病毒,人类的敌人还是盟友?

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新冠疫情导致人类陷入了前所未有的危机。原始生命体的肆虐,仿佛是在嘲笑21世纪的文明,而人类却完全束手无策。“传染病的文明史”系列专题,将通过讲述关于人类与病毒斗争的种种故事,与大家一同思考大流行病对于我们意味着什么。

迷雾中的生活

我们一直生活在“病毒的迷雾”之中。无论是过去三年折磨全人类的新冠病毒,还是流感、麻疹等其他致病性病毒,应该全都混杂在这片迷雾里。

构成这片迷雾的粒子极其微小。新冠病毒的直径大约只有万分之一毫米。假设一段10米长的斑马线上落满了豆沙面包,面包上撒的罂粟籽就相当于10米的“万分之一”。这样一比喻,或许大家就能够想象出病毒有多么微小。

恰恰是这种极其微小的粒子,引发了席卷全球的悲惨事件,成为第二次世界大战以来人类面临的最严重的挑战。封城和隔离措施导致社会秩序混乱和经济停滞,许多国家的政府始终未能推出行之有效的对策,只是徒劳地反复进行各种试错。无论国际还是国内,贫富差距都在扩大,发展中国家和地区的饥饿人口激增,甚至奥运会也在历史上首次推迟举办。

人类以高度的社会性为武器称霸地球,但病毒正是因为这种社会性而蔓延,为防止病毒扩散,人类饱尝了与社会隔绝之苦。本应受到现代科学保护的人类社会,却对这种极其微小的物质毫无办法。

接下来,笔者将为大家讲述在大约5万年的时间里,人类与病毒的斗争。在此之前,有必要了解对我们而言,病毒原本是怎样一种物质。

病毒广泛存在于地球上的各个地方,且数量庞大。地下深处的洞窟、永冻土层、喷涌100度以上热水的温泉、沙漠中心、高山、深海、核电站的管道内……它们无处不在,想找到没有病毒的地方很困难。

为什么说是“迷雾”呢?科学家们是这样推断的。1立方米空气中大约存在800万个病毒粒子。如果生活在6张榻榻米(约10平米)大小的屋子里,那就相当于房间内飘浮着大约2亿个病毒粒子。1克土壤中有大约10亿个。1立方厘米海水中有大约100万个。海洋中所有病毒的总重量相当于7500万头蓝鲸。

据哈佛大学微生物学博士、科普撰稿人凯瑟琳•吴粗略估算,地球上的病毒总数为3乘10的31次方,也就是3的后面列上31个0。在描述巨大数量的领域,可称之为“300穰”(1穰为10的28次方——译注)。作为参照数据,有人推算过地球上的沙粒总数为3的20次方,地球上可以看到的星星数量为7乘10的22次方。换言之,地球上的病毒数量远远多于星星和沙粒的数量。

人体内充满病毒

病毒会寄生在动物、植物、霉菌、细菌等所有生物体上。过去人们一直认为,只有病毒例外,不会被其他病毒寄生。但2008年,在巴黎一栋大楼冷却塔里的阿米巴原虫上发现了一种“感染病毒的病毒”。科学家们用前苏联人造卫星的名字“Sputnik”,将其命名为“斯普特尼克病毒”。

国际病毒分类委员会登记在册、已被命名的病毒共有9110种。其中大约2400种的基因序列已在网上公开。由于不同生物体上寄生的病毒各异,所以地球上存在的全部病毒可能会轻松超过1000万种。

人体内也充满了病毒。美国加州大学圣迭戈分校微生物学副主任大卫•普莱德等专家推算认为,我们的身体里寄生着超过380万亿个病毒。而人体细胞大约是37万亿个,病毒数量相当于人体细胞的10倍。

其中多数是被称作“噬菌体”的病毒。口腔内、肠道内、生殖器、皮肤等部位寄生着多达40万亿个细菌,人体内的病毒就附着在这些细菌上。它们似乎具有调节功能,可以避免肠道细菌等过度增殖。其他病毒在做些什么则几乎不为人所知。

通过以下这个事例也可以理解人体是病毒的巢穴。我们如果大声说话1分钟,会飘散出超过1000个含有病毒的气溶胶微粒,且至少会在空气中停留8分钟。这些病毒绝大部分对人体无害,但如果混入了致病性病毒,可能就会造成新冠疫情这样的事态。

东京大学医科学研究所教授佐藤佳等研究人员首次全面调查研究了健康人体内的病毒情况。结果发现,至少有39种病毒潜藏在血液、大脑、心脏、大肠、肺部、肝脏和肌肉等27个组织内,大脑和心脏里分别寄生着8种和9种病毒。

其中包括疱疹病毒和丙肝病毒之类的致病性病毒。而与此同时,也有可以提高宿主免疫力,或激活遗传基因功能的“盟友”。相关研究刚刚起步,今后的进展令人期待。

介于“生物”与“非生物”之间

病毒到底是“生物”还是“非生物”,围绕这个问题的争论尚未尘埃落定。1932年,当病毒第一次通过电子显微镜现身时,绝大多数研究人员都认为它是一种“生物”。

因为人们此前就知道它是多种疾病的致病原因。但3年后,当科学家成功地将病毒提纯为有机物的结晶后,又有许多研究人员困惑不已,开始怀疑它并不是生物。有时像生物一样活动,有时又会变成无生命的“物体”,病毒是一种超出常识的物质。

关于病毒是“生物”还是“非生物”的争论至今仍在持续。教科书对“生命”的定义是必须具备“细胞、代谢、自我复制”三个要素。然而,生命现象极其多样,且存在许多例外,加上物理学和化学等领域的研究人员也参与到了论战之中,所以争论过程非常复杂。

顺便提一句,笔者认为病毒属于“生物”。我曾故意刁难一位坚决主张病毒是“非生物”的研究员朋友,问他;“现在到处都放着消毒剂用来杀灭新冠病毒,既然病毒是非生物,怎么能说杀灭呢?”这位朋友露出了尴尬的表情。换句话说,这并不是非黑即白的争论,恐怕应该考虑的是调整生物的定义,但“生物”的定义多达300种以上,如果不去定义“到底什么是定义”,那么一切都无从谈起。

病毒是遗传多样性的宝库

能够引发可怕传染病的病毒是麻烦的制造者,但不断有证据表明,病毒其实是生命系统和生态系统中不可或缺的要素。比如,我们感染病毒之后,它们会入侵基因,注入自身的遗传信息,由此改写基因组(DNA中包含的所有遗传信息),在很大程度上影响了我们的进化。人类基因组有8%是由病毒擅自插入的。

说了半天,大家可能还是有点不好理解,其实可以把病毒想象成USB移动存储器,把细胞想象成电脑。但这种USB的接口和电脑上的插口规格各异,两者不会顺利对接。经过试错后,一旦成功嵌入,就可以把USB里存储的信息转移到电脑里。偶尔也会有“小东西”(电脑病毒)擅自修改文档,感染其他电脑。

胎盘是哺乳动物在腹中孕育后代的重要器官。近年来的研究发现,胎盘是由病毒从外界植入的基因形成的。大约1.6亿年前,病毒将某种基因植入哺乳动物祖先体内,成为形成胎盘的契机。东京医科齿科大学名誉教授石野史敏得出这项研究结论后,引发了全球轰动。

哺乳动物在进化过程中形成胎盘,这是染上的某种病毒与宿主细胞融合的结果。只有生活在澳大利亚和北美地区的有袋类动物未受到这种病毒的影响,所以没有形成胎盘,而是通过体外袋囊养育后代。

2000年,研究人员发现体内胎儿也会受到病毒的保护,这也促使人们对病毒的看法大为改观。胎儿会从父母双方继承遗传性状,但对于母亲的免疫系统来说,胎儿身上来自父亲的一半遗传性状属于“异物”,就像器官移植后出现的免疫反应一样,如果受到母体排斥,那么胎儿本应无法存活,但胎儿最终会平安降生。过去很长一段时间,这一直是一个巨大的谜团。

答案就是病毒的作用。寄生在人体内的病毒被激活后,生成一张用蛋白质打造的细胞膜(合胞体滋胚层)包裹住胎儿。这张细胞膜允许胎儿发育所需的营养成分和氧气通过,但会阻止可造成排异反应的母体淋巴细胞侵入胎儿血管,由此保护着胎儿的安全。

另外我们发现,如果工蜂感染了某种病毒,就会突然变得极具攻击性,甚至敢于正面迎战天敌大黄蜂,另外病毒还能够抑制浮游生物异常增殖或聚集引发的赤潮,可见它们在生态系统中也扮演着重要的角色。再者,有证据表明,病毒对引发全球变暖的碳循环也产生了巨大的影响。

加拿大不列颠哥伦比亚大学的病毒学家柯蒂斯•萨特尔断言称,“如果没有病毒,恐怕也就没有我们和其他生物了”。

尽管还很零碎,但随着病毒存在的原因逐渐被阐明,笔者产生了这样的想法——或许生态系统里有一片广阔的病毒领域,入口处的大门刚刚开启了一条缝隙。我们可以窥见的是前所未知的遗传多样性的“宝库”。这里也许保存着关于抗原、抗体、蛋白质等物质的信息,隐藏着生命进化的奥秘。同时,也潜藏着开拓癌症和其他疑难病症治疗之路的可能性,或将成为人类新的财富。

笔者将在本专题中,尝试展现“围绕传染病与文明的永恒斗争”的全貌。

标题图片:巴西圣安德烈市一座体育馆内设置的方舱医院。摄于2021年5月17日。当时巴西因感染新冠病毒而死亡的人数超过43.5万,仅次于美国(图片与文章内容无直接关系)(Photo by Mario Tama/Getty Images)

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