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追溯病毒的起源?

人类这物种,真的标志着生命进化的顶峰吗?或者病毒才是?因为在历史长河中,当人类进化得越来越复杂时,病毒已经精简了,成功地抛掉了很多基因,只留下了少数的必需基因。

今天,病毒是如此的小和简单,有些甚至不能自我复制,因此,病毒携带的基本遗传物质,需要“溜进”宿主细胞,并诱骗宿主细胞才能复制。例如,只有14种蛋白质编码基因的流感病毒就是如此。

病毒是如此的基本,许多生物学家认为它们甚至不能被归类为一种生命形式。

新病毒唤醒旧问题

但随着科学研究的发展,我们开始转变了对病毒的看法。2003年,法国科学家观察到了一种神秘的微生物,它体型比一般病毒大许多,看起来像一种细菌,但与细菌有着不同的基因。它寄生在水中的单细胞生物阿米巴变形虫中,借助将自身的遗传信息融入其他动物的身体而繁殖,这种微生物也可以钻进人体,导致人的肺部产生疾病。

但当时,科学界发现的病毒大小大约都在10至100纳米之间,即便是较大的病毒,比如天花病毒,也只有300纳米。而这种新发现的病毒达到400纳米,科学家们意识到这是一种巨大的病毒,他们称这种像细菌的生物为“酷似细菌的病毒”或者“巨病毒”。

但“巨病毒”不只是具有大块头,它还携带了1000个基因,对病毒一族来说,这是一个巨大的基因组,只比一些细菌少了几百个基因。之后,科学家又发现了另外几个巨型病毒,比如2013年发现的潘多拉病毒,有大约1100个基因,再一次刷新了巨型病毒的记录。

这些病毒拥有如此之多的基因数量,暗示着它们存在复杂的遗传性,也由此再次唤醒人们对病毒的研究兴趣,以及重提那些由来已久的问题:病毒是什么时候开始进化的?对更复杂的细胞生命来说,病毒是它们进化过程中的一块“跳板”吗?病毒和细菌,谁先出现?

这些问题非常棘手。因为对于考古学家来说,研究古生物最好的资料就是各类化石,但病毒是比较特殊的类群,它们只由包裹在柔软的蛋白质外壳里的几股DNA或RNA构成,因此它们不会变成化石,没有化石记录的研究,几乎已经不可能追溯它们的血统。

为了解决病毒进化的问题,研究人员开发了一种新方法,即重建微生物的“家族树”,来追溯细菌和病毒的起源。

回归微生物的“血统”

那么,我们如何重建进化过程中的“家族树”或“进化树”呢?

科学家们通常是通过比较物种间的基因:两种生物拥有的共同基因越多,说明它们的关系越密切。但是这种技术能让你回溯的时间只有100万年左右。因为在这以前,生物的DNA已经发生很大突变,再往前追溯的话,我们不太可能看到不同物种之间的相似性。

所以,研究人员想回到地球生命刚刚开始的时候——大约35亿年前。对于这个时候的生命,就不能用比较物种之间的基因这种方法了,研究人员用了另外一种方法:比较生物体蛋白质的形状,或者说看看蛋白质是如何“折叠”的。

蛋白质是高精度的分子装置,如果改变了它们的形状,就会破坏它们的功能。虽然生命可以接受遗传密码连续且温和地转变,但不能忍受蛋白质形状的改动,哪怕改动是微小的。因此,生物的某种蛋白质形状自诞生起可能就没什么改变。这意味着,追溯蛋白质的形状,或许能把我们带到我们想要去的远古时期。

不久前,计算机科学家们开发出一种算法来比较蛋白质的形状,其中包括3460种病毒和1620个细胞。他们发现,细胞与病毒中,有442个蛋白质形状是相同的,而病毒有66种蛋白质形状是独有的。

研究人员把蛋白质的形状放到“一棵树”中,每有一种新的蛋白质形状出现,就代表着一个新的“分支”。研究小组使用化石证据来说明特定分支的萌芽。例如,蓝藻(蓝绿色)中有一种特定的蛋白质形状,这是第一次出现这种蛋白质形状,而后来它所有的后代都带有这种形状。通过比较蓝藻首次出现在化石记录(21亿年前)和其后代出现的时间,就可以确定这个特殊的折叠形状大约出现在20亿年前。

根据微生物的家族树,病毒是古老的,但它们并不是第一个形成的生命。而家族树还表明了,病毒和细菌有一个共同的祖先——一个能完全运作、自我复制的细胞。从这个原始细胞开始,细菌也像人类一样,朝着越来越复杂的方向进化;而病毒则反其道而行之,开始逐渐摆脱它们不需要的基因,直到再也无法自我复制。

研究人员估计,在约15亿年前,病毒就有了66种特定的蛋白质形状,这是病毒的进化之旅中关键的一步:突变发生在病毒的蛋白质外壳,使得病毒可以入侵到宿主细胞中。

也有“好”病毒

现在,大多数人提到病毒,可能会不寒而栗,大脑立马联想到各种禽流感病毒、艾滋病病毒(人类免疫缺陷病毒),或是前些时候出现的埃博拉病毒,认为病毒就是致命的“害虫”。但科学家告诉我们,尽管很多病毒很致命,但是有些病毒也有好的一面。

没有病毒这类居民,地球上的生命会很不一样,甚至可以这么说,如果没有它们,我们也不会在这里。

例如,研究人员推测,1亿多年前,原始的哺乳动物被一种病毒感染后,会捕获一个基因,促进了胎盘的发展。因为这个基因能使得胎盘细胞与子宫相融合,让胎儿从母亲子宫汲取养分。

在现代测序技术的发展下,人类基因组已经得到破译,令人惊奇的发现是,在人类的基因组中竟然有高达10万条片段来自病毒,这些病毒基因片段占据了人类基因组的8%。

此外,还有另外一个人们比较关注的问题:病毒是否有资格作为生命?研究者认为,如果病毒起源于一种活细胞,那么当我们用病毒感染这种活细胞时,如果它们能融合到一起,最终成为一个“完整的生命系统”的话,病毒是可以作为一种生命的。但问题是我们至今未发现这种活细胞。

澳大利亚悉尼嘉万研究所的分子生物学家认为,人们常常“指责”病毒不能自由生活(依赖于宿主,引发很多疾病)。但若要仔细说来,这种现象就像是一个哲学问题,就好比说,你是否认为人类是独立的生命体?如果你觉得人类是独立的生命体,那么,假设地球上的植物消失了,没有光合作用产生的氧气,或许人类就不能存活了。同样,没有动植物作为人类的食物,人类也无法存活。所以,无论是哪种生物,病毒也好,人类也罢,它们不单单是个体,也是一个相互作用和联系的系统。


(本文源自大科技*科学之谜2016年第2期文章)

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