李啟劍

簡約之美

李啟劍

認為生命及其種種力量原來是被“造物主”注入到少數(shù)幾種或者一種類型中去的,同時還認為在地球按照萬有引力法則運行不息之時,從剛開始如此簡單的類型演化出如今最美麗和最奇妙的物種,而且這一演化過程還一直在進行著,這種生命觀是極其壯麗的!

—查爾斯·達爾文在《物種起源》(1859)

達爾文在其巨著的末尾寫下這樣的話,無疑是為了再一次強調(diào)他整套理論的本質(zhì)在于揭示生物演化的實在性,即宣揚一種演化的生命觀。這對于當(dāng)時西方傳統(tǒng)的“物種不變論”而言,無疑是一場革命。但另一方面,這話也常常容易造成誤會——生命的演化總是有一種從簡單到復(fù)雜的趨勢。是不是真有這樣的趨勢,時至今日爭論仍然此起彼伏,但那至少不是進化論之父的本意。而在此我也并沒打算喋喋不休地討論誰是誰非,只想講述一個有關(guān)病毒的故事,當(dāng)然也是個有關(guān)演化的故事。

自今年3—4月份在美國出現(xiàn)之后,新一輪的流感在全球范圍內(nèi)迅速蔓延。雖然至少到現(xiàn)在為止,其肆虐程度仍遠遠不及上世紀(jì)初那場令人聞風(fēng)喪膽的“1918大流感”,但也已經(jīng)造成數(shù)千人死亡。很快,引起此次瘟疫的元兇就被鎖定,于是一種被叫做“H1N1甲型流感病毒”的病原體便立刻成了萬眾矚目的焦點。進一步的研究發(fā)現(xiàn)：一切都是病毒演化惹得禍!

病毒是非常奇妙的生物,就其結(jié)構(gòu)而言,可謂簡約之王：它沒有細胞結(jié)構(gòu),僅由一個保護性的外殼(衣殼)包裹一段遺產(chǎn)物質(zhì)(DNA或者RNA)而成,某些種類頂多再外加一層包膜而已。而且在遺傳物質(zhì)的組成上,它們不像高等動植物——在臃腫的基因組中填滿了一大堆“垃圾基因”,而是物盡其用到極致。例如,乙型肝炎病毒的整個基因組僅包含四個基因,是已知人類病毒中遺傳組成最簡單的,但就是憑借如此簡潔的遺傳信息,乙肝病毒卻能成為最具殺傷力的病原體之一。每年,約有100萬人在其蹂躪下身亡。

從功能上講,病毒并不具有新陳代謝的能力,自身不能生長和分裂。眾所周知,“新陳代謝”和“復(fù)制”是一切生物體最基本的兩個特征,也是區(qū)別于分非生物體的根本標(biāo)準(zhǔn)。病毒不但只有“復(fù)制”一項特征,而且這一功能的實現(xiàn)還必須依靠宿主內(nèi)的細胞器進行,在離開宿主之后,病毒幾乎不表現(xiàn)出任何生命活性,與很多有機大分子無異。因此,一些學(xué)者甚至對其能否作為生物體看待都持保留態(tài)度。當(dāng)然,這還涉及到究竟應(yīng)該如何定義生命的問題。從某種意義來說,答案雖然有著相當(dāng)?shù)囊恢滦?但不同背景的專家還是有其各自的偏愛。例如,18世紀(jì)偉大的生理學(xué)家亨特就將生命定義為抗腐敗或者抗感染的能力。出于專業(yè)的特長,他的定義強調(diào)生存的能力,彰顯“新陳代謝”的特性。就此而言,病毒顯然算不上是生命,它們壓根就沒生存過,而僅僅是不斷感染和利用各種宿主進行復(fù)制而已。相反,《生命是什么?》的作者薛定諤則更強調(diào)后一種功能。他在討論生命的本質(zhì)之時,在書中有四章對復(fù)制現(xiàn)象進行了詳細的討論,而新陳代謝卻只用了一章粗略帶過。他的想法除了受量子力學(xué)的背景影響以外,更多的是來源于對前人利用噬菌體(細菌病毒)進行的一系列試驗的思考。不言而喻,在他看來,病毒不但是生物,而且是難得的模式類型。他們之間的分歧實質(zhì)上反映了他們的研究材料之間的巨大差異：病毒與人正好是生物界的兩個極端——分別屬于機會主義者(r策略者)和K策略者中的典范。

為了便于理解,我們不妨先看看病毒那傳奇非凡的“身世”。我并不相信真像Fox Mulder在影片“X檔案”所說的那樣,病毒是外星人送給人類的禮物。排除一些不太靠譜的說法之后,現(xiàn)在仍有好幾種關(guān)于病毒起源的理論并存,它們之間可能并不沖突,只是分別說明了不同類型病毒來源上的差異而已。

一種只有少數(shù)支持者的觀點稱為“獨立起源論”,他們認為病毒起源于一種可以自我復(fù)制的分子,這種分子與“原細胞”(有細胞結(jié)構(gòu)生物的祖先)平行演化至今,因此病毒是一直獨立演化的實體。例如,美國普林斯頓大學(xué)的戴森教授就贊同此觀點,他甚至把RNA的產(chǎn)生看成是一種生命最古老且不能治愈的寄生性疾病。更多的病毒學(xué)家則相信“退行性演化論”,這種理論認為病毒是由原來比較復(fù)雜的活細胞退化成更簡單的有機體。立克次氏體和麻風(fēng)桿菌都被認為是上述從“復(fù)雜到簡單”演化過程的遺跡或過渡階段。還有一種理論則認為病毒曾經(jīng)是細胞的一部分,可能是一種細胞器,后來才脫離細胞并成為獨立個體的,這就是“細胞器起源論”。

無論是哪種來源,病毒最終還是采取了“只管復(fù)制,一切從簡”的“投機”策略。在“生存”還是“繁殖”的天平中,它們把賭注全部押在一邊,放棄(或沒有發(fā)展出)“新陳代謝”的功能,成為完全的寄生生物,也是最徹底的機會主義者,這可是連細菌都自愧不如啊!相反,在K策略的道路上越走越遠的人類,則更善于提高生存質(zhì)量,貫徹“少生優(yōu)生”的政策。于是發(fā)展出碩大的腦袋、杰出的心智以及銅墻鐵壁般的免疫系統(tǒng),但即便如此仍然時不時地遭到各種病毒的“伏擊”?，F(xiàn)在,讓我們再回過頭來看看,在新一輪的“流感大戰(zhàn)”中,H1N1甲型流感病毒是如何搶得先機的。

流感病毒不像某些病毒 (例如之前提到的乙肝病毒)那樣最外面還覆蓋一層包膜,而是干脆利落的由外面的衣殼和里面的遺傳物質(zhì)組成。與臭名昭著的艾滋病病毒以及冠狀病毒一樣,它的遺傳物質(zhì)是單鏈RNA。我們知道,為了保證基因在復(fù)制時的準(zhǔn)確性,DNA有一套完善定的糾錯機制,可以去除復(fù)制中的錯誤。但RNA沒有這樣的機制,因此靠RNA攜帶遺傳信息的病毒變異速度極高,幾乎是DNA病毒的104到106倍。流感病毒更是其中的典型,即便是在RNA病毒中也僅有艾滋病病毒等少數(shù)類型能趕的上。

極高的突變率雖然有利于流感病毒在窮途末路之際及時“改旗易幟”,但代價也是相當(dāng)慘痛的。在其復(fù)制過程中,有99%的新個體因缺陷太大而不能再感染其它細胞。然而,出眾的復(fù)制速度卻在很大程度上彌補了上述缺陷,流感病毒的復(fù)制速度之快,連艾滋病病毒都遠不能及。通常,從一個細胞能釋放出來的約106—107個新病毒,即便扣除掉一大堆“殘廢”個體后,大概還有1000—10000個病毒仍具感染性。極端“機會主義者”的數(shù)量優(yōu)勢可見一斑。

此外,流感病毒還分三種：A(甲)型、B(乙)型和C (丙)型。C型很少在會引起我們犯病。B型可以使我們生病,但一般傳染性小。只有A(甲)型會導(dǎo)致在流感在局部地區(qū)甚至是世界范圍內(nèi)大爆發(fā)。除了人類以外,A型流感病毒還能感染諸如鳥類、豬、海豹、雪貂等多種動物,這也是其他兩種流感病毒做不到的。但一般來說,流感病毒是具有“宿主特異性”的。簡單的說就是：人流感不會感染禽類,而禽流感也不會感染人。這是由于流感病毒在感染某個生物的時候,依靠的是其外殼上一些像鑰匙一樣的蛋白質(zhì)。這些“鑰匙”一方面能幫助病毒侵入宿主細胞,另一方面也能被免疫系統(tǒng)識別,使其成為抗體攻擊的“靶子”。因此,這些“鑰匙”蛋白在免疫學(xué)上被稱為抗體。對于不同的宿主,需要有不同的“鑰匙”,禽類和人類的流感病毒所用的“鑰匙”并不相同,自然就無法交叉感染了。除非流感病毒在快速突變的過程中,機緣巧合地改變了“鑰匙”的編碼,即出現(xiàn)所謂的“抗原漂變”,于是新種病毒就可能跨越不同的宿主傳播。不過,“抗原漂變”更多時候僅僅能使病毒抗原發(fā)生微小的變化,結(jié)果只是讓病毒能有機會勉強逃過疫苗或是“有經(jīng)驗”的免疫系統(tǒng)的追剿,而接下來要提到的過程才是最能造就新病毒的“專家”。

有意思的是,無論是禽流感還是人流感都可以感染豬,因此豬就成了A(甲)型流感病毒的“基因混合器”。一旦最糟糕的情況出現(xiàn)：兩種來源的病毒都感染了豬的同一個細胞。不同的流感病毒的8段RNA就可能發(fā)生“自由組合”,于是就有可能在豬的體內(nèi)產(chǎn)生由禽流感和人流感病毒重組而成的“雜交病毒”。這樣產(chǎn)生的遺傳結(jié)果跟高等動植物通過有性生殖產(chǎn)生的基因重組效果十分相似,可以在短時間內(nèi)造成病毒抗原 (“鑰匙”)的大規(guī)模改變,因此叫做抗原轉(zhuǎn)變。“抗原轉(zhuǎn)變”常常是導(dǎo)致全球性流感大流行的根源,也正是此次瘟疫的禍端。

這已被香港大學(xué)的史密斯(Gavin J.D.Smith)等人證實,系統(tǒng)發(fā)生學(xué)分析顯示,這種起源于豬的甲型H1N1流感病毒是一個重組體,分別有來自禽、豬和人病毒的基因。換言之,就是在豬這個“基因混合器”內(nèi),各種類型相互重組,雜交病毒經(jīng)過若干次循環(huán)之后才最終演化出如今的這種高致病性病毒。雖然我們不太清楚具體的時間,但至少是在疫情爆發(fā)之前的幾個月這種新型病毒就已經(jīng)開始悄悄地在人群中傳播了。

A型流感病毒憑借“抗原漂變”和“抗原轉(zhuǎn)變”獲得極高的變異率,配合無語倫比的復(fù)制速度等特性,即使在人類自身免疫系統(tǒng)和人工抗病毒藥物的聯(lián)合絞殺之下,仍然能從容應(yīng)對,橫行天下。這恰恰體現(xiàn)了病毒作為最杰出的機會主義者的獨到之處——能以如此渺小的身軀和及其有限的遺傳信息去完成眾多極其復(fù)雜的生物學(xué)過程,在復(fù)雜多變的世界中成功繁衍至今。可見,演化不但能創(chuàng)造出最復(fù)雜和精致的結(jié)構(gòu),同時也能成就最簡約而美妙的設(shè)計,真可謂簡約而不簡單!

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