蝙蝠之前,病毒又從何而來?

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撰文 | Mirror

病毒可以說是自然界中存在最廣泛卻又最令人摸不著頭腦的有機體。從海洋到高空，病毒無處不在，其顆粒總數遠超一切細胞生物個體數之和；從藍鯨到細菌，無一物種能夠倖免它們的侵染，狠起來就連「自己人」都不放過。

不僅數目驚人，病毒的種類也十分多樣，而且變異頻繁。自19世紀末人類首次發現病毒（菸草花葉病毒）以來，迄今約有5000種病毒被詳細記錄。然而據估計，光是感染哺乳動物的病毒就至少有32萬種。

即便如此，新的病毒仍在不斷出現，但只有那些對人類高危的病毒才會受到關注，比如最近舉世矚目的新型冠狀病毒（2019-nCov）。

追溯毒源

蝙蝠是眾多病毒的宿主 | 圖源：pixabay

我們已經知道傳播到人類社會的很多病毒都來自於野生動物，比如蝙蝠家族是SARS、伊波拉病毒和新型冠狀病毒的「窩點」。但蝙蝠等動物也並非「製毒者」，追根溯源，病毒究竟從何而來？又於何時在進化樹上萌發？

要追溯一個物種的演化史，通常需要相應的化石證據，但病毒實在太過微小，幾乎不可能有化石保存下來。而且它們大都存在於宿主細胞內，混在其基因組中，難以區分。

雖然找不到病毒化石，科學家們還是可以基於現有病毒及其宿主的基因組等信息，得到病毒演化的線索。由此他們提出了3種病毒起源的主流理論：逃逸假說（The Progressive Hypothesis）、退化假說（The Regressive Hypothesis）和先於細胞起源假說（The Virus-First Hypothesis）。

病毒的「詭計」

在具體解釋這3種理論之前，我們先來簡單了解一些基本生物學概念。目前已知的所有細胞生物都是以DNA為主要遺傳物質的。細胞想要獲取DNA中的編碼信息需要藉助郵差，也就是信使RNA（mRNA）。它們專門負責把轉錄下來的信息送出細胞核，再傳達給轉運RNA（tRNA），最後在核糖體等細胞器內合成加工出蛋白質。

遺傳信息傳遞遵循的中心法則 | 圖源：維基百科

而病毒的組成極度簡化，沒有細胞結構，更別提複雜的蛋白質合成系統。它們基本上只有層蛋白質衣殼，包裹著遺傳物質（DNA或RNA），因此只能盜用宿主細胞的生產工具來複製自己。更有甚者，直接潛入宿主細胞的基因組中當起了間諜。

最典型的當屬逆轉錄病毒（也叫反轉錄病毒），它們是一類RNA病毒。逆轉錄指的是轉錄的逆向過程，即通過RNA合成DNA，然後病毒就可以把帶有自身遺傳信息的DNA整合到宿主基因組中，讓被蒙在鼓裡的宿主細胞替它們白幹。

這樣一來，即使我們想清除它們也很難不誤傷友軍。HIV就是這樣一類狡猾的病毒，這也是它們難以攻克的一大原因。

逃逸

假說：「叛逃」的基因

聽起來很不可思議，但病毒最初可能就來自於細胞自身。在細胞生物包括我們人類的基因組裡大量存在著一類「不安分」的「跳躍基因」，也叫轉座子（transposon），它們能從原本的位置解離或者通過複製，轉移到另一個基因位點，比如另一條染色體上。

科學家芭芭拉·麥克林託克發現玉米的彩色顆粒是受轉座子的影響

而轉座子複製的方式有的是從DNA直接拷貝為DNA，還有的則是從DNA轉錄為RNA，再逆轉錄為DNA，這種轉座子就叫做逆轉錄轉座子。

逆轉錄轉座子的「騷操作」是不是讓你聯想到了上面提到的逆轉錄病毒？經過對比，科學家的確發現，逆轉錄轉座子和逆轉錄病毒在基因結構和轉移方式上驚人地相似。這就意味著，它們在演化史上很可能存在著某種關係。

一種理論的解釋是，自我們的祖先誕生以來，就在不斷受病毒侵染，漸漸地，一些病毒的基因被固定在了我們的基因組中，甚至參與了某些演化的關鍵環節，比如胎盤的發育。

另一種理論，也就是逃逸假說認為，病毒或許是「叛逃」的基因片段，比如轉座子演化而來的，它們在某個契機下獲得了蛋白質裝備的加持，成功出逃，自此打開新世界的大門。

事實上，已有科學家證明某些轉座子仍有被激活成病毒的潛能。但轉座子和病毒在演化史上的出現究竟孰先孰後，仍未有明確結論。

細菌質粒DNA獨立於擬核之外

也有觀點認為DNA病毒的起源可能與「逃逸」的質粒（plasmid）有關，這是一種存在於細菌內的環狀DNA，具有自主複製和在細胞間傳遞的能力。基因工程正是利用了質粒的這些特點，將其改造為目的基因的載體，以實現基因的水平遷移。

退化假說：「墮落」的細胞

類比線粒體和葉綠體這類半自主性細胞器的起源理論，退化假說提出，病毒的祖先原本有著相對完整的細胞結構，也是自立根生的「好細胞」，後來在和其他細胞共生的過程中，逐漸「迷失自我」，開始丟失基因，最後完全依賴其他細胞的勞動，甚至變本加厲，瘋狂掠奪。

這一假說最有力的例證來自核質巨DNA病毒（NCLDV）。這類病毒與一般病毒最大的不同就是大，以至於會被其他小病毒感染。病毒的大小通常不超過200納米，但NCLDV卻能比細菌還大，比如擬菌病毒（Mimivirus），直徑達750納米。

擬菌病毒的電鏡照片 | 圖源：microbewiki

它們的大也不是徒有其表，關鍵在於其基因組也大，並且還擁有細胞生物蛋白質合成系統的相關基因，但並不完整，仍無法自主合成蛋白質。這種病毒的發現，在病毒和細胞的演化道路之間搭起了一座橋梁。

更有趣的是，擬菌病毒和一種細菌（普氏立克次體）十分相似，這更讓一些科學家相信它們的祖先原本也是一種細菌，後來「退化」成了病毒，只是裝備丟得沒有一般病毒乾脆。

不過2017年的一項研究發現，另一種大型病毒（Klosneuvirus）所攜帶的細胞基因只是它們從宿主那裡「盜取」，逐漸積累而成的。

先於細胞起源假說：

蛋先於雞

上述兩種理論都假設病毒是出現在細胞之後的，畢竟病毒都需要依賴細胞生存。但也有科學家打破了這一固定思維，在先有雞還是先有蛋這個問題上，他們更傾向於後者。

該理論認為在第一個細胞出現之前，具有自我複製能力的RNA分子或許早已存在，隨著時間的推移，它們演化出了各種功能，表達的蛋白質也越來越複雜。

在關鍵細胞結構被合成出來之前，一些RNA和蛋白質的組合已經開始蠢蠢欲動，它們中的一部分進一步發展成了細胞，而另一部分則保留了簡單結構，成為最原始的病毒，而後隨著細胞的誕生而激活。

在某些生物比如四膜蟲的細胞裡就有這樣的RNA分子，叫做核酶（ribozyme）。我們知道酶是一類具有催化作用的生物分子，絕大多數都是由蛋白質構成的，但核酶卻是種小分子RNA，參與催化蛋白質合成等重要反應。

某些核酶還能夠自我複製，在細胞間傳播，比如主要感染植物的類病毒（viroid）。類病毒與病毒不同，它們連蛋白質衣殼都沒有，僅有RNA，但同樣可以感染各種生物。

交織的演化史

上述理論都還僅僅是假說，仍未有充分證據證明，因此病毒起源和生命起源一樣，至今仍是未解之謎。不過，2018年發表在《自然》上的一項研究表明，病毒很可能早在第一隻脊椎動物出現之時就已經存在。它們伴隨著整個脊椎動物乃至整個生物界的演化，至今仍在相互影響。

除了病毒起源，它們在自然界中究竟扮演了怎樣的角色也十分耐人尋味。無處不在的病毒與其他物種之間似乎保持著一種奇妙的平衡。然而無知的人類卻時不時將其打破，結果打開了潘多拉魔盒。要想關上魔盒，不僅需要科學家們對病毒更深入的研究，還需要我們每個人對自然法則的敬畏。

無標註圖片來源網絡。

參考資料儲存於石墨：

https://shimo.im/docs/QXY9XJc8h3qh86Cx