01 什麽是病毒 What Are Viruses
微生物是如此之小，
小到根本無法辨認出它，
但許多人滿懷熱情，
寄望顯微鏡能一窺究竟。
它有成百排古怪的牙齒，
其後連接著舌頭；
它有七條簇狀的尾巴，
上麵遍布可愛的粉色和紫色斑點，
每一顆斑點都是一幅圖案，
每幅圖案由四十根線條繪成；
它還長著嫩綠的眉毛。
而這一切無人得見——
但知識淵博的科學家們
確信它們必是如此長相……
哦！讓我們永遠別去懷疑
那些無人確定的事。
——《微生物》[1]，
希萊爾·貝洛克（Hilaire Belloc）， 1896年
原始微生物大約從30億年前就開啟了它們在地球的進化之旅，但直至19世紀晚期才被人類成功分離出來，距後來希萊爾·貝洛克寫下這首《微生物》僅僅20年左右。盡管這首詩僅為消遣之作，但也反映出時人對微生物所持的懷疑態度。疾病曾不同程度地被歸因於神的意誌、行星的排列、沼澤散發的瘴癘之氣或腐爛有機物散發的各種有害氣體，而隻有在認知取得巨大飛躍後人們方能接受這樣一個事實——微小的生物體才是導致疾病的罪魁禍首。當然，人們的認知並非一朝一夕就能扭轉，但隨著被發現的微生物日益增多，“細菌理論”占據了上風，到20世紀初，微生物能導致疾病這一觀點已獲得各界廣泛認可，甚至包括非科學界。
17世紀的荷蘭透鏡製造商安東尼·範·列文虎克（Antonie van Leeuwenhoek）對顯微鏡技術的改良在人們認知實現巨大飛躍的過程中起到了關鍵作用。雖然列文虎克是最早看見微生物的人，但直到19世紀中期，巴黎的路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）和柏林的羅伯特·科赫（Robert Koch）才證實“細菌”是導致傳染病的原因。巴斯德的研究對推翻時人普遍相信的“自然發生說”（即生命可以從無機物質中產生）起到了重要作用。他將肉湯煮沸後放入一個帶過濾器的培養瓶內，以此防止空氣中的任何顆粒物質進入，結果顯示這樣能避免黴菌在肉湯中生長。這證實了空氣中飄浮著微小的“細菌”。
科赫於1876年發現了第一種細菌——炭疽杆菌（Bacillus anthracis）。他很快就發明了在實驗室中培養微生物的方法，並在此後接連識別和表征出一係列致病微生物，它們引發了令人聞之色變的疾病，如炭疽、結核病、霍亂、白喉、破傷風和梅毒。很明顯，細菌的結構類似於哺乳動物的細胞，即細胞質外包圍著一層細胞壁，而細胞質中盤繞著一個環狀DNA分子。大多數細菌為自生細菌，可以製造自身新陳代謝和分裂所需的所有蛋白質。
至此仍有一些傳染病尚未找到對應的致病微生物，如天花、麻疹、腮腺炎、風疹和流感。這些微生物顯然體形更加纖小，因為它們能穿過截留細菌的過濾器，因此被稱為“濾過性病原體”。在當時，大部分科學家認為這些微生物隻不過是相對較小的細菌。
1876年，時任荷蘭瓦赫寧根農業實驗站站長的阿道夫·麥爾（Adolf Mayer）著手調查一種曾摧毀了荷蘭煙草業的新發煙草病害。因為染病植株的葉子上會形成斑駁的圖案，所以他稱之為“煙草花葉病”。他利用從病株中提取的汁液讓健康植株染病，從而證明這種病害具有傳染性。他認為這種病害是由某種極其微小的細菌或毒素引起的。
後來，生物學家德米特裏·伊萬諾夫斯基（Dmitry Ivanovsky）在俄國聖彼得堡大學對煙草花葉病也進行了研究，並於1892年證明該病害的病原體能夠穿過截留細菌的過濾器。他的觀點與麥爾類似，即該病害由細菌產生的化學毒素引起。
在麥爾的實驗基礎上，瓦赫寧根農業學校的馬丁努斯·貝傑林克（Martinus Beijerinck）於1898年進一步證明這種病原體能在正在分裂的細胞裏生長，並且每感染一株植物就能恢複能量。他推斷出這是一種活體微生物，並首創“病毒（virus）”一詞加以命名，這個名字來自拉丁語，意即“毒藥、毒液或黏滑的**”。
到20世紀初，病毒被定義為一種具有傳染性和可濾過性，並且需要活細胞方能繁殖的微生物，但其結構的本質依然成謎。在20世紀30年代，人們獲得了煙草花葉病毒結晶，這表明病毒完全由蛋白質組成，但人們很快又發現了一種對病毒的傳染性具有重要影響的核酸組分。直到1939年，電子顯微鏡的發明才讓人們首次目睹病毒的真麵目並能描述其結構，從而發現它們是一類獨特的微生物。
病毒並非細胞，而是一種有機物微粒。它們由蛋白質外殼和被外殼包裹並保護的遺傳物質組成，用著名免疫學家彼得·梅達瓦（Peter Medawar）爵士的話來說，就是“包裹在蛋白質中的一條壞消息”。整個病毒結構被稱為病毒粒子，其外殼被稱為衣殼。衣殼形狀各異，大小不同，具體取決於其所屬的病毒科。衣殼由名為殼粒的蛋白亞基構成，而殼粒圍繞遺傳物質的排列方式決定了病毒粒子的形狀。例如，痘病毒呈磚形，皰疹病毒為二十麵體（二十麵球體），狂犬病病毒形如子彈，而煙草花葉病毒細長如杆（圖1）。某些病毒還具有一層包裹在衣殼外名為包膜的外衣。
圖1 病毒的結構
大部分病毒都因過於渺小而難以通過光學顯微鏡觀察。它們的大小一般是細菌的1/500～1/100，粒徑為20～300nm[2]不等（圖2）。但新近發現的巨病毒——擬菌病毒（“模擬細菌的病毒”的簡稱）不在此列，它的直徑約為700nm，甚至超過了部分細菌。
圖2 典型細菌和代表性病毒的大小對比
病毒的衣殼內包裹著它的遺傳物質或基因組，可能是RNA或DNA，具體取決於病毒的類型（圖3）。病毒基因組中包含的基因攜帶了製造新病毒的密碼，能將這些遺傳特征傳給下一代。病毒通常具有4～200個基因，擬菌病毒是其中翹楚——據估計，它擁有600～1000個基因，甚至超過了很多細菌的基因數。
包括細菌在內的自生生物細胞中包含了一係列維持生命必需的細胞器，如生產蛋白質的核糖體、線粒體或其他產生能量的結構，以及在細胞內部與跨細胞運輸分子所需的質膜。因為病毒不是細胞，所以不具有上述結構。因此，病毒在感染活細胞前是完全惰性的。它們在感染活細胞後會劫持細胞本身的細胞器並攫取所需的一切，這個過程通常會殺死細胞。由此可見，病毒必須從其他生物細胞獲得必要物質來完成其生命周期，因此，它們被稱為專性寄生物。甚至連感染阿米巴變形蟲的擬菌病毒也必須借用阿米巴變形蟲的細胞器來生產所需蛋白質，以便裝配成新的擬菌病毒。
圖3 DNA結構
圖示為兩條相互纏繞、構成螺旋的互補鏈。每條鏈的主鏈由通過磷酸分子（P）相互連接的（脫氧核）糖分子（S）構成。每個糖分子均連接著一個堿基，共同構成了遺傳密碼表中的“字母”。它們分別為腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。RNA與DNA的結構相似，但其堿基為腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶（U）
植物病毒可通過細胞壁的裂縫進入細胞，或以蚜蟲等刺吸昆蟲為媒介注入，然後通過胞間連絲（跨細胞轉移分子的孔）在細胞之間快速擴散。與此迥異的是，動物病毒則通過與細胞表麵特定的受體分子相結合來感染細胞。細胞受體如同一把“鎖”，隻有攜帶正確受體結合“鑰匙”的病毒才能打開它並進入特定的細胞。不同種類病毒的受體分子各有不同，有些受體分子存在於大部分細胞表麵，但也有些受體分子僅存在於特定類型的細胞表麵。艾滋病病毒（HIV）就是一個眾所周知的例子。這種艾滋病病毒攜帶能開啟CD4分子鎖的鑰匙，因此隻能感染表麵有CD4分子的細胞。這種特殊的交互作用決定了感染的結果，作為激發免疫應答的關鍵，CD4陽性“輔助性”T細胞會被艾滋病病毒破壞。最終，導致免疫係統失效，而機會性感染則會接踵而來。除非使用抗病毒藥物進行治療，否則這種感染足以致命。
一旦病毒與細胞受體結合，病毒的衣殼就會滲透該細胞，並向細胞質釋放病毒的基因組（DNA或RNA）。因為病毒的主要“目的”是成功繁衍，所以它的遺傳物質必須表達其攜帶的信息。該過程在大多數情況下會在細胞核中進行，病毒在此可得到生產自身蛋白質所需要的分子。部分大型病毒（如痘病毒）還會攜帶生產蛋白質所需的酶的基因，從而增強自給性，以便在細胞質中度過整個生命周期。
DNA病毒從進入細胞伊始就將自己偽裝成細胞DNA片段，從而盡可能利用所需的細胞器完成基因轉錄和翻譯。當病毒的DNA密碼被轉錄成信使RNA後，由細胞的核糖體讀取信息並翻譯成不同的病毒蛋白。生產出的各個病毒成分隨後將被裝配為成千上萬的新生病毒，並且往往會被密實包藏在細胞內。因此，這些新生病毒在最後“破繭”而出時難免會殺死宿主細胞。新生病毒也可能以出芽的方式更平緩地穿過細胞膜並釋放。如果采用出芽的方式，宿主細胞可能會存活下來並成為感染貯主。
相對於DNA病毒，RNA病毒的領先之處在於其擁有自身的遺傳密碼（RNA）。因為RNA病毒攜帶的酶能促進其RNA被複製並翻譯成各種蛋白質，所以它們對細胞酶的依賴性較弱，並且它們通常能在細胞質中度過完整的生命周期，避免對宿主細胞造成重大破壞。
逆轉錄病毒指包括艾滋病病毒在內的一類RNA病毒科，它們進化出了一種使細胞終生受感染同時又能躲避免疫攻擊的獨特技巧。逆轉錄病毒粒子中含有一種逆轉錄酶，這種酶一旦進入細胞就會將相關病毒的RNA轉化為DNA（圖4）。這樣形成的病毒DNA可在病毒攜帶的另一種酶，即整合酶的介導下接入或整合至細胞的DNA中。此時整合的病毒序列被稱為前病毒，並將有效保存在細胞內。每當細胞分裂時，前病毒將隨宿主細胞DNA一起複製，從而永遠保留在細胞中。前病毒的遺傳信息將以這種方式傳給兩個子細胞，因此宿主體內會累積大量的受感染細胞。前病毒隨時能製造出新的病毒並以出芽的方式離開細胞表麵，但在這種情況下還是會殺死宿主細胞。
圖4 逆轉錄病毒的感染周期
圖示為病毒進入細胞並進行基因組逆轉錄、整合、轉錄和翻譯，病毒的裝配以及新病毒粒子從細胞表麵出芽
在哺乳動物細胞的分裂過程中，DNA的複製過程會受到嚴格調控，並且通過一個校對係統以及數個設置適當的檢驗點來檢測並糾正受損或錯誤複製的DNA。若DNA受損過度，細胞會通過名為細胞凋亡（也稱程序性細胞死亡）的“自毀”程序來誘導相關細胞死亡，而不是讓該細胞繼續傳遞錯誤的DNA。盡管存在上述檢驗過程，但依然存在漏網之魚。如未能檢出錯誤，突變則會被複製並傳遞給後代細胞（圖5）。
圖5 病毒基因隨時間推移的分子進化
根據序列之間的累積差異程度構建進化樹，按比例繪製水平分支的延伸長度，並指明何時擁有共同祖先（用圓圈表示）
病毒基因組的變異速度遠超人類基因組，其原因之一在於病毒能在一兩天內繁殖出成千上萬的後代。此外，RNA病毒不具有校對係統，它們的突變率高於DNA病毒。因此，病毒每感染一個細胞，其DNA或RNA就可能被複製數千次，並且由於每條新的鏈均會進入一顆新的病毒粒子，所以每輪感染均會產生數個突變病毒。病毒的高突變率是它們的命脈所在，在某些情況下，這還會成為它們維持生命的救命稻草。每輪感染均會產生一些因突變導致必要基因功能失效而無法存活的病毒，其他的突變則不會導致其基因功能發生改變。但也有少數後代會發生有益突變，這會使它們比兄弟姐妹更具選擇優勢。有益突變具有多種優點，包括提高躲避免疫攻擊的能力；成功存活並在宿主間傳播的能力；提高對抗病毒藥物的耐藥性；具有更快的繁殖速度等。無論獲得了怎樣的優勢，這種特殊的突變病毒均能據此超越其兄弟姐妹，並最終傳遞給整個種群。這種例子不勝枚舉，尤其是RNA病毒，比如在人類種群中至少存在了2000年的麻疹病毒。然而，科學家們通過計算發現，現今的麻疹病毒毒株的出現時間距今並不遙遠。據推測，這種病毒毒株在某種程度上表現出了比前代更好的“適應性”；或許它擁有更強大的傳播能力，從而最終在全球範圍內取代了前代毒株。另一個廣為人知的例子就是艾滋病病毒，它能迅速進化出對抗感染藥物的耐藥性。這在實際治療中意味著必須聯合使用多種抗逆轉錄病毒藥物，以獲得有效治療結果。盡管如此，耐藥性問題依然日趨嚴重。一旦耐藥病毒被傳播給了未感染者，這種新的感染將更加難以控製。所有企圖研製出艾滋病病毒疫苗的人均在這個過程中敗下陣來。
分析病毒基因組突變是追蹤病毒曆史的一種有效方式。20世紀60年代建立的分子鍾假說指出，任何特定基因的各世代突變率恒定不變。換言之，根據這個假說，如果從不同來源同時分離出相同病毒的兩個樣本，這些樣本從其共同祖先開始的進化時間長度應當一致。因為它們以恒定速率積累突變，所以可以根據其基因序列之間的差異程度測量其共同祖先的存在時間。對高等生命形式而言，以分子鍾估算的起源日期與基於化石記錄估算的起源日期大致相同，所以這種方法能有效測量進化時間。但不幸的是，病毒未能留下可供驗證的化石記錄。盡管如此，科學家們依然使用分子鍾來估算某些病毒的起源時間，並繪製進化樹（係統發育樹）來展示這些病毒與其他病毒的親緣度。鑒於病毒具有高突變率，所以能測量出艾滋病病毒在短時間內發生的重大進化變化（按年均1%估算）。這項技術曾用於揭示麻疹病毒史。根據這項技術，人們還發現天花病毒與駱駝和沙鼠攜帶的痘病毒具有最密切的親緣關係，說明這三種病毒均源於距今5000～10 000年的某個共同祖先。
因為病毒粒子是惰性的，不能獨立產生能量或生產蛋白質，所以通常不被大眾視為活的生命體。盡管如此，作為寄生於細胞內的遺傳物質片段，病毒依然能高效利用細胞的內部機製進行繁殖。那麽這些細胞劫持者起源於何時，又是以何種方式產生的呢？
我們目前還不能回答這個問題，但人們普遍認為病毒具有悠久的曆史。事實上，三大生命領域（古生菌、細菌和真核生物）中的生物所感染的病毒具有共同的特征，這表明病毒的存在早於三大領域的生命從其共同始祖——“最後同源祖宗細胞”（LUCA）中分化的時間。關於病毒的起源，目前主要形成了三種學說。
第一種學說認為，病毒是從約40億年前的“原生湯”中誕生的第一批生物之一。鑒於現今的病毒是專性寄生物，該學說認為痘病毒等大型DNA病毒可能代表著曾經能自主生存，但如今已失去獨立繁殖能力的病毒。
第二種和第三種學說均認為病毒早於DNA出現，那時，LUCA的祖先還以RNA作為其遺傳物質。其中一種學說視病毒的起源為被蛋白質外殼包裹並具有傳染性的遊離RNA片段。另一種學說認為，病毒是在其他更複雜的細胞進化時，被淘汰並退化為寄生生命形式的原始RNA細胞。當隻考慮RNA病毒而非DNA病毒時，這兩種學說都比較容易被人采信。因此，科學家們提出DNA病毒由相應的更古老的RNA病毒進化而來。能將RNA轉錄成DNA的逆轉錄病毒的存在支持了這一觀點。通常情況下，遺傳信息會從DNA傳遞給RNA，再從RNA傳遞給蛋白質，但逆轉錄病毒逆轉了這一過程。起初無人相信存在逆轉錄過程，直到1970年人們發現了逆轉錄病毒的逆轉錄酶。逆轉錄病毒或許填補了古代RNA和現代DNA世界之間缺失的一環。病毒進化不僅是一個令人著迷的研究領域，也是一個研究熱點，除非能徹底解答這個問題，否則病毒在生命之樹中的定位依然成謎。
人們曾在20世紀早期製定了一係列標準來確定感染原是否為病毒，包括：感染原必須能穿過截留細菌的過濾器，必須具有傳染性，並且無法在滋長細菌的培養基中生長。在20世紀30年代晚期，電子顯微鏡的發明顯著增強了人們鑒別病毒的能力，此後人們常常通過電子顯微鏡發現新病毒，並開始更精確地描述其大小和形狀。當人們意識到病毒隻能攜帶DNA或RNA，無法同時攜帶兩者時，便根據以下標準建立了分類體係，將病毒劃分為不同的科、屬和種：
核酸類型（DNA或RNA）；
病毒衣殼形狀；
衣殼直徑或殼粒數量；
是否存在病毒包膜。
自20世紀80年代初病毒全基因組測序首次完成以來，基因組測序已成為一項有效提供病毒分類信息的常規技術。事實上，隨著探索病毒的方法日益複雜精妙，對許多病毒而言，人們在實際觀察其物理結構前就早已經能完成鑒別。我們能比較新病毒與其他已知病毒的DNA或RNA分子結構，從而將新病毒納入相應的科。
1989年，人們首次使用分子探針發現丙型肝炎病毒。在分離出甲型和乙型肝炎病毒後，人們常常在來診所就診的人中發現未被這兩種病毒感染但具有病毒性肝炎症狀的患者。這種疾病當時被稱為“非甲非乙型肝炎”。科學家們據此推測還存在一種未知的肝炎病毒。因此，他們在實驗中用非甲非乙型肝炎患者的感染性物質給黑猩猩接種，然後從一隻黑猩猩的血液中克隆出RNA片段。從中他們發現了一係列獨特的RNA序列，這些序列均具有黃病毒科特有的基因組長度、組成和結構，但又有別於當時已知的任何其他序列。這種“新”病毒被命名為丙型肝炎病毒。
得益於這些新技術，我們對病毒的探索早已不再局限於尋找疾病的原因，而是籠括了更廣闊的環境，並從中發現了大量病毒。第2章我們將開始探索人類所在的“病毒圈”的範圍和複雜性。
[1] 摘自《壞孩子的野獸故事書》（希萊爾·貝洛克著），由彼得斯·弗雷澤和鄧洛普（www.petersfraserdunlop.com）代表“希萊爾·貝洛克財產”授權轉載。
[2] nm即納米，長度單位，一納米是十億分之一米。