这篇有趣的硬核科普，让你对病毒知己知彼
Feb.
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灼见（微信号：penetratingview）
原来你是这样的病毒
作者 |朱钦士
来源 | 北京大学出版社
在这段不同寻常的日子里，几乎所有人的注意力都落在“新型冠状病毒”。新型的背后，是各种各样“旧型”病毒，以及人类与之持续不断的斗争史，“禽流感”、“猪流感”、“埃博拉”……这些都不是多么久远的事。或许是时候深入了解一下这个被称作“病毒”的东西了。
01
病毒的发现
平时我们所说的生物，无论是原核生物(细菌和古菌)，还是真核生物(动物、真菌和植物)，都是由细胞组成的。除了这些细胞类型的生物，地球上还有另一类数量极其庞大的非细胞类型的生物体，这就是病毒(virus)。
法国科学家路易斯·巴斯德(Louis Pasteur，1822—1895)首先意识到病毒的存在，因为他不能用显微镜看见引起狂犬病(rabies)的致病原，所以致病原一定比细菌小。1884年，与巴斯德一起工作的法国科学家Charles Chamberland发明了陶瓷过滤器，上面的孔比细菌小，能够把液体中的细菌挡住而不让通过。
路易斯·巴斯德(Louis Pasteur，1822—1895)
8年之后，俄国科学家DimitriIvanovsky发现，从患烟草花叶病的烟草叶获得的液体在通过细菌过滤器以后仍然能够使烟叶患病， 说明致病原能够通过该过滤器。
1894年，荷兰科学家Martinus Beijerinck重复了Ivanovsky的实验，得到了同样的结果，并且认为致病原只能在细胞中才能繁殖，他把这种致病原叫做病毒。 但是只有在1931电子显微镜发明后，人们才第一次看见病毒的模样。
02
原来你是这样的病毒
病毒基本上就是由蛋白质包裹的DNA或者RNA。这层蛋白质包被叫做衣壳(capsid)，由相同的蛋白质单位组成。这些组成衣壳的蛋白质单位叫做壳粒。衣壳的形状常为多面体，例如20面体。有的病毒在衣壳外面还有一层脂质的包膜，类似细胞的细胞膜，上面也有蛋白质分子。病毒没有细胞结构，即使有些病毒有类似细胞膜的外膜，膜里面也有遗传物质，但是病毒没有细胞质，即没有一个水溶液的环境。
由于地球上的生命活动是以水为介质的，化学反应要在水溶液中才能进行，没有水溶液的环境也意味着没有化学反应，所以病毒没有自己的新陈代谢。
例如病毒没有合成蛋白质的核糖体，也不能合成自己的遗传物质。在单独存在时，病毒没有通常意义上的生命活动，因此也称为病毒颗粒。我们平时所见的病毒照片，都是病毒颗粒，即它们在细胞外的模样。要是只看病毒颗粒阶段，可以认为病毒是没有通常意义上的生命的。
病毒的结构虽然简单(和细胞相比而言)，但是却含有储存生命信息的分子，DNA或者RNA。一旦有发挥它们指令作用的环境，即到活的细胞内部，这些指令就可以调动细胞里面的资源和生产线，合成复制自己所需要的遗传物质和壳粒蛋白。从这个意义上讲，病毒就是只有指挥部，没有工厂的单位，指挥部进入别人的工厂发号施令，由这些工厂来生产自己。
与真菌和动物一样，依靠其他生物的有机物来“生活”，因此所有的病毒都是异养的。真菌和动物还要自己消化而后吸收有机物，再用“基本零件”(氨基酸、核苷酸、葡萄糖等)来建造自己的身体，病毒把这些活动全免了，只发指令，其他一切活动都靠被感染的细胞进行，复制出多个自己，真的是“饭来张口，衣来伸手”。
由于这种“生活方式”是最省事的，通过这种方式来“生活”的病毒也种类繁杂，估计有数百万种之多，能够感染地球上所有的生物。无论是动物、植物、真菌，还是细菌和古菌，都不能幸免于病毒的攻击，而且同一种生物还可以被多种病毒感染，例如人就可以被感冒、流感、肝炎、SARS、艾滋病、狂犬病、脑膜炎、天花、麻疹、水痘等病毒感染。
由于病毒能够把地球上所有的生物当做生产自己的工厂，病毒的数量极其庞大，超过地球上的任何生物。例如每毫升海水就含有多达2.5亿个病毒，是同样体积海水中细菌数的十倍至数十倍。据估计，地球上病毒总数有1031个之多！从这个意义上说，病毒利用现成有机物复制自己的本领比动物大得多。它含有和细胞生物同样类型的遗传物质，使用同样的遗传密码，并且能够在竞争中不断演化，因此也可以看成是生命的一种形式。
细胞被病毒“劫持”后，就变成了生产病毒的工厂，在很多情况下会使被感染的细胞死亡，即在大量的病毒颗粒被生产出来之后，细胞破裂，释放出病毒。这对于单细胞生物如细菌，就直接是死亡。对于多细胞生物，病毒可以造成部分细胞死亡，或者生物整体的死亡。例如1918年的流感大流行就夺去了数千万人的生命。从欧洲带入的天花病毒曾经杀死了约70%的美洲原住民。
在海洋中，病毒每天杀死约20%的单细胞生物，包括细菌和藻类。如果细胞生物没有抵御病毒攻击的能力，所有的细胞都会被病毒消灭。因此从细菌开始，就有抵御病毒攻击的机制。病毒和细胞生物之间，就在这种进攻和防御的斗争中建立大体平衡的关系，并且双方都在这场无休止的斗争中不断演化。
03
病毒如何感染细胞
病毒要繁殖，首先要进入细胞。根据要进入的细胞不同，病毒也有不同的进入细胞的方式。
噬菌体感染细菌是用注射其DNA进入细胞的方法。由于细菌的细胞膜外面还有细胞壁，整个噬菌体进入细菌的细胞有困难。噬菌体附着在细菌表面后，其“头部”含有的双链DNA经过“尾部”被直接注射进细菌的细胞质，噬菌体的其余部分则留在细胞外。注射所需要的压力来自DNA自身。噬菌体在细胞中生成时，蛋白质的外壳首先形成，里面还没有DNA，所以内部是空的。噬菌体的DNA是在末端酶的帮助下，像压缩弹簧那样把DNA包装进“头部”的。这个被压缩的“弹簧”在噬菌体附着在细菌表面时就能够“弹”入细胞。
动物的细胞没有细胞壁，所以病毒可以直接和细胞质接触。病毒通过细胞表面的特种蛋白与细胞结合，在特异结合完成后，细胞会用内吞(endocytosis)的方式把病毒“吞”入细胞，所以整个病毒，包括其衣壳，都会进入细胞。例如艾滋病的病毒就通过淋巴细胞上的CD4蛋白和细胞结合，从而进入表达CD4的淋巴细胞。在进入细胞后，衣壳蛋白质解离并且被细胞降解，释放出遗传物质。
植物的细胞也有细胞壁，而且由于植物的细胞远大于细菌，其细胞壁也比细菌的细胞壁厚得多。感染植物的病毒，像类病毒一样，无法直接进入植物细胞，而需要植物细胞的损伤。但是一旦进入细胞，它们能够通过胞间连丝(plasmodesmata，细胞之间通过小孔建立的细胞质联系)从一个细胞进入另一个细胞。
由于病毒只能在细胞内才能进行繁殖，而原核细胞和真核细胞，真核生物中的植物细胞和动物细胞在大小和结构上有很大的不同，即使是同一种生物也有不同类型的细胞，例如人的身体就由200多种不同类型的细胞组成， 某种结构的病毒常常只能感染适合它的细胞，而不能感染别的类型的细胞。
例如感染植物的病毒一般对动物就无害，许多感染动物的病毒也不能感染人类。即使在人类，病毒也不能感染所有类型的细胞。例如乙型肝炎的病毒就不能感染皮肤细胞，艾滋病的病毒也不能感染肝细胞。
噬菌体基本上都含有双链的DNA，但是还没有发现能够感染植物的含双链DNA的病毒。感染植物的病毒多含有单链的RNA。含RNA的病毒多数感染动物和植物，只有少数能够感染细菌，但是还没有发现能够感染古菌的RNA病毒。感染古菌的病毒，像感染细菌的病毒(噬菌体)那样，含有双链的DNA。
04
生物如何进行自我防卫
地球上的生物不断演化，从原核生物到真核生物，从单细胞生物到多细胞生物，构造越来越复杂，功能越来越多样，最后产生了被子植物和哺乳动物这样的高级生命形式。
人类更是地球上生物演化的最高峰。我们的身体由多个系统(例如消化系统、呼吸系统、循环系统等)，200多种细胞，大约60万亿个细胞组成。光是我们的大脑就含有约100多亿个细胞，在此基础上产生了感觉、意识、思维和情感。我们不仅能够成功地在地球上生活，成为这个星球的主宰，我们还能够反过来研究这个产生我们的世界，了解宇宙诞生和演化(包括生物演化)的过程和规律。
但是这并不意味着，低级生物就会被高级生物所取代，像4G手机取代3G手机、数码相机会取代使用胶片相机那样。对于生物来讲，地球(包括陆地和海洋)是极其巨大的，可以为各种生物，包括原核生物，提供广大的生活的空间。例如蓝细菌是地球上最古老的生命形式之一，已经有约35亿年的历史，至今仍然在地球上繁衍。
地球上生活环境的多样性(海洋、陆地、热带、寒带、酸性、碱性、地表、地下、干燥、潮湿、以及不同环境中化学组成)也能够为各种生物形式，从低级到高级，提供适合它们生存的环境。许多不适合高等生物生活的地方，如热泉、地表之下、酸性或者碱性的环境等，却是一些原核生物生活的地方。不仅如此，由于真核生物是由大量的有机物组成，而且会死亡的，真核生物的出现不仅没有使原核生物消失，反而由于真核生物提供的大量有机物而使异养的原核生物有更大的发展空间。异养的真核生物，例如真菌，也主要是依靠其他真核生物提供的有机物生存的。
蓝细菌
许多异养的原核生物和真菌，在这里我们统称为微生物，是依赖死亡的动植物提供的有机物生活的，但是它们并不一定要等到动植物的死亡。动物和植物，无论死活，都是有机物最丰富的来源。如果动物和植物没有防卫系统，活的动植物和死的动植物对于这些微生物来说就没有根本区别，一样会被它们所分泌的消化液消化掉。
动植物体内多水的环境，适宜的酸碱度，全面和丰富的营养，本来是为动植物自己的细胞所使用的，但同时也可以是细菌和真菌生活和繁殖的理想场所。特别是恒温动物那30多摄氏度的体温，体液中丰富的营养，更是许多微生物生活的“天堂”。如果没有防卫系统，活人就会很快被微生物消化干净。
除了微生物，地球上所有的生命形式，包括原核生物，还会受到病毒的侵害。在许多情况下，被病毒感染的细胞会死亡破裂，释放出更多的病毒。如果生物没有对抗病毒的有效机制，任由病毒繁殖的“链式反应”进行下去，所有的生命形式都会受到极大的威胁。第二次世界大战前欧洲流行的流感就是由病毒引起的，造成了数千万人的死亡。病毒的生活方式，也是利用其他生物身上现成的有机物来繁殖自己。病毒不仅攻击真核细胞，也攻击细菌，所以从原核生物开始，就有了对抗“抢夺”自己有机物的入侵者的斗争。
细菌、真菌和病毒的例子说明，地球上异养生物获得其他生物现成有机物的方式，不仅可以“大吃小”，例如大鱼吃小鱼，水螅吃细菌，而且可以“小吃大”。在这里“小”就成了这些异养生物的优点。
由于它们是如此之小，很容易随风飘荡，所以无处不在，被侵害的生物“无处可藏”。动物跑得再快，也跑不到没有微生物的地方。也正是因为它们小，动物的触觉、视觉、听觉、味觉、嗅觉也发现不了细菌、病毒，而且生物对付捕食动物的一些方法也不管用，例如牙齿和爪子对微生物就相当于是用大炮打蚊子，毫无作用。因此要对抗微生物的攻击，必须采取另外的专门手段，“以小对小”。
微生物和病毒是细胞或者亚细胞水平的，生物也用细胞水平，甚至分子水平的手段来对付。这就是生物的防卫系统，也叫免疫系统(immune system)。Immune这个词来自拉丁文的“immunis”，意思就是“免除”，在这里指免除微生物的攻击。
一开始，免疫学研究的主要是人类对抗微生物和病毒的机制，后来逐渐扩展到其他动物身上，再扩展到植物和细菌的防卫机制。它们的共同点都是抵抗比自己小得多的生物抢夺自己身上有机物，并因此可能危及自己的生命的活动。
生物的免疫系统可以大致分为两大类，先天的和后天的。
先天免疫系统是与生俱来的，不需要学习，按照固定的程式对入侵的外来物质起反应，能够同时对抗多种微生物，因此也被称为“非特异的免疫系统”。原核生物、植物和动物都拥有各自的先天免疫系统。
后天免疫系统不是与生俱来的，而是在生物形成后通过学习获得的。它能够“记住”某种入侵微生物，并且特异地对这种微生物做出反应，因此也被称为适应性免疫，或者特异性免疫。过去认为只有脊椎动物才有适应性免疫系统，但是近年来的研究表明，原核生物也拥有适应性免疫系统，只是具体的机制和动物的适应性免疫机制不同。
本文选自北京大学出版社，文章内容节选自：朱钦士《生命通史》，本书获得2019年《南方都市报》年度十大好书。灼见经授权发布。
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