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科学好故事 | 病毒消失的世界:一切会有何不同?

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来源:BBC Future

作者:雷切尔·努尔(Rachel Nuwer)

翻译:任天

如果地球上的所有病毒都消失不见,一切将会大有不同,但不一定会变得更好。如果有某种方法能使地球上所有病毒消失,应该会有许多人想要付诸实施,尤其是现在这种特殊时期。

事实上,这将是一个致命的错误,其危害将超过任何病毒所带来的已知危害。

在一般人看来,病毒的存在似乎只是为了给社会造成灾难,给人类带来痛苦。当下大流行的新冠肺炎只是人类历史中一系列持续不断、永无止境的致命病毒攻击中最新的一个例子。

数千年间,病毒夺去了无数人的生命,有些时期甚至导致世界范围内的高比例人口伤亡。例如,1918年的流感大流行就夺去了5000万到1亿人的生命;仅在20世纪,就约有2亿人死于天花。

然而,大多数人都没有意识到的是,病毒在支持地球生命方面起到了关键作用。我们往往只关注那些给人类带来麻烦的病毒,因此几乎所有病毒学家都只研究病原体;直到最近,一些勇敢的研究人员才开始了解那些让地球生命存活下来的病毒,而不是杀死人类的病毒。

研究偏见

一小群科学家试图为我们提供一个公平、平衡的视角去看待这个充满病毒的世界——世界上也存在好的病毒。

可以确定的是,如果没有病毒,生命以及我们所知道的地球将不复存在。但是,通过想象没有病毒的世界会是什么样子,我们不仅可以更好地理解它们对于人类生存有多么重要,也能更加了解还有多少未知的谜题等待解答。

首先,研究人员现在甚至不知道世界上存在多少病毒。目前已有数千种被正式分类,但可能还有数百万种病毒等待发现。有科学家认为关于病毒的研究范围如此狭窄,是因为人们只观察这门学科中关于病原体的部分,造成了一种偏见。

科学家也不清楚所有病毒中对人类有害的部分占多少比例。由于病毒种类基数庞大,有数百万种之多,因此如果仅从数字上看,病毒中对人类有害的部分所占比例在统计上接近于零。

而且绝大多数病毒对人类没有致病性,甚至许多病毒在支撑生态系统方面发挥着不可或缺的作用。还有一些病毒则维持着各种有机体的健康,包括真菌、植物、昆虫和人类等,这可以形容为一种完美的平衡。我们生活于其中,而病毒就是其中的重要部分。

当然,想要消灭地球上的每一种病毒也是不可能的。但在这个星球上,病毒承担了许多必不可少的工作,其好处远远超过了坏处。流行病学家并不看好没有病毒的世界:“如果所有的病毒都突然消失,或许一开始世界会变得美好,但只能维持大约一天半的时间,然后我们都将死亡——这是最基本的事实。”

生态系统的关键组成

病毒对于生态系统重要职能的其中一个就是调节。以海洋中细菌种群的主要调节者噬菌体为例,噬菌体每天杀死约20%的海洋微生物和50%的海洋细菌。通过淘汰微生物,病毒确保了产氧浮游生物有足够的营养供给,并进行高速率的光合作用,最终维持地球上大部分生命的存活。

如果它们突然消失,可能会在海洋生态系统中造成严重后果,因为海洋中90%以上的生物质量都由微生物组成。这些微生物产生了地球上大约一半的氧气,而这一过程正是由病毒参与完成的。

噬菌体是一种能在细菌和古菌中感染并复制的病毒,具有极其重要的作用。它们的名字来源于希腊语的“phagein”,意思是“吞噬”。科学家将它们形容为细菌世界的主要捕食者,如果没有它们,我们就会陷入大麻烦。

噬菌体在地球的其他生态系统中可能也是如此。如果病毒突然消失,一些细菌种群可能就会爆发,而其他的细菌可能就会因竞争失败而完全停止生长。生命完全依赖于物质的循环,病毒则是物质循环方面非常重要的一环。

研究有害昆虫的科学家也发现,病毒对种群数量的控制至关重要。如果某一物种的数量过多,就会出现一种病毒来消灭它们,这是生态系统中非常自然的一部分。这一过程被称为“杀死赢家假说”,在许多其他物种中也十分常见,包括我们自身——大流行病就是明证。

当种群数量变得非常丰富时,病毒倾向于快速复制并摧毁种群,为其他物种创造生存空间,如果病毒突然消失,有竞争力的物种可能就会损害其他物种,使自己的数量急剧增加。这时会有一些物种占据上风,把其他物种都赶尽杀绝。我们会迅速失去地球上的许多生物多样性。

还有一些生物体则是在依赖病毒生存,或者依赖病毒在竞争中获得优势。例如,科学家推测病毒在奶牛和其他反刍动物的消化过程中发挥着重要作用,它们能将草叶中的纤维素转化为可代谢的糖,并最终转化为体质量和牛奶。

在维持人和其他动物体内健康的微生物群方面,病毒同样是不可或缺的。尽管研究人员还没有很详细地了解这些机制,但他们已经发现了越来越多的例子,能够说明无论是人体内的生态系统还是其他环境,病毒和其他生物之间密切的相互作用是生态系统的重要组成部分。

病毒生态学家们已经发现一些具体的证据,支持了这一观点。在一项研究中,他们检测了一种真菌,专门寄生于黄石国家公园的一种草本植物,这种感染该真菌的病毒会使这种草对地热土壤的温度更具有耐受性。当病毒、真菌和植物三者都存在时,植物就能够在相当高温的土壤中生长,光靠真菌是做不到的。

在另一个案例研究中,研究人员发现一种通过墨西哥胡椒种子传播的病毒可以使被感染的植物抵抗蚜虫,观察发现蚜虫更喜欢不携带病毒的植物,因此这对植物而言绝对是有益的。

植物和真菌通常会将病毒代代相传。尽管目前尚未确定大多数病毒的功能,但研究人员认为,这些病毒一定是在以某种方式帮助它们的宿主。否则,植物为什么要一直保留着它们呢?如果所有这些有益的病毒都消失了,它们所寄生的植物和其他生物体很可能就会变得虚弱,甚至死亡。

保护人类

如同真菌、昆虫和植物等有机体一样,也存在很多站在人类一边的良性病毒。一些良性病毒的感染甚至可以帮助人类抵御某些病原体。例如,GB病毒C(GBV-C)是一种常见的人类血液病毒,是西尼罗河病毒和登革热病毒的非致病性远亲,通常与HIV阳性人群的艾滋病延迟发展有关。

换言之,这种病毒似乎能减缓艾滋病毒的复制,感染该病毒的艾滋病患者的存活时间明显比未感染患者更长。科学家还发现,GB病毒C似乎可以降低埃博拉病毒感染者的死亡率。

同样地,疱疹病毒会使小鼠不易受到某些细菌感染,包括鼠疫杆菌和常造成食物中毒的李斯特菌。虽然不会通过让人体感染疱疹病毒、鼠疫杆菌和李斯特菌来复制以上的小鼠实验。但该研究的作者推测,这些在啮齿动物身上取得的发现可能也适用于人类。

研究人员写道,尽管终生感染疱疹病毒“通常只会被认为是致病性的”,但数据表明,疱疹病毒实际上提供了一种免疫上的好处,与宿主形成了某种“共生关系”。没有病毒,人类和其他许多物种可能更容易死于其他疾病。

病毒也是治疗某些疾病最有希望的药物之一。早在20世纪20年代,苏联就有过大量的噬菌体疗法研究,尝试使用病毒来进行靶向细菌感染。现在这已经成为一个快速发展的领域,不仅有望解决抗生素耐药性不断提高的问题,还可能通过微调疗法消灭特定的细菌种类,而不是像抗生素那样不加选择地消灭全部的细菌种群。

当抗生素不起作用时,有科学家将病毒看做相当一部分人的救命良药。以选择性感染和摧毁癌细胞的一类病毒——溶瘤病毒为例,目前已经有越来越多的癌症治疗方案选择溶瘤病毒作为一种毒性更小且更有效的癌症治疗方法。

对于科学家而言,无论是针对有害细菌还是癌细胞,治疗性病毒的作用“就像微型制导导弹,能够进入并炸毁我们不想要的细胞”。因此我们也许可以通过病毒来进行一系列的研究和技术开发,引领我们进入下一个治疗学时代。

由于病毒不断地复制和变异,因此它们也拥有大量的新基因,可以被其他生物吸收。所有能被病毒感染的生物体都有机会吸收病毒基因并加以利用,病毒进入宿主细胞后,会劫持后者的复制工具进行复制。将新的DNA插入基因组是演化的主要模式之一。如果这种情况发生在生殖细胞,也就是卵子和精子中,则病毒基因就可以传递给宿主的下一代,并永久结合。

换句话说,病毒的消失将影响地球上所有生命的演化潜力,智人也不例外。

据估计,病毒成分占人类基因组的8%,而哺乳动物基因组中通常散布着大约10万个源自病毒的残余基因。病毒的基因编码通常表现为无效的DNA片段,但有时会产生出有用的,甚至是必要的新功能。

例如,在2018年,有两个研究团队各自独立取得了一项令人着迷的发现。一种源自病毒的基因编码了一种蛋白质,而这种蛋白质可以在神经系统的细胞间传递信息,在长期记忆的形成中发挥着关键作用。

最引人注目的例子则与哺乳动物胎盘的演化,以及人类怀孕时基因表达的时间有关。有证据表明,人类之所以能活着出生,是因为我们有一小段遗传密码来自于1.3亿年前感染人类祖先的古逆转录病毒。

2018年,研究人员在发表于《公共科学图书馆·生物学》杂志的论文中写道:“不难想象,如果不是远古的逆转录病毒大流行一遍遍的折磨了我们演化自树上的祖先,人类的怀孕过程将会非常不同,甚至可能不存在。”这样的特征在所有形式的多细胞生命中都存在,病毒很可能还有许多功能尚不为人所知。

科学家才刚刚开始了解病毒在维持生命功能方面的作用,该领域的研究也刚刚起步。只有将目光从病原体上拓展开来,对所有病毒都加深研究。了解越多,我们驾驭某些病毒的可能越高,这样也能更好地预防可能导致下一次大流行的其他病毒。

更重要的是,研究病毒多样性将有助于我们对地球、生态系统和人体的运作方式有更深入的了解,为了人类自身的利益,我们需要更多的投入,更进一步了解病毒对地球上的一切意味着什么。

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