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这个世界离不开病毒

送交者: icemessenger[♂☆★★★SuperMod★★★☆♂] 于 2022-08-21 7:57 已读 3616 次 1赞  

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病毒的科学插图


让我们想象一下没有病毒的地球。新冠肺炎疫情消失了,夺去百万人命的恶魔消失了,那一定是天堂吧?事实远不是这样,没有病毒我们活不下去,甚至根本无法出生。



当一条斑马鲨游弋而过时,水族馆的潜水员展示了一个噬菌体(bacteriophage)的图像,噬菌体是一类感染细菌的病毒。这个水族馆的水里,估计有5320万亿的噬菌体,连起来可以绕地球八圈,它们对健康的海洋生态系统至关重要。


我们生活在一个病毒的世界里——病毒的种类和数量多得无法估量。其中许多病毒对我们是有益的而不是有害的。病毒为我们的进化提供助力,带来源源不断的新基因。如果没有病毒,那么我们星球上巨大的生物多样性,就会像木房子拔掉钉子一样坍塌。


病毒怎样化腐朽为神奇



首先我们要知道的是,病毒没有生命,因为它跟动物、植物、细菌等生物不一样,没有细胞。病毒的构造很简单,每一个病毒包含一段遗传基因(由DNA或者RNA写成),包装在一个叫衣壳(capsid)的蛋白质外壳里。有时衣壳外层还有一层膜,可以保护它,并帮助病毒抓住它的猎物——细胞。病毒不能自己繁殖,只能进入一个细胞,利用细胞本身的功能来复制自己。



低温透射电子显微镜(cryogenic transmission electron microscope)的显示屏上,展示了新冠病毒SARSCoV-2的横截面和三维模型。


被感染的宿主细胞会制造出许多新病毒,而不幸的细胞被掏空只剩残骸。所以病毒会让人得病。但是,如果宿主细胞幸运的话,病毒不会造成伤害,只是在细胞里休眠,或者把它自己的基因写进宿主的基因组里。



最致命的病毒之一,埃博拉病毒的电子显微镜图片。这些绿色的细丝是病毒,它们从细胞里一窝蜂般涌出来。


我们通常认为病毒都是坏蛋,它们导致了新冠肺炎和其他许多恶疾,人们把病毒称为“蛋白质包裹的坏消息”。法国巴斯德研究室(Pasteur Institute)的帕特里克•福特尔(Patrick Forterre)却有不同的想法,他认为病毒带来的bug会变成feature,化腐朽为神奇。一些进化史上最伟大的革新都与病毒有关。



这是一个小女孩的肺,她在1912年因麻疹死于柏林Charité医院。在她的肺上面发现了迄今所知最古老的麻疹病毒基因组,提供了麻疹病毒在公元前四世纪从牛传染给人的证据。


福特尔认为,以前对“病毒”的定义是不充分的,我们认为病毒是死的,是因为我们把这一小团蛋白质和DNA看作了“一个病毒”。

病毒本体就像一粒种子,看上去是死气沉沉的。种子栽种在土里才会长成植物,病毒只有利用细胞的机制复制自己,才能焕发活力。

病毒寄生在细胞之内的时候,就有了生命。这是一个非常精妙的过程,受感染的细胞像僵尸一样,听从病毒的指令,读取病毒基因组并制造出更多病毒。就在这个可怕的过程中,病毒的基因为进化带来了创新。



新冠病毒的人工着色照片。


一个创新来自病毒和细胞的军备竞赛,病毒进化出新手段攻破细胞,而细胞也会进化出防御的手段进行回应,比如细胞壁和细胞核作为“城墙”。这个竞争的过程会让细胞越来越复杂。



新冠病毒表面的“刺”的分子模型,表面蓝色的一层,是类似聚糖的分子,这些分子把新冠病毒伪装起来,让人体的免疫系统无法发现病毒。它们是研发疫苗的关键。


另一个创新是基因的“互相抄袭”。病毒会从寄主细胞那里得到基因,加入到自己的基因里,寄主细胞也会从病毒这里得到新基因。这个现象被称为水平基因转移(horizontal gene transfer)。

福特尔认为,大多数生物遗传的多样性,都来自于病毒。



我们怎么知道水里有多少病毒?用0.02微米的过滤器把水过滤,就能捞到水里的细菌和病毒,再使用和DNA结合的染色剂,给细菌和病毒染色,最后通过荧光显微镜观看。我们看到的这些小点,就是细菌跟病毒。


没有病毒,我们全都无法出生


病毒学家蒂埃里•海德曼(Thierry Heidmann)有更加惊人的发现:一类在我们看来是最为邪恶的病毒,居然关系到我们能否出生。

这类病毒叫逆转录病毒,它们的基因是用RNA分子写成。它们老奸巨猾,可以把自己的RNA改写成DNA,插入到宿主细胞的基因中。导致艾滋病的HIV病毒就是一种逆转录病毒,它把基因写进人类免疫细胞的基因内。病毒的基因一旦被激活,产生出大量的HIV病毒,人的免疫细胞就完蛋了,所以艾滋病患者会死于免疫系统被削弱,无法抵御感染和癌症。



一个尼安德特人的头骨。我们的智人祖先与尼安德特人发生了混血,科学家们发现了我们从尼安德特人那里继承的152个基因,这些基因有助于对抗我们遇到的新病毒。


逆转录病毒大肆入侵生物细胞,导致我们人类的基因组里,有8%是逆转录病毒残留下来的基因,你可以说,人类的基因组是病毒的坟地。

海德曼的研究对象,是一类叫Syncytin的基因,中文名字叫合胞素。它们最早来源于逆转录病毒,作用是帮助病毒的外膜与细胞融合,现在已经被人类所利用,帮助人体细胞融合。Syncytin基因参与构建一种特别的组织,它在母亲和胎儿之间起着中介作用,允许营养物质和氧气进入,将废物和二氧化碳排出。它的名字就是胎盘。



早在1.5亿年前,病毒就感染了哺乳动物,导致胎盘的产生。从此,哺乳动物可以带着孩子到处走动,不容易被捕食者杀害。


这只是病毒功劳簿上的一个例子。还有一个来自病毒的人类基因,名叫HERV-K,可能有保护胚胎或控制胚胎发育的作用。总之,要是没有逆转录病毒的大力帮助,我们根本就不可能出生。



这个小绿球是早期的人类胚胎,染成绿色的部位是HERV-K基因存在的位置。


另外一类叫ARC的基因,它们在大脑的神经网络里发挥作用,让我们的大脑产生出记忆。ARC基因也是源自逆转录病毒基因,最早是用来制作病毒的蛋白质衣壳的。

多亏这些“改邪归正”的病毒,你才能记住,病毒也不都是坏家伙,它们是我们生命中不可或缺的一部分。



神经科学家杰森-谢泼德(Jason Shepherd),他手里拿着的画,是一个蛋白质组成的“口袋”的三维重建图像。这个“口袋”是由ARC基因制造的,ARC基因来自细菌,最早它制造的蛋白质“口袋”是用来保护病毒的基因,现在却用来在大脑中的神经元之间传输遗传信息。


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