病毒的世界

編譯 方陵生

睜開雙眼去看這個不可思議的病毒世界，可以幫助我們預防疾病，了解生命的起源，甚至可以讓我們洞察、預見未來自然世界可能發生的變化。

想象某個漂浮在太空中的外星生物體，它不能憑自己的力量生長，除非感染宿主，它漂泊不定，沒有活力。我們對它知之甚少，只知道當它進入一個適合它的星球的大氣層時就開始繁殖。那么，它是活的嗎？它很危險嗎？

這聽起來像是一個不可能的存在，但它幾乎就是對病毒的描繪，病毒只不過是一些基因物質，它們只有在宿主體內才能復制。病毒看似不像是地球生物，但它們卻是地球上最豐富、最重要的有機體。它們幾乎無處不在，從海洋到森林，到你周圍的人群，都是病毒的棲息處。當然，病毒也存在于你的身體表面，潛藏在你的身體里。這個由奇怪的準生物（quasi-living）組成的世界被稱為病毒圈。這是一個神秘的世界，因為我們對病毒的了解比任何其他生命形式都要少，但這種情況正在發生改變。

人們普遍認為病毒是感染的同義詞，毫無疑問，它們會導致一些最嚴重的疾病，包括天花、艾滋病、埃博拉、流感和SARS等。然而，病毒并不僅僅只是濫殺濫傷的殺人機器。在過去五年里，我們對病毒的遺傳物質進行檢測的能力呈指數級增長，鑒定出的病毒種類增加了20倍。而且我們清楚地認識到，這些奇異而多樣化的準生物在進化中扮演著關鍵角色，甚至在生命的起源方面發揮著至關重要的作用。

病毒帶來害處，也可帶來益處

就絕對的豐富度而言，沒有其他生物能與病毒相提并論。一項研究估計，僅海洋中的病毒數量就多達1030個；另一種觀點提出，地球上的病毒總數比這個數字還要高出一個數量級，達到1031個，比宇宙中估計的恒星數量多出100萬倍。根據2019年發表的研究，每天附著在塵埃上落到地球表面的病毒約有8億個/平方米，而我們對其中的大多數病毒幾乎一無所知。

病毒是否是活的生物體是一個長期爭論的問題。賓夕法尼亞州立大學的瑪麗蓮·魯辛克（Marilyn Roossinck）說：“告訴我活著意味著什么，我就會告訴你病毒是否是活的。病毒如果不能附著在宿主體內，它什么也不是。那么，病毒是否是活的這個問題就顯得不那么重要了。”

我們已知病毒在宿主體外存活的時間長短差別很大。有些病毒只能存活幾秒鐘，而另一些病毒卻能長期存活甚至達幾十年。溫度是一個重要因素。在高溫的環境中，病毒往往很快死亡，這就是為什么加熱是殺死病毒的有效方法之一。這甚至可以解釋為什么人們會進化出感染時會發燒的機制。在較冷的溫度條件下，病毒可以存活數月甚至數年，然后尋找感染宿主的機會直到成功。天花病毒在4℃～5℃的溫度條件下可以持續存活數十年。

一旦進入宿主體內，病毒就開始活躍起來。宿主可以是任何種類的生物，甚至是另一種病毒，這一點在十年前就已經很清楚了，一種叫作“人造衛星”（Sputnik）的病毒，就生活在一種巨型而復雜的病毒中。進入某個細胞內的病毒可利用細胞的生物機制復制其自身遺傳物質。以“人造衛星”病毒為例，它可與巨型病毒競爭代謝物。病毒復制起來很快，這個過程可以在感染后幾個小時內開始，幾天之內，它們就可能擴散到宿主的所有細胞中。

盡管我們持有所有病毒都有害的偏見，但實際上病毒與宿主之間的相互作用并不能一概而論，病毒是有害的，也可以是有益的。以假裸囊菌屬真菌為例，它可在蝙蝠群體中導致一種叫作白鼻綜合征的疾病，這種疾病已產生嚴重影響，導致北美蝙蝠數量減少。當被病毒感染時，這種真菌活性更強，會產生更多的孢子。這顯然是有害的。但人類也可從一些病毒中受益。一種叫作噬菌體（侵襲細菌的病毒）的有機體可通過殺死致病細菌來幫助我們保持健康。研究人員正開始使用這些噬菌體來治療細菌感染。另外，病毒甚至可以成為宿主遺傳密碼的重要組成部分。

病毒生態學正在興起

一個被稱為病毒生態學的新型研究領域正在興起，主要研究病毒與其宿主之間的相互作用，這是一項龐大而艱巨的工程。以人類微生物群為例，我們每個人的身體表面和體內都生活著大量微生物。我們體內包含數百種不同的細胞類型，包括那些構成復雜免疫系統的細胞，它們不斷地試圖對抗外來生物體，所有這些細胞都與我們體內微生物群中成千上萬甚至數百萬種病毒和細菌產生相互作用。這些微生物既相互幫助，又相互競爭，它們的相互作用似乎是無窮無盡的。

然而，我們已經開始關注病毒生態學的全景全貌。2017年的一項研究提供了第一張當時已知所有種類病毒與宿主的關系網圖譜。研究團隊對病毒在不同環境中的分布及其活動進行了研究。令人驚訝的是，大多數病毒的棲息地范圍極為狹窄，有些病毒只感染一種或兩種宿主。2017年的另一項研究揭示了病毒世界的另一個神秘部分，有一些病毒只感染被稱為古生菌的單細胞生物，那是另一個不同的病毒世界。

病毒重新分類已是當務之急

噬菌體在攻擊大腸桿菌，這些病毒利用大腸桿菌的蛋白質來完成它們的生命活動

以上介紹的病毒只是冰山一角。長期以來我們一直懷疑病毒是地球上種類最多的一類生物，不過病毒種類到底有多少，我們仍然只有一個模糊的認識。過去二十年中新確認的病毒種類比以往任何時候都更多。2003年前我們甚至不知道巨型病毒的存在，這種病毒的基因超過1 000個，而微型病毒的基因可少至區區10個。鑒于病毒往往只攻擊少數宿主，它們的多樣性可能遠遠大于所有其他物種的總和。

元基因組學的出現讓我們對病毒多樣性的認識有了新的進展，研究人員無須分離單個生物體就可以識別環境樣本中存在的病毒基因，他們可以直接從海水或土壤樣本中分析出其中含有多少病毒遺傳物質。

但是，“令人失望的是，元基因組數據包含了許多未經確認的序列——我們稱之為‘暗物質’。”澳大利亞悉尼大學愛德華·霍姆斯（Edward Holmes）說道。目前很難弄清楚這種“暗物質”到底是什么。由于病毒驚人的進化速度，確定某種特定病毒物種的基因變得更加困難。霍姆斯表示，為精準地分析病毒，我們需要能夠“看到”它們，這就需要研究基因序列以外的特征，比如病毒蛋白質的結構。

繪制病毒圈圖譜的另一個問題是，研究人員不確定如何對病毒進行分類。目前，他們使用的系統與用于所有生物的分類系統相似，到目前為止，用這種方法分類的病毒還不到5 000種。更重要的是，研究人員越來越意識到，現行的分類體系存在巨大差距，有些地方甚至是錯誤的。對病毒重新分類已是當務之急。2020年3月，國際病毒分類委員會（ICTV）呼吁對整個病毒圈進行分類，這是一項龐大而艱巨的任務，但潛在的好處也是巨大的。《自然》雜志：“在我們對這些病毒進行調查研究之前，我們無法知道歸于‘不重要’類別的病毒實際上可能會產生什么樣的影響。病毒分類是一種直接的方法，有助于通過今天的努力解決明天可能出現的全球性問題。”

這聽起來是個宏大的計劃，但也是很有必要的。病毒不僅僅對人類健康和生計構成威脅，病毒對于地球生命而言也是必不可少的。進化生物學家開始意識到，病毒提供其所獲得的新基因材料可幫助生物體適應和生存。病毒的進化速度比任何其他已知生物體都要快得多，比我們人類的進化速度快100萬倍，因此它們能夠不斷獲得新的遺傳物質。病毒可以在一個叫作水平基因轉移的過程中與宿主共享這些新的基因。我們可以將這個過程想象成一種交易游戲，玩家可以通過換牌讓自己和對方很快獲得最好的牌面組合。如果能與快速應變的玩家（病毒）交換，就能擁有一手更有競爭力的好牌。

了解病毒、宿主及其環境之間的關系

病毒無處不在

病毒水平基因轉移并不能為個體提供直接的幫助，但是基因交換可能有助于解釋地球上生命的復雜性：快速進化，再加上基因交換的能力，使得簡單的生物體能夠快速適應幾乎任何環境。這對最早的生命形式至關重要，而病毒可能在人類早期生命的成功中扮演了重要角色。因此，更多地了解病毒、宿主及其環境之間的關系，能給予我們對生命的進化乃至起源方面一些重要的洞察。

此外，對病毒生態學的研究可以幫助我們理解——甚至有一天有可能預測——病毒與其宿主之間相互作用的結局。當宿主是我們人類自身的時候，這種好處是顯而易見的。一個被稱為“全球病毒組項目”（Global Virome Project）的目標是“檢測地球上大多數未知病毒及其威脅”，預測哪些病毒可能會跳轉宿主，感染人類并可能導致死亡。

“地球上的病毒比宇宙中的恒星多100萬倍，病毒測序本身并不能預測它們在人類身上出現的概率，”霍姆斯說，他對這個項目表示質疑，“我們還需要做更多的工作，包括研究病毒的實際行為。”

回溯歷史，我們對病毒的研究幾乎完全是以人為中心的——主要關注可能危害我們健康或對經濟發展產生重大影響的病毒。現在，病毒學家認為這種情況必須改變：我們應該正視對病毒固有危險性的偏見，我們需要更深入地了解病毒到底是什么，它們從哪里來，以及它們如何持續地影響著地球生命的多個方面。

睜開雙眼去看這個不可思議的病毒世界，可以幫助我們預防疾病，了解生命的起源，甚至可以讓我們洞察、預見未來自然世界可能發生的變化。

鏈接：病毒之間的信號交流

病毒離開了宿主可能是不活躍、不活動的，但一旦進入宿主體內，它們的行為就變得異常復雜起來。20年前，研究人員發現，有些病毒甚至會發送信號，幫助它們決定在病毒版本的“囚徒困境游戲”中是競爭還是合作。

最近的發現表明，它們是依賴于被稱為多肽類的微小蛋白質來傳遞信息。這種基于多肽的信號在多種病毒中都有發現，包括那些引起流感、麻疹和脊髓灰質炎的病毒。然而，大部分的研究都是在噬菌體中進行的。病毒通過信號交流來協調自己的行為，特別是當需要決定是攻擊還是休眠的時候。研究發現，不同的病毒種類都有自己的一套秘密信號，它們還能夠“竊聽”其他病毒和宿主物種的信號。

我們可以利用這些發現來對抗疾病。事實上，普林斯頓大學的研究人員已經設計出了病毒“殺手”噬菌體。這種病毒“殺手”能夠感知包括大腸桿菌和沙門氏菌在內的其他微生物所特有的信號，然后瞄準目標并消滅它們。這表明，我們也許有一天能夠根據需要操縱噬菌體殺死任何細菌。隨著全球范圍內抗生素耐藥性的增加，這可能成為一些重大疾病的重要替代療法。