生物進化中,病毒存在至今有何意義?

病毒是自然界的一個神奇存在。

細胞是最小的生物結構單元,無論動物還是植物,只要是生物,只要細胞在,生物特質就可以得到保留。所以,曾經大家以為細菌這類單細胞生物是最小的生命體。

但是,後來病毒出現了。它的存在顛覆了人類對生命的認識。不是說對生物結構的認識發生變化了,而是說什麼是生命,含糊了。

病毒是生命體嗎?

這個回答是不確定,既可以說是,也可以說不是。

我們從三張圖片開始。

第一張圖是非典病毒的電鏡照片。由於是電鏡照片,比較模糊。

生物進化中,病毒存在至今有何意義?

非典冠狀病毒的電鏡照片

中科院把電鏡照片做了處理,並在官網上進行了公佈。下圖是中科院官網上公佈的非典冠狀病毒。

生物進化中,病毒存在至今有何意義?

中科院官網上公佈的非典冠狀病毒

第三張圖是洋蔥鱗片葉表皮細胞。

生物進化中,病毒存在至今有何意義?

洋蔥鱗片葉表皮細胞

細胞和病毒都有很多種。上面圖示是洋蔥鱗片葉表皮細胞,其他細胞的形態會跟洋蔥鱗片葉表皮細胞有所區別,比如動物細胞就沒有細胞壁,形態也各種各樣,諸如神經元細胞等等,但各種細胞形態都跟病毒形態有明顯的區別。細胞主要由細胞核與細胞質構成。由於有細胞質,細胞呈現出柔軟的形態特徵,各細胞雖然功能相同但形態不同。但病毒則呈現出明顯的晶體特徵。

事實也的確如此。對病毒物質的純化學研究表明,我們完全可以將病毒視作明確的化合物,並且可以像對待各種無生命的複雜有機化合物那樣對待病毒,它們遵循各種類型的置換反應。實際上,假以時日,生物化學家可以象描述乙醇甘油那樣,把病毒的化學式也寫出來。

然而大自然的神奇之處就在於她的不可思議。當把這些貌似無生命的化合物拿進生物體後,它們就開始展現活性——開始傳染。反過來,當病毒脫離宿主時,它們又會恢復正常,排列成晶體。

病毒到底是生物還是非生物?這絕對是個謎題。也許病毒就是那個解開地球從一片荒蕪漫無生命成長為生機勃勃花紅柳綠的關鍵鑰匙,也為未可知。下面引用喬治·伽莫夫在著名科普讀物《從一到無窮大》中的內容,大家可以做個參考。

加利福尼亞大學病毒研究所的海因茲·弗倫克爾-康拉特(Heinz Fraenkel-Conrat)和羅布利·威廉姆斯(Robley Williams)最近實現了用無機材料合成生物的第一個重要步驟。他們成功將菸草花葉病毒顆粒分解成兩部分,每個部分都是非常複雜但沒有生命的有機分子。人們很久以前就知道,這種具有長棍形狀的病毒由一束組織材料的長直分子(叫作核糖核酸)和圍繞在上面的蛋白質長分子組成,就像電磁體中電線圈圍繞鐵芯一樣。通過使用各種化學試劑,弗倫克爾——康拉特和威廉姆斯成功分解了這些病毒顆粒,將核糖核酸從蛋白質分子中分離出來,而且沒有損壞它們。於是,他們在試管中得到了核糖核酸的水溶液和蛋白質分子的水溶液。電子顯微鏡照片表明,試管中只含有這兩種物質的分子,完全沒有任何生命跡象。


不過,當兩種溶液放在一起時,核糖核酸分子開始以每束24個分子的方式結合,蛋白質分子開始纏繞在它們周圍,形成實驗開始時病毒顆粒的精確複製品。當這些分解並再次結合的病毒顆粒作用於菸草葉時,它們使植物染上了花葉病,就像它們從未分解一樣。當然,在這個例子中,試管中的兩種化學化合物是通過分解有生命的病毒得到的。問題是,生物化學家現在已經掌握了用普通化學元素合成核糖核酸和蛋白質分子的方法。雖然他們目前(1960年)只能合成兩種物質相對較短的分子,但是我們完全有理由相信,隨著時間的推移,人們可以用簡單元素製作出和病毒分子一樣長的分子。將它們放在一起,就可以得到人造病毒顆粒。

在我中學時的教材上,生命的最小組織單位是細胞。但對病毒,則是一個模糊的地位。這一方面是因為它的“生命結構”完全不同於地球上這些正常的生命體:病毒在脫離宿主的時候不管怎麼看就是一個普通的結晶體、一塊普通的物質,我們肯定不能隨便指著一塊碳氫氧分子就說這是生命體;但另一方面,病毒的生命方式也跟細胞以及細胞構成的生命大不相同。病毒並不存在細胞或者正常生命體才有的新陳代謝,它只有繁殖(傳染)和進化(突變),它沒有吸入能量維持自身生長的過程,它只是在不停地複製。面對這種獨特的生命方式,我們只能修改我們對生物和非生物的認識和分類。

病毒極其微小,是納米級別的,只能在電子顯微鏡下進行觀察(細胞在光學顯微鏡下就可以觀察)。那麼病毒是由什麼組成的呢?病毒是由大量病毒小顆粒組成的。這個很好理解,我們喝的水也是一杯一杯的,沒有說喝水就喝一個H2O的。所以當我們把病毒扒拉開,就會看見病毒是由大量完全相同的病毒顆粒組成的。而每個病毒顆粒都具有完全相同的大小,都是成熟的、結構完整的、獨立的、有傳染力的病毒單元。人類已知的最小病毒顆粒是菸草花葉病毒顆粒。這種病毒具有螺旋桿狀結構。小到什麼地步呢?小到在它的直徑上只能排列50個原子,軸線上大約排列1000個原子。

如果中學生物知識沒有丟的話,大家會記得這個大小規模類似於細胞中的某一個東西。對,基因。所以,我們也許可以把病毒顆粒看作“自由基因”,它們不屑於聯合成為染色體,更不屑於跟什麼細胞質之類的東西混在一起。它們只想單幹!

實際上,病毒顆粒的生殖過程也完全符合細胞分裂過程中的染色體倍增程序:它們從周圍介質中吸收原子團為此所用,按照自己的基因順序進行復制。當複製完畢之後,病毒顆粒的整個身體沿軸線分裂,形成兩個新的全尺寸病毒顆粒。當然,這種複製是有前提的,就是得在它需要的介質中完成。為此,它需要尋找合適的宿主。比如這次的新冠肺炎病毒就找到了人類。

曾經看過一本小說,裡面把基因當做物競天擇的主體,他們設法通過宿主繁衍進化。在他們跟前,人類不過是載體,通過遺傳一代代為基因繁衍。基因和人類誰在做主還不一定呢。回想起來還是蠻驚悚的。

咱們這裡不是聊科幻小說,而是嚴肅問答,所以不說那麼多沒用的。還是回到病毒。

病毒改變了我們對生命的定義。不過大自然表示關我屁事,我本來就是我行我素的,我可不管你人類是怎麼認識我的。生物和非生物的分類那是你們給做出的分類,你們認識不完全那是你們的事情,如果不符合我的意思,那你們人類就是得重寫對生命和生物的認識和分類。

改寫就改寫。或許當我們對病毒完成了全面認識的時候,我們就能解開生命從無機物到有機物、從無生命到有生命的進化過程。



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