陳仁政

從“兩界”到“五界”

瑞典博物學(xué)家和植物分類學(xué)家卡洛斯·林奈在1735年發(fā)表的大作《自然系統(tǒng)》中，將古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出的基于感性認(rèn)識的“兩界”（植物界、動物界），進(jìn)行了科學(xué)劃分：生物界分成植物界和動物界。這種兩界分類系統(tǒng)沿用得最廣和最久—直到20世紀(jì)50年代。

隨著荷蘭顯微鏡學(xué)家列文虎克在1675年發(fā)現(xiàn)水滴中有生命的“小人國”之后，人們發(fā)現(xiàn)，將草履蟲、變形蟲和瘧原蟲等歸入動物界，將藻類（例如裸藻和甲藻）等歸入植物界的兩界并不恰當(dāng)—它們都是在結(jié)構(gòu)上遠(yuǎn)比多細(xì)胞的動物和植物更為簡單的單細(xì)胞生物。于是，德國生物學(xué)家恩斯特·?？藸栍?866年在兩界的基礎(chǔ)上又增加了原生生物界，成為三界分類系統(tǒng)。

但是，人們發(fā)現(xiàn)將真菌類（例如食用的蘑菇和面包酵母等）歸入植物界有些牽強(qiáng)—真菌細(xì)胞壁的化學(xué)組成是幾丁質(zhì)而不是纖維素，儲存的是糖原而不是淀粉，雖為異養(yǎng)型，但主要為腐生或寄生，有別于動物或其他植物。于是，美國生物學(xué)家考柏蘭于1938年又另立了一個真菌界，成為四界分類系統(tǒng)。

隨著無細(xì)胞核單細(xì)胞生物—細(xì)菌、藍(lán)藻、放線菌、支原體、衣原體、立克次氏體等（迄今至少發(fā)現(xiàn)4000多種）原核生物被發(fā)現(xiàn)，生物學(xué)家魏泰克在1969年加進(jìn)了原核生物界，提出了目前使用較廣的五界分類系統(tǒng)—雖然一些生物學(xué)家對此有異議。原核生物曾是地球上唯一的生命形式（獨(dú)占地球長達(dá)20多億年），它的細(xì)胞內(nèi)沒有任何帶膜的細(xì)胞器，以分裂方式繁殖后代，沒有性行為。

“剪不斷，理還亂”的關(guān)系

科學(xué)界傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為，細(xì)菌和病毒是不盡相同的兩個概念—前者是具有生命的生物（微生物）之一，后者是否屬于具有某種生命特征的生物，至少有3種觀點(diǎn)。

第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，病毒是一種個體極其微小、結(jié)構(gòu)簡單、外面包裹著蛋白質(zhì)亞基（有的還包裹著磷脂膜），只含一種核酸（DNA或RNA），必須在活細(xì)胞內(nèi)寄生并以復(fù)制方式增殖的“非細(xì)胞型生物”。19世紀(jì)下半葉，有研究者發(fā)現(xiàn)狂犬病或許不是細(xì)菌導(dǎo)致的疾病，而致病的分子似乎比細(xì)菌小得多。雖然如此，因?yàn)檫@種分子能夠在人體內(nèi)活動，并且還能和細(xì)菌一樣導(dǎo)致人患病，所以人們當(dāng)時還是認(rèn)為病毒也是一種生命。

對“病毒個體極其微小”的說明是：大多數(shù)病毒的直徑為10～300納米，光學(xué)顯微鏡看不到；而已知的一般細(xì)菌，光學(xué)顯微鏡能看到。1884年，丹麥細(xì)菌學(xué)家漢斯·革蘭因發(fā)明了沿用至今的“革蘭氏染色法”（用來鑒定細(xì)菌的種類）而馳名。以他的姓氏命名的“革蘭氏菌”，直徑從零點(diǎn)幾微米至幾微米不等。革蘭氏菌分為兩類：陽性菌—例如鏈球菌、白喉?xiàng)U菌，陰性菌—例如痢疾桿菌、大腸桿菌。區(qū)分病原菌是陽性菌還是陰性菌，在選擇抗生素方面意義重大—大多數(shù)陽性菌對青霉素敏感，陰性菌對青霉素不敏感。

第二種觀點(diǎn)認(rèn)為，病毒只能歸類到“化學(xué)分子”中，而不是生命。

1886年，在荷蘭工作的德國科學(xué)家麥爾把患有煙草花葉病的煙草花葉，加水研碎后取汁液注射到健康煙草花葉的葉脈中，發(fā)現(xiàn)能引起煙草花葉病，證明這種病是可以傳染的。但是，他認(rèn)為該病是由細(xì)菌引起的。1892年，病毒學(xué)的開創(chuàng)者之一—俄國生物學(xué)家德米特里·伊萬諾夫斯基，重復(fù)麥爾的實(shí)驗(yàn)之后進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，上述汁液通過“細(xì)菌過濾器”之后，還是能引發(fā)健康的煙草花葉患病，這起碼說明致病的病原不是細(xì)菌。但是，伊萬諾夫斯基解釋它是細(xì)菌產(chǎn)生的一種“液體毒素”，也沒有及時公布這一發(fā)現(xiàn)，從而錯失了一次獲得重大發(fā)現(xiàn)的機(jī)會。直到1898年，病毒學(xué)的另一位開創(chuàng)者—荷蘭微生物學(xué)家馬丁努斯·拜耶林克，把上述汁液放在瓊脂凝膠塊的表面時，發(fā)現(xiàn)其可在凝膠中擴(kuò)散，而細(xì)菌卻仍舊滯留在瓊脂表面。他由此指出，這種病的致病因子有3個特點(diǎn)：能通過細(xì)菌過濾器；僅能在感染的細(xì)胞內(nèi)繁殖；在體外非生命物質(zhì)中不能生長。因此，他認(rèn)為這種致病因子不是細(xì)菌，而是一種新物質(zhì)—“有感染性的活的流質(zhì)”。次年，他把它命名為“生物病毒”。

拜耶林克的遺憾之一是，直到1931年去世時，也沒有見過病毒的樣子。不過，這或許就是科學(xué)的偉大之處—通過實(shí)驗(yàn)觀察到現(xiàn)象，分析之后得出推論或理論；但是，做出這推理的科學(xué)家很可能在有生之年都無法見證這個推論被徹底地證實(shí)。

1931年，世界上首臺電子顯微鏡誕生。美國科學(xué)家溫德爾·斯坦利于1935年處理了將近1噸被染病的煙草花葉植株，才費(fèi)力地提純出一湯匙的白色粉末狀的固體物質(zhì)—幾乎是純凈的煙草花葉病毒結(jié)晶的樣品。今天，在加州大學(xué)斯坦利工作過的實(shí)驗(yàn)室里，仍然保留著一個標(biāo)注有“Tob. Mos.”字樣的瓶子，里面存放著這些樣品。通過斯坦利和同事的后續(xù)研究，人類才在發(fā)現(xiàn)病毒接近半個世紀(jì)之后的1939年，第一次見到了病毒的“廬山真面目”。這種結(jié)晶中并沒有細(xì)胞內(nèi)用于代謝和生存所需的細(xì)胞器。這樣看來，病毒似乎只能歸類到“化學(xué)分子”。斯坦利的偉大成就—“病毒的純化和結(jié)晶方面的工作”，使他成為1946年諾貝爾化學(xué)獎的3位得主之一。

不過，對病毒的研究并沒有終止于斯坦利等人。當(dāng)這種“化學(xué)分子”進(jìn)入細(xì)胞時，又表現(xiàn)得完全不像普通的分子—病毒會被激活，利用細(xì)胞里的各種細(xì)胞器和生化原料來生產(chǎn)自己的核酸分子和蛋白質(zhì)外殼。這樣，病毒似乎就只能被放在介于生命和非生命的形式中。于是，就有了第三種觀點(diǎn)—“病毒介于生命和非生命”。

其實(shí)，細(xì)菌與病毒有很多區(qū)別—結(jié)構(gòu)不同、大小不一定相同、遺傳物質(zhì)不盡相同、是否能單獨(dú)生存（細(xì)菌能，病毒不能—必須“寄生”于其他生物），等等。例如，細(xì)菌有細(xì)胞，有能量流動、物質(zhì)代謝和信息流轉(zhuǎn)的功能；病毒沒有細(xì)胞，沒有這三種功能。所以，有人把細(xì)菌和病毒分別比作“流動的生命之河”與“凝固的生命碎片”—流動的生命之河凍成一個大冰塊之后，其中的一個小塊冰就是病毒。

然而，探索還是沒有完結(jié)。20世紀(jì)后期，來自法國斯特拉斯堡大學(xué)的病毒學(xué)家馬克·雷根莫特爾及美國疾病預(yù)防和控制中心的病毒學(xué)家布賴恩·馬赫指出，病毒更像一種“寄居”的生命—就像寄生蟲那樣，需要細(xì)胞宿主才能進(jìn)行復(fù)制。

其后，隨著細(xì)胞中越來越多的細(xì)胞器結(jié)晶結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家已經(jīng)確定生命離不開核糖體、線粒體和葉綠體等細(xì)胞器的幫助。這樣，“病毒是生命”的聲音也逐漸消失。發(fā)表在2015年《自然·通信》的一項(xiàng)研究，展示了一系列比常規(guī)的病毒體積還要小的“超級微小細(xì)菌”—只有9±2立方納米。這一發(fā)現(xiàn)，讓病毒與細(xì)菌的差異變得更小，甚至有相互重疊的區(qū)域，還由此衍生出“病毒-微生物連續(xù)體”的說法，讓病毒和細(xì)菌的界限變得更加模糊。而且，極其微小的細(xì)菌被不斷發(fā)現(xiàn)，許多體型巨大的病毒也被發(fā)現(xiàn)—一些病毒含有的基因甚至比大腸桿菌還要多。例如，美國能源部聯(lián)合基因組研究所的弗雷德里克·舒爾茨，于2017年發(fā)現(xiàn)了包括名為“Klosneuvirus”在內(nèi)的幾種未知的病毒序列；其中“Klosneuvirus”含有的基因組數(shù)量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常見病毒，而且它在蛋白合成過程中幾乎完全獨(dú)立。

此外，還有一類始終受到科學(xué)家關(guān)注的、以細(xì)菌為獵物的病毒—噬菌體。1907年，英國細(xì)菌學(xué)家弗雷德里克·圖爾特意外發(fā)現(xiàn)，瓊脂培養(yǎng)基上的部分細(xì)菌菌落變得透明，這樣的菌落進(jìn)一步培養(yǎng)時不能形成新的菌落，也就是細(xì)菌被殺死了。但是，他并未進(jìn)行深入研究，也沒有命名。1909年，加拿大細(xì)菌學(xué)家費(fèi)利克斯·德赫雷爾培養(yǎng)了從痢疾患者的糞便中分離出的痢疾桿菌，也在培養(yǎng)皿上發(fā)現(xiàn)了一些不長細(xì)菌的圓點(diǎn)。于是，他猜測圓點(diǎn)里有某種顆粒殺死了細(xì)菌，就把這些圓點(diǎn)稱為噬斑。 1917年，德赫雷爾在論文中首次為噬菌體命名，并指出它只能寄生在活細(xì)菌中，其體積小到可以穿過細(xì)菌過濾器。不過，直到1942年，美國生物物理學(xué)家托馬斯·安德森才使用高分辨率電子顯微鏡首次看到噬菌體。噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、藻類、放線菌或螺旋體等微生物的病毒的總稱。它們和病毒的結(jié)構(gòu)類似。它們不但會各自感染和追捕特定類型的細(xì)菌種群（即一種噬菌體只能對付一種細(xì)菌）—進(jìn)入細(xì)菌后劫持細(xì)菌的代謝工具用來自我復(fù)制，造成細(xì)菌裂解釋放出下一代噬菌體，給環(huán)境中的微系統(tǒng)帶來很大的影響；而且它可能會造成細(xì)菌基因突變，促進(jìn)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性?？茖W(xué)家在人的口腔、上呼吸道、腸道和陰道中，都檢測到特定的噬菌體，表明它能影響人體的內(nèi)部環(huán)境，并帶來不可預(yù)期的后果。美國著名女微生物學(xué)家吉爾·班菲爾德就一直在追尋這些特殊病毒。在2020年1月22日在線發(fā)表于《自然》上的最新研究中，她就展示了一類特殊的、來源于30多種不同環(huán)境的大型噬菌體。一般的噬菌體的基因長度，大多在50kb（kb是“kilobase”—“千個堿基對”的縮寫）左右；而班菲爾德搜尋出的351種噬菌體基因組的長度已經(jīng)超過200kb，是普通噬菌體的4倍，其中的一種竟然長達(dá)735kb。她把這類噬菌體統(tǒng)稱為“巨型噬菌體”。這些噬菌體不僅基因組龐大，而且更重要的是，其基因的構(gòu)成也是五花八門，不僅能編碼包裝噬菌體的蛋白質(zhì)外殼，還包括轉(zhuǎn)運(yùn)RNA、轉(zhuǎn)運(yùn)RNA合成、修飾酶、轉(zhuǎn)錄起始和延長因子?！笆欠窬哂泻颂求w和蛋白翻譯功能，是判斷其是否是生命的一項(xiàng)重要條件，噬菌體的這些發(fā)現(xiàn)讓我們更難以判斷它是不是生命了?！卑喾茽柕抡f，“通過提升基因組的長度是一種聰明的生存方式，現(xiàn)在我們發(fā)現(xiàn)病毒已經(jīng)做到了?！?p>

綜上所述，從生物學(xué)的角度來說，自然界中的微生物可以分為真核微生物（例如菌物界的真菌、黏菌，植物界中的顯微藻類和動物界中的原生、后生動物）、原核微生物（例如眾所周知的各類細(xì)菌）和病毒三類?？梢?，在微生物界，同樣存在類似動植物界的食物鏈關(guān)系，而病毒并不屬于“五界”。

最終成果“六界分類系統(tǒng)”

鑒于病毒并不屬于“五界”，奧地利生物學(xué)家特勞巴、中國昆蟲學(xué)家陳世驤分別于1975年、1977年提出了“生物六界分類系統(tǒng)”：把病毒定為是“五界”之外的“第六界”。

由此可見，細(xì)菌與病毒那些“剪不斷，理還亂”的觀點(diǎn)，不止以上3種，而且研究并未終止。例如，英國《每日郵報》2020年3月13日報道，在日本深海的淤泥中發(fā)現(xiàn)的一種神秘微生物“食鹽菌”，是古代細(xì)菌等簡單“單細(xì)胞生物”與孕育人類的“多細(xì)胞生物”之間的缺失環(huán)節(jié)—細(xì)菌體與多細(xì)胞構(gòu)成的動植物之間的過渡階段。

有不完整的球形細(xì)胞的食鹽菌，直徑大約500納米，長著細(xì)長的分枝狀觸手，具有“古生菌”的部分特征。古生菌是一種相對簡單的單細(xì)胞生物，缺乏完整的細(xì)胞核等內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是原核生物細(xì)胞群的一部分。

長期以來，科學(xué)家對簡單類細(xì)菌細(xì)胞向復(fù)雜的真核細(xì)胞進(jìn)化過渡感到迷惑不解。為了揭曉其中的謎團(tuán)，日本研究小組花了10年時間收集了含有古生菌的泥漿，在實(shí)驗(yàn)室里培育出了食鹽菌，并研究了它與一種伴生細(xì)菌的關(guān)系，確定它是否能在下一階段進(jìn)化成有更復(fù)雜細(xì)胞核的細(xì)胞……“人類是由真核細(xì)胞構(gòu)成，其起源進(jìn)化是一個至關(guān)重要的問題。”參加研究的日本筑波產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的微生物學(xué)家政信伸說，“食鹽菌的子群生活在寒冷的海底，靠近位于格陵蘭島和挪威之間叫作‘洛基城堡的熱液噴口系統(tǒng)，是最早的真菌生物的現(xiàn)存近親物種?！?/p>

那么，還有多少更加“聰明”的病毒正等待人類發(fā)現(xiàn)呢？病毒是不是生命呢？這兩個問題還沒有最終的答案—科學(xué)研究將不斷更新傳統(tǒng)學(xué)說或觀念。