事实的话，那么，病毒又是如何从这种原始形式实现自我进化，并帮助地球上所有生命实现进化的呢？ 本书将以致病性病毒为切入点，以一种循序渐进的方式启发读者。我们将讨论以下疾病的原理：普通感冒、儿童疾病（如麻疹、水痘、疱疹、腮腺炎和风疹）、一些不太常见的疾病（如狂犬病、登革热和埃博拉出血热）和一些由病毒引起的癌症（如伯基特淋巴瘤）。我们将在讨论过程中探究病毒的感染原因，并就病毒进入机体后会发生什么、它们如何引起感染症状等问题进行解答。只有当我们认识到病毒在与人类“相互作用”的过程中所获得的能力时，才能对它进行更深入的了解。我们将从病毒的视角来审视那些重要的流行病，如流感、天花、艾滋病和脊髓灰质炎，这有助于我们阐述病毒感染对人类社会历史（从古埃及壁画到美洲、大洋洲和非洲的殖民地）的影响。本书还会深入探讨疫苗，包括从几个世纪前人类首次接种的天花疫苗到*近颇有争议的三联疫苗和人乳头瘤病毒疫苗。 当人类试图探索病毒与疾病的因果关系时，病毒学应运而生。我们以那些熟悉的病毒为研究对象，通过揭秘它们在生命进化过程中的作用来拓展我们的视野，同时，我们还将探讨病毒对人类进化史的影响。我们将会了解到人类如何与病毒共存，以及病毒如何在*亲密的层面上改变人类，影响进化过程。 我希望读者朋友能像我一样，站在生命起源的角度上认识病毒的重要性，它是我们地球上伟大的生物奇迹之一。从宏观上来讲，有关病毒的报道基本上都是负面的。这种现象可以理解，因为先前几代病毒学家与病毒的唯一交集就是去解决那些由病毒造成的感染。时至今日，一股变革之风正吹向病毒世界。*近，一位著名的病毒进化学家提出，我们正在见证“病毒回归热潮”。这位学者所说的究竟是什么意思？为什么一些现代病毒学领军人物会引入“病毒圈”这个术语，并将其作为打开病毒对整个地球生物圈影响之谜的关键钥匙呢？难道真像一些人所想的那样，病毒应该被视为“生命的第四域”吗？ Chapter 2 — 咳嗽、打喷嚏会传播疾病 从历史的角度来讲，病毒在生物学分类上隶属于“微生物”。微生物是造成人类、动物和植物罹患感染性疾病的根本原因。令人感兴趣的是，我们体内的部分器官对微生物非常熟悉，尤其是病毒。那就是人体的防御系统，医学上将其称为免疫系统。也许，正是因为我们生活在一个充满微生物的世界里，我们才会拥有这种天生的免疫保护屏障。 我们的皮肤和黏膜表面上覆盖着大量的微生物。生物学家将其称为“人体微生物群系”。虽然仅仅是承认它们的存在就会让我们中的一些人感到惶惶不安，但是这个隐秘的世界并不具有真正的威胁性。这些各种各样的细菌和其他微生物是我们机体的一部分，它们栖息在我们的皮肤表面、口腔、咽喉、鼻孔、鼻腔，以及女性的生殖道中。据说，人体内大约有30万亿到40万亿个细胞——如果用科学计数法表示的话是3×1013～4×1013——这些细胞组成了人体的组织和器官。与此同时，人类的皮肤、肠道、口腔、鼻腔、咽喉和女性生殖道中的微生物（包括细菌、古生菌和原生生物）数量是人体细胞数量的10倍。曾经发生过的流行病和日常感染给我们的生活留下了阴影，让我们想当然地认为所有微生物都是有害的；但是，人体微生物群系实际上对我们无害。许多微生物只是以共生方式生活在我们体内，并不会伤害我们；而且大部分微生物有助于我们保持身体健康。例如，肠道内的微生物在营养物质的吸收过程中扮演着重要角色，可以帮助我们吸收维生素B12，保护我们的肠道免受致病微生物的侵害。在我们的排泄物中，结肠菌群至少占到30%。 越来越多的证据表明，人类从皮肤和腹腔的微生物菌群中受益匪浅。这种整体性的认知回避了一个相关问题：病毒是否也是人体微生物群系的一部分，是否也会对我们的健康做出贡献？那些有利于宿主吸收营养或保持健康的微生物肯定与宿主进行了长时间的共生进化。接下来，我们将思考病毒与宿主之间的相互作用。如果想拿病毒和细胞共生体（如人体肠道或皮肤的细菌菌群）做比较的话，我们就必须考虑一些完全不同的东西。病毒栖息在宿主的基因组中。 单从功能方面来讲，病毒似乎不能发挥什么作用，例如，它们并不能帮助人体吸收维生素。不过真正的问题在于，如果病毒能够在某种程度上有利于宿主健康，或者帮助宿主进化，那么这种贡献可能就比较微妙了，也许会涉及病毒与人类宿主的免疫系统之间、病毒与更深层次的人类遗传机制之间的相互作用，甚至会涉及人类细胞核中的基因组（人类遗传信息的存储库）的改变。如果这是真的，那么病毒在人类的进化过程中的确做出了巨大的贡献。 这些问题很重要。也许，很多读者会觉得只有那些不怎么有用的病毒才具有这种能力。 本书将探索光怪陆离的病毒世界。让我们从消除以下这个普遍存在的误区为切入点：很多人将病毒和细菌混为一谈。这很正常，因为病毒和细菌都能导致人类日常生活中的常见病，尤其是儿童发热。家庭医生每天都要处理这些常见病，通常他们会使用类似的方法来实施治疗——用抗生素来治疗细菌性感染，用抗病毒药物来治疗病毒性感染，或者接种相应的疫苗。因此，难怪人们会混淆病毒和细菌。那么，二者之间究竟有什么区别呢？ 其实，病毒和细菌之间存在很大区别。*明显的就是体型大小：大部分病毒都比细菌小很多。如果我们仔细观察一下感冒的先兆——咳嗽和打喷嚏，就能很好地理解这点。虽然其他病毒也会引起感冒，但是大多数感冒的罪魁祸首都是一种叫作“鼻病毒”的特殊病毒。如果我们回想一下感冒的常见症状，如打喷嚏、鼻塞和流鼻涕，就会发现“鼻病毒”这个名字还是非常贴切的，因为其英文名“rhinovirus”中的“rhino”一词源于希腊语的“rhinos”，意思为“鼻子”。在所有感染人类的病毒中，鼻病毒*为常见。每当秋冬时节来临，由鼻病毒引发的感冒就会出现季节性高峰。我们对鼻病毒了解得越多，就越能见证其对自然环境以及感染和传播的生命周期的适应性。 鼻病毒非常微小，直径在18～30纳米之间。1纳米是1米的十亿分之一。我们通过这点就能看出，单个鼻病毒是非常小的微生物（病毒颗粒）。从分类学来看，鼻病毒被归为小RNA病毒科的鼻病毒属，其科名“picornavirus”源于“pico”和“rna”，表明鼻病毒是一种RNA病毒而非DNA病毒。现在，让我们暂时先把这些与遗传物质相关的讨论放在一边，本书将在随后的章节中重新讨论RNA病毒基因组的意义。 让我们回到病毒和细菌的大小问题上，实验室的普通光学显微镜无法观察到鼻病毒。只有在放大倍数惊人的电子显微镜下才能看到这些外形近似球体的病毒颗粒。其实，如果我们在电子显微镜下仔细地观察单个病毒颗粒，就会发现它们并不是真正的球体，而是多面体，看起来像切割的钻石一样。"