书城科普读物地球之难:困境与选择
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第16章 生命与非生命

共生进化的观念还可以进一步拓宽。共生进化不仅表现在前面所述的生物与生物之间、生物与盖娅之间,而且还表现于生命与非生命之间,生命与病毒的共生进化关系就是如此。由于人类过去对病毒知之很少,一说到许多已知和未知病因的疾病,就很容易想到病毒,于是就有了“病毒”这个令人畏惧的名字。这种观念现在已需要改变。

在已知的60多万种病毒中,有约4500种对哺乳动物有影响,其中有约0。4%对人类有致病性,像流行性感冒、脊髓灰质炎、狂犬病、天花、麻疹甚至艾滋病都与病毒有关,但大部分病毒都处于沉睡状态,有些病毒还在进化中扮演重要角色。

病毒只有细菌的1/100~1/10大,不能进行代谢转化,包括活细胞外的DNA复制,当它们处于不侵染细胞的状态时,相互之间没有关系,有些病毒像稳定的化学分子保持不变,但当它们感染一个生物时,通过改变此生物体的代谢作用,合成病毒所需的大部分物质,当宿主细胞因感染而死亡或破裂后,大量的病毒颗粒被释放出来,并进行大范围的侵染。病毒处于生命的边缘状态,也许是从不同活细胞中逸出的部分。据西班牙《世界报》2009年11月5日报道,由西班牙科学研究最高委员会研究人员组成的科研团队,在南极洲利文斯顿岛的利姆诺波勒湖中发现了上万种病毒,此前已知的水域生态系统中占主导地位的是吞噬细菌的病毒(即噬菌体),而该湖发现的病毒却会对藻类等真核生物造成影响。

病毒在离开活体细胞时,处于无生命的大分子状态。病毒像所有生物体一样有核酸但只有一种(DNA或RNA),被称为朊病毒的则是一类不含核酸成分的传染性蛋白质分子,能引起宿主体内现成的同类蛋白质分子发生与其相似的构象变化,使宿主致病,是羊瘙痒症、疯牛病、人类传染性海绵状脑病的病因。朊病毒看似是普通的蛋白质分子,但它会变成病原的实体,在食入受它污染的组织后,肠道能够吸收它,当它到达新宿主的神经组织,就开始产生更多的异常蛋白质。令人惊异的是,感染了朊病毒的组织,在紫外线、沸水、氯和甲醛等消毒剂中都能存活。

病毒究竟是死的还是活的?令人困惑。病毒有核酸,能够通过宿主细胞来复制自己进行遗传,病毒变异快,常能引起疾病大流行;朊病毒没有核酸,却仍有相似的遗传性,有不同的品系。生命体对环境变化有反应和适应,病毒似乎没有。上述现象表明它们既是死的又是活的,处于生命与非生命物质的中间状态,但它们又不是从非生命到生命演化序列的中间环节,不是前生命形式,因为病毒只有通过宿主才能繁殖,依此推论,它应出现在细胞诞生之后。今天的科学家们把病毒视为:

“携有遗传信息的细胞残迹或细胞碎片,它只剩下了在其他细胞协助下可以繁衍的最基本部分。病毒是离开了它们居留地的吉卜赛基因,带着自己的东西从一个细胞流浪到另一个细胞,在每一个营地补充食物,添置装备。也许某些病毒在生命发展中很早的阶段就开始‘流浪’了,特别是RNA病毒,它的产生可以追溯到原细胞清除RNA复制酶和逆转录酶的那一时期。从而病毒可能将这些酶全盘保存下来。另一种可能是这些酶在晚一些时候‘重造’出来。例如,DNA复制酶或转录基因发生了某些突变。”

生命体与病毒孰先孰后的问题或许还有待于进一步认识,病毒的稳定性和在严酷环境中不被破坏的特性,或许正是对前生命或生命诞生之初地球环境的适应。那时生命还未成为全球现象,盖娅尚在孕育之中,因而地球还不能实现生命适宜性的自调控,地球环境既严酷又不稳定,生命在形成过程中经历了忽生忽灭的持续波动,在这种波动中,生命在解体时丧失了易降解的部分,同时却也保留了一些稳定的部分,这些部分就是今天所谓的病毒。在那时严酷又不稳定的环境中,使生命能在“九死一生”中不断地复活、复兴,或许全赖病毒的顽强性,生命在站住脚后的进化过程中,这些病毒通过两个途径发挥作用,一是有些病毒在环境适宜时又“重造”失去的部分而复活成生命,二是另有些病毒在新的生命出现时,又参与了与生命共生进化的进程。但是,当生命成为全球现象从而盖娅诞生后,病毒“重造”生命的使命开始让位于细菌,在生命进化的洪流中它们被边缘化了,只充当着“配角”,变成了类似于“异养”“寄生”性质的客人,这使得它们在有些地方成为杀死宿主的凶犯,但在大多数地方仍然发挥着“余热”,在参与生命共生进化进程中作出贡献,有时甚至是重要贡献。

1992年,英国科学家在英格兰北部的布拉德福德市的一座冷却塔中发现一种后来被命名为Mimivirus的巨型病毒,当时以为它是细菌而没有在意。后来法国科学家发现它的外壳是一个由20个三角形表面组成的多面体,它不是细菌却比许多细菌都大,其基因组内的基因数量达911个,而绝大多数病毒的基因数还不到两位数(例如:艾滋病毒只有9个基因,丁型肺炎病毒只有一个基因),这种病毒除有动植物体内都有的“共有核心基因”外,还有约一半是科学界未曾见过的新基因,其基因结构方面与一些能独立生存的有机物一样复杂。这种病毒可能是具有独立生存能力的生命形式的后代,其祖先可能在细胞出现以前就存在,只是后来才变成了寄生生物。最近法国科学家在智利沿海又发现目前所知最大的病毒,这种被命名为Megavirus的病毒,比一般病毒大10到20倍,比Mimivirus病毒还大,用常规显微镜就能看到,DNA基因超过1000个,与Mimivirus一样有丝状结构。巨型病毒可能到处都有,并可能还有更大得多的病毒。

科学家发现一些细小的病毒能够杀死癌细胞,因而可能成为人类抗癌的重要伙伴;也发现一些癌症与病毒感染有关,如:乙肝病毒和丙肝病毒引发肝癌;人类乳头状瘤病毒引发宫颈癌;梅克尔细胞多瘤病毒引发皮肤癌;巨细胞病毒可能引发儿童脑瘤;爱泼斯坦!巴尔病毒引发血癌和淋巴癌;XMRV可能与前列腺癌有关,等等。科学家认为可能有多达四成的癌症是由病毒引起的。但是,病毒致癌的过程令人费解,因为病毒入侵细胞使它制造出更多的病毒,这个过程会杀死细胞,这意味着它不可能变成癌细胞,病毒引发癌肿表明,病毒不只是利用细胞来复制自己,它还会形成与宿主细胞不同的染色体组型,形成有全新特征的新的表现型细胞,癌细胞不依赖于宿主其他细胞而生存,癌肿能够自己决定生长方式和生长位置,以致有些生物学家认为,癌症的形成实际上就是宿主体内一个新寄生物种的进化过程。癌细胞能不停地复制自己,除非杀死它们或机体死亡后才会死亡,这种不死性与单细胞生命相似。癌细胞是丧失了与多细胞协同的功能但保留了单细胞复制功能的细胞,是多细胞生物体内闹独立的只知复制自己不知整体协同的“利己主义者”,是对多细胞生物协同进化的逆反。

病毒与细胞生命形式之间的界限不可逾越的认识正面临着改变,有一种观点认为,最初的活体单细胞生物是由细胞膜、细胞质和基本的遗传物质组成,没有细胞核,可能是在受到多次变异的病毒感染后,形成了有细胞核的结构。也就是说,生物之所以是现在这个样子,很可能是病毒造成的。科学家认为,逆转录病毒是人类基因的组成部分,它大部分时间处于沉睡状态,只在少数情况下才醒过来,逆转录病毒能帮助胎盘细胞结合,形成一张足够薄,能够吸收营养和氧气,又足够坚固,能避免可能影响到母体的病原通过的胎盘,从而帮助保护胎儿。孩子出生后,逆转录病毒又回到沉睡状态。

据日本科学家研究,在约4亿年前,逆转录子从外界进入脊椎动物的染色体,约2亿年前,逆转录子促使哺乳类动物的共同祖先获得了高度发达的大脑功能。以往的基因研究成果都与基因突变积累导致的小进化有关,这一研究成果发现了外界基因进入是引起跨越性进化的原因。逆转录子在进化过程中进入染色体后,会一直遗传给后代,研究人员以此为线索,对多种动物进行调查,结果发现爬行类、鸟类、哺乳类动物存在共同的逆转录子,但该逆转录子只对哺乳类动物有促使大脑进化的作用。人类在脑进化中独占鳌头,更应当感谢病毒。

利奥波德的土地共同体理论、拉伍洛克的盖娅理论和马古利斯的共生进化理论,为我们从宏观到微观对地球生命的认识提供了一个整体性框架。但生命现象极其复杂,我们的疑问仍很多,人们之间的不同认识和争议也很多。我们遥望星空,地球生命和人类的存在与宇宙、星系有关吗?无机的地球环境在演化过程中是如何形成生命的?地球生命在进化过程中又如何出现了有思维能力的智慧生物?要弄清这些奇迹,还需要我们进一步拓展认识。