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病毒与细胞有何不同?人类对病毒的认知很有限

专题:《科学大家》聚焦新型冠状病毒

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出品:新浪科技《科学大家》、《首都科学讲堂》

主讲嘉宾:叶盛 北京航空航天大学结构生物学教授,博士生导师

(本文根据叶盛教授在“首都科学讲堂”的《病毒那些事儿》系列科普讲座第一讲整理而成,有删减。)

新型冠状病毒疫情发生以后,我相信很多人有恐慌的情绪,也可能错信了一些谣言。如果你能够懂得病毒的基本知识,面对疫情时或许会以一个更加积极、更加乐观的心态去对待。

病毒是一种微生物。而要说起微生物,就要从列文虎克说起。他利用自己发明的显微镜观察到了很多细胞,特别是像细菌这样的单细胞生物。现在科学家用电子显微镜所拍摄到的细菌的图片,与列文虎克的手绘图非常相似。

人类如何进入微生物学时代

发现细菌后,科学家们始终没有意识到,这些小小的单细胞生物和人类的疾病之间其实是有着重要的联系,这个空白持续了100多年,直至巴斯德出现。

巴斯德一开始研究的是红酒的发酵问题。他发现发酵原来是像真菌这样的微生物在不断地繁殖、生长的过程,这是巴斯德所做出的第一个重大发现。

当时,法国除了红酒产业以外,还有一个很重要的产业是纺织业,纺织业离不开蚕,但是当时的养蚕业遭遇了一个重大危机,一些传染病在蚕种之间不断传播。于是巴斯德临危受命去研究这件事,发现原来这种病是由一种微小生物所造成的,这就是细菌。在此之前,人类不知道细菌和疾病之间的关系,而巴斯德是第一个用实验证实了这件事情的人。

自此,人类进入了微生物学时代。

上图是细菌(大肠杆菌)的结构,外面是一层细胞膜和一层细胞壁,后面有一个很长很长的鞭毛,随着鞭毛的转动,细菌可以去往它“想”去的方向。细菌内部有着细胞器,中间是核区,核区里存储着遗传物质。所以细菌其实就是一个细胞,也可被称为单细胞生物。

细菌究竟有多大,上图右下是细菌的扫描电镜的照片,底下那条直线表示10微米,也就是这条线段代表的就是一个10微米的长度。可以看到,细菌大小差不多是在几微米的尺度上。

巴斯德除了发现细菌致病学说外,他还成功制备了狂犬病减毒疫苗。直到今天狂犬病仍旧非常危险,被动物咬伤后要及时去医院去打狂犬病疫苗。但以前的疫苗很危险,巴斯德通过减毒的方法让人类获得了更安全的狂犬病疫苗。遗憾的是,巴斯德始终没有发现到底是什么导致了狂犬病。他猜测可能是一种比细菌更小的病原体导致了狂犬病,从现在来看,巴斯德猜对了。

1898年,一位荷兰科学家拜耶林克研究烟草时,发现了比细菌还小的病原体。

19世纪末,烟草种植业已经达到了一个巅峰时期,但烟草花叶病严重影响了烟草种植业,得了烟草花叶病,会大大降低烟草的产量。正因为如此,当时很多科学家都在研究烟草花叶病。拜耶林克使用了一种由巴斯德和他的助手发明的工具,叫做巴斯德-尚柏朗过滤器,能够把液体中的细菌都过滤掉。结果发现,生病的烟草叶子榨成汁液再过滤后,虽然已经没有细菌或其他细胞了,但还是能让健康的烟草患上花叶病。这就说明,烟草花叶病是由一种比细菌还要小的病原体导致的。拜耶林克把这种更小的病原体命名为病毒。

但是,直到1931年拜耶林克去世的时候,他也没有见过病毒是什么样子。这或许就是科学的伟大之处:通过实验观察到的一些现象,分析之后去得出一些理论。但是做这番推理的科学家,很可能在有生之年都无法见证到这个理论被彻底地证实。

就拜耶林克去世的同一年,物理学家发明了电子显微镜。

电子显微镜让人类更深入了解病毒

我们可以发现,电镜和光镜的原理是非常类似的:光镜是用透镜去聚焦光线,而电镜是用磁线圈去聚焦电子束,最终同样是能够让样品成像。

上图是目前科学家们会使用到的一种电子显微镜:泰坦。它是一台300千伏的冷冻透射电子显微镜,也是目前世界上最强大的电子显微镜。这样一个装置能够让我们在更加微观的尺度上去发现生命世界的细节,研究更加微观的生命问题。

随着电子显微镜的发明,人类终于看到了病毒。上图是1939年科学家拍摄到的第一张病毒的照片,这个病毒就是前面提到的烟草花叶病毒。

随着电子显微镜技术手段的进步,科学家们又拍摄了更清晰的烟草花叶病毒电镜照片。

事实上,今天我们通过结构生物学手段还能够在更微观的、原子的尺度上去研究生命的结构。上图是烟草花叶病毒的结构示意图,它外部由两种蛋白质构成螺旋形的外壳,里面的红色分子就是它的遗传物质,一条单链RNA分子。

形形色色的病毒

是不是所有病毒都长这个样子?还真不是!应该说大部分病毒都不长这个样子。我们接下来来看一看形形色色的病毒。最左面的就是我们讲的第一个烟草花叶病毒,它的样貌刚才我们说了是一个螺旋体,长条形的。

腺病毒的外形也很规整,外面由蛋白质颗粒构成的一个正20面体,这是非常接近于球形的一个几何构型。我们的上呼吸道感染有一部分就是腺病毒造成的,比如说扁桃体炎,比如说咽炎、鼻炎,都有可能是腺病毒造成的。

流感病毒能引起流行性感冒。流感病毒的外壳是一层包膜,是跟细胞膜非常类似的这样一层由磷脂分子组成的膜,而包膜里面就包裹着病毒的遗传物质。流感病毒应该说也是人类的“老朋友”了,致死率并不低。

上图中的病毒长得非常奇怪,好像是一个外星飞船一样,上面有一个规则几何形体的头部,里面装载着它的遗传物质。头部下面有一个很修长的圆筒状的尾部,有点像前面说的烟草花叶病毒,而在这个尾部底端伸出来六条腿。这个病毒叫做噬菌体,顾名思义,它是以细菌为攻击目标的一种病毒,这个病毒非常古老,从地球上有最初的单细胞生物开始,它很可能就存在于地球上了,所以它有这样一个奇怪的外形,应该说是不断的进化,最终特化的结果。

上图中的病毒就大名鼎鼎的艾滋病毒,很多人谈之色变。艾滋病毒从结构上来讲也是非常有特殊性的,它的外面有点像流感病毒,有一层包膜,而包膜里面还有两层蛋白质的衣壳,在这两层蛋白质衣壳的最中间,才存储着它的遗传物质。

最后要介绍的病毒名字叫拟菌病毒,从大小上来看,它更接近细菌。前面介绍的病毒基本是在几十纳米到两三百纳米的尺度上,而拟菌病毒的直径达到了800纳米,它是人类目前已知的最大的病毒之一。从结构上来讲,拟菌病毒和艾滋病毒又正好相反。艾滋病毒外面是包膜,里面是蛋白质的壳,而拟菌病毒外面是蛋白质的壳,里面有一层磷脂的包膜,再往里才是它的遗传物质。

病毒的外形、结构、大小都呈现了非常大的差异,这应该是进化选择的结果。 “不管黑猫白猫,能抓耗子就是好猫。”这可能就是病毒的进化策略。

病毒VS细胞

了解这么多病毒后,我们再回过头来说一下细胞,为什么呢?因为我自己在学习知识的过程中感受到:你要想彻底掌握一个新概念,最好的办法是把它和旧概念进行比较,认识到它们的差异。

细胞就像城市一样,它有非常规整的结构,外面有一道“围墙”,是细胞膜。这道“围墙”对于细胞来说非常重要,墙外是非生命的世界,墙内是生命的世界。细胞的中央是细胞核或者核区,存放着它的遗传物质,就像是一个城市里的指挥部一样,指挥着整个城市的运作,有条不紊地去利用能量生产各种各样的生命分子物质。

上图是电脑绘制的细胞内部想象图。底下长条状的东西叫微管,它是细胞骨架的一种。

很多人对于细胞的概念可能还停留在生物书上看到的一个“球”剖开了像一锅汤一样,里面煮着各种各样的“菜”,那个是对细胞一个非常粗略的概念。实际上我们今天知道,细胞里面不是一锅粥,不是一锅汤,有着更为复杂规整的结构。

在长条状的微管上面行走的是蛋白质,像大力士一样,托着比自己大很多的东西,叫囊泡。这样的运输此时此刻就发生在你身体的每一个细胞里面。与此同时,那里还发生着各种各样的化学反应。

总结来说,细胞里面有三件主要的事情。

一是能量被利用,被转化。绿叶植物可以进行光合作用,像动物和人的细胞是需要利用外来的带有能量的化学物质。

二是物质被分解、被合成。细胞里的物质不是一成不变的,蛋白质合成出来后,完成任务之后就会被分解处理掉,然后又会有新的蛋白质来替代。

三是遗传信息被复制、被转移。细胞里面承载着遗传信息,这些遗传信息在细胞分裂的时候就被复制成两份。什么时候被转移?当你用DNA里的遗传信息去生产相应的蛋白质的时候,这个信息就从DNA上转移到了你的蛋白质里。

哲学上有这么一句话:“你不可能再次跨过同一条河流。”意思是当你再次伸腿去跨过一条小溪的时候,虽然小溪还是那条小溪,但是里面的水已经变了,已经是刚流过来的新的水了。

生物学家可能会这么说:“你不可能再次看到同一个细胞。”你看起来好像细胞没有动,还是同一个细胞,但是那个细胞里面的分子,特别是蛋白质这些分子,早已经被新的一批分子所取代了,虽然它们长得一样,但是已经不是原来那个分子了。

上图是病毒和细胞的结构对比图,左面是流感病毒结构示意图,右面是细胞结构示意图。它们有很多不同点:

首先从外壳上来讲,病毒的外壳可以是蛋白质,可以是磷脂膜,也可以是蛋白质加上磷脂膜,可以磷脂膜在外,蛋白质在里,也可以蛋白质在外,磷脂膜在里,说起来简直就像绕口令一样。细胞的外壳主要是磷脂分子组成的细胞膜,还有一些细胞有细胞壁,比如说细菌、真菌和植物细胞。

遗传物质方面,病毒也是千奇百怪,它的遗传物质可以是DNA分子,可以是RNA分子,可以是单链的DNA、RNA分子,也可以是双链的DNA、RNA分子。而地球上所有的细胞生命,无论是人、动物、植物,还是细菌、真菌,我们用的遗传物质全部都是双链的DNA分子,在这点上可以看出来有很大的不同。

分子机器方面,细胞里面有各种各样的细胞器,细胞器可以看作是一个比较大的分子机器。还有一些小的分子机器,是各种各样的蛋白质或者核酸的复合物。它们都能执行非常复杂的功能,而这样的分子机器在病毒里面几乎是没有的。

另外在能量流动、物质代谢、信息流转三个方面,这都是细胞里每天在发生的正常事情,而在病毒里这些事情都不存在。

所以有人说细胞是一条流动的生命之河,因为里面的能量在流动,物质在流动,它看似静止,但其实不静止。如果说细胞是一条流动的生命之河,那病毒是什么呢?我做了一个比喻,我们把流动的生命之河冻上,冻成一个大冰块,然后从其中敲下一小块冰来,这一小块冰就是病毒。病毒是一个凝固的生命碎片,它的内部不是活着的。

病毒是如何生存的

既然病毒是一个凝固的生命碎片,它要怎么活下去?它必须要利用细胞才能活下去,或者说得更准确一点,它必须要入侵细胞才能活下去。下面用噬菌体的生命周期来回答这个问题。

在上面的示意图中,我们可以看到细菌外面有很多噬菌体叮在它的表面上。当噬菌体叮到了细菌表面后,它尾部会刺到细菌的细胞膜和细胞壁上面,然后把它的遗传物质释放到细菌的细胞里面。

这时候有两种可能性:一种可能性就是它的遗传物质被细菌当成了自己的遗传物质,于是生产出了很多病毒的蛋白质,并且复制了新的属于病毒的基因组,在细菌细胞的内部就重新组装成了新的噬菌体颗粒,最后释放出去。这个释放的过程就会导致整个细菌细胞的破裂,死去,而这些新的噬菌体又可以去侵染更多的细菌。

还有一种可能性是,噬菌体的遗传物质会整合到细菌自己的基因组里面。整合以后好像什么事都没有发生一样,这个带着病毒基因组的细菌会继续的一分为二,二分为四,不断分裂增殖。这样的好处是什么?它可以通过自己的分裂增殖倍增出更多被噬菌体感染的细菌。当受到某些特殊信号刺激的时候,这些细胞才会开始生产噬菌体的蛋白,复制噬菌体的基因组,去合成新的噬菌体颗粒。

以上就是噬菌体在细菌细胞中的两种可能的生命周期。

不管怎么,病毒必须要依靠细胞才能够延续自己的生命,复制更多的病毒。如果只有病毒自己的话,这件事情是不可能完成的。

现在已经被人类观察到并且分类命名,做出了科学描述的病毒大概不到5000种。这5000种听起来好像很多,但实际上根据科学家估计,世界上所有病毒的种类总计可能会达到100万种。为什么会这么多?因为几乎所有的细胞生命全都会被某种病毒感染。动物会被病毒感染,植物会被病毒感染,就连细菌也会被病毒感染。

目前,人类对于病毒的认识还非常有限,只不过看到了其中很小的一部分而已。要想抵抗病毒的进攻,就必须对病毒有更多更深的了解才行。

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