蝙蝠之前，病毒又从何而来？

本文来自公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：Mirror

病毒可以说是自然界中存在最广泛却又最令人摸不着头脑的有机体。从海洋到高空，病毒无处不在，其颗粒总数远超一切细胞生物个体数之和；从蓝鲸到细菌，无一物种能够幸免它们的侵染，狠起来就连“自己人”都不放过。

不仅数目惊人，病毒的种类也十分多样，而且变异频繁。自19世纪末人类首次发现病毒（烟草花叶病毒）以来，迄今约有5000种病毒被详细记录。然而据估计，光是感染哺乳动物的病毒就至少有32万种。

即便如此，新的病毒仍在不断出现，但只有那些对人类高危的病毒才会受到关注，比如最近举世瞩目的新型冠状病毒（2019-nCov）。

追溯毒源

蝙蝠是众多病毒的宿主 | 图源：pixabay

我们已经知道传播到人类社会的很多病毒都来自于野生动物，比如蝙蝠家族是SARS、埃博拉病毒和新型冠状病毒的“窝点”。但蝙蝠等动物也并非“制毒者”，追根溯源，病毒究竟从何而来？又于何时在进化树上萌发？

要追溯一个物种的演化史，通常需要相应的化石证据，但病毒实在太过微小，几乎不可能有化石保存下来。而且它们大都存在于宿主细胞内，混在其基因组中，难以区分。

虽然找不到病毒化石，科学家们还是可以基于现有病毒及其宿主的基因组等信息，得到病毒演化的线索。由此他们提出了3种病毒起源的主流理论：逃逸假说（The Progressive Hypothesis）、退化假说（The Regressive Hypothesis）和先于细胞起源假说（The Virus-First Hypothesis）。

病毒的“诡计”

在具体解释这3种理论之前，我们先来简单了解一些基本生物学概念。目前已知的所有细胞生物都是以DNA为主要遗传物质的。细胞想要获取DNA中的编码信息需要借助邮差，也就是信使RNA（mRNA）。它们专门负责把转录下来的信息送出细胞核，再传达给转运RNA（tRNA），最后在核糖体等细胞器内合成加工出蛋白质。

遗传信息传递遵循的中心法则 | 图源：维基百科

而病毒的组成极度简化，没有细胞结构，更别提复杂的蛋白质合成系统。它们基本上只有层蛋白质衣壳，包裹着遗传物质（DNA或RNA），因此只能盗用宿主细胞的生产工具来复制自己。更有甚者，直接潜入宿主细胞的基因组中当起了间谍。

最典型的当属逆转录病毒（也叫反转录病毒），它们是一类RNA病毒。逆转录指的是转录的逆向过程，即通过RNA合成DNA，然后病毒就可以把带有自身遗传信息的DNA整合到宿主基因组中，让被蒙在鼓里的宿主细胞替它们白干。

这样一来，即使我们想清除它们也很难不误伤友军。HIV就是这样一类狡猾的病毒，这也是它们难以攻克的一大原因。

逃逸假说：“叛逃”的基因

听起来很不可思议，但病毒最初可能就来自于细胞自身。在细胞生物包括我们人类的基因组里大量存在着一类“不安分”的“跳跃基因”，也叫转座子（transposon），它们能从原本的位置解离或者通过复制，转移到另一个基因位点，比如另一条染色体上。

科学家芭芭拉·麦克林托克发现玉米的彩色颗粒是受转座子的影响

而转座子复制的方式有的是从DNA直接拷贝为DNA，还有的则是从DNA转录为RNA，再逆转录为DNA，这种转座子就叫做逆转录转座子。

逆转录转座子的“骚操作”是不是让你联想到了上面提到的逆转录病毒？经过对比，科学家的确发现，逆转录转座子和逆转录病毒在基因结构和转移方式上惊人地相似。这就意味着，它们在演化史上很可能存在着某种关系。

一种理论的解释是，自我们的祖先诞生以来，就在不断受病毒侵染，渐渐地，一些病毒的基因被固定在了我们的基因组中，甚至参与了某些演化的关键环节，比如胎盘的发育。

另一种理论，也就是逃逸假说认为，病毒或许是“叛逃”的基因片段，比如转座子演化而来的，它们在某个契机下获得了蛋白质装备的加持，成功出逃，自此打开新世界的大门。

事实上，已有科学家证明某些转座子仍有被激活成病毒的潜能。但转座子和病毒在演化史上的出现究竟孰先孰后，仍未有明确结论。

细菌质粒DNA独立于拟核之外

也有观点认为DNA病毒的起源可能与“逃逸”的质粒（plasmid）有关，这是一种存在于细菌内的环状DNA，具有自主复制和在细胞间传递的能力。基因工程正是利用了质粒的这些特点，将其改造为目的基因的载体，以实现基因的水平迁移。

退化假说：“堕落”的细胞

类比线粒体和叶绿体这类半自主性细胞器的起源理论，退化假说提出，病毒的祖先原本有着相对完整的细胞结构，也是自立根生的“好细胞”，后来在和其他细胞共生的过程中，逐渐“迷失自我”，开始丢失基因，最后完全依赖其他细胞的劳动，甚至变本加厉，疯狂掠夺。

这一假说最有力的例证来自核质巨DNA病毒（NCLDV）。这类病毒与一般病毒最大的不同就是大，以至于会被其他小病毒感染。病毒的大小通常不超过200纳米，但NCLDV却能比细菌还大，比如拟菌病毒（Mimivirus），直径达750纳米。

拟菌病毒的电镜照片 | 图源：microbewiki

它们的大也不是徒有其表，关键在于其基因组也大，并且还拥有细胞生物蛋白质合成系统的相关基因，但并不完整，仍无法自主合成蛋白质。这种病毒的发现，在病毒和细胞的演化道路之间搭起了一座桥梁。

更有趣的是，拟菌病毒和一种细菌（普氏立克次体）十分相似，这更让一些科学家相信它们的祖先原本也是一种细菌，后来“退化”成了病毒，只是装备丢得没有一般病毒干脆。

不过2017年的一项研究发现，另一种大型病毒（Klosneuvirus）所携带的细胞基因只是它们从宿主那里“盗取”，逐渐积累而成的。

先于细胞起源假说：蛋先于鸡

上述两种理论都假设病毒是出现在细胞之后的，毕竟病毒都需要依赖细胞生存。但也有科学家打破了这一固定思维，在先有鸡还是先有蛋这个问题上，他们更倾向于后者。

该理论认为在第一个细胞出现之前，具有自我复制能力的RNA分子或许早已存在，随着时间的推移，它们演化出了各种功能，表达的蛋白质也越来越复杂。

在关键细胞结构被合成出来之前，一些RNA和蛋白质的组合已经开始蠢蠢欲动，它们中的一部分进一步发展成了细胞，而另一部分则保留了简单结构，成为最原始的病毒，而后随着细胞的诞生而激活。

在某些生物比如四膜虫的细胞里就有这样的RNA分子，叫做核酶（ribozyme）。我们知道酶是一类具有催化作用的生物分子，绝大多数都是由蛋白质构成的，但核酶却是种小分子RNA，参与催化蛋白质合成等重要反应。

某些核酶还能够自我复制，在细胞间传播，比如主要感染植物的类病毒（viroid）。类病毒与病毒不同，它们连蛋白质衣壳都没有，仅有RNA，但同样可以感染各种生物。

交织的演化史

上述理论都还仅仅是假说，仍未有充分证据证明，因此病毒起源和生命起源一样，至今仍是未解之谜。不过，2018年发表在《自然》上的一项研究表明，病毒很可能早在第一只脊椎动物出现之时就已经存在。它们伴随着整个脊椎动物乃至整个生物界的演化，至今仍在相互影响。

除了病毒起源，它们在自然界中究竟扮演了怎样的角色也十分耐人寻味。无处不在的病毒与其他物种之间似乎保持着一种奇妙的平衡。然而无知的人类却时不时将其打破，结果打开了潘多拉魔盒。要想关上魔盒，不仅需要科学家们对病毒更深入的研究，还需要我们每个人对自然法则的敬畏。

本文来自公众号：把科学带回家（ID：steamforkids），作者：Mirror