細菌與病毒——從“兩界”到“六界”

陳仁政

從“兩界”到“五界”

瑞典博物學家和植物分類學家卡洛斯·林奈在1735年發(fā)表的大作《自然系統(tǒng)》中，將古希臘哲學家亞里士多德提出的基于感性認識的“兩界”（植物界、動物界），進行了科學劃分：生物界分成植物界和動物界。這種兩界分類系統(tǒng)沿用得最廣和最久—直到20世紀50年代。

隨著荷蘭顯微鏡學家列文虎克在1675年發(fā)現(xiàn)水滴中有生命的“小人國”之后，人們發(fā)現(xiàn)，將草履蟲、變形蟲和瘧原蟲等歸入動物界，將藻類（例如裸藻和甲藻）等歸入植物界的兩界并不恰當—它們都是在結(jié)構(gòu)上遠比多細胞的動物和植物更為簡單的單細胞生物。于是，德國生物學家恩斯特·海克爾于1866年在兩界的基礎(chǔ)上又增加了原生生物界，成為三界分類系統(tǒng)。

但是，人們發(fā)現(xiàn)將真菌類（例如食用的蘑菇和面包酵母等）歸入植物界有些牽強—真菌細胞壁的化學組成是幾丁質(zhì)而不是纖維素，儲存的是糖原而不是淀粉，雖為異養(yǎng)型，但主要為腐生或寄生，有別于動物或其他植物。于是，美國生物學家考柏蘭于1938年又另立了一個真菌界，成為四界分類系統(tǒng)。

隨著無細胞核單細胞生物—細菌、藍藻、放線菌、支原體、衣原體、立克次氏體等（迄今至少發(fā)現(xiàn)4000多種）原核生物被發(fā)現(xiàn)，生物學家魏泰克在1969年加進了原核生物界，提出了目前使用較廣的五界分類系統(tǒng)—雖然一些生物學家對此有異議。原核生物曾是地球上唯一的生命形式（獨占地球長達20多億年），它的細胞內(nèi)沒有任何帶膜的細胞器，以分裂方式繁殖后代，沒有性行為。

“剪不斷，理還亂”的關(guān)系

科學界傳統(tǒng)的觀念認為，細菌和病毒是不盡相同的兩個概念—前者是具有生命的生物（微生物）之一，后者是否屬于具有某種生命特征的生物，至少有3種觀點。

第一種觀點認為，病毒是一種個體極其微小、結(jié)構(gòu)簡單、外面包裹著蛋白質(zhì)亞基（有的還包裹著磷脂膜），只含一種核酸（DNA或RNA），必須在活細胞內(nèi)寄生并以復制方式增殖的“非細胞型生物”。19世紀下半葉，有研究者發(fā)現(xiàn)狂犬病或許不是細菌導致的疾病，而致病的分子似乎比細菌小得多。雖然如此，因為這種分子能夠在人體內(nèi)活動，并且還能和細菌一樣導致人患病，所以人們當時還是認為病毒也是一種生命。

對“病毒個體極其微小”的說明是：大多數(shù)病毒的直徑為10～300納米，光學顯微鏡看不到；而已知的一般細菌，光學顯微鏡能看到。1884年，丹麥細菌學家漢斯·革蘭因發(fā)明了沿用至今的“革蘭氏染色法”（用來鑒定細菌的種類）而馳名。以他的姓氏命名的“革蘭氏菌”，直徑從零點幾微米至幾微米不等。革蘭氏菌分為兩類：陽性菌—例如鏈球菌、白喉桿菌，陰性菌—例如痢疾桿菌、大腸桿菌。區(qū)分病原菌是陽性菌還是陰性菌，在選擇抗生素方面意義重大—大多數(shù)陽性菌對青霉素敏感，陰性菌對青霉素不敏感。

第二種觀點認為，病毒只能歸類到“化學分子”中，而不是生命。

1886年，在荷蘭工作的德國科學家麥爾把患有煙草花葉病的煙草花葉，加水研碎后取汁液注射到健康煙草花葉的葉脈中，發(fā)現(xiàn)能引起煙草花葉病，證明這種病是可以傳染的。但是，他認為該病是由細菌引起的。1892年，病毒學的開創(chuàng)者之一—俄國生物學家德米特里·伊萬諾夫斯基，重復麥爾的實驗之后進一步發(fā)現(xiàn)，上述汁液通過“細菌過濾器”之后，還是能引發(fā)健康的煙草花葉患病，這起碼說明致病的病原不是細菌。但是，伊萬諾夫斯基解釋它是細菌產(chǎn)生的一種“液體毒素”，也沒有及時公布這一發(fā)現(xiàn)，從而錯失了一次獲得重大發(fā)現(xiàn)的機會。直到1898年，病毒學的另一位開創(chuàng)者—荷蘭微生物學家馬丁努斯·拜耶林克，把上述汁液放在瓊脂凝膠塊的表面時，發(fā)現(xiàn)其可在凝膠中擴散，而細菌卻仍舊滯留在瓊脂表面。他由此指出，這種病的致病因子有3個特點：能通過細菌過濾器；僅能在感染的細胞內(nèi)繁殖；在體外非生命物質(zhì)中不能生長。因此，他認為這種致病因子不是細菌，而是一種新物質(zhì)—“有感染性的活的流質(zhì)”。次年，他把它命名為“生物病毒”。

拜耶林克的遺憾之一是，直到1931年去世時，也沒有見過病毒的樣子。不過，這或許就是科學的偉大之處—通過實驗觀察到現(xiàn)象，分析之后得出推論或理論；但是，做出這推理的科學家很可能在有生之年都無法見證這個推論被徹底地證實。

1931年，世界上首臺電子顯微鏡誕生。美國科學家溫德爾·斯坦利于1935年處理了將近1噸被染病的煙草花葉植株，才費力地提純出一湯匙的白色粉末狀的固體物質(zhì)—幾乎是純凈的煙草花葉病毒結(jié)晶的樣品。今天，在加州大學斯坦利工作過的實驗室里，仍然保留著一個標注有“Tob. Mos.”字樣的瓶子，里面存放著這些樣品。通過斯坦利和同事的后續(xù)研究，人類才在發(fā)現(xiàn)病毒接近半個世紀之后的1939年，第一次見到了病毒的“廬山真面目”。這種結(jié)晶中并沒有細胞內(nèi)用于代謝和生存所需的細胞器。這樣看來，病毒似乎只能歸類到“化學分子”。斯坦利的偉大成就—“病毒的純化和結(jié)晶方面的工作”，使他成為1946年諾貝爾化學獎的3位得主之一。

不過，對病毒的研究并沒有終止于斯坦利等人。當這種“化學分子”進入細胞時，又表現(xiàn)得完全不像普通的分子—病毒會被激活，利用細胞里的各種細胞器和生化原料來生產(chǎn)自己的核酸分子和蛋白質(zhì)外殼。這樣，病毒似乎就只能被放在介于生命和非生命的形式中。于是，就有了第三種觀點—“病毒介于生命和非生命”。

其實，細菌與病毒有很多區(qū)別—結(jié)構(gòu)不同、大小不一定相同、遺傳物質(zhì)不盡相同、是否能單獨生存（細菌能，病毒不能—必須“寄生”于其他生物），等等。例如，細菌有細胞，有能量流動、物質(zhì)代謝和信息流轉(zhuǎn)的功能；病毒沒有細胞，沒有這三種功能。所以，有人把細菌和病毒分別比作“流動的生命之河”與“凝固的生命碎片”—流動的生命之河凍成一個大冰塊之后，其中的一個小塊冰就是病毒。

然而，探索還是沒有完結(jié)。20世紀后期，來自法國斯特拉斯堡大學的病毒學家馬克·雷根莫特爾及美國疾病預(yù)防和控制中心的病毒學家布賴恩·馬赫指出，病毒更像一種“寄居”的生命—就像寄生蟲那樣，需要細胞宿主才能進行復制。

其后，隨著細胞中越來越多的細胞器結(jié)晶結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，科學家已經(jīng)確定生命離不開核糖體、線粒體和葉綠體等細胞器的幫助。這樣，“病毒是生命”的聲音也逐漸消失。發(fā)表在2015年《自然·通信》的一項研究，展示了一系列比常規(guī)的病毒體積還要小的“超級微小細菌”—只有9±2立方納米。這一發(fā)現(xiàn)，讓病毒與細菌的差異變得更小，甚至有相互重疊的區(qū)域，還由此衍生出“病毒-微生物連續(xù)體”的說法，讓病毒和細菌的界限變得更加模糊。而且，極其微小的細菌被不斷發(fā)現(xiàn)，許多體型巨大的病毒也被發(fā)現(xiàn)—一些病毒含有的基因甚至比大腸桿菌還要多。例如，美國能源部聯(lián)合基因組研究所的弗雷德里克·舒爾茨，于2017年發(fā)現(xiàn)了包括名為“Klosneuvirus”在內(nèi)的幾種未知的病毒序列；其中“Klosneuvirus”含有的基因組數(shù)量，遠遠超過常見病毒，而且它在蛋白合成過程中幾乎完全獨立。

此外，還有一類始終受到科學家關(guān)注的、以細菌為獵物的病毒—噬菌體。1907年，英國細菌學家弗雷德里克·圖爾特意外發(fā)現(xiàn)，瓊脂培養(yǎng)基上的部分細菌菌落變得透明，這樣的菌落進一步培養(yǎng)時不能形成新的菌落，也就是細菌被殺死了。但是，他并未進行深入研究，也沒有命名。1909年，加拿大細菌學家費利克斯·德赫雷爾培養(yǎng)了從痢疾患者的糞便中分離出的痢疾桿菌，也在培養(yǎng)皿上發(fā)現(xiàn)了一些不長細菌的圓點。于是，他猜測圓點里有某種顆粒殺死了細菌，就把這些圓點稱為噬斑。 1917年，德赫雷爾在論文中首次為噬菌體命名，并指出它只能寄生在活細菌中，其體積小到可以穿過細菌過濾器。不過，直到1942年，美國生物物理學家托馬斯·安德森才使用高分辨率電子顯微鏡首次看到噬菌體。噬菌體是感染細菌、真菌、藻類、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱。它們和病毒的結(jié)構(gòu)類似。它們不但會各自感染和追捕特定類型的細菌種群（即一種噬菌體只能對付一種細菌）—進入細菌后劫持細菌的代謝工具用來自我復制，造成細菌裂解釋放出下一代噬菌體，給環(huán)境中的微系統(tǒng)帶來很大的影響；而且它可能會造成細菌基因突變，促進細菌產(chǎn)生耐藥性。科學家在人的口腔、上呼吸道、腸道和陰道中，都檢測到特定的噬菌體，表明它能影響人體的內(nèi)部環(huán)境，并帶來不可預(yù)期的后果。美國著名女微生物學家吉爾·班菲爾德就一直在追尋這些特殊病毒。在2020年1月22日在線發(fā)表于《自然》上的最新研究中，她就展示了一類特殊的、來源于30多種不同環(huán)境的大型噬菌體。一般的噬菌體的基因長度，大多在50kb（kb是“kilobase”—“千個堿基對”的縮寫）左右；而班菲爾德搜尋出的351種噬菌體基因組的長度已經(jīng)超過200kb，是普通噬菌體的4倍，其中的一種竟然長達735kb。她把這類噬菌體統(tǒng)稱為“巨型噬菌體”。這些噬菌體不僅基因組龐大，而且更重要的是，其基因的構(gòu)成也是五花八門，不僅能編碼包裝噬菌體的蛋白質(zhì)外殼，還包括轉(zhuǎn)運RNA、轉(zhuǎn)運RNA合成、修飾酶、轉(zhuǎn)錄起始和延長因子。“是否具有核糖體和蛋白翻譯功能，是判斷其是否是生命的一項重要條件，噬菌體的這些發(fā)現(xiàn)讓我們更難以判斷它是不是生命了。”班菲爾德說，“通過提升基因組的長度是一種聰明的生存方式，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)病毒已經(jīng)做到了。”

綜上所述，從生物學的角度來說，自然界中的微生物可以分為真核微生物（例如菌物界的真菌、黏菌，植物界中的顯微藻類和動物界中的原生、后生動物）、原核微生物（例如眾所周知的各類細菌）和病毒三類。可見，在微生物界，同樣存在類似動植物界的食物鏈關(guān)系，而病毒并不屬于“五界”。

最終成果“六界分類系統(tǒng)”

鑒于病毒并不屬于“五界”，奧地利生物學家特勞巴、中國昆蟲學家陳世驤分別于1975年、1977年提出了“生物六界分類系統(tǒng)”：把病毒定為是“五界”之外的“第六界”。

由此可見，細菌與病毒那些“剪不斷，理還亂”的觀點，不止以上3種，而且研究并未終止。例如，英國《每日郵報》2020年3月13日報道，在日本深海的淤泥中發(fā)現(xiàn)的一種神秘微生物“食鹽菌”，是古代細菌等簡單“單細胞生物”與孕育人類的“多細胞生物”之間的缺失環(huán)節(jié)—細菌體與多細胞構(gòu)成的動植物之間的過渡階段。

有不完整的球形細胞的食鹽菌，直徑大約500納米，長著細長的分枝狀觸手，具有“古生菌”的部分特征。古生菌是一種相對簡單的單細胞生物，缺乏完整的細胞核等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是原核生物細胞群的一部分。

長期以來，科學家對簡單類細菌細胞向復雜的真核細胞進化過渡感到迷惑不解。為了揭曉其中的謎團，日本研究小組花了10年時間收集了含有古生菌的泥漿，在實驗室里培育出了食鹽菌，并研究了它與一種伴生細菌的關(guān)系，確定它是否能在下一階段進化成有更復雜細胞核的細胞……“人類是由真核細胞構(gòu)成，其起源進化是一個至關(guān)重要的問題。”參加研究的日本筑波產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的微生物學家政信伸說，“食鹽菌的子群生活在寒冷的海底，靠近位于格陵蘭島和挪威之間叫作‘洛基城堡的熱液噴口系統(tǒng)，是最早的真菌生物的現(xiàn)存近親物種。”

那么，還有多少更加“聰明”的病毒正等待人類發(fā)現(xiàn)呢？病毒是不是生命呢？這兩個問題還沒有最終的答案—科學研究將不斷更新傳統(tǒng)學說或觀念。