病毒，初次見面請多關(guān)照

王旭東

春夏之交的某一天，一位荷蘭煙農(nóng)迎著微風(fēng)漫步在煙草田中，他看著茁壯生長的煙草，心里充滿喜悅。今年應(yīng)該又是豐收年了。但當(dāng)他蹲下仔細(xì)查看植株時，頓時皺起了雙眉：剛抽出的嫩葉葉脈變成了半透明，而且有一條條黃黃綠綠的斑紋，有些老葉片出現(xiàn)了大面積的褐色壞死斑，還有部分已經(jīng)完全枯萎腐爛。曾經(jīng)鮮活的葉片上留下了一片片斑駁污損，像馬賽克一樣一塊接著一塊。一周后情況更糟糕了，大部分植株都出現(xiàn)了病狀。這位煙農(nóng)從來沒有遇到過這種狀況，心急如焚，急忙向年輕的德國農(nóng)業(yè)化學(xué)家阿道夫·麥爾求助。麥爾仔細(xì)研究了這些煙草的生長環(huán)境，包括土壤、溫度、日照、濕度，沒有發(fā)現(xiàn)染病的植株和別處健康的植株有何不同，他又考慮了真菌或寄生蟲的可能性，結(jié)果仍一無所獲。

當(dāng)年煙草收成全無，整個煙草行業(yè)大受打擊，煙農(nóng)們苦不堪言，處在十九世紀(jì)末的他們不知道是什么導(dǎo)致了這場災(zāi)難。

深切同情煙農(nóng)的麥爾沒有停止自己研究的腳步。1886年，他設(shè)計了一個實驗：把病株葉片搗碎，將提取出的汁液注射到健康煙葉葉脈中。沒過多久，健康煙葉患上了同樣的疾病。于是，他確定了此病具有傳染性，命名為煙草花葉病，并認(rèn)為是一種細(xì)菌病。那時對細(xì)菌的分離和培養(yǎng)已經(jīng)比較成熟，麥爾認(rèn)為是細(xì)菌作祟也是順理成章的。他再取了些染病的汁液放在實驗室培養(yǎng)，結(jié)果真的長出一些細(xì)菌菌落來。這些菌落越長越大，到最后都可以肉眼看見它們了。麥爾大喜過望，立刻把它們涂抹到健康植株上，但令人失望的是，并沒有讓健康植株出現(xiàn)染病癥狀，說明染病的原因不是這些細(xì)菌。灰心的他只好作罷。

病毒的世界依然籠罩在層層迷霧中。

它不是細(xì)菌，而是一種傳染病

1892年，俄國科學(xué)家伊萬諾夫斯基重復(fù)了麥爾的實驗，他選用了連最小細(xì)菌都無法透過的細(xì)菌過濾器--尚柏朗濾器。現(xiàn)在我們知道，細(xì)菌的大小一般在0.5微米到5微米之間，而典型的病毒直徑只有20-450納米，也就是0.02-0.45微米，遠小于細(xì)菌。他將濾出的汁液涂抹在煙草上，驚詫地發(fā)現(xiàn)還是能讓煙草染病。可惜的是，他認(rèn)為是過濾器有問題，讓細(xì)小的細(xì)菌漏掉了才會這樣。伊萬諾夫斯基拘泥于當(dāng)時盛行的法國微生物學(xué)家巴斯德的“疾病菌源說”，沒有足夠的勇氣沖破思想的禁區(qū)，最終沒有認(rèn)識到這一發(fā)現(xiàn)的重要意義，認(rèn)為煙草花葉病的致病因子只是細(xì)菌產(chǎn)生的毒素。而與病毒失之交臂。

1898年，荷蘭細(xì)菌學(xué)家貝杰林克也思考著這個問題：病原體能通過尚柏朗過濾器，且在光學(xué)顯微鏡下也無法觀察到，說明有兩種可能性，一種是病原體非常微小，能通過過濾器;另一種是細(xì)菌本身雖然不能通過過濾器，但是它分泌的毒素溶解在了濾液里，所以也能引起花葉病。

荷蘭細(xì)菌學(xué)家貝杰林克。

煙草花葉病毒在電子顯微鏡下的圖像。

那是不是毒素呢？

貝杰林克使用特制的陶瓷片作為濾器，這種陶瓷片孔徑很小，約0.2-0.4微米，完全能將細(xì)菌過濾掉。他把過濾后的病液注射進第一株健康煙草，等這棵煙草得病后，再把它的濾液注射進第二株健康煙草，然后再把第二株的濾液注射給第三株，如法炮制。

如果花葉病的病源是毒素，那么注射進第一株煙草的毒素最多，發(fā)病也應(yīng)該最迅速最嚴(yán)重。隨后注射的毒素一株比一株少，它們的發(fā)病也應(yīng)該一株比一株慢，一株比一株輕。讓人吃驚的是，試驗結(jié)果恰恰相反，得病煙草是一株比一株發(fā)病快，發(fā)病重。這就說明病原根本不是毒素，而是活的有機體，而且自我復(fù)制能力很強。

因為只有活著的生命，才可能在煙草中不斷繁殖，從而使濾液的毒性越來越強。于是，貝杰林克將其稱為“有傳染性的活液。”這些物質(zhì)雖然極其微小但生命力非常頑強，酒精不能讓它失去傳染性，高溫加熱至沸騰也是毫發(fā)無傷。貝杰林克將濾紙浸在液體中，然后讓濾紙徹底干燥。三個月后，再將濾紙放入水中，這個水還能讓植株染病。將液體沖淡100萬倍后仍有致病能力，讓人心驚膽戰(zhàn)。

當(dāng)時很難想象這種物質(zhì)如何生產(chǎn)和繁殖，貝杰林克提出了一個天才的設(shè)想：“為了能夠繁殖，它一定是結(jié)合到活細(xì)胞的原生質(zhì)中了……”這個設(shè)想在病毒史上具有劃時代的影響，打破了普遍信奉的“疾病菌源說”，是人類認(rèn)識病因過程中的一次重大突破。他把這個物質(zhì)命名為“病毒”，而貝杰林克則被稱為“真正的病毒學(xué)之父”。

終于有了名字，但病毒世界的面紗依然遮擋著我們的雙眼。

它只有蛋白質(zhì)和RNA

1935年，美國的生物化學(xué)家斯坦利效仿貝杰林克的做法獲得了“活液”。一次偶然的機會，發(fā)現(xiàn)此“活液”能被胃蛋白酶破壞，因而懷疑煙草花葉病毒是蛋白質(zhì)。在這一現(xiàn)象的啟發(fā)下，他嘗試提純病毒。磨掉了上噸病煙草，盡力去除了除蛋白質(zhì)以外的所有化合物。經(jīng)過重重凈化，得到了一小勺在顯微鏡下看來是針狀結(jié)晶的東西。它們不斷生長，慢慢地長成乳白色的薄片。這是人類歷史上第一次用肉眼看到了病毒。病毒晶體如同礦物一樣堅硬，卻像微生物一樣鮮活。斯坦利把病毒晶體儲存起來，數(shù)月后放進水里，仍能感染煙草。可見提純的東西是有傳染性的，且由蛋白質(zhì)組成。

這對于許多人來說是很難理解的。眾所周知，蛋白質(zhì)是無生命的，而“活液”能在細(xì)胞中自我復(fù)制，說明它是有生命的。這說明人類還沒有找到“活液”的靈魂。當(dāng)時對于“活液”是生命體還是非生命體爭論相當(dāng)激烈。斯坦利在幾十個科學(xué)論壇中為自己的結(jié)論爭辯。不久，他的發(fā)現(xiàn)被其他科學(xué)家證實。

1936年，英國科學(xué)家諾曼·皮里和弗雷德·鮑登發(fā)現(xiàn)病毒并不僅僅是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，事實上，蛋白質(zhì)占了病毒組成的95%，另外的5%是一種神奇的長條狀分子，也就是RNA。

斯坦利的發(fā)現(xiàn)震驚了世界，《紐約時報》評價這一發(fā)現(xiàn)“動搖了人們對生與死的區(qū)別”，使人類了解生命的本質(zhì)又向前跨了一大步，為分子生物學(xué)和分子病毒學(xué)的建立和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在美國加州大學(xué)的原斯坦利實驗室里，仍然保留著一個標(biāo)注著“Tob.Mos”字樣的瓶子，其中就盛著當(dāng)年第一次提純的煙草花葉病毒。斯坦利因其杰出的成就獲得了1946年的諾貝爾化學(xué)獎，這是病毒學(xué)領(lǐng)域第一個獲此殊榮的科學(xué)家。

很多年后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)RNA才是構(gòu)成基因的重要物質(zhì)，有了它，細(xì)胞才能合成蛋白質(zhì)和其他分子。人類的基因信息存儲在雙鏈核酸里，就是DNA。很多的病毒是單鏈核酸，也就是RNA。而煙草花葉病毒就是RNA。

病毒的化學(xué)結(jié)構(gòu)知道了，但它究竟是什么模樣呢？神秘的面紗即將揭開。

終于看到它的樣子

1933年，物理學(xué)家恩斯特·盧斯卡和波里斯發(fā)明了能放大12000倍的電子顯微鏡。1938年制成兩臺電子顯微鏡，且?guī)в芯酃忡R，可獲得30000倍的圖像。醫(yī)學(xué)家們立刻用來研究噬菌體，獲得了很大的成功。到1939年西門子公司制造的第一臺商品電子顯微鏡問世，這是具有劃時代意義的一年，在電子顯微鏡的幫助下，一個德國科研團隊終于捕捉了病毒的模樣。

古斯塔夫·考舍，埃德加·普凡庫赫和赫爾穆特·盧斯卡三位科學(xué)家把煙草花葉病毒晶體滴到純凈水里，放到電子顯微鏡下觀察。看到了一些長約300納米、直徑約18納米的微小桿狀結(jié)構(gòu)。大家欣喜若狂，人類第一次清楚地看到了病毒曼妙的身影！在此之前，沒有人看到過如此微小的活物。

1966年，英國分子生物學(xué)家亞倫·克魯格開發(fā)了晶體電子顯微技術(shù)。此技術(shù)結(jié)合X射線衍射與電子顯微鏡成像技術(shù)，用電子顯微鏡將煙草花葉病毒各個角度拍成照片，再把底片用激光曝光，當(dāng)激光照到底片的圖像時會發(fā)生折射和衍射，產(chǎn)生無數(shù)小的圖像，由此得到了精確的三維圖像。

克魯格用這種方法巧妙地確定了煙草花葉病毒的整體結(jié)構(gòu)。病毒外鞘由環(huán)形結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組成，RNA鑲嵌在蛋白質(zhì)中，故煙草花葉病毒又稱“煙草桿狀鑲嵌病毒”。呈現(xiàn)在我們眼前的煙草花葉病毒有一條螺旋狀的RNA，被長長的蛋白質(zhì)草裙圍著，有點像雞毛撣子。

克魯格開發(fā)的這項技術(shù)，使人們能夠?qū)Ω鞣N蛋白質(zhì)、病毒、染色體以及其他的生物結(jié)構(gòu)和功能進行研究。這一突破性的技術(shù)不僅為生物領(lǐng)域帶來重要的新發(fā)現(xiàn)，還開發(fā)了科學(xué)調(diào)研的新領(lǐng)域，因此獲得了1982年的諾貝爾化學(xué)獎。

從另外一個角度可以這么說，病毒的發(fā)現(xiàn)史是隨著顯微鏡技術(shù)的進步，終于讓科學(xué)家們揭開了病毒神秘的面紗，從而為我們展現(xiàn)了一個全新的世界。

病毒的核心傳染成分

病毒沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，所以它們不能獨立生活，必須寄生在其他生物的細(xì)胞里才能體現(xiàn)生命活動。病毒如果離開活細(xì)胞，通常會變成結(jié)晶體，一有機會再侵入細(xì)胞。病毒由95%的蛋白質(zhì)和5%的RNA構(gòu)成，那么是蛋白質(zhì)具有傳染性？還是RNA具有傳染性呢？

1955年，美國加利福尼亞大學(xué)的弗倫克爾·康拉特和威廉姆斯用巧妙的實驗揭開了謎底。為了研究病毒的蛋白質(zhì)和RNA分別有什么作用，他們選用了煙草花葉病毒和福爾摩斯車前草病毒。因為兩種病毒有兩個很明顯的區(qū)別，一個是表現(xiàn)癥狀不同：煙草花葉病毒的典型癥狀是黃色斑點，而車前草病毒的典型癥狀是圓輪狀小斑點;另一個是蛋白質(zhì)成分不同：車前草病毒蛋白質(zhì)中含有組氨酸和甲硫氨酸，而煙草花葉病毒的蛋白質(zhì)中沒有。他們將兩種病毒的蛋白質(zhì)和RNA分離，然后分別進行組合。

用車前草病毒RNA分別結(jié)合兩種蛋白質(zhì)，注入到健康植株上，出現(xiàn)的感染癥狀都是圓輪狀小斑點，也就是車前草病毒癥狀;用煙草花葉病毒RNA分別結(jié)合兩種蛋白質(zhì)，出現(xiàn)的感染癥狀都是黃色斑點，也就是煙草花葉病毒癥狀。試驗結(jié)果告訴我們：RNA決定感染的類型。

1956年，他們試驗進一步發(fā)現(xiàn)，由混合病毒感染后形成的子代病毒，其蛋白質(zhì)的化學(xué)成分與提供RNA的病毒的蛋白質(zhì)相似。如果是車前草病毒RNA，不管結(jié)合的蛋白質(zhì)是什么，下一代病毒的蛋白質(zhì)都含有組氨酸和甲硫氨酸;如果RNA是煙草花葉病毒，不管結(jié)合的蛋白質(zhì)是什么，則下一代病毒的蛋白質(zhì)都不含組氨酸和甲硫氨酸。試驗結(jié)果告訴我們：病毒的蛋白質(zhì)也是由RNA決定的。

煙草花葉病毒（Tobacco Mosaic Virus，縮寫TMV）是人類最早發(fā)現(xiàn)、最早提純、最早結(jié)晶、最早利用超速離心機和電泳設(shè)備檢測、最早在電子顯微鏡下觀測到的病毒。在新技術(shù)的幫助下，科學(xué)家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了各種各樣的病毒，數(shù)量之巨，令人驚嘆。有些病毒致命;有些卻能與人類和平相處;連我們呼吸的氧氣都是在病毒的幫助下生產(chǎn)出來的;甚至地球的溫度都和病毒的活動息息相關(guān);更讓人意外的是人類基因組中有上千種病毒序列，遺傳自我們的祖先。

病毒已經(jīng)成為我們生活不可分割的部分。