方舟子的Blog

最近我女儿的科学课举行了一次辩论，辩论的题目是：病毒是不是生物？辩论的结果大部分同学认为病毒不是生物，理由是：细胞是生命的基本单位，病毒不是细胞，所以不是生物。

生物学界一般也不把病毒当做生物，理由也是病毒没有细胞结构。病毒实际上只是由蛋白质外壳包裹着的一段遗传物质——核酸，结构非常的简单。

但是，核酸和蛋白质都是生物大分子，这就使得病毒虽然不是生物，却具有生命的某些特征。其中一个重要特征是遗传，即能够复制自己产生后代。这个使命当然是由遗传物质来完成的。遗传物质首先要能自我复制。生物的遗传物质都是DNA（脱氧核糖核酸），而且都是双链，即有两条互补的DNA链，复制的时候两条链解开，分别合成互补的新链，一个双链DNA就变成一模一样的两条双链DNA了。病毒的遗传物质有的是DNA，也有的是RNA（核糖核酸）。今年闹得沸沸扬扬的新型冠状病毒属于RNA病毒，它的遗传物质是单链RNA，复制的时候用这条RNA作为模版合成一条和它互补的新RNA，然后再合成和新RNA互补的RNA，这些RNA就和最早的RNA一样了。

核酸是用核苷酸作为材料合成的。我们人体细胞合成DNA所需要的核苷酸最终是用我们从膳食中摄入的某些营养素合成的。但是病毒里面没有核苷酸，也不能自己合成核苷酸（或者说，病毒没有新陈代谢的能力。新陈代谢是生命的特征之一，这也是病毒不被认为是生物的另一个理由）。它们只能去利用细胞里现成的核苷酸。

遗传物质携带着遗传信息，这些信息要表达出来才能执行功能，功能主要是由蛋白质来执行的。所以遗传物质携带的遗传信息主要是蛋白质的编码，也就是基因。对生物来说，要让遗传信息表达出来，先以DNA为模版合成和它互补的RNA，然后以RNA为模版合成蛋白质。对冠状病毒来说，它跳过了第一步，直接就用RNA做模版合成蛋白质。但是这一步需要在核糖体里完成，而且需要氨基酸作为合成蛋白质的材料。这二者病毒都不具备，它们也只能去利用细胞里现成的核糖体和氨基酸。

所以，病毒要复制自己，就必须入侵细胞，打入细胞内部。但是细胞有细胞膜保护，不是随便能进去的，需要有进入细胞大门的钥匙。在冠状病毒的蛋白质外壳上，有一根根的突起，让它看上去像西方国家的王冠，所以叫它冠状病毒。这些突起就是打开细胞大门的钥匙，是一种蛋白质（称为S蛋白）。要打开细胞大门，钥匙要能和细胞膜上的锁吻合。这些锁是某种分布在细胞膜上的蛋白质，称之为受体。不同病毒能结合的受体不尽相同。对新型冠状病毒来说，它的受体是血管紧张素转化酶2，简称ACE2。从这个受体的名称可以看出，它原本的作用是用来转化血管紧张素的，在调节心脏功能等方面发挥作用，并不是用于迎接病毒的，只不过被病毒利用了，把病毒误当成了它要催化的底物和它结合，然后病毒趁机把它的遗传物质送进了细胞中。ACE2在人体很多器官、组织中都有，包括呼吸道上皮细胞，特别是肺泡的上皮细胞。所以肺就成了新型冠状病毒的主要入侵部位。

冠状病毒进入细胞后，利用细胞里的“车间”和原料来复制新的病毒。一方面，要复制病毒的遗传物质。但是要复制RNA，光有核苷酸不行，还要有复制酶作为催化剂。病毒基因组编码了复制酶，它首先利用细胞里的核糖体合成了复制酶，然后在它的催化下复制遗传物质。另一方面，还要根据病毒基因组制造病毒自带的蛋白质。病毒能尽可能地利用细胞中现有的蛋白质，只制造细胞中没有但是是病毒繁殖所必需的少数几个蛋白质。对冠状病毒来说，这些蛋白质包括一种和遗传物质结合的蛋白质（N蛋白），两种构成病毒外壳的蛋白质（M蛋白和E蛋白），以及S蛋白。此外还有几个用于对付免疫系统的蛋白质。基因组和蛋白质都复制好了，就可以组合成新的病毒颗粒，然后释放到细胞外，去入侵别的细胞。细胞被病毒充分利用后，就死了。所以病毒对它入侵的生物体具有毒性，能让生物体生病。生物体为了消灭入侵的病毒，调动免疫细胞前往被入侵的器官，引起炎症反应，因此加重了病情，有时还来不及杀光病毒反而把自己搞死了。

核酸在复制的过程中有时会产生错误，例如把核苷酸放错了位置，根据模版本来应该放某种核苷酸，却放了别的核苷酸，核酸序列发生了改变，这时我们就说发生了突变。生物体对此有一套纠错机制，但是不能完全避免，所以突变总是会发生的。病毒没有或只有简陋的复制纠错机制，而且病毒复制速度要快得多，所以病毒非常容易发生突变。尤其是对于冠状病毒这样的单链RNA病毒来说，更容易发生突变，因为它只有一条链，发生了突变就会遗传下去。而且冠状病毒的基因组是RNA病毒中最大的，多达3万个“字母”，“字母”越多，复制时就越容易出错。

通过对比不同病毒的基因组序列，看看它们之间有多大的相似性，再根据突变的速率，就可以推算出它们是在什么时候发生分化变成不同的病毒的，从而重建病毒的进化史。例如，新型冠状病毒与一种蝙蝠冠状病毒的基因组序列有96.2%是相同的，据此可以推算出这两种病毒在25-65年前有共同祖先，也就是说，新型冠状病毒是不久以前才从某种蝙蝠冠状病毒（不一定是上述做比对的那种）进化来的。新型冠状病毒与萨斯病毒的基因组序列只有79.5%相同，说明二者亲缘关系比较远，在几千年前它们的祖先就已经分化走上不同的进化道路了。所有的冠状病毒都是在大约一万年前从一个共同祖先进化出来的。一万年对生物进化来说只是一瞬间，甚至不足以进化出一个新物种——今天的人类与一万年前的人类都是一个物种，但是一万年已经足以进化出无数种病毒了。可见病毒变异、进化速度之快。

病毒的突变有的没有改变蛋白质编码，对病毒的属性不会有影响。但是有的突变会改变蛋白质编码，有可能让蛋白质序列、功能发生改变，就能够改变病毒的某些属性，例如能让病毒入侵新的细胞类型，甚至入侵别的物种。突变也可能改变病毒的毒性，病毒的毒性会因此变强，但也可能变弱。病毒没法在细胞外繁殖，也没法在细胞外长时间生存，它只有在细胞中才能不停地繁殖下去，一旦释放到体外，找不到新的细胞入侵，很快就会失去活性。所以一旦病毒把生物体杀死，生物体内的病毒也就同归于尽，没法继续传播了。所以毒性强的病毒因为很快就把宿主杀死了，传播其后代的效率就比较低，而毒性弱的病毒能让宿主更长时间地传播自己，其后代就会越来越多。病毒对宿主的影响越小，其传播的效率就越高。可见，虽然病毒突变的结果既可能让其毒性变强也可能让其毒性变弱，但是毒性弱的病毒比毒性强的病毒更有生存优势，总的进化趋势是毒性越来越弱，弱到甚至对宿主的生活不产生影响，和平共处。

这正是在蝙蝠中发生的情形。蝙蝠由于会飞翔，活动范围广，很容易被传染病毒，而且蝙蝠在洞穴里密密麻麻地挤在一起群居，病毒很容易在蝙蝠之间传播。蝙蝠可能是哺乳动物中携带病毒最多的。光是在云南省一种蝙蝠的身上就检测到了5000多种冠状病毒。但是蝙蝠身上虽然病毒众多，除了个别的例外（例如狂犬病毒），这些病毒对蝙蝠的生活却没有影响，不会让它们生病，因为经过长期的进化，病毒已经和蝙蝠和平共处了。

但是，如果蝙蝠上的病毒入侵人体，那就是另一回事了。人体从未遇见这种病毒，进化才刚刚开始，病毒就可能会伤害人体，甚至是致命的。不过，人们很少和蝙蝠有直接的接触。但是，如果某种哺乳动物捕杀蝙蝠，就可能被蝙蝠身上的病毒感染，而人再捕杀这种哺乳动物，蝙蝠病毒就会转移到人体。这种哺乳动物，就成了把病毒从蝙蝠传播给人类的中间宿主。

幸运的是，人和蝙蝠虽然都是哺乳动物，但是生理还是有很大的差异，能在蝙蝠上寄生的病毒即使接触到人体也不一定能入侵人体细胞，即使能入侵人体细胞，也不一定能在人与人之间传播。只有在很偶然的情况下，蝙蝠的某种病毒发生了突变，让它既能入侵人体细胞，又能在人与人之间传播，这时就出现了一种新型人类传染病。蝙蝠身上虽然有成千上万种冠状病毒，但到现在只有七种能在人与人之间传播，有四种只是导致症状很轻的上呼吸道感染（普通感冒）。大约15%的普通感冒是冠状病毒引起的，因为不会死人，也就没有引起人们的重视。还有三种冠状病毒（萨斯病毒、中东呼吸综合征病毒和新型冠状病毒）能感染下呼吸道，导致肺炎，有时是致命的，才引起人们的重视乃至恐慌。如果我们不改变生活方式，如果我们继续以捕杀、食用野生哺乳动物为乐，这种恐慌就没法避免，每过一段时间就会发生。

2020.2.8

（《科学世界》2020.3）