病毒竟然是哺乳动物进化出胎盘的重要原因？

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大家好，我是来自中科院上海巴斯德研究所的闻婧，今天我将与大家分享关于病毒的那些事儿，病毒与人类之间是一种什么关系？

闻婧

中科院上海巴斯德研究所

首先想问大家一个问题：病毒一定对人类有害吗？

病毒一定对人类有害吗？

病毒是什么？

想要揭开这个问题的答案，首先得了解一下，什么是病毒？它其实是一种非细胞结构的生命形式，主要由核酸和蛋白质外壳组成，其生命活动必须借助于宿主细胞。

 

什么是病毒？

关于病毒的起源，目前有三种假说。

第一，自起源理论。这种理论认为病毒先于细胞产生于生命前地球，然后才进化成了原核细胞与真核细胞。在生命地球，首先是寡聚核苷酸和大分子肽形成了亚生命单位，之后在进化的过程中，通过与脂质分子结合，形成了细胞的雏形。病毒既具有化学大分子可以结晶的特点，同时又具有生命个体可以繁殖产生后代的特点，可以说刚好处在非生命物质向生命个体进化的一个过渡位置。同时，即使是最简单的一个细胞结构也远远比病毒要复杂很多，病毒又刚好填充了从化学大分子到细胞结构进化的一个空白位置，自起源理论由此应运而生。

第二，细胞源退化理论。这种理论认为，病毒是来自于细胞的一部分，它是细胞基因携带着一些功能蛋白从细胞中逃逸出来，从而演化出了病毒。许多生命现象都可以支持这一理论，比如说细胞中存在着一种质粒，这种质粒具有自主复制的能力，同时又可以在不同的细胞之间进行穿梭。另外，细胞中还存在着一种跳跃基因，这种基因被称作“转座子”，它可以在自身的位置上脱离或者是进行复制，然后再转移到新的基因位点上去。这些生命现象都为基因的逃逸提供了一定的基础，也支持了细胞源退化理论。

第三，细胞与病毒平行进化理论。这种理论认为，在远古时期，生命是存在有不同形式的，而生命前体分子独立地向病毒和细胞这两个方向平行进化。

病毒是如何被发现的？

 荷兰微生物学家贝杰林克发现病毒

19世纪，荷兰微生物学家贝杰林克（Beijerinck）在探究烟草花叶病的致病因子时，他发现这个因子可以通过细菌扩滤器，又可以在生物体内进行增殖，但却不能在体外进行增殖，由此把具有这三个特点的致病因子定义为病毒。这也是我们人类历史上发现的第一个病毒，被称为烟草花叶病毒。随后，越来越多的科学家研究发现，很多疾病都是由病毒感染导致的。

病毒之所以让大家感到恐惧，是因为它具有非常快的进化速度，这也是病毒性疾病难以治疗的一个原因。

病毒具有非常快的进化速度

从病毒本身来讲，其进化主要是通过基因突变和基因交换这两种方式进行的。

基因突变是普遍存在于所有生物个体中的一个常见现象。生物个体需要通过突变来适应环境、谋求生存，而病毒的基因组相较于其他的生物个体来说非常简单，导致它复制频率很高，同时它缺少酶系统（在其他生物个体中，这种酶系统可以帮助修复基因突变），因此病毒的基因突变频率非常高，这是病毒快速进化的主要原因。

病毒进化的另一个主要原因是，病毒可以通过基因片段之间的重组重配完成遗传信息的交换。比如说，当两种以上的病毒同时感染了一个细胞的时候，病毒之间就可以发生基因片段的交换。除此之外，病毒也可以和宿主细胞之间进行基因交换。2013年流行的禽流感病毒，其实就是由不同动物体内的冠状病毒，发生了基因的重配，从而组装成了新型的冠状病毒H7N9，才导致了流感的爆发。

除了这些内因以外，还有一些外因也会导致病毒的进化，比如说抗病毒药物的使用（它能够诱导病毒的突变方向，导致耐药株出现）、物理或化学因素的诱变，（比如说紫外线、辐射）等。

抗病毒药物的使用、物理或化学因素的诱变也会导致病毒进化

人类如何应对病毒性疾病

人类应对病毒性疾病，主要以这两个途径为主：抗病毒药物治疗和注射预防疫苗。

抗病毒药物的设计与病毒的生命周期息息相关。病毒的生命周期主要包含五个步骤：吸附、注入、合成、组装和释放。首先病毒要吸附在细胞的表面，然后将自己的基因组注入到细胞内，之后细胞内合成病毒的基因和病毒的蛋白进行组装，从而进化为新病毒，最后再释放出来去感染新的宿主细胞。

病毒的生命周期

我们以HIV病毒为例来了解一下抗病毒药物的设计。

从图中可以看到，HIV病毒的生命周期是这样的：首先病毒要与细胞膜表面的受体进行结合，然后病毒与细胞膜进行融合，将自己的基因组注入细胞内。由于HIV病毒的基因组是RNA，所以RNA还要经过逆转录形成DNA，DNA再入核，之后整合到宿主的基因组中进行转录，合成病毒的RNA与病毒的蛋白，随后再组装成新的病毒释放出来，去感染新的宿主细胞。

HIV病毒的生命周期与抗病毒药物

那么抗病毒药物的设计也刚好是针对这几个关键的步骤，其中包括受体拮抗剂、融合抑制剂、逆转录酶抑制剂，整合酶抑制剂和蛋白酶抑制剂等。目前艾滋病的治疗主要就是联合三种以上抗病毒药物，这样可以从多个步骤同时高效阻断病毒的生命周期，达到抗病毒的效果。

除了抗病毒药物，人类还发明了预防疾病传播的疫苗。疫苗利用其中的抗原刺激人体免疫系统，使人体产生免疫反应但不会生病，抗原分子刺激机体免疫系统产生高效特异性的免疫保护物质，当机体再次接触到相同抗原时，免疫系统依循免疫记忆，迅速制造出保护物质来阻断病原体的入侵，使机体获得针对病原体特异性的免疫力。

上个世纪，爱德华·琴纳（Edward Jenner）在乡间行医时观察到得过牛痘的挤奶女工不会感染天花，由此猜想牛痘和天花类似，但是更加温和，只会让患者产生轻微病症，但并不致命，而挤奶女工正因为得了牛痘而获得抵抗天花的免疫力。为了验证这种猜想，他从感染牛痘的挤奶女工手上的脓疱中取出脓液，接种在一个八岁男孩的手臂上，随后给男孩接种天花，男孩没有发病，这证明了接种牛痘确实能让人获得对天花的免疫力，由此诞生了人类历史上第一个疫苗——天花疫苗。

疫苗让很多疾病成为过去式

在1980年5月，世卫组织宣布人类已经成功地消灭了天花，这也是我们人类第一个彻底消灭的病毒。自此之后，疫苗使很多疾病都成为了过去式，比如：狂犬病、破伤风、麻疹、流行性腮腺炎、脊髓灰质炎……

病毒与人类究竟是什么关系？

关于病毒与人类的关系，大家的第一反应就是它会引发人类疾病，这个伤害有多多大呢？

如果按照宿主对病毒进行分类，病毒可以分为植物病毒、细菌病毒和动物病毒。事实上只有少部分动物病毒才会感染人，且在人与人之间传播。这点通过病毒学家的统计也可以确定，目前我们已知的在人与人之间进行传播的病毒，大约有70%来自于动物，比如说艾滋病毒，它的天然宿主其实是黑猩猩，而在非洲人与黑猩猩接触的过程中，才使病毒跨越物种进入到人身上；SARS病毒的天然宿主是蝙蝠，蝙蝠传播给了果子狸，人类去捕食果子狸，才导致病毒有机会传播到人身上。

由此可见，如果人类与野生动物之间保持距离，可以非常有效地阻断病毒的跨物种传播。

病毒会引发传染病

除了引起传染病，病毒其实对人类还有很多帮助。

比如有科学家发现，内源性逆转录病毒在哺乳动物胎盘进化中发挥了非常重要的作用。人体中大约有8%的基因都来自于远古逆转录病毒的残留。可能在远古的时候，病毒首先感染了动物，而这种逆转录病毒，它会将自己的基因组整合在动物的基因组中，动物又利用这些基因组去合成了一些有利于自己进化的物质。

比如说，科学家发现一种名为“HERV-W”的人类内源性逆转录病毒，它能够合成合胞素。合胞素这种蛋白质存在于人类的胎盘里，能够使得胚胎粘住母体，并且从母体内部获取营养，因此是哺乳动物进化出胎盘的关键。

除此之外,内源性逆转录病毒还被发现在机体免疫应答、干细胞分化等生理过程中发挥重要作用。由此可见，其实病毒不止会导致传染病，对于人类的进化也非常重要。

内源性逆转录病毒

另外，科学家们通过对病毒的一些改造，将其变成了可以应用在科学研究以及疾病治疗中的一种手段。

比如说噬菌体展示技术，它能够将抗体基因与噬菌体的结构蛋白融合表达，使其展示在噬菌体颗粒的表面，通过抗原和抗体特异结合特点，就像用鱼钩钓鱼一样，把有用的抗体钓出来，筛选能够治疗疾病的抗体。

噬菌体展示技术

人类和病毒共存在地球上，因此会不断斗争。病毒会导致传染病的爆发，但人类也不断凭借自己的智慧战胜传染病，这个斗争过程不断推动着人类文明的发展及科学技术的进步。相信在未来，病毒和人类能找到一种平衡的生存状态。