病毒与人类爱恨交织的协同进化关系
病毒与人类之间的协同进化关系源远流长。在人类演化史上，病毒使人类备受侵害、甚至死亡，但倘无病毒相助，恐怕地球上压根儿就不会出现人类,病毒是人类演化最有力的驱动力。目前肆虐的新冠肺炎病毒，最终或将消失，或将变异成无害的“垃圾基因”进入人类基因组保存下来，在未来适当的时候，成为有用的内源性逆转录病毒基因服务于人体。这便是达尔文生物演化论和分子生物学给我们描绘的美丽新世界。
撰文 | 苗德岁
本文来自上海《科学》杂志2020年第3期。
自古以来，人类就不断地受到各种传染性流行疾病的侵扰，严重时可造成千百万人口的死亡。在现代科学出现之前，人们不知道这些流行病是如何引起的；大多数情况下，甚至连是什么病都不清楚，便笼统地称之为“瘟疫”。比如，由天花引起的瘟疫，至少可追溯到2000年前。不仅人类自身，而且人类饲养的家禽和家畜，常常也难逃感染瘟疫的厄运。
17世纪下半叶，荷兰人列文·虎克（a.van leeuwenhoek，1632—1723）发明了光学显微镜，人类首次在显微镜下观察到完整的活细胞，这才有可能开始研究原先肉眼看不到的微生物世界。使用光学显微镜，虎克首次发现了细菌。随着光学显微镜的发明及细菌的发现，由细菌和寄生虫引起的一些疾病和瘟疫，逐步被科学家所认识和征服。比如，以法国微生物学家巴斯德（l. pasteur, 1822—1895）为代表的科学家，研制了各种疫苗，使天花、狂犬病以及炭疽病等得到了有效的防治。巴斯德还发明了杀菌的消毒方法，大大地减少了细菌感染的疾病及其引起的瘟疫。此外，抗生素的出现，也有效地抑制了细菌感染所引发的瘟疫。然而，直到20世纪初，还有一些“隐形杀手”依然“逍遥法外”，因为有许多疾病和瘟疫显然不是细菌和寄生虫引起的，而且抗生素药物对它们也完全无效。那么，这些“隐形杀手”究竟是谁呢?
20世纪30年代，德国工程师鲁斯卡（e. ruska，1906—1988）发明了第一台电子显微镜,其分辨率比传统光学显微镜一下子提高了400多倍，此后仅隔20来年，电子显微镜的放大倍数猛增了10万倍，使科学家看到了比细菌小很多的东西。这一“隐形杀手”终于在强大的电子显微镜下现出了原形！科学家给它起了个名字——病毒（virus），它在中古英语里的本意是“蛇毒”。然而，这个词在拉丁语中的本意就更有意思了，既是蛇的毒液又是人的精液，也就是说它既能毁灭生命又能创造生命。后来的科学发现表明，它的拉丁语原意竟是千真万确的。
19世纪生物学的一项重大发现是细胞学说，它是虎克光学显微镜观察到活细胞后的直接结果。多数生物学家认为，大自然中的所有动物、植物以及微生物都是由细胞组成的，它们的遗传、变异、繁殖、发育、生长、分化以及新陈代谢等，都是细胞活动的体现。因此，细胞是生命体的建筑模块（building blocks），即生命的基本结构和功能单元。换言之，有没有细胞、是否具有代谢功能以及能否自行繁殖，自然也就成了生物学上定义生命的标准。
然而，科学家发现，病毒却没有细胞。病毒是极其微小的颗粒，一般不超过300纳米长（1纳米约等于1毫米的百万分之一），比细菌小1000倍，而细菌比大多数人体细胞要小很多很多。病毒的核心是包含遗传信息的遗传物质（即核酸），外面有蛋白质保护壳。病毒的遗传物质是dna（脱氧核糖核酸）或rna（核糖核酸），它们作为遗传密码的载体，能够自我复制，产生新病毒。因此，病毒实际上已具有了活细胞的一些特性，比如遗传与繁殖。可是，病毒又与生物体不一样，它没有新陈代谢功能，它不能吃不能喝，当然也就不可能把食物转化成能量。它缺乏核糖体（即核蛋白体），因此不能从信使rna分子中自主生成蛋白质。由于缺乏这些基本的生命功能，它不能自行繁殖，必须寄居在生物体的活细胞内才能繁殖。这就是为什么病毒一定得要感染其他生物细胞才能繁衍，它所寄居的生物体称作“宿主”。
总之，一般认为，病毒不能被直接定义为生命,却能通过感染细胞表现出基本的生命特征。换句话说，病毒介于生物与非生物的交界处。不过，也有人主张，也许病毒在“生命之树”上代表一种不同的有机物，可以称作衣壳编码有机物（capsid-encoding organism）。
病毒与人类之间的“亲密”关系源远流长，自人类起源以来，流行病与我们如影随形。近年来科学家利用基因组学大数据分析发现，自人类与黑猩猩“分手”以来，近三分之一的蛋白质适应演化都是由病毒驱动的，而背后真正的推手是自然选择。在人类演化过程中，当瘟疫出现时，被病毒袭击的宿主，要么自身产生抗体得以适应而生存下来，要么死亡乃至于灭绝。但这些宿主的灭亡，对病毒来说其实并非是好事，如果宿主灭亡了，除非病毒立即找到新宿主，否则便与原来的宿主“同归于尽”了。显然，这无异于是自杀行为。因此，一方面病毒不得不减弱毒性；另一方面，宿主的免疫系统也会“全面反击”病毒的侵害。人体内蛋白质有许多功能，有时只要对其性状与组成进行细微的调整，就可以击败病毒。有意思的是，最近的研究表明，不仅免疫系统的细胞蛋白质有免疫功能，而且几乎所有细胞的蛋白质在接触病毒时，都能参加“抗疫战斗”！这种免疫系统外的“战斗者”不少于免疫系统内的“战斗者”——可以说是“众志成城”（科学家至少找到了1300多种蛋白质具有“免疫功能适应性”）。由于病毒试图“劫持”宿主细胞的所有功能来自我复制并蔓延，因此它们自然会驱动宿主使用自己身上所有的细胞“武器库”来予以反击。对宿主来说，这类在病毒面前所面临的“生与死”的选择压力，实际上比猎食者的捕猎以及其他环境变化的自然选择压力更大。所以，病毒与人类的协同进化，堪比苏美冷战时期的军备竞赛：花样翻新，魔高一尺道高一丈。所以，病毒学家与人类学家一致认为，病毒是人类演化最有力的驱动力。
近些年来的人类基因组研究揭示，我们的基因组里有成千上万病毒基因的痕迹，而这些病毒基因的频繁变异以及新病毒基因的侵入，无时无刻不在发生着。我们周围的病毒，简直无处不在，毫不夸张地说，我们生活在病毒的汪洋大海之中。美国著名科普作家齐默（c. zimmer）曾写过一本书《病毒星球》，他指出，地球上生命的基因多样性很大一部分即蕴藏在病毒之中；我们呼吸的氧气，其中很大一部分是在病毒帮助下产生的；连地球的温度都与病毒活动息息相关。我们人类基因组的一部分就来自感染了人类远古祖先的上千种病毒。地球上的生命，很可能就是在40亿年前从病毒起源的。我们与病毒之间的关系，真是“剪不断理还乱”。病毒是我们既不想要、但又离不开的“老朋友”[2]。
1960年代末，美国麻省大学生物学家马古利斯（l. margulis，1938—2011）提出了共生进化假说。她认为，除了“生存竞争、适者生存”的自然选择机制之外，共生合作也在生物演化中扮演了相当重要的角色[3]。尽管她的研究主要集中在微生物与宿主之间的共生与协同进化关系方面，其实病毒与宿主之间也存在着类似的关系。科学家最初发现的证据是一种叫做合胞素的蛋白质。
早在1973年，科学家就在人体胎盘内发现了逆转录病毒的踪迹，次年又在基因组中发现了病毒的逆转录序列。更有意思的是，人类基因组中的逆转录序列不再具有传染性，已通过变异而变得无害。不特此也，到1990年代，科学家进而发现，人类基因组中的逆转录序列高达8%，它们不仅失去了原有的毒性及传染性，且通过变异之后，还成为了“有用之材”。
最令人惊奇不已的是，由逆转录病毒基因片段形成的蛋白质，竟在有胎盘类哺乳动物（包括人类在内）的胎盘起源中起到了至关重要的作用。胎盘在哺乳动物胚胎形成的早期即出现，也就是受精卵在子宫内着床后不久，即形成了紧靠子宫壁的合胞体滋养层。如此一来，胎盘在母体与胚胎之间建立了一道“缓冲区”或“防火墙”，将母子两套不同的免疫系统隔离开来，不至于相互排斥残杀。否则，胎儿在母体内根本就没有成活的希望。此外，胎盘还是母体与胚胎之间的“转接器”，通过这个转接器，母体内的养分和富氧气体输送给胎儿，并把胎儿新陈代谢废物和低氧废气通过母体排送出去[4]。
如此重要和神奇的器官（尽管是临时性的），竟是由逆转录病毒基因生成的，这是何等奇妙和不可思议啊！人类基因组中的这一逆转录病毒基因生成的蛋白质，现在称为内源性逆转录病毒糖蛋白或合胞体蛋白，简称合胞素。它能够溶解相邻细胞间的细胞膜，从而形成有多个细胞核的合胞体结构，最后形成胎盘。如果没有胎盘的话，人类就只能像所有卵生动物那样，在小小的蛋壳内发育，仅靠蛋黄内储存的那么一点儿养分来“苟延残喘”。有了胎盘，胎儿才能舒舒服服地在母体内待上9个月，有足够的时间和条件发育出硕大聪明的脑袋。另外，研究表明，孕妇中常见的妊娠毒血症，就是母体内合胞素水平下降引起的。
在谈病毒色变的时下，我们来进一步认识一下病毒在生物演化中的重要作用与意义，应该是大有裨益的。病毒是著名生物演化论学者道金斯（r. dawkins）所说的严格意义上的“自私基因的复制器”，由于它们复制和传播的速度惊人，因而在演化过程中，被其生物宿主“驯化”（domesticated）后为己所用，便是再顺理成章不过的事情了；一如人类驯化了许多自然界的敌人，比如把狼驯化成狗，为自己牧羊、做伴，成为人类的好朋友。故此，有人把生物演化比作是“修补匠”（tinker），它不需要超自然的（即神创的）全新部件，只需要生物演化过程中长期积累起来的变异就足够了，把这些现成的“垃圾基因”修修补补，就像前述的逆转录病毒那样，在演化的关键时刻被用来化敌为友、化废为宝。因此，病毒是生物演化的强大推动力。这都缘于它们演化速度极快、并不易遭到灭绝，给变异提供无限的机会和可能。对于缺乏病毒前述“可塑性”的“高等”生物来说，病毒可以成为它们随时“借用”的宝贵资源。正像达尔文在《物种起源》结尾中所写的那样：“经过自然界的战争，经过饥荒与死亡，我们所能想象到的最为崇高的产物，即各种高等动物，便接踵而来了。生命及其蕴含之能力，最初注入到寥寥几个或单个类型之中；......无数最美丽与最奇异的类型，即是从如此简单的开端演化而来，并依然在演化之中；生命如是之观，何等壮丽恢弘。” [5]
长期以来，达尔文的生物演化论之所以不受许多人待见，主要就是因为它揭示了我们人类的卑微起源这一事实。刻意掩饰自己的卑微身世，似乎是人们最常见的虚荣心表现。走笔至此，笔者突然想到爱尔兰诗人叶芝（w. yeats，1865—1939）在《最后的诗》（last poems）中所写道的：“我必须躺在所有梯子的起始之处，在心底污秽的破布与骨头铺子里。”他在暮年之际，借此一吐胸中块垒：无论内心深处所有的感觉有多么污秽与肮脏，我们必须正视它们，方有可能追回那逝去的诗的灵感来源。
同样，在产房里，当一个新生儿呱呱落地的时候，大家的目光都注视着宝贝般的新生命，胎盘则被当作肮脏之物，被随手扔进生物废料垃圾桶里。很少有人会去想，哪怕世上最高贵的人物，也是随着那块肮脏之物来到这个世界的；追根寻底的话，甚至于来自更加微小的病毒。总之，生物演化论启示我们：目前肆虐的新冠肺炎病毒，最终或者消失，或者变异成无害的“垃圾基因”，进入人类基因组保存下来，在未来适当的时候，成为有用的内源性逆转录病毒基因服务于人体。这便是达尔文生物演化论和分子生物学给我们描绘的美丽新世界。
苗德岁：研究员，美国堪萨斯大学生物多样性研究所暨自然历史博物馆，美国劳伦斯 66045。dmiao@ku.edu
miao desui: professor emeritus, museum of natural history, biodiversity institute, university of kansas, lawrence, usa 66045.
参考文献：
[1]《彩图科技百科全书》编委会. 彩图科技百科全书 第三卷 生命. 上海: 上海科学技术出版社, 2005, 15.
[2]zimmer c. a planet of viruses. chicago: university of chicago press, 2011.
[3]margulis l. symbiotic planet: a new look at evolution. new york: basic books new york, 1999.
[4]haig d. retroviruses and the placenta. current biology, 2012, 22(15): r609-613.
[5]达尔文. 物种起源. 插图收藏版. 苗德岁, 译.南京: 译林出版社, 2018, 511 .
