病毒的世界

编译 方陵生

睁开双眼去看这个不可思议的病毒世界，可以帮助我们预防疾病，了解生命的起源，甚至可以让我们洞察、预见未来自然世界可能发生的变化。

想象某个漂浮在太空中的外星生物体，它不能凭自己的力量生长，除非感染宿主，它漂泊不定，没有活力。我们对它知之甚少，只知道当它进入一个适合它的星球的大气层时就开始繁殖。那么，它是活的吗？它很危险吗？

这听起来像是一个不可能的存在，但它几乎就是对病毒的描绘，病毒只不过是一些基因物质，它们只有在宿主体内才能复制。病毒看似不像是地球生物，但它们却是地球上最丰富、最重要的有机体。它们几乎无处不在，从海洋到森林，到你周围的人群，都是病毒的栖息处。当然，病毒也存在于你的身体表面，潜藏在你的身体里。这个由奇怪的准生物（quasi-living）组成的世界被称为病毒圈。这是一个神秘的世界，因为我们对病毒的了解比任何其他生命形式都要少，但这种情况正在发生改变。

人们普遍认为病毒是感染的同义词，毫无疑问，它们会导致一些最严重的疾病，包括天花、艾滋病、埃博拉、流感和SARS等。然而，病毒并不仅仅只是滥杀滥伤的杀人机器。在过去五年里，我们对病毒的遗传物质进行检测的能力呈指数级增长，鉴定出的病毒种类增加了20倍。而且我们清楚地认识到，这些奇异而多样化的准生物在进化中扮演着关键角色，甚至在生命的起源方面发挥着至关重要的作用。

病毒带来害处，也可带来益处

就绝对的丰富度而言，没有其他生物能与病毒相提并论。一项研究估计，仅海洋中的病毒数量就多达1030个；另一种观点提出，地球上的病毒总数比这个数字还要高出一个数量级，达到1031个，比宇宙中估计的恒星数量多出100万倍。根据2019年发表的研究，每天附着在尘埃上落到地球表面的病毒约有8亿个/平方米，而我们对其中的大多数病毒几乎一无所知。

病毒是否是活的生物体是一个长期争论的问题。宾夕法尼亚州立大学的玛丽莲·鲁辛克（Marilyn Roossinck）说：“告诉我活着意味着什么，我就会告诉你病毒是否是活的。病毒如果不能附着在宿主体内，它什么也不是。那么，病毒是否是活的这个问题就显得不那么重要了。”

我们已知病毒在宿主体外存活的时间长短差别很大。有些病毒只能存活几秒钟，而另一些病毒却能长期存活甚至达几十年。温度是一个重要因素。在高温的环境中，病毒往往很快死亡，这就是为什么加热是杀死病毒的有效方法之一。这甚至可以解释为什么人们会进化出感染时会发烧的机制。在较冷的温度条件下，病毒可以存活数月甚至数年，然后寻找感染宿主的机会直到成功。天花病毒在4℃～5℃的温度条件下可以持续存活数十年。

一旦进入宿主体内，病毒就开始活跃起来。宿主可以是任何种类的生物，甚至是另一种病毒，这一点在十年前就已经很清楚了，一种叫作“人造卫星”（Sputnik）的病毒，就生活在一种巨型而复杂的病毒中。进入某个细胞内的病毒可利用细胞的生物机制复制其自身遗传物质。以“人造卫星”病毒为例，它可与巨型病毒竞争代谢物。病毒复制起来很快，这个过程可以在感染后几个小时内开始，几天之内，它们就可能扩散到宿主的所有细胞中。

尽管我们持有所有病毒都有害的偏见，但实际上病毒与宿主之间的相互作用并不能一概而论，病毒是有害的，也可以是有益的。以假裸囊菌属真菌为例，它可在蝙蝠群体中导致一种叫作白鼻综合征的疾病，这种疾病已产生严重影响，导致北美蝙蝠数量减少。当被病毒感染时，这种真菌活性更强，会产生更多的孢子。这显然是有害的。但人类也可从一些病毒中受益。一种叫作噬菌体（侵袭细菌的病毒）的有机体可通过杀死致病细菌来帮助我们保持健康。研究人员正开始使用这些噬菌体来治疗细菌感染。另外，病毒甚至可以成为宿主遗传密码的重要组成部分。

病毒生态学正在兴起

一个被称为病毒生态学的新型研究领域正在兴起，主要研究病毒与其宿主之间的相互作用，这是一项庞大而艰巨的工程。以人类微生物群为例，我们每个人的身体表面和体内都生活着大量微生物。我们体内包含数百种不同的细胞类型，包括那些构成复杂免疫系统的细胞，它们不断地试图对抗外来生物体，所有这些细胞都与我们体内微生物群中成千上万甚至数百万种病毒和细菌产生相互作用。这些微生物既相互帮助，又相互竞争，它们的相互作用似乎是无穷无尽的。

然而，我们已经开始关注病毒生态学的全景全貌。2017年的一项研究提供了第一张当时已知所有种类病毒与宿主的关系网图谱。研究团队对病毒在不同环境中的分布及其活动进行了研究。令人惊讶的是，大多数病毒的栖息地范围极为狭窄，有些病毒只感染一种或两种宿主。2017年的另一项研究揭示了病毒世界的另一个神秘部分，有一些病毒只感染被称为古生菌的单细胞生物，那是另一个不同的病毒世界。

病毒重新分类已是当务之急

噬菌体在攻击大肠杆菌，这些病毒利用大肠杆菌的蛋白质来完成它们的生命活动

以上介绍的病毒只是冰山一角。长期以来我们一直怀疑病毒是地球上种类最多的一类生物，不过病毒种类到底有多少，我们仍然只有一个模糊的认识。过去二十年中新确认的病毒种类比以往任何时候都更多。2003年前我们甚至不知道巨型病毒的存在，这种病毒的基因超过1 000个，而微型病毒的基因可少至区区10个。鉴于病毒往往只攻击少数宿主，它们的多样性可能远远大于所有其他物种的总和。

元基因组学的出现让我们对病毒多样性的认识有了新的进展，研究人员无须分离单个生物体就可以识别环境样本中存在的病毒基因，他们可以直接从海水或土壤样本中分析出其中含有多少病毒遗传物质。

但是，“令人失望的是，元基因组数据包含了许多未经确认的序列——我们称之为‘暗物质’。”澳大利亚悉尼大学爱德华·霍姆斯（Edward Holmes）说道。目前很难弄清楚这种“暗物质”到底是什么。由于病毒惊人的进化速度，确定某种特定病毒物种的基因变得更加困难。霍姆斯表示，为精准地分析病毒，我们需要能够“看到”它们，这就需要研究基因序列以外的特征，比如病毒蛋白质的结构。

绘制病毒圈图谱的另一个问题是，研究人员不确定如何对病毒进行分类。目前，他们使用的系统与用于所有生物的分类系统相似，到目前为止，用这种方法分类的病毒还不到5 000种。更重要的是，研究人员越来越意识到，现行的分类体系存在巨大差距，有些地方甚至是错误的。对病毒重新分类已是当务之急。2020年3月，国际病毒分类委员会（ICTV）呼吁对整个病毒圈进行分类，这是一项庞大而艰巨的任务，但潜在的好处也是巨大的。《自然》杂志：“在我们对这些病毒进行调查研究之前，我们无法知道归于‘不重要’类别的病毒实际上可能会产生什么样的影响。病毒分类是一种直接的方法，有助于通过今天的努力解决明天可能出现的全球性问题。”

这听起来是个宏大的计划，但也是很有必要的。病毒不仅仅对人类健康和生计构成威胁，病毒对于地球生命而言也是必不可少的。进化生物学家开始意识到，病毒提供其所获得的新基因材料可帮助生物体适应和生存。病毒的进化速度比任何其他已知生物体都要快得多，比我们人类的进化速度快100万倍，因此它们能够不断获得新的遗传物质。病毒可以在一个叫作水平基因转移的过程中与宿主共享这些新的基因。我们可以将这个过程想象成一种交易游戏，玩家可以通过换牌让自己和对方很快获得最好的牌面组合。如果能与快速应变的玩家（病毒）交换，就能拥有一手更有竞争力的好牌。

了解病毒、宿主及其环境之间的关系

病毒无处不在

病毒水平基因转移并不能为个体提供直接的帮助，但是基因交换可能有助于解释地球上生命的复杂性：快速进化，再加上基因交换的能力，使得简单的生物体能够快速适应几乎任何环境。这对最早的生命形式至关重要，而病毒可能在人类早期生命的成功中扮演了重要角色。因此，更多地了解病毒、宿主及其环境之间的关系，能给予我们对生命的进化乃至起源方面一些重要的洞察。

此外，对病毒生态学的研究可以帮助我们理解——甚至有一天有可能预测——病毒与其宿主之间相互作用的结局。当宿主是我们人类自身的时候，这种好处是显而易见的。一个被称为“全球病毒组项目”（Global Virome Project）的目标是“检测地球上大多数未知病毒及其威胁”，预测哪些病毒可能会跳转宿主，感染人类并可能导致死亡。

“地球上的病毒比宇宙中的恒星多100万倍，病毒测序本身并不能预测它们在人类身上出现的概率，”霍姆斯说，他对这个项目表示质疑，“我们还需要做更多的工作，包括研究病毒的实际行为。”

回溯历史，我们对病毒的研究几乎完全是以人为中心的——主要关注可能危害我们健康或对经济发展产生重大影响的病毒。现在，病毒学家认为这种情况必须改变：我们应该正视对病毒固有危险性的偏见，我们需要更深入地了解病毒到底是什么，它们从哪里来，以及它们如何持续地影响着地球生命的多个方面。

睁开双眼去看这个不可思议的病毒世界，可以帮助我们预防疾病，了解生命的起源，甚至可以让我们洞察、预见未来自然世界可能发生的变化。

链接：病毒之间的信号交流

病毒离开了宿主可能是不活跃、不活动的，但一旦进入宿主体内，它们的行为就变得异常复杂起来。20年前，研究人员发现，有些病毒甚至会发送信号，帮助它们决定在病毒版本的“囚徒困境游戏”中是竞争还是合作。

最近的发现表明，它们是依赖于被称为多肽类的微小蛋白质来传递信息。这种基于多肽的信号在多种病毒中都有发现，包括那些引起流感、麻疹和脊髓灰质炎的病毒。然而，大部分的研究都是在噬菌体中进行的。病毒通过信号交流来协调自己的行为，特别是当需要决定是攻击还是休眠的时候。研究发现，不同的病毒种类都有自己的一套秘密信号，它们还能够“窃听”其他病毒和宿主物种的信号。

我们可以利用这些发现来对抗疾病。事实上，普林斯顿大学的研究人员已经设计出了病毒“杀手”噬菌体。这种病毒“杀手”能够感知包括大肠杆菌和沙门氏菌在内的其他微生物所特有的信号，然后瞄准目标并消灭它们。这表明，我们也许有一天能够根据需要操纵噬菌体杀死任何细菌。随着全球范围内抗生素耐药性的增加，这可能成为一些重大疾病的重要替代疗法。