02.28 探一探病毒的祖先:地球上最古老的“活化石”

编审专家:

除了朊病毒外,病毒是目前地球上所发现的最小生命单位,是一种最简单的非细胞结构生命形式,其必须借助于其他生命个体的活细胞才能生存和繁殖。只要有生命的地方,就有病毒存在。病毒起源于何时尚不清楚。而病毒的多样性显示它们的进化很可能是多条线路的,而非单一的,这更增加了破解病毒起源问题的难度。

一、病毒的历史

虽然人类和其它动植物遭受病毒危害由来已久,但“病毒”这一概念的产生,其实历史并不算久远。关于病毒所导致的疾病,早在公元前3世纪至前2世纪的印度和中国就有了关于天花的记录。但直到19世纪末,病毒才开始逐渐被发现和鉴定。19世纪末,由于烟草种植业的发展,对烟草花叶病病因的大量研究,导致病毒概念的产生。因此,烟草花叶病毒在病毒的家族群体中一直处于特殊的地位。无论是病毒的发现,还是后来对病毒的深入研究,烟草花叶病毒都是病毒学工作者的主要研究对象。

对于病毒是否有生命的认知过程其实是较为曲折的。起先,人们普遍认为这样小的病毒不可能是有生命的。直到1935年,M.W.Stanley结晶烟草花叶病毒的成功,才揭开了研究病毒本质的序幕。病毒到底是一种生命形式,还仅仅是一种能够与生物体相互作用的有机结构,人们的观点各不相同。有人将病毒描述为处于“生命边缘的生物体”,因为它们像其他生物体一样拥有基因,能够通过自然选择而进化,并且能够通过自行组装来完成复制。虽然病毒含有基因,但它们没有细胞结构,而细胞被认为是生命的基本单位;而且,病毒没有自身的代谢机制,需要通过宿主细胞来替它们完成复制繁殖,因此它们不能够在宿主细胞外进行繁殖(虽然属于细菌的立克次体和衣原体也具有同样的缺陷);被接受的生命形式是利用细胞分裂来进行繁殖的,而病毒是自发地在细胞内进行组装的,类似于晶体的自发生长过程。虽然病毒是否是一种生命形式,目前还没有定论,但病毒在宿主细胞内的自组装方式对于研究生命起源具有一定启示意义。


探一探病毒的祖先:地球上最古老的“活化石”


二、病毒的起源

分子生物学技术是目前可用的揭示病毒起源的方法,但这些技术需要获得远古时期病毒DNA或RNA的样品,而目前储存在实验室中最早的病毒样品也不过百年。目前关于病毒起源,主要有三种理论。

(一)自起源理论

该理论认为病毒先于细胞产生于生命前地球,然后进化成原核细胞及真核细胞。认为在远古地球的生命汤中,首先形成“亚生命单位”,再由这些“亚生命单位”发展为亚病毒或病毒,最后形成现代细胞的雏形。一种病毒在不同的进化压力下最终可以进化成为不同的宿主细胞。生物进化通常遵循从简单到复杂的规律。在物质上,在非生命物质到生命出现这一漫长的过程中,病毒可能正好处于非生物与生物的过渡位置。在结构上,立克次体、衣原体等最简单的细胞也比最复杂的病毒更复杂,可以说病毒刚好填补了从化学大分子物质到原始细胞之间的空白。病毒自起源理论也就诞生了。

(二)平行进化理论

该学说认为病毒和细胞是在生命前环境条件下同时平行起源而成,进化过程中形成病毒寄生于细胞的关系。病毒可能进化自蛋白质和核酸复合物,与细胞同时出现在远古地球,并且一直依赖细胞生命生存至今。

(三)细胞源退化理论或逆向理论

病毒起源于细胞的观点是当今生物学界占主导作用的理论。退化理论最早由格林(R.B.Green,1935)提出,他认为病毒是细胞内寄生物的退化形式。Burnet(1945)和Lwoff(1959)等人研究认为,病毒在细胞内的寄生现象可能是寄生物在不影响其生存条件下,逐渐丢失部分结构和功能所致。依据相关证据该理论认为,病毒最初是细胞中的组份,进化过程中逐渐丢失掉寄生生活中非必需的能够独立生活的基因,最初是由于某种原因,细胞向外“抛出”的大分子、大分子复合体或“小细胞”,来源于并寄生于细胞。这一理论的证据是,立克次体和衣原体就像病毒一样,需要在宿主细胞内才能复制;而它们缺少了能够独立生活的基因,这很可能是由于寄生生活所导致的。

自然界中,生物的起源和进化是一个极其漫长而复杂的过程,从达尔文经典的物种起源理论,到现代分子生物学不断发展的进化学说,无一不体现这一特性。显然,病毒的起源和进化也不例外。虽然现有的科学水平还不足以明确病毒的起源,但研究病毒的起源,其实也是认识病毒,加深对于自然界了解的过程。以往的研究发现更偏向于认为病毒是细胞的退行性或者是内源性产物,认为细胞来自同一个祖先,但今年来的研究成果表明了其他理论存在的可能性。日益完善的科学理论加深了人类对于病毒的认知,其研究结果也终将造福于人类。

参考文献

1.冯元昱,董昊东.病毒自起源理论的研究进展[J].生物化工.2019,3:137-139.

2.周鑫,杨漫宇,匡林林等.医学分子生物学进展诠释着病毒的起源和进化[J].2015,34(5):6-10.

3.韩世杰.病毒概念的历史发展.山东医科大学学报:社会科学版.1989,3: 22-25.

4.闵义,姬卿. 进化生物学[M]西安:西安交通大学出版社,2015.


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