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過的是一種借來的生活 病毒到底算不算「活著」?

2021-12-30 09:22鷹出版 作者/卡爾.齊默

很難想像到會有在這麼短的時間內,對人類世界造成嚴重打擊的事物。也很難想有什麼東西...
很難想像到會有在這麼短的時間內,對人類世界造成嚴重打擊的事物。也很難想有什麼東西比病毒更會複製,在短短幾個月內,利用別的物種複製出成千上萬的自己。 圖/ingimage

▌半活著

「伯克並不打算宣稱這些生物體還活著,但這些生物相當活躍,它們算是『半活著』。」

二○二○年春天,郊狼白天在舊金山的街道上漫步,一群山羊接管了威爾斯的某個小鎮,胡狼在特拉維夫的都會公園裡徘徊。而在威尼斯,有大批鸕鶿突然湧入運河裡追逐魚群,加拿大雁護送小雁沿著拉斯維加斯大道中間搖擺走著,路過關門中的萬寶龍鋼筆專賣店和芬迪手提包專賣店。

由於某一種生物,也就是人類,閉門不出,讓生物界發生了一種奇特的擴張現象。這種幾十億人進入禁閉狀態長達幾個月的情況,被科學家稱為「人類停滯期」。對於幸運的人來說,最大的挑戰便是無聊;而對不幸的人來說,失業、飢餓和其他災難就在眼前。對於最不幸的人來說,得了這種病會讓他們發高燒、乾咳到發抖。某些病人在晚上抖得很厲害,以致牙齒發顫。有五分之四的患者在家中熬過了這場病,但有五分之一的人住進了醫院。某些人的肺部變成膿液和發炎肆虐下的荒蕪之地,幾十萬人死亡。紐約市的死亡情況,甚至必須靠挖土機在哈特島挖出長深溝,才有足夠地方掩埋大量棺材。

這種新的肺炎於二○一九年底在中國武漢市首次發現。幾週內中國的研究人員便分離出將所有病例關聯在一起的微觀線索,也就是一種病毒。二月時,病毒學家正式將它命名為「新型冠狀病毒」。他們也分析了病毒基因並重建了突變紀錄史,追蹤到這種冠狀病毒可能起源於蝙蝠。許多感染人類的其他危險病毒也來自於蝙蝠,這種冠狀病毒以某種方式發展出適應性,讓自己可以在人體內部蓬勃發展。

咳嗽或甚至大呼一口氣,就能把包含病毒的飛沫散布到空氣中,隨時準備好攻擊那些搭乘同一輛公車,共享同一張餐桌,或在同一座教堂祈禱的人,讓他們吸入病毒。這種病毒可以在門把、長椅或其他表面上存活幾小時或幾天之久。一旦人們以手沾到這些病毒,又不經意地擦眼睛或擦鼻子時,就會讓病毒展開進入「新宿主」的旅程。

該病毒表面的蛋白質,可以抓附在呼吸道裡某些特定細胞表面的蛋白質上。病毒的膜可以打開這些細胞,把自己的基因倒入細胞內部。它們用的是和人類細胞建構蛋白質相同的遺傳密碼,結果細胞便會將病毒的基因當成自己的基因,為它們編碼蛋白質,讓細胞裡充滿可以進行新感染作業的病毒蛋白。它們還會阻止細胞進行自我維持所需的各種作業,因此細胞會乖乖聽話,不斷製造出新病毒。細胞製作出這種病毒基因的新拷貝後,便將它們包裹在布滿新蛋白的膜中。然後新病毒會聚集成氣泡狀,遷移到受感染細胞的邊緣後,溢出細胞,繼續把幾百萬個新病毒帶進呼吸道裡。

對大多數病患來說,當病毒仍在鼻腔和咽喉中進行大量複製時,免疫系統就已得到人體「被入侵」的訊息。於是人體免疫系統開始進行防禦,學習如何使用抗體進行精準攻擊,阻止病毒繼續感染新細胞。不過這些病毒的基因本身懂得狡猾迴避的方法,懂得如何直接關閉被入侵細胞的警報系統。在某些人體內,在病毒大量繁殖向下入侵肺部的緊急狀況下,由於免疫系統發現已經無法以外科手術般的精準度攻擊病毒,只好改為「全面攻擊」。方法便是往各個方向噴出有毒化合物來對抗病毒。最後,病患慢慢淹死在自己的免疫系統所創造出來的毒海裡。

如果新型冠狀病毒都讓病患快速變成重症狀態,這場戰鬥可能會容易一點。因為人們生重病時,可以立刻讓他們住進隔離病房。然而新型冠狀病毒卻是悄悄潛伏在宿主身上幾天,然後才出現最初症狀。

受感染的人依舊過著日常生活,完全沒有意識到自己正在繁殖病毒且呼出成團的感染雲。這些人可能在飯店吃午餐或在客服中心工作,也可能在太平洋航行的遊輪上扶著欄杆。一旦感染周圍的人後,某些宿主會出現感染症狀,但其他染病者並未出現症狀。

感染到新冠肺炎的無症狀病人可能會離開武漢。某些人穿越整個中國,回到老家與家人一起慶祝農曆新年,飛機也把受感染的乘客載送到歐洲和其他地區。病毒也因散布繁殖而產生變異,出現了不同基因特徵標記的新譜系。科學家藉由這些變種病毒,重建了病毒在國家和城市間移動的途徑。有些國家的病情控制得很好,有些國家則由於貧窮的限制或有錢人的傲慢而飽受病毒摧殘。

很難想像到會有在這麼短的時間內,對人類世界造成嚴重打擊的事物。也很難想有什麼東西比病毒更會複製,在短短幾個月內,利用別的物種複製出成千上萬的自己。

儘管如此,仍有許多科學家會說新型冠狀病毒「不算活著」,不該進入名為「生命」的私人俱樂部中。

對於尋找生命定義的生物學家來說,病毒確實令人頭疼。他們無法完全剔除病毒的存在,因...
對於尋找生命定義的生物學家來說,病毒確實令人頭疼。他們無法完全剔除病毒的存在,因為病毒顯然具有生命中的某些特徵,但又缺乏其他特徵。 圖/ingimage

幾千年來,人們只能透過病毒造成的死亡和破壞來瞭解病毒。醫生為它們取了疾病的名稱,如天花、狂犬病和流行性感冒。十七世紀, 范雷文霍克用顯微鏡觀察水滴,發現了細菌和其他微小的奇特物種, 但他看不到身形更小的病毒。兩個世紀後,當科學家終於發現病毒時, 也並未真正認清它們。

十九世紀末,歐洲少數幾位科學家研究了一種被稱為「菸草嵌紋病」的菸草作物疾病。它會使植株發育不良,葉面上也會覆蓋著斑點。科學家在水中搗爛了一片染病的葉子,然後把混合液體注入健康植株中,觀察到它們也會生病。但當他們在混合液中尋找病原體時,卻找不到細菌或真菌。因此它被認定一定是完全不同的東西。

荷蘭科學家拜耶林克(Martinus Beijerinck)利用陶瓷過濾器,把染病菸草植株葉子搗碎的液體加以過濾。因為陶瓷的毛細孔很小,任何細菌都無法穿透,因此過濾後只剩下清澈的液體。他把這些清澈液體注射到新植株中,疾病也繼續傳染。拜耶林克得出結論,菸草植株裡面有一些「看不到」的東西在繁殖。一八九八年,他用一種古老的毒素名稱將這種東西命名為「病毒」(virus)。

病毒學家繼續找到會導致狂犬病、流行性感冒、小兒麻痺症和許多其他可怕疾病的病毒。有些病毒會感染特定種類的動物,有些病毒只會感染植物。生物學家也發現了「噬菌體」,也就是只會感染細菌的病毒。最後,噬菌體就成為人類有史以來看到的第一種病毒。

一九三○年代,工程師製造出威力強大的電子顯微鏡,引起世人對病毒世界的關注。透過電子顯微鏡可以看到噬菌體位於細菌宿主的上方,它們的身體看起來像是一種晶體,下半身鑲嵌了像腿一般的細線。其他病毒有的看起來像蛇,有的看起來像足球。新型冠狀病毒屬於冠狀病毒,以其表面蛋白質的冠狀突起而得名。它們會讓病毒學家想起日蝕時才可能見到的太陽外圍「日冕」暈光。

在此同時,生化學家也將病毒分解為分子組成。他們從拜耶林克的菸草嵌紋病毒開始觀察,發現病毒具有與人類相同的胺基酸,可以組建蛋白質。但在這些蛋白質裡,生化學家找不到人類細胞用在代謝上的任何酶。亦即病毒根本不必進食或生長,舊病毒也不會生下新病毒,至少不會直接產生新病毒。被病毒寄附的宿主細胞是以自己的胺基酸、鹼和糖,接受病毒的指令來組裝病毒。也就是說新產生的病毒,都是宿主細胞本身分子的重新組合。

對於尋找生命定義的生物學家來說,病毒確實令人頭疼。他們無法完全剔除病毒的存在,因為病毒顯然具有生命中的某些特徵,但又缺乏其他特徵。

如果事實證明病毒是像「巴希比爾斯」或「放射性生物」這樣的海市蜃樓,就不必太過擔心。不過科學家對病毒的研究越多,就越能證明它們真實存在,然而病毒的本質也更令人困惑了。

「當有人問我這種可以通過過濾器的病毒,到底是活的?還是死的?」英國病毒學家皮里埃(Norman Pirie)在一九三七年寫道:「我想唯一明智的答案就是『我不知道』。我們知道病毒能做很多事,也有很多事做不到,如果有某些委員會能將『生命』一詞做出定義的話,我會試試看病毒到底能不能符合定義。」

皮里埃和其他病毒學家繼續研究病毒的分子本質。許多病毒的外殼是由蛋白質所製成,還有一些病毒具有脂質包膜。在病毒內部包含了基因束及將它們結合在一起的蛋白質,不過它們沒有自己的ATP 來協助反應。病毒外部帶有一層毛茸茸的糖霜狀蛋白,這些蛋白質通常精確地符合宿主細胞表面上的蛋白質。因此這種類似開鎖的方式是病毒感染的第一步,它必須像鎖的鑰匙一樣配合準確。這也就是為什麼病毒會對感染的物種具有選擇性,及為何它們入侵某些類型的細胞而跳過其他細胞的原因。

一旦進入細胞後,病毒的外殼(或外膜)就會破裂,傳入病毒本身所帶的基因。如果基因的複製是生命的關鍵,那麼病毒當然應該算是活的。有些病毒的基因編碼為DNA,使用的是和我們遺傳相同的四個字母。被感染的細胞將會讀取該病毒的DNA,並生成RNA 分子,然後將其轉變為病毒的蛋白質。

但皮里埃和其他病毒學家發現有許多病毒已簡化了這種轉化過程。一九三○年代,皮里埃發現菸草嵌紋病毒的基因不是DNA 而是RNA。後來的研究證明他是對的,而且發現許多其他病毒都使用RNA 作為基因,包括新型冠狀病毒也是。當這些RNA 病毒入侵細胞時,它們的基因就直接轉譯成蛋白質。這是一種非常有效的方法,讓病毒為了自己的利益而使人類生病。目前只有在病毒身上,才能找到這種特別的生化現象。

病毒的多樣性也相當驚人。某些病毒學家估計,地球上可能有數兆種病毒。每當病毒學家發...
病毒的多樣性也相當驚人。某些病毒學家估計,地球上可能有數兆種病毒。每當病毒學家發現新病毒時,通常都是還沒人發現過的病毒譜系。 圖/ingimage

無論病毒使用DNA 或RNA 來編碼基因,都只需要一點點病毒就能得逞。人類帶有兩萬個蛋白質編碼基因,使全球經濟陷入谷底的新型冠狀病毒只有二十九個。每當新型冠狀病毒入侵人體呼吸道中的某個細胞時,製造出來的幾百萬個新病毒全都來自這二十九個基因。通常形式都相同,不過偶爾也會有些錯誤發生。

病毒的突變類似我們熟悉的其他生命形式。事實上,病毒的突變率遠高於人類、植物甚至細菌。我們的細胞內含有一組校對機制,負責檢查新的DNA 序列是否有錯,還會把大多數錯誤駁回,進行修復。大部分病毒不會進行任何校對,但特殊的新型冠狀病毒和其他冠狀病毒除外,它們帶有原始校對蛋白的基因。雖然它們的變異速度不如其他病毒,但它們突變的速度仍比人類快上幾千倍。

這些突變可能會讓病毒失效,讓它們無法入侵其他細胞或綁架細胞的生產機制,還有許多突變並不會造成太大的區別。也可能有一小部分突變,能讓該病毒比其他共同競爭細胞原料的病毒更具競爭優勢。例如這種突變可能加快複製所需時間,也可能使突變病毒在免疫系統的雷達上無法察覺,當然後面這些病毒都會得到天擇的青睞。

對病毒的現代研究已證明病毒具有另一種重要的生命特徵:演化。例如它們可以發展出對病毒藥物的抗藥性,它們也能進化為從一種寄主物種擴散到另一個物種。在NASA 的生命定義中,演化帶有舉足輕重的作用。但與會者喬伊斯認為病毒的演化,並不足以彌補它們不是「自我維持的化學系統」的事實。因為病毒是把自己寄託在寄主細胞的化學系統內,且只有在寄主細胞內部才能進化。

「根據目前的有效定義,病毒並不能通過這一關。」喬伊斯在接受《天體生物學雜誌》(Astrobiology Magazine)採訪時宣布。

不過,病毒也有自己的捍衛者。從二○一一年開始,法國科學家福泰爾(Patrick Forterre)提出了一系列主張病毒「活著」的論點。他說:「至少在某些時刻是活著的。」

對福泰爾而言,細胞是生命的基本特徵。當病毒入侵時,被侵入的細胞等於有效成為病毒基因的延伸。福泰爾將這種細胞稱為病毒 胞。「正常細胞的夢想是產生兩個細胞,而病毒細胞的夢想是產生幾百個或更多的病毒細胞。」他在二○一六年寫道。

福泰爾並未贏得太多病毒學家的支持。有兩位學者羅培茲—賈西雅(Puri_cación López-García)和莫雷拉(David Moreira)稱他的論點「與邏輯無關」,其他人則把這種病毒胞的存在當作一種詩意的認可。不過病毒很快就無法如他所想像地那樣活著,當國際病毒分類學委員會建立現代分類系統時,他們斷然宣稱「病毒不是活生物體」。

「因為它們過的是一種借來的生活。」一位委員會成員解釋。

不過,這真的有點奇怪。人們可以把病毒逐出生命的殿堂,卻讓它們掛在自己家的門口,因為那裡擠滿了病毒。一公升海水裡所含的病毒數量,就比地球上所有人類都多,挖一勺汙泥裡的數量也大致一樣。如果我們能計算出地球上所有病毒的數量,病毒將遠遠超過每種基於細胞的生命加起來的總數,且可能多上十倍。

病毒的多樣性也相當驚人。某些病毒學家估計,地球上可能有數兆種病毒。每當病毒學家發現新病毒時,通常都是還沒人發現過的病毒譜系。

舉個例子,當鳥類學家發現一種新鳥類時,他們會感到相當興奮。現在請各位想像一下這種「首次發現新鳥種」的喜悅,這就是身為病毒學家的日常。

我們是否可以把這些「生物多樣性」從生命裡排除?放棄這些病毒,意謂著我們必須低估病毒與生命生態網間的綿密纏繞情形。無論是殺死珊瑚礁,或消滅肺裡的假單胞菌來治療囊腫性纖維化,都是在一片屠殺中對抗獵食者。然而,病毒還會與許多宿主保持著和平的關係。健康人類的身體裡擁有幾兆病毒,也就是所謂的「病毒組」(virome)。大多數會感染人體這個「微生物組」裡的幾兆個細菌、真菌和其他單細胞。某些研究也顯示,病毒可以讓這些微生物組保持平衡,有助於維持人體健康。

※ 本文摘自《生命的一百種定義:原來還可以這樣活著,探索生物與非生物的邊界》。


《生命的一百種定義:原來還可以這樣活著,探索生物與非生物的邊界》

作者:卡爾.齊默

譯者:吳國慶

出版社:鷹出版

出版日期:2021/09/01

《生命的一百種定義:原來還可以這樣活著,探索生物與非生物的邊界》書封。 圖/鷹...
《生命的一百種定義:原來還可以這樣活著,探索生物與非生物的邊界》書封。 圖/鷹出版提供

蛋白質
生命
新型冠狀病毒
DNA

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