病毒真的是活的嗎？

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在過去的兩年裡，SARS-COV2病毒，即更為人熟知的新冠病毒（COVID-19）肆虐全球，造成了超過3.46億人感染以及558萬人死亡。百業待興，眾國封境，我們的生活被徹徹底底地改變了。一想到人類在這種比大多數細菌都小的病原體面前艱難作戰，實在是羞愧難當。 而更讓人無地自容的是，這種病原體甚至可能都不是活的。

與細菌、原生動物以及真菌等其他致病因子不同，病毒處於生命體與非生命體的模糊地帶，對該把它們劃歸為哪一邊則眾說紛紜。 這是一場激烈而持久的辯論，並引發了一個生物學上最基本的問題： “生命”到底是什麼？那麼，病毒是否是一種生命形式？ 讓我們來一探究竟吧！

為了瞭解病毒是否是生命體，我們必須先了解什麼是病毒。

在人類誕生伊始，諸如天花、狂犬病、脊髓灰質炎以及流感等病毒性疾病就與我們相伴，而直到近年來，科學家們才真正瞭解了造成這些疾病的特定病原體。隨著19世紀中葉由羅伯特·科赫（Robert Koch）、路易斯·巴斯德（Louis Pasteur）等人提出的微生物理論的不斷髮展，科學家們開始尋找並分離造成每一種已知疾病的致病原。這其中就包括了菸草花葉病，一種會阻礙菸草植物生長並導致其葉片長出斑駁的“馬賽克”樣圖案的疾病。

在1892年，俄羅斯植物學家德米特里·伊萬諾夫斯基（Dmitri Ivanovsky）將被感染的菸草植物磨碎， 用孔徑小到無法讓細菌通過的陶瓷過濾器過濾其汁液，並將過濾後的汁液接種到未染病的植物上。令他震驚的是，這些植物也難逃疾病魔爪。 伊萬諾夫斯基認為這一疾病可能是由某種能夠透過濾網的化學毒素導致的，但是他並未進一步探索事情的原委。

馬丁烏斯·拜耶林克（1851-1931）。© Wikimedia Commons

六年後，荷蘭微生物學家馬丁烏斯·拜耶林克（Martinus Beijerinck）重複了上述實驗，也證實這一令他費解的結果。不過，他對實驗進行了進一步拓展。在感染了一株植物之後，拜耶林克將其葉片粉碎，過濾取汁，並繼續感染下一株植物，並由此迴圈往復。 他推測，如果致病因子是毒素，那麼其感染效力將隨著在植物間進一步傳播而降低，但是無論他傳播了多少次疾病，致病效率並未稍遜半分。

起初他簡單地認為該致病因子只是一個小到驚人的細菌， 但是無論他如何努力地嘗試，都沒法讓其在培養基中生長——而這是實驗室中培養細菌的標準方法。而它也不受酒精的影響，後者可以殺死幾乎所有已知的細菌。 更奇怪的是，這個令人摸不著頭腦的致病因子似乎只在能夠分裂的活細胞存在的情況下才生長和繁殖。

由於尚未弄清這是什麼致病因子，拜耶林克便將其命名為“傳染性活液體”（contagious living fluid），後又稱之為“過濾性病毒”（filterable virus），而“virus”一詞在拉丁語中的意思為毒素。

此後數十年，科學家使用陶瓷過濾器發現了越來越多的病毒， 他們在1898年發現了造成口蹄疫的口蹄疫病毒，在1932年發現了黃熱病毒以及狂犬病毒。 而理解病毒的本質則在1935年才第一次真正取得了重大突破。

溫德爾·斯坦利（1904-1971） 認為菸草花葉病毒是一種 完全由蛋白質構成的顆粒狀物質。© Sutori

當時美國化學家溫德爾·斯坦利（Wendell Stanley）認為菸草花葉病毒是一種 完全由蛋白質構成的顆粒狀物質 ，而非拜耶林克猜想的那種液體。斯坦利甚至還設法將病毒顆粒提純成針狀晶體，從而可以在實驗室長期儲存且不影響感染效力。正如1940年《紐約時報》（ New York Times ）報道的那樣，該發現在科學界掀起了軒然大波：

“ 洛克菲勒醫學研究所的溫德爾 · 斯坦利博士製得了菸草花葉病毒的結晶，這讓生物學家們吵得不可開交。不過也理應如此。 這些晶體是活的嗎？ 很明顯它並不比鑽石、玻璃、沙子以及其他我們熟悉的晶體特殊，然而把這些病毒晶體放在菸草葉上，花葉病如同星星之火以燎原之勢蔓延開來，就像被活細菌感染了一般。 ”

斯坦利的發現讓他獲得了1946年的諾貝爾化學獎，這似乎給盛行了數世紀之久的“活力論”判了死刑，該理論認為有機體包含了某種重要本質或“神聖的光輝”，而這帶來了生命。 與之對比，生命化學假說則認為生命僅僅只是一個化學過程，而斯坦利發現表面惰性的蛋白顆粒可以像活的生物一樣繁殖並傳播，似乎也證實了這一假說。

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然而依然有很多未解之謎。在斯坦利有所發現的同年，電子顯微鏡的發明讓病毒第一次可以被人類直觀地觀察到，也揭示了微生物學家為什麼這麼長時間都沒有發現它們。 絕大多數病毒的顆粒直徑在100 nm左右，是細菌直徑的1/100~1/10，以致於難以通過普通光學顯微鏡進行觀察。 但是這並不能解釋為什麼一個普普通通的蛋白顆粒雖然具有生命力，卻並不能在實驗室條件下生長。

1926年，美國微生物學家托馬斯·裡弗斯（Thomas Rivers）在美國細菌學學會上做報告時提出了一種解釋：

“ 病毒似乎是一種專性寄生物，其繁殖依賴於活細胞。 ”

換言之，病毒並不會像細菌、原生動物、真菌以及其他微生物一樣通過細胞分裂來自行繁殖，而是 通過劫持其他活細胞的分子機器來產生更多的病毒顆粒。 但是病毒是如何完成這一劫持行為的呢？

事實證明，謎團的最大一塊拼圖仍然是缺失的。溫德爾·斯坦利的後續研究揭示了菸草花葉病毒 並不僅僅由蛋白質構成，實際上還包括了核糖核酸，即RNA。 在20世紀30到40年代，科學界就遺傳特徵如何於生物體中實現代際傳遞展開了一場大討論。

儘管遺傳定律在19世紀60年代就被捷克神父格雷戈爾·孟德爾（Gregor Mendel）發現，並在20世紀初被美國生物學家托馬斯·亨特·摩爾根（Thomas Hunt Morgan）以及赫爾曼·穆勒（Hermann Muller）所完善，但是編碼以及傳遞特定遺傳資訊的具體分子並未揭開其面紗。

一些科學家猜測RNA以及其兄弟DNA等分子可能是遺傳物質，然而大多數人認為遺傳物質更可能是蛋白質，因為後者具有更為複雜的結構，因此可以儲存更多的遺傳資訊。 而病毒在判定何種假說是正確的過程中發揮了重要的作用。

1953年， 瑪莎·蔡斯（左）與 艾爾弗雷德·赫爾希。© PaulingBlog/Karl Maramorosch

1952年，美國細菌學家艾爾弗雷德·赫爾希（Alfred Hershey）和瑪莎·蔡斯（Martha Chase）利用能夠感染大腸桿菌的病毒——T2噬菌體開展了一系列現在被認為是經典之作的實驗。當時的科學家已知該病毒會將自己體內的一部分物質注射入宿主細胞，並把其餘部分留在體外。

但問題是：被注射的部分是核酸還是蛋白質呢？

為了找到答案，赫爾希和蔡斯用放射性硫標記了一種細胞培養基，這使得這批病毒中只有蛋白質會具有放射性標記。而另一批病毒則在存在放射性磷的環境中被培養，這使得這批病毒中只有核酸部分被標記。兩批病毒接下來分別感染未被標記的大腸桿菌。研究人員通過離心機將後續培養液離心，分離被感染的細菌以及病毒被丟棄的非編碼部分。

當兩位科學家檢測被感染細胞的放射性時， 他們發現那些磷被標記的實驗組中的細菌具有放射性，而硫被標記的實驗組則沒有放射性。 這也證實了病毒注入細菌體內的是核酸而不是蛋白質。 之後，羅莎琳德·富蘭克林（Rosalind Franklin）、詹姆斯·沃森（James Watson）以及弗朗西斯·克里克（Francis Crick）等科學家解釋了DNA和RNA的結構與功能，從而開啟了一場如今仍在影響世界的基因革命。

冠狀病毒（SARS-CoV-2）結構的計算機模擬圖。©  Janet Iwasa/University of Utah

今天，人們都瞭解到所有病毒都由兩個基本部分組成： 一段類似於DNA或RNA的序列，以及蛋白質外殼或衣殼 ——或者正如英國生物學家彼得·梅達瓦爵士（Sir Peter Medawar）簡潔易懂的描述：

“ （病毒）就是 一段 壞的資訊 被包裹在蛋白質中 。 ”

病毒的形態與尺寸千變萬化，從直徑約27 nm的豬圓環病毒到長約1.5 μm的闊口罐病毒；從長管狀的菸草花葉病毒到球狀的冠狀病毒。除了蛋白質外殼，很多病毒還含有從宿主細胞上獲得的脂質包膜。 病毒的生命週期起始於它們進入宿主細胞，與其細胞膜相互接觸的那一刻。 如果某細胞是該病毒的易感細胞，病毒就會附著在其表面，像微型注射器一樣將遺傳物質以及一些酶注入細胞的胞質中，並留下其衣殼。

一旦進入細胞，病毒的遺傳物質就開始露出邪惡的獠牙，劫持細胞的代謝機制，將其從獨立的有機體轉化為小型生物工廠，這個工廠只有一個目的：產生更多的病毒顆粒。 病毒通過幾種不同的方式來完成這一劫持過程。

冠狀病毒與細胞的融合方式動畫演示。©  Janet Iwasa/University of Utah

對於DNA病毒，它的遺傳物質會取代細胞自己的DNA，並利用細胞自己的酶將入侵基因組轉錄為信使RNA，即mRNA。 該mRNA隨即被稱為核糖體的細胞器讀取，後者利用讀取的遺傳指令將氨基酸組裝成蛋白質。核糖體不再生產用於維持細胞正常運轉的常規蛋白質，成為了新病毒的“始作俑者”。而RNA病毒則包含了可以直接被核糖體讀取的mRNA，可以完全跳過DNA轉錄的步驟。

此外，還有一種 反轉錄病毒 ，它擁有更精妙的遺傳技巧。包括HIV在內的反轉錄病毒含有一種特殊的酶——反轉錄酶，它能將病毒的RNA整合到宿主細胞自身的DNA中。 這種嵌入的病毒基因組被稱為原病毒，它能在宿主的基因組中休眠很長一段時間，避開免疫系統的監控，神不知鬼不覺地隨著細胞的分裂和繁殖在細胞間傳播。 它們還能自發啟用，使得細胞開始再次生產病毒。這使得人們對反轉錄病毒的感染束手無策。

皮疹是HIV感染的常見症狀。© WebMD

但是反轉錄病毒對人類的重要性遠超造成的疾病所帶來的影響。在人類漫長的進化史中，足足有8%的人類基因是從原病毒中獲得的。 顯而易見，這些基因搭便車者對地球上生命的發展產生了重要且不可忽視的影響。

（www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7093845/）

一旦新的病毒顆粒組裝完成，它們接下來必須離開宿主細胞。感染細菌或其他單細胞有機體的多種病毒會通過裂解週期完成這一目的。在這一過程中，細胞膜會破裂或溶解，宿主細胞死亡並將新一代病毒釋放到環境中。

然而，病毒如果殺死遇到的細胞，就會迅速導致宿主以及寄居其中的病毒的死亡，所以大多數病毒會通過胞吐或“出芽”的方式離開細胞，在不破壞細胞膜的情況下穿過它。 但是無論以何種方式，最終都殊途同歸：新組裝的病毒被釋放到環境中，摩拳擦掌來感染新的細胞並重新開始這一過程。

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既然我們已經知道病毒是什麼以及它們是如何繁殖的，讓我們回到最初的問題：病毒真的是活著的嗎？

如同生物學中很多問題一樣， 這個問題的答案取決於如何準確地定義生命。 生物學家對於他們實際研究的東西並未形成共識，這在整個科學界也是獨一無二的。乍一看，某物是否有生命的問題看起來非常直觀。

然而縱覽歷史長河，即使是那些最偉大的科學家和哲學家都無法對生命給出嚴謹且可以驗證的定義。 我們所能達到的共識基本上可以濃縮為“眼見為實”。但是缺乏這一定義並不妨礙生物學家繼續他們的研究工作，多年來關於定義的探討也僅僅停留於哲學上的好奇。然而當人們開始探索宇宙並在其他星球上尋找生命時，“生命是什麼？”的問題便突然變得重要。

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多年來，各種各樣的科學家一直在試圖描繪出生命體所具有的獨特性質的清單，以下便是其中一個來源於NASA網站的報道：

“ 【生命體】擁有從環境中獲得能量的能力並將其轉化用於自身的生長和繁殖。生命體趨於內穩態：在定義其內部環境的眾多元素上能夠達到一種平衡。生命體能夠 （針對環境） 做出響應，通過刺激產生類似於反應的動作，如回縮，甚至如學習等更高階的形式。生命體具有繁殖性，因為種群的突變以及自然選擇，生命體的進化需要一定程度的複製。為了生存和發展，生命體需要首先成為 ‘ 消費者 ’ ，從而交換生物質，創造新的個體以及排洩廢物。 ”

然而，很多非生命系統也會表現出很多上述性質。 比如說，晶體可以自發組裝成令人驚異的複雜且有序的形狀，進行自我複製，將同一內部結構在晶體間進行轉移，甚至會移動來響應外界的刺激。同樣，一塊黑色的石頭也能將太陽能轉化為熱能，並通過加熱周圍的空氣轉化為動能，同時其中放射性的組分也會自發地將核能轉化為熱能。

《星際迷航》中以岩石為生的霍塔（Horta）。© Tumblr

前述定義在應用到生物界時，甚至變得更加不堪一擊。比如朊病毒是牛海綿狀腦病 （該疾病更為人熟知的名字是瘋牛病） 的致病因子——它比普通病毒甚至更簡單，僅由一段錯誤摺疊的蛋白構成，並不包含任何遺傳物質。 然而，朊病毒可以變異，可以在物種間傳播、繁殖——雖然不是通過遺傳資訊，而是通過造成臨近蛋白的錯誤摺疊引發致命的連鎖反應。

埃爾溫·薛定諤（1887-1961）。© Times Literary Supplement

而那位以提出將假想的貓放入假想的箱子中而聞名的奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger）則提出了一套更為複雜的生命體所獨有的性質。在他出版於1944年名為《生命是什麼？》（ What is Life? ）一書中，薛定諤如是稱述：

“有機體具有自我控制‘ 秩序流 ’的驚人稟賦，因此能夠避免使原子衰變入混亂境地。”

換句話說，生命體似乎會違背第二熱力學定律 ，該定律認為在封閉系統中，熵——被不同的方式定義為無序狀態或一種不能用於做有用功的能量——一直是增加的狀態。在不斷趨於無序的自然力量面前，生物體不僅設法保持了高度的內部秩序和複雜性，而且在數代中保持該秩序，並幾乎不損失保真度。

埃博拉病毒。© National Human Genome Research Institute

當然，生命體並未真正違反第二定律，因為它們並不是封閉系統。它們是半封閉系統，一方面足夠封閉，能夠維持內部秩序，另一方面又足夠開放，確保體內秩序的增加會被外界環境中秩序的降低所抵消——比如通過排出多餘的熱量 （來降低生命體內部的熵值，增加環境熵值） 。然而，這些觀察讓薛定諤推測半封閉結構對於生命體功能的實現非常關鍵。

更重要的是，他進一步推測，為了準確將它們的內部結構以及複雜性傳遞給後代，生命體需要構建包含某種形式的“程式碼指令碼”，並在其中囊括構建這一特定生命體的指令。 後來，這一有先見之明的預言不到十年就隨著DNA結構與功能的確證而被應驗。

單純皰疹病毒第1型（HSV-1）。© Pharmaceutical Technology

緊隨薛定諤之後，英國生物學家約翰·梅納德·史密斯（John Maynard-Smith）認為生命的本質屬性是其能經得起達爾文式自然選擇的考驗，那些能夠增加有機體繁殖能力的遺傳特徵被優先選擇並被傳遞給後代，確保物種能夠隨時間不斷演化。最終這一概念與之前的定義相結合，產生了所謂的“NASA生命定義”，它指的是：

“生命是一種可以適應達爾文所提出的進化且能實現自我可持續的化學系統。”

對於生命定義中適應進化的觀點，病毒當然也是名副其實的——新冠病毒已經快速變異、產生了多種變種清楚地體現了這一點。 但是“病毒是生命體”這一觀點在定義的第一點上卻是充滿爭議的。不像其他生命體，病毒無法在缺少其他活細胞的情況下繁殖。 如果不能劫持宿主細胞的分子機制，病毒僅僅只是一團惰性的蛋白質以及遺傳物質。因此，索爾克研究所的傑拉德·喬伊斯（Gerald Joyce）認為：

“根據這一基礎定義，病毒並不符合標準。”

不論是否能被歸為生命體，顯而易見，病毒都在自然環境中發揮著舉足輕重的作用。儘管無法精準測定， 生物學家估計全球約有10^31 種病毒，如果把所有的病毒一個挨一個連線起來，將延伸至2億光年之外，這一數字使人大跌眼鏡——遠遠超過了已知最遠的星系。 在地球上所有的環境中，我們都能覓得病毒的蹤跡，它們能感染所有已知的生物體。儘管絕大多數病毒都比較友好，不會造成惡性疾病。

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儘管如此，它們依然對地球上生命的演化產生了重大影響，尤其是它們會通過反轉錄的方式將病毒基因插入宿主的DNA中。 比如血橙的存在就應該感謝名為Tcs2的病毒基因，後者會響應寒冷的氣候並轉變為名為Ruby的基因，這就賦予了果肉獨一無二的深紅色調。

與我們人類關係更緊密的是一種名為ERVW-1的古老基因，它是人類胎盤中融合細胞結構，即合胞滋養層（syncytiotrophoblast）的形成原因，該結構對營養物質向發育中的胚胎轉移至關重要。因此， 我們所有人的存在都要歸功於數百萬年前感染非洲人猿的一種病毒。

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基於各種各樣的原因，一些科學家認為NASA對於生命的定義過於狹隘，應該有所拓展，並將病毒這樣邊緣性的案例囊括其中。法國巴斯德研究所的微生物學家帕特里克·福泰爾（Patrick Forterre）便是其中一員，他認為：

“生命以及生命過程只是對我們星球上目前有的物質複雜進化形式的一些稱呼。”

福泰爾認為病毒並不僅僅是蛋白質以及核酸的集合，更是一種在生命迴圈過程中擁有兩種不同狀態的有機體： 病毒顆粒，以及“病毒細胞”（virocell），即被病毒顆粒攻佔並轉化為產生更多病毒粒子的活細胞。 在福泰爾的理論中，病毒細胞與正常健康形態下的宿主細胞——“核態細胞”（ribocell）截然不同，二者的區別在於：

“正常細胞的夢想是分裂以產生兩個細胞，而病毒細胞的夢想是產生100個甚至更多的病毒細胞。”

因此， 根據福泰爾的理論， 病毒顆粒 之於 病毒細胞 猶如種子之於橡樹。病毒與其他任何寄生物沒有任何不同，都是依賴寄主細胞生長和繁殖。而病毒僅僅只是依賴程度更甚。

另一些科學家認為任何對生命進行嚴格定義的努力都是徒勞的，因為這將阻礙我們在地球或其他星球上去認識尚未發現的奇異的生命形式。正如科羅拉多大學的科學哲學家卡羅爾·克萊蘭德（Carol Cleland）所言：

“定義只是通過我們的語言告訴了我們某個詞語的含義，但是並未告訴我們世界的本質。在生命這個案例中，科學家感興趣的是生命的本質而非‘生命’這個詞在我們語言中的含義。我們真正需要去做的是提出一個普遍適用的生命系統理論，而不是對‘生命’一詞的精準定義。”

儘管形態千變萬化，地球上的生命卻只代表了一方面。形成生命系統的普適理論的關鍵便是探索生命的其他可能性。我感興趣的是制定一種尋找外星生命的策略，讓人們能夠拓展我們以地球為中心的生命概念的邊界。

© Shira Inbar

另一方面，我認為科學家們孜孜不倦地定義“生命”也是件徒勞的事，因為這並不能告訴我們真正想要知道的東西——“什麼是生命”。關於生命的科學理論將以一種令人滿意的方式解答這些問題，並且對於一些 【邊緣性的案例也能奏效】 。 僅僅為了某些人的一己之歡而將非典型的“生命體”納入“生命”範疇，這對生命科學的發展毫無裨益。”

爭論愈演愈烈，而幾乎所有的生物學家都堅信這一問題都已經被這樣或那樣的方式解決了。 我們所能肯定的是：考慮到它們在過去、現在以及未來對於地球生命的影響，不論病毒是否是生命體，它們都值得我們無上的欽佩與尊敬。

文/ Gilles Messier

譯/藥師

校對/ Yord

原文/ www.todayifoundout.com/index.php/2022/06/are-viruses-actually-alive/

本文基於創作共享協議（BY-NC），由 藥師 在利維坦釋出

文章僅為作者觀點，未必代表利維坦立場

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