病毒的起源与演化
关于病毒是如何起源的,科学家们至今还没有定论,目前主要有三种假说。“假说”是科学家根据已知的科学事实与科学原理,对自然界的某种现象提出合乎情理的推论,作为目前相互间工作和交流的基础。科学假说只有被证实之后,才能上升为科学理论。
科学家公认,病毒在地球上分布极广,超过任何一种生物。从南极到北极,从沙漠到海洋,从高空到地下,从细菌、动植物身上到人体内外,病毒无处不在。病毒的种类和数量可能远远超过地球上所有生命体的总和。从病毒的数量与广泛分布上看,今天的病毒是长期演化的结果。那么,病毒是如何起源和演化的呢?
部分科学家认为,病毒的起源是个渐进的过程。最早可能起源于核酶,核酶是具有催化特定生物化学反应功能的RNA分子,它跟“类病毒”有些相似(请注意:类病毒是核酸类酶,但并非所有核酸类酶都是病毒)。类病毒是一种具有传染性的单链RNA病原体,比病毒还要小,而且没有蛋白质外壳。类似于类病毒的活性遗传物质,在获取了几个结构蛋白之后,获得了从一个细胞内出来并进入另一个细胞的能力,于是就演化成了穿梭于细胞间的具有感染性的病毒。
另一些科学家则认为,病毒的起源是个倒退的过程。病毒是具有细胞的有机物退化而来的残留物。微生物学家一般认为,某些细菌是细胞内寄生物,是从独立生存的有机体那里演化而来的。或许现在的病毒,也是因为采取了寄生复制的策略,而从原本独立生存的有机体那里退化出来的产物。
还有一些科学家认为,简单的、能够复制的RNA分子在细胞生命出现之前就已经存在了,并有了传染性,感染了最初出现的细胞。因此,实际上病毒是所有生物的祖先。到目前为止,在这三种假说中,还没有哪一种假说可以成为定论。也有科学家认为,或许病毒起源不止一次,也不一定只是通过一种方式起源的。也许所有病毒的起源方式,我们目前压根儿还没有认识到呢!总之,这个问题的解决,有待于病毒学 、基因组学以及结构生物学 等多领域基础研究的进展。
跟非病毒生物的演化一样,病毒的演化也是受自然选择驱动的。那么,什么是自然选择呢?
自然选择学说
自然选择是英国博物学家达尔文在《物种起源》里提出的理论。要了解什么是自然选择,还要从他在“人工选择 ”现象中的发现说起。我们日常生活中很多动植物,都是通过人工选择的筛选和培育而变成今天这个样子的。
比如,达尔文发现,我们平常吃的白花菜、西兰花、卷心菜、苤蓝(大头菜)和羽衣甘蓝(一种沙拉中常用的洋菜)等蔬菜,都是用“人工选择”的方法,从同一种野生甘蓝培育出来的。这是人们根据遗传原理,按照自己的喜好,在野生甘蓝中特意选择某些花或叶或根比较发达的留种,利用个体变异,一代一代地培育出来的。所以,经过很多世代之后,有的品种的花变得越来越大(花菜),有的叶子变得越来越大(卷心菜),有的根变得越来越大(大头菜),这是人工选择的结果。
同样,世界上现在有300多种不同品种的狗,都是从同一个野生物种——狼,经过人们世世代代的选择、培育和驯化,即“人工选择”产生出来的。比如在选育善于奔跑的猎犬时,人们选择腿长、跑得快的,抛弃腿短、跑得慢的。而在选择宠物犬时,就迎合不同主人的不同偏好,有的狗小巧玲珑、有的性情温顺、有的甜美讨喜,等等。还有各种家畜品种,也是经过长期“人工选择”而形成的,比如产奶多的奶牛、瘦肉型猪、毛质好的绵羊、跑得快或能负重的马等。这些都是因为生物本身在遗传中发生变异,而人们有意识地选择自己喜欢的或对人类有用的变异、淘汰自己不喜欢的或用处不大的变异,从而形成了五花八门的不同品种。达尔文把这种人为的力量称作“人工选择”。
达尔文还发现,自然状态下的生物物种,也同样存在着变异。有些变异对生物本身似乎无所谓,有些可能会有害处,还有一些可能很有用。比如,生活在绿叶丛中的虫子,原本是绿色的,是一种保护色。如果有些个体变异的出现,改变了虫子的颜色,那么,这些变异的个体就很容易被天敌 发现而吃掉。
这种变异对虫子来说,就是有害的,因此很快就会消失。反之,如果出现有利于生存和繁殖的变异,这种变异就会被保存下来并遗传下去。比如,果园里的桃树,由于变异,会结出两种稍微不同的桃子:一种是表皮毛茸茸的、粉红色的桃子,另一种是表皮光滑的黄桃子。达尔文发现,果园里有一种甲虫叫象鼻虫,专门喜欢吃表皮光滑的黄桃子,而不喜欢吃表皮毛茸茸的、粉红色的桃子。因此,结黄桃子的桃树就越来越少了,剩下的结粉红色桃子的桃树则越来越多。由于这当中没有人类的干预,达尔文便称这种现象为“自然选择”。
那么,没有人类的干预,自然选择究竟是如何发生的呢?
这个问题,让达尔文费尽了脑筋!在很长一段时间里,他怎么想也想不通。有一天,他在读马尔萨斯的《人口论》 一书时,突然拨开迷雾见青天,一下子便明白了。
马尔萨斯是研究人类社会的科学家,他发现如果听任人类自然增长的话,人类繁殖的速度很快就会超过农作物增产的速度。光是粮食就不够吃,更不要说像住房、交通等其他方面的生活资源了。而人类历史上控制人口增长主要通过下列天灾人祸的方式:自然灾害、饥荒、瘟疫(造成大批人死亡的流行性传染病)、战争等。达尔文一想,自然界不也正是如此吗?
首先,自然界的生物繁殖速度也是异常迅速的,而自然资源是有限的。大家为了竞争有限的食物和空间,互相之间就要拼死搏斗,达尔文称之为“生存斗争”。另外,我们知道,自然界的生物之间形成了一个“食物链 ”或食物网 ,即通常所说的“大鱼吃小鱼、小鱼吃虾米”。很多生物要想方设法逃避被它们的捕食者吃掉的命运,比如一般草食动物都比猎食它们的肉食动物要跑得快,像羚羊、兔子等。肉食动物跑得慢一点儿,失去的只是一顿美餐;如果草食动物跑得慢一点儿,它们丢掉的就会是性命!这是被惨烈的“生存斗争”逼出来的生存之道。其次,生物中存在着大量能够遗传的变异,由于生存斗争,这种能够遗传的变异,无论多么微小,只要它对生物本身有利,就会被保存下来,而有害的就会被清除。因此,达尔文给这一“保存”的原理起了个有趣的名儿,就是我们前文讲到的“自然选择”。
我们再来看看具体的例子。
蒲公英有着美丽的、带有茸毛的种子,聚集成一把把小伞似的。你摘下来,放在嘴边轻轻地一吹,那些种子便四散开去。蒲公英长成这个样子,可不是专门给小朋友们吹着玩的,而是为了它自己的生存斗争!
种子带有茸毛,无疑和地上已经长满了其他植物是密切相关的;只有这样,蒲公英种子才能随着微风飘荡,得以广泛传播,能够落到没被其他植物占据的空地上,落地生根、发芽成长。蒲公英还生有极长的根,在跟周围的植物竞争以及抵御干旱等方面,都占有极大的优势。蒲公英可以说是通过自然选择,在草地上“适者生存”的最好的例子啦!
另一个有名的例子是长颈鹿。拉马克 想,嗯……也许伸着脖子去吃高枝上树叶的长颈鹿,生出的小宝贝脖子会更长一些?这样一代一代下来,长颈鹿的脖子就越伸越长。事实上,他这种理论有点儿不靠谱,我们知道举重运动员膀子上的肌肉很发达,但并不能遗传给子女。
但是按照达尔文自然选择的理论,就很容易理解:由于个体变异的缘故,长颈鹿祖先的脖子有的长一点,有的短一点。
当树叶不够吃的时候,脖子长的长颈鹿占了优势,可以吃到更高处的树叶,而脖子短的就可能饿死了。脖子长的长颈鹿活了下来,并留下了后代。这就是自然界生存斗争的结果。经过生存斗争的淘汰之后,脖子长的长颈鹿会越来越多。长久下去,长颈鹿的脖子变得越来越长,这个过程就叫自然选择。
自然选择驱动生物演化
自然选择不仅让生物的物种更加适应环境,它还有一个特别重要的作用——造成了生物的多样性。最著名的例子就是达尔文在加拉帕戈斯群岛看到的地雀。达尔文注意到,加拉帕戈斯群岛上的地雀,长着不同大小和形状的喙。这些差别有助于它们挑自己喜欢的不同食物吃。不同的喙适合于啃咬不同的食物。大嘴巴适合压碎坚硬的种子,小嘴巴适合吃软一些的种子。长而尖的嘴巴适合撕开仙人掌的花,能夹住小棒棒的嘴巴则适合探测和寻找昆虫。这些不同的地雀最初都是由同一个祖先,为了适应各个小岛上不同的环境(不同的食物来源),经过自然选择演化而来的。因此,自然选择可以使一个现存的物种演化出一个或很多个新的物种。长期下来,世界上五花八门的物种就这样产生出来了。
前面提到,虽然在严格意义上病毒不能算是生物,但是由于它要借宿主细胞才能繁殖,因而也必然遭受自然选择下的演化压力。现在让我们来看一看自然选择驱动病毒演化的实例。
人体的免疫系统有一套对付病毒侵害的办法。在这种情况下,病毒必须想办法躲开人体的免疫系统,尽快地多多复制自己并去传染更多的宿主。因此,有助于完成上述任务的病毒特征(或性状),就会被保存下来并传给新生的病毒;而不利于病毒复制和传播到其他宿主的病毒特征(或性状),就会被淘汰而消失。这就是自然选择的力量!
假如有一种病毒突变会在感染人体几小时之内便杀死宿主,这一突变的杀伤力就太大了;如果新病毒在这几小时内不能感染新的健康宿主,新病毒就无法继续生存与繁殖,那么这一杀伤力极大的病毒突变便会消失。这就是为什么大多数病毒的毒性并不是杀伤力极大的,而且其毒性在感染宿主的过程中,一般来说会逐渐减弱。总之,病毒通常并不会做跟宿主同归于尽的“人肉炸弹”的蠢事。
人体宿主对付病毒攻击的办法之一,是人体免疫系统产生抗体。抗体会锁定在病毒蛋白质外壳的表面,使它无法进入宿主细胞。如果一个病毒跟先前攻击过该宿主的那些病毒外表面貌不同,感染成功的希望就会大一些;因为宿主产生的抗体,只“认识”先前的那些病毒,可能会对这一新面孔病毒“网开一面”。这也是为什么病毒经常通过突变来“更新”其外表,实际上是通过突变而“变脸”,好在宿主先存的抗体面前“蒙混过关”。因此,很多病毒的适应性演化,主要是改变病毒的外表。这对于大多数RNA病毒来说,简直是易如反掌的事,因为RNA病毒非常容易产生突变。
让我们来看看病毒演化中的两个熟悉的例子吧:一个是流感病毒,另一个是艾滋病病毒(HIV)。这两种病毒都是RNA病毒,即它们的遗传物质是用RNA编码,而不是用DNA编码 的。
DNA是比RNA更稳定的分子,DNA病毒在其繁殖过程中,有编码校对的程序,它利用宿主细胞检验DNA复制 是否出错(即发生突变),而且宿主细胞还有纠错功能。而RNA则是不稳定分子,在复制过程中也没有校对和纠错的程序和功能。因而,相对而言,DNA病毒变异(或突变)较少,RNA病毒复制过程中经常出错,且没有宿主细胞给它纠错。因此,RNA病毒经常会发生突变。
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