神创造了致病的病毒吗?

作者:杰瑞·伯格曼 翻译:中国创造论团契 原文见http://creation.com/did-god-make-pathogenic-viruses

摘要

本文回顾了病毒的结构、功能及其在生态系统中的作用。结论是:病毒是非生物体,其作用类似于种子和孢子,其功能包括将所携带的基因从一个植物或动物转移到另一个植物或动物。病毒是促进生物多样性系统的一部分,多样性对生命至关重要。病毒十分重要,因为它们能将抗病能力从一个生物体携带到另一个生物体。大多数生活在宿主中的病毒都不会造成任何问题。病毒致病是由于某个环节出现了问题,例如基因突变,或基因的意外移动,而并非源于一个特意设计来导致人类疾病和痛苦的系统。

导言

反对神创论的一个主要论据是:“一个仁慈的上帝为什么创造了致病的微生物,而它们的唯一功能似乎是导致疾病和痛苦?” 挪亚洪水事件经常被人批判,他们声称,上帝一定希望世界上有致病病毒,它们今天既然存在,一定是因为上帝把它们带上了方舟。1 一位进化论者将这一观点总结如下:

“虽然这个地球和其上的动植物有非常美丽的一面,但也有很丑陋的一面。当然,美与丑是人的观念,正如认为必须要以智慧的创造者来解释世界的属性和存在一样,这都是人的观念。无数肮脏的生物学现实用进化论可以完全地理解,但若用一位无限聪明、智慧和慈悲的创造者来解释,则令人费解。每一个生物,包括植物,都必须与疾病和寄生者斗争。致病的细菌和病毒像百科全书那样丰富,其中大多数除了感染其他生物、折磨它们或缩短它们的寿命以外,没有任何有益的‘目的’。”2

提起“病毒”这个词,使人想起病毒瘟疫,例如1918年的流感,导致大约2000万人丧生。3 公众的普遍观念是,病毒的唯一作用就是引发疾病。许多常见的疾病都是由病毒引起的,例如唇疱疹、乙型肝炎、疱疹、黄热病、病毒性脑膜炎、水痘、感冒、单核细胞增多症、腮腺炎、狂犬病、小儿麻痹症、带状疱疹、天花、疣病、病毒性肺炎、艾滋病和某些癌症。

病毒也会影响免疫系统,使免疫系统攻击生物自己的肌体,从而带来健康问题,这就是一些自体免疫性疾病,如糖尿病,红斑狼疮,多发性硬化症和类风湿性关节炎。病毒导致自体免疫性疾病的一个机制,就是将其DNA片断留在宿主细胞内,进而将病毒蛋白(免疫识别指纹)插入宿主细胞膜。当这些细胞繁殖时,它们的子细胞也具有这些独特的标记。白细胞就可能误将这些自身细胞认作外来细胞,进而发动错误的攻击。在乙型肝炎病人中,免疫系统攻击肝细胞所造成的损伤可能要比病毒造成的损伤更大。病毒甚至会造成某些癌症,如白血病,也会危害牲畜和庄稼,是农民的大敌。

虽然病毒是在十九、二十世纪之交才被发现的,但至今已经发现大量的证据,表明它们在生态系统中有几个重要的作用,病毒对于生命也是至关重要的。若没有病毒,我们正在经历的基因革命不可能发生。它们还有许多积极的功能,都是人们刚刚开始研究和理解的。

病毒的发现

科学家首次发现并开始研究这个神秘的“生命”形态时正值世纪之交。研究人员发现,如果从某些患病的动物和植物身上提取的液体被溶解在一种溶剂中,用当时最细的过滤器(常使用未上釉的陶瓷盘)过滤,滤液仍然能够引起疾病。4 俄罗斯科学家伊凡诺夫斯基(Dmitri Ivanovski)发现感染烟草花叶病植物的滤液还是能够感染健康的植物。5

荷兰植物学家比杰林克(Martinus Bijerinck)称之为传染性液体生命。这种液体含有导致传染的物质,现在被称为病毒,即拉丁词“毒”。起初,许多研究人员认为疾病必定是由毒素引起。比杰林克不赞同这一理论,他发现树汁的致病能力在连续传递许多代后并不减弱。这表明病原体能够在植物中繁殖,否则每传递一代它都会减弱。其他人推测这种疾病的病原体是细菌孢子,但远比已经发现的细菌孢子要小。最终研究人员意识到,疾病的罪魁祸首是一种非细胞的“生命”形式,它可以穿过细胞壁和细胞膜而进入细胞的原生质。

1931年,伦敦国立医学研究所的威廉·艾福德(William Elford)发明了一个新的过滤技术,借此研究人员认识到病毒是何等微小。6 我们现在知道一个病毒和一个动物细胞的大小相比起来就像篮球与纽约世界贸易中心。直到1930年代电子显微镜被发明以后,科学家才能最终看到病毒。Untitled

1930年代中期,洛克菲勒研究所的温德尔•斯坦利(Wendell Stanley)将病毒混入溶剂,然后让溶剂挥发,发现病毒形成了晶体。既然病毒能够结晶,就表明所有的病毒单位都有几乎相同的形状、重量、电荷和化学特征。许多病毒,包括呼肠孤病毒科、细小病毒科和虹彩病毒科是规则的正二十面体,有20个三角形的面,12个顶点和30条边(图1)。7 这一证据清楚地表明,病毒不像任何已知的生命,而更像无生命的物质。有些病毒是对称的,有些像长圆管,还有的病毒形状如微型火箭。斯坦利的发现公布不久就引发了病毒是生命还是无生命的辩论。今天,我们认识到,病毒是基因的携带者,正如脂蛋白就是人体循环系统中胆固醇和脂肪酸的携带者一样。

病毒的结构hiv

病毒有五个基本形状:球形、圆柱形、长方形、子弹性和带尾形。病毒是由蛋白质的衣壳包裹,衣壳外常有一个外膜,由碳水化合物或脂类构成。正二十面体的衣壳是由122个壳粒组成,其中110个是六联体蛋白,12个是五联体蛋白。8 衣壳包裹着核酸和其他结构, 为的是保护基因(图2)。9 核酸可能是双链或单链的DNA或RNA。图中人类免疫缺陷病毒的遗传物质是RNA,该病毒被称为逆转录病毒,需要借助被称为逆转录酶的复合酶将RNA逆转录为DNA。所有病毒的表面都有突出的蛋白质(称为抗原),可以让病毒与特定的宿主细胞受体结合。

一些更复杂的病毒还有附属结构,使其能附着在特定生物上。这些结构包括一根管状鞘、几个尾纤维和一个注射器(图3)。10,11 这些看似简单的结构其实相当复杂,每个结构都含有成百上千的组phage件。致力于理解这些结构的研究,比如T-4病毒(一种细菌病毒,或称噬菌体)的形态发生学,直到二十一世纪仍然会处于分子生物学的前沿。12

病毒没有生命的特征,不会生长,缺乏细胞结构,而且只有几个标准样式,部件很少变化。它们缺乏生命所需的大部分酶和细胞器,所以必须利用宿主的细胞器。因此,病毒被称为专性细胞内寄生体,是“感染性颗粒”而不是生物。完整的传染性单位被称为毒粒,毒粒中的酶(如整合酶)不多,这些酶通常与它们进入宿主的细胞的机制有关。病毒通常只在特定的宿主中繁殖,而且通常只感染宿主的一个特定的器官(如肝脏)。一个病毒类型的所有成员,除了外膜上的糖蛋白抗原之外,通常在各方面几乎是完全相同的。13 糖蛋白是信号蛋白,能触发宿主的免疫反应。

人们一旦认识到病毒其实是基因的携带者后,下一步就是研究病毒如何将基因带到其他细胞,以及如何将基因拼接到这些细胞的DNA上。另一个研究重点是病毒基因组中令病毒可以的扮演它们的角色的DNA信息。随着对病毒作用的深入理解,研究人员开始试图利用病毒来造福人类。这就产生了遗传学革命,包括DNA重组技术和基因治疗。

病毒复制

病毒是已知最小的传染性病原体,其大小范围是从200纳米(牛痘病毒)至20纳米(细小病毒)。相比于动物细胞,病毒非常微小——普通的人类细胞可以放入整整5000万个脊髓灰质炎病毒。14 典型的细菌直径是1微米,而噬菌体大小是四十分之一微米长。病毒和宿主之间的关系是复杂的,通常是从病毒接触潜在的宿主细胞开始的。所有已知的生命形式都可以被病毒感染,但有些生命形式似乎比其他更容易受感染,例如,一些节肢动物和裸子植物容易成为病毒宿主。15

病毒繁殖有六个基本步骤:

吸附:病毒和所有的动物细胞表面都含有突出的结构,通常是糖蛋白,可以让病毒和动物细胞结合,若兼容,则可以进行化学和机械结合。病毒的蛋白衣壳(或者脂质包膜)必须附着在宿主细胞的外膜上。病毒的表面抗原与宿主细胞的受体位点必须匹配,才能感染这个细胞。如果配合得不精确,病毒就不能附着并进入细胞。这种配合通常有种属特异性,因此特定的病毒类型只会感染特定的动物或植物类型。然而,有些病毒,比如狂犬病和流感病毒,其宿主范围比较广泛。

穿入:附着之后,大多数病毒可以被细胞膜“向内包入”,由此进入细胞。这个过程称为细胞内吞作用,与细胞摄入营养的过程是一样的。不过有一些病毒类型可以直接穿过宿主细胞膜上的细孔。还有其他一些病毒如噬菌体,可以在细胞外部将DNA注入细胞(图3)。

整合:病毒DNA被整合酶拼接到宿主DNA的一个特定位点。酶首先切割环形的病毒DNA,然后将它拼接到宿主的DNA上,并修复两个拼接位点(参见图4)。insertion

复制和合成:病毒DNA或RNA指导宿主细胞合成病毒的核酸和蛋白质,包括酶。

组装:病毒一旦进入细胞,就可以建立像流水生产线那样的生物合成机器(图5,图6)。16 在一种噬菌体中,尾部组装首先需要构建蛋白质脚手架。然后蛋白质组件一个一个地安装。另一种蛋白质起到“卷尺”的测量作用,判断尾部是否达到适当长度。若达到了,它会发出信号,表示尾部安装已经完成,于是尾部和脚手架蛋白分离,脚手架蛋白则被用于安装另一个病毒的尾部。疱疹病毒和某些病毒会自带蛋白质工具包。而大多数其他病毒,如烟草花叶病毒,几乎完全依赖于宿主细胞的蛋白质工具包完成其合成和复制。replication

释放:新病毒从原宿主细胞中释放并感染其他细胞,将其基因向更多的细胞传播。17

逆转录病毒在利用逆转录酶将其RNA逆转录为DNA之前,并不能破坏细胞。逆转录之后,宿主可以将病毒DNA整合进自己的DNA,然后每当细胞复制时病毒也随之复制。在这种状态下的病毒DNA被称为前病毒。
assembly

 
所有病毒的起源

一些进化论者假设病毒是细菌通过自然选择进化而来的。在这个过程中,随着它们成为寄生生物,它们失去了细菌生活所需要的所有复杂的蛋白质结构。还有一些人假设病毒是最早的生命形式,而细菌是从它们进化而来的(所有其他生命也是从病毒进化而来的)。这一理论的致命问题是,病毒不是生命,它们要繁殖和制造ATP(能量)就需要依赖细胞内的复杂细胞器。而其他一些科学家推测发生了一个共生逆转过程,病毒发源于细胞的组分,如细菌质粒和其他细胞器,并最终演变成特别的生命形式。18

迄今为止这些理论都缺乏支持证据。细菌质粒和病毒的DNA都含有启动复制所需的核苷酸序列。这种结构对于两者的功能都是必要的,但与两者的源流无关。此外,迄今为止在“古代”琥珀中和其他地方发现的“古老”病毒及其他地方所发现的“古老”病毒,都是功能完善、发展成熟的病毒。

病毒在生态系统中的作用

病毒与细菌的重要性密切相关。马古利斯(Margulis)指出,微生物长期以来被认为“大都是一些会导致疾病的小东西。”19 与这个大家熟知的形象相反,细菌是我们生态系统的基础。它们供给我们的肥沃的土壤和大气中的气体。它们净化水源,稳定大气中氮的浓度,调节土壤的酸碱性,使我们的世界生生不息。20

现在对病毒最新的认识是,从病毒和基因的正常关系来看,它们不是宿主和入侵者的关系;病毒更像传播花粉的蜜蜂,促进了基因的交流。病毒不仅携带自己的基因,也携带其他生物的基因,特别是细菌的基因。21虽 然细菌之间可以通过几种方式传递遗传信息,比如通过菌毛传输(见下文),但目前认为病毒在基因传播上是极其重要的。22

噬菌体之所以重要,一个原因就是,细菌内部有一个恒常、稳定的遗传系统(大复制子),但细菌若要在生态系统中发挥功能,就需要吸收和交换各种可变化的遗传系统(几种小复制子,包括质粒、病毒等)。小复制子是与细菌的主要DNA(称为基因带)分开的。基因带中可以插入新DNA,插入序列通常与基因带同步复制,但有一些小复制子能够自动启动自我复制(图5)。

马修(Mathieu)和索内雅(Sonea)声称病毒将所有的细菌转化成了一个巨大的、全球性的“超级生物体”,而且病毒“拥有一个创造和交换遗传物质的卓越机制。”23 在被交换的基因中,有一大类就是抗药基因(参见图7),另外还有一些使细菌能降解毒素(如多氯联苯)的基因,或将汞转化低毒性形式的基因。24 这一机制有助于细菌抵抗其他生物产生的抗生素,让细菌能够生存,并维持至关重要的生态平衡。resistance

前噬菌体、噬菌体和其他病毒是小复制子的一个重要类型。而且,“在自然界中尚未发现没有这样的临时性附加基因的细菌。”25 一些细菌复制子,特别是对细菌没有用的,最终会消失。这个过程曾经被称为“治愈”,因为人们一度把这些复制子看作对细菌有害的传染性因子。现在我们知道,这些病毒的作用很重要,它们使细菌更加多样化。因此病毒对细菌至关重要,而细菌对生态至关重要。26

要产生这种多样性,每个小复制子可能会访问成千上万种不同的菌株;尽管每一个细菌细胞通常只能同时携带几个不同的小的复制子,但是一个菌种能接纳的小复制子类型可达数十种甚至数百种。”27

细菌可以通过几个复杂而精妙的机制进行活跃的基因交换,这是造物主的设计。其中一种机制,是温和噬菌体将其DNA注入细菌,称为转导。28 实验室研究发现噬菌体可以在一个地方吸入细菌DNA,通过转导将它向远处播散。米勒指出:

“……当一个携带新基因的细菌进入某一个栖息地,噬菌体就会感染这个细胞,在它里面制造出更多的噬菌体颗粒。如果有的噬菌体颗粒把新基因包括进去了,它就会把这个新基因传递给当地的菌群。不论染色体DNA还是质粒DNA,都可以通过这一机制转导。我们在不同的湖泊中分离出细菌和噬菌体,显示在这些环境中细菌都会通过转导而分享遗传信息。许多微生物学家最初认为转导不是自然界中的细菌间进行基因交换的一个重要方式,因为它需要病毒和细菌共同作用,而人们认为这两者在自然界存在的浓度都很低。但是……其实噬菌体的浓度是非常高的,每毫升淡水和海水中通常都含有1000亿个病毒颗粒。这些观察数据使人们重新评估细菌和病毒的相互作用的频率,包括噬菌体在宿主细菌之间进行基因转导的频率。”29

质粒或前噬菌体DNA整合于宿主细菌染色体DNA的过程称为转染。如果只是病毒载体的基因或游离DNA被吸入细胞,则称为转化。转染和转化并不是随机进行的,而是被严格控制的过程。细胞表面的特异性受体决定了哪些基因或基因包可以进入细胞。

尽管基因从一个细菌转移到另一个细菌的方式有多种,但是转化的发生率很低。在几乎所有的原核生物中,一般是以有传染性的前噬菌体、温和噬菌体或噬菌体的形式进行。”30

噬菌体DNA很少整合到细菌的染色体中,而是像“移动性图书馆”一样,被传递到需要的地方使用,无用的时候就被丢弃。并不是所有病毒都是为了传递基因,很多病毒在自然界中的功能,我们可能一无所知。人们对某些病毒在生命体中有广泛作用的认识导致了生物学的革命。按照之前的研究经验,我们现在尚不了解的细菌和病毒很可能在自然界中有重要的作用。

病毒作为基因载体(以及其他功能)的有力证据是病毒相对简单的结构,与之相比,细胞极其复杂并且有精妙的防御系统。细胞有复杂的防御系统是合乎逻辑的,因为这是必要的,以防止被外来基因控制。这是进化理论面对的一个重大难题。如斯宛嫩(Syvanen)所说,“如果病毒只会带来痛苦和灾难的话,细胞应该会全力进化出对病毒的抵抗能力。但实际情况是,细胞虽然表现出某些方式的抵抗,但在另一些情况下又似乎相当容忍。”31

致病性病毒

根据传统认识,人们将病毒视为外来入侵者,为争夺细胞内的生产资料而与人类进行生死搏斗。现在发现,这种传统认识如果不算错误,也至少是过于简单了。杀死宿主于病毒并没有什么好处,因为这可能导致病毒的死亡。

病毒必须有众多的储存宿主,在宿主物种中永久居住,不然会很快灭绝。比如说,艾滋病感染一些灵长类动物却不会导致疾病或死亡,可能已经在这些宿主中共生了许多世代。宿主生物体肯定能和它们融洽相处——事实上,某些病毒种类与宿主建立了和谐的共生关系。

显然,人类的不当性行为使得慢病毒从猴子传染到人。若HIV慢病毒只生存在猴子身上,它就不会对人类造成威胁。在猿类中的艾滋病毒(称为猴免疫缺陷病毒)似乎在大多数天然宿主中并不引起生病,而且今天的致病细菌和病毒以前可能并不是这样的。32 梅毒(似乎是从羊传染给人的)和许多其他传染病的情况也是一样。狒狒能够抵抗艾滋病毒感染,多年来研究人员让某些动物与这些病毒接触,发现它们不会被感染。

这一事实支持病毒通常不会、也不应该引起疾病的论点。只有出了差错,如基因突变或偶尔出现的非正当基因流通,这些病毒才会引发问题。查尔斯•斯泰尔斯博士(Dr. Charles Stiles)在许多年前就总结道:‘细菌被创造的时候,并非像今天这样,但它们后来演变成致病细菌……这些致病细菌最初被创造时,是以某种非致病菌的形式存在。’33 斯泰尔斯声称,致病菌的出现是世界从被造以来不断退化的结果。

不断累积的证据显示,大多数或所有有害病毒和细菌都是非致病微生物的变异形式。致病菌的出现是由于基因重组,无意中破坏了正常的共生关系。白喉杆菌原本无害,但“因为前噬菌体或质粒带来的毒素基因而成为致病菌”,34 这可能不是唯一的案例。霍乱弧菌(致命的霍乱病原体)也显示了这一点。

“霍乱弧菌有许多菌株,其中一株是导致几乎所有死亡和痛苦的根源。这一菌株被称为O1,它产生的毒素会与小肠细胞结合,引发一连串的生理反应,使细胞排出大量的氯离子和水,有些时候水量达到一天5加仑。如果盐和水得不到迅速的补充,病人就会死亡。

令人惊讶的是,大多数的霍乱弧菌菌株都是无害的,它们在河流和大海中生存和繁殖。而在霍乱弧菌的演化历史上的某个阶段,O1菌株变成了致命生物。是什么导致了这场要命的转化?据微生物学家马修·瓦尔多(Mathew Waldor)说,是病毒。他和哈佛大学的同事约翰·美卡拉诺斯(John Mekalanos)在研究编码霍乱毒素的CTX基因时,发现了这种病毒。他们怀疑是病毒感染了细菌,带进了这个基因,病毒经常将自己的遗传物质插入到细菌DNA中。”35

后来,研究人员证实,O1霍乱弧菌变为致病菌株的原因的确是病毒。虽然噬菌体和其他病毒相似,但它们之间仍存在一些差异。有的研究人员将只有寄生功能的病毒定义为真正的病毒,而噬菌体按定义则不是真正的病毒,因为一些噬菌体不杀死细菌细胞,只是将它们的DNA拼接到细菌染色体上(参见图5)。“噬菌体”这个名词可能是创造出来以降低‘病毒’一词的负面含义。也有一些证据表明,传染性的致病病毒也可以携带有利的基因,有的甚至有助于真核生物的演化。关于致病机理起源的研究是很复杂的,要讲清楚这个“曾经是无害的霍乱细菌是如何得到毒素基因而成为致命杀手的”真实故事,“需要对复杂分子的工作方式及其影响进行多年的深入研究,……CTX基因的发现只是在过去的几个月对微生物之间和微生物与宿主之间相互作用而引起疾病的研究中的一连串的惊喜之一。对疯牛病(牛海绵状脑病)、艾滋病和疟疾的研究中,研究人员在关于疾病演变的问题上,正面临很大的困难。”36

细菌被首次发现的时候,人们难以想象它们竟然在生态系统上起到了如此重要和积极的作用,现在我们对细菌的重要作用已经非常清楚,而病毒显然也是如此。37 此外,病毒在自然界各种环境中的含量是非常丰富的。在过去十年中科学界的一个重大进展就是,海洋生物学家发现海洋生物群主要是由微小的生物组成,主要包括病毒、细菌、藻类和原虫。

“一茶匙的海水中可能包含超过十亿个病毒——是之前估量的1万到1000万倍。实验室科学家说世界海洋是一个巨大的培养基--人类现在所知的最大培养皿。仅仅一种生物就可能在每盎司的海水中形成数百万个体,它们在地球的碳循环中发挥巨大的作用。地球是否会经历全球变暖的灾难,可能要由我们所不了解的微小生物决定的。如海洋科学比奇洛(Bigelow)实验室的鲍勃·吉亚尔(Bob Guillard)所发现的:‘虽然海洋科学发展了一百年,但无人从中认识到世界上最丰富的生物。 ’”38

人类平常生活的环境中居住着数万亿微生物,其种类多达30万。每克土壤中估计含有高达1万个不同种类的细菌和病毒。39 许多海生和陆生动物的生活环境中也充斥着亿万病毒,但是这些动物很少被感染。40,41 在人体中,如果把人自身的细胞和共生生物的细胞加起来,估计90%的细胞是微生物。42 微生物无处不在,在我们体内,在我们周围。

大量的证据表明,病毒的存在并非疾病的主要原因。这些证据来自人们对动物的研究,它们的生长环境中含有大量病毒和细菌。一个已经被深入研究的例子就是鲨鱼。梅斯特(Mestel)说:“在海洋中,很少看见野生鲨鱼生病,虽然海洋中充满细菌和病毒……。”43 尽管鲨鱼的免疫系统相当简单,缺乏“T细胞”(一种存在于人类和动物免疫系统中的细胞),对移植器官的排斥反映相当迟钝。

鲨鱼缺乏人类拥有的复杂的抗体反应。如果将外源蛋白质注入一条鲨鱼的体内,它会产生抗体,与外来抗原结合,但与人类不同的是,免疫反应不会因重复注射外来蛋白而增强。因此,鲨鱼没有免疫记忆。

我们生活在一个堕落的世界,疾病是由于“某些东西出错”而产生的,我们不应该为这个事实感到意外。从几个方面的研究,特别是对“一系列‘新兴’疾病(即最近才在人群中出现的疾病)的研究都提示这一点。该领域也许比其他领域更谜团重重。标准的理论认为,当微生物从一个物种转移到另一个物种时(如艾滋病毒的情况),它的危害性比会对原来的宿主更大。这也是完全错误的。艾伯特认为,在新的宿主身上,寄生生物的传染性、适合度和致病能力常常减弱。当然,也有例外,而艾伯特认为我们常常只看到例外。事实上,细菌、病毒和其他寄生生物可能经常从一个物种转移到另一个物种,其频率可能比人们所知道的要高,但并不造成危害。”44

莫尔斯(Morse)还说:“一般地认为,新病毒突然跳出来,因为它是刚刚从头进化出来的……但事实上,绝大多数‘新’的病毒根本不是新的,而是病毒转移过程带来的……新转移到人类的疾病,其实之前已经存在于一些动物种群中。”45

他还补充说,“新” 病毒,如艾滋病毒等,可能只是反映了我们对自然世界的认识不足,而不是病毒进化上全新的趋势。46 他认为基本的问题是生物错配——生物从一个宿主转移到它不该去的地方。用莫尔斯的话说,是人类“破坏了生态秩序,无意中鼓励了‘生物杂草’(病毒)物种的适应性,病毒往往让新宿主发烧和痛苦。”47

这个对病毒发病机制起源的新理解是科学研究的一个主要课题,引起创造论者的浓厚兴趣,因为这一新的证据符合神创论的世界观。毫无疑问,世界的堕落使得病毒和宿主之间曾经的共生互利关系发生了问题。病毒对某些生命形式,如细菌的生存,可能至关重要。

致病性病毒只是所有病毒类型的“冰山一角”,科学家越多地了解生物世界,就越意识到病毒在生命界发挥着重要作用。48 只有少数微生物是致病性的,这一事实支持有害病毒起源于突变的理论。另一重证据是,大多数毒株通常不致病,只有一株或几株会带来问题。再者,致病病毒通常并不直接杀死宿主,而是间接危害宿主。例如,一种汉坦病毒会在宿主体内触发剧烈的免疫反应,后者会危害健康的细胞。

大多数致病病毒只是制造麻烦,而并不构成威胁。带尾的噬菌体,只有1%是致病的。就目前所知,几乎在每一例感染中都致死的病毒只有狂犬病毒(对未受保护的人)和艾滋病毒。49 这一小部分病原微生物的起源是目前研究的一个主要焦点。

病毒在医疗上的应用

噬菌体(字面意思是细菌吞噬者)可能有助于控制细菌生长和传播。几乎所有已知的细菌都有特定的噬菌体捕食。研究表明,某些动物体内的一些噬菌体病毒可以抵抗细菌感染。拉德斯基(Radetsky)总结了使用病毒来治疗疾病的优点以及这个概念的重要性,他指出,过去没有多少人“……愿意拿感染性病毒胡闹,特别是在吃几片青霉素药就解决问题的情况下……西方科学家将噬菌体疗法束之高阁。到了今天,噬菌体疗法会很快回来了。在大概使用抗生素治疗细菌疾病50年之后,抗生素治疗的黄金时代逐渐结束了……越来越多的微生物产生耐受抗生素的能力。科学家又开始寻找治疗细菌疾病的特效方法了。一些科学家开始回顾过去,重拾几乎被遗忘的细菌捕食者。事实上,噬菌体疗法从未真正消失。[一些]……医生和卫生工作者常规性地使用噬菌体疗法治疗各种各样的疾病……”50

病毒治疗的明显优势包括:

“……即使抗药性细菌没有成为不断增大的威胁,噬菌体疗法仍然有很大的吸引力。抗生素有一定的风险。它们不仅仅杀死特定的目标,也会杀死很多其他细菌,因而它们不仅除掉体内有害的微生物,也除掉了有用的微生物,例如帮助消化的细菌。为了保证抗生素有效,病人必须在较长的一段时间内严格地反复使用抗生素。若停药,你会发现自己受到疾病的再次攻击,而这一次攻击的是耐药细菌。抗生素也有可能导致肠道疾病和酵母菌感染。不仅如此,还有些人对抗生素严重过敏。在这种情况下,过敏反应可能比疾病本身更可怕。噬菌体疗法不会出现以上种种问题。噬菌体不会引发过敏反应,并且是出了名的挑剔——它们只攻击自己要寻找的目标。如果你少吃了一个剂量的噬菌体,问题不大,因为它们会在所攻击的细菌内繁殖,并在体内存留数日,然后才被清除。”51

虽然噬菌体疗法并非完全没有问题,但这项技术让人充满了期待。已经有一些成功的例子,如治疗痢疾、伤寒、食品/血液中毒,以及皮肤/咽喉/尿路感染:“如果有人患了肠道疾病,可以喝噬菌体……如果是皮肤感染,噬菌体可以涂抹于患处。我们也已经开发出气溶胶和噬菌体片剂。”52 噬菌体通常只结合到一种特定细菌的表面,这一特性可以让人们用噬菌体区分不同的菌株(该过程称为细菌分型)。

一种潜在的疗法是使用病毒来杀死病毒。病毒可以被做成生物武器,用来侦查被艾滋病毒感染的细胞。包被着特殊蛋白质的良性病毒可以侦查感染艾滋病毒的细胞,然后贴在细胞表面。正常情况下,艾滋病病毒外膜上的分子与宿主细胞表面的受体结合。当艾滋病毒的分子与受体连接后,病毒就可以进入细胞。艾滋病毒使用的主要受体是CD4,这个受体存在于免疫系统的血细胞,它是艾滋病毒的主要目标。艾滋病毒也需要使用免疫系统细胞上的至少一两个其他受体。其中之一是CCR5受体,艾滋病毒早期感染巨噬细胞时会使用这个受体。另一个受体是CXCR4,艾滋病毒随后感染T细胞时会使用这个受体。

研究人员运用这些知识改造一种无害的病毒,为它包裹上艾滋病毒借以入侵细胞的受体蛋白分子。人们在实验室内让被改造的无害病毒(猎人病毒)接触被艾滋病毒感染的细胞。表面装有CD4和CCR5的猎人病毒成功地锁定了被艾滋病毒感染的巨噬细胞。表面装有CD4和受体CXCR4的猎人病毒成功找到并锁定了感染艾滋病毒的T细胞。在这两种情况下,猎人病毒忽略了没有感染艾滋病毒的正常细胞。“这种技术提供了一种在体内向感染了艾滋病毒的细胞注入抗病毒基因的方法……”53

病毒和基因革命

受病毒感染的动物细胞可以表达多种蛋白质的成千上万个拷贝,但最多只能同时为六种病毒生产足够的病毒蛋白。另一方面,如果病毒蛋白基因通过DNA重组方式拼接到一种细菌的DNA,这种细菌将可以主要地生产这些病毒蛋白,使分离和研究这些蛋白变得很容易,这就大大简化了遗传学研究的过程。使用病毒进行研究的另一个优点是,一个特定毒株的几乎所有个体都是相同的。

现在所有分子生物学研究者都意识到,病毒对于医学和分子生物学的研究是多么关键。齐默尔曼(Zimmerman)和齐默尔曼(Zimmerman ,1993)指出,现代分子生物学“是病毒时代”,“在医学和生物学的研究中没有比这更重要的。”54 在分子生物学中很多关键的工具(酶),都是在病毒中发现或因病毒而存在,包括:逆转录酶、细菌制造的用来控制病毒的限制性内切酶、以及许多其他的酶。这些研究极大地帮助了病毒学家对病毒和宿主之间的关系以及致病机理等领域中的探索。

病毒的基因载体功能可能很快会在治疗遗传疾病上扮演关键角色。现在已知超过5000个疾病是由于遗传缺陷而造成的,包括亨廷顿氏舞蹈病、镰状细胞贫血症、囊性纤维化病等。目前基因疗法的目的(曾首先试用于治疗囊性纤维化),就是将健康基因装入病毒载体,然后让病毒感染病人相关的组织,把病毒所携带的新基因整合到病人细胞内的DNA。“用病毒来运输基因是一个最理想的方法,因为它们在自然界本来就是要感染细胞并将其遗传物质注入。”55

最常见的病毒载体是Moloney小鼠白血病病毒,到目前为止,大约四分之三的基因治疗使用的是这种病毒。通过添加cre重组酶基因来修改病毒,能有效地使病毒“在完成基因配送任务之后就自杀。”56 具体地讲,cre重组酶把病毒DNA切除,只留下治疗性基因。这降低了病毒导致问题的可能性,或病毒基因被拼接到错误地方的风险。

病毒仍然是基因治疗取得重大突破的源泉。研究人员已经发现一种病毒,“……喜欢独自活动……(这)解决了科学家们需要将外源基因植入老鼠体内的一个棘手问题……这项技术可以大大加速和简化新基因的分析。十多年前当生物学家发现可以把新的DNA直接注入正在发育的老鼠胚胎中,基因研究向前迈进了一大步。但这种技术有一个大缺点,当数百万个基因拷贝被注射到胚胎中时,不知怎么的,这些基因在拼接到老鼠染色体上之前,往往倾向于连接起来,形成一长串。”57

病毒就可能解决这个外源基因聚合的问题,因为通常一次只有一个病毒侵入染色体,这似乎是由于蛋白质会结合在病毒DNA的末端,像盖上帽子一样,防止病毒基因链接在一起。

病毒疗法对一些神经系统的疾病(包括老年痴呆症和帕金森症)、许多遗传疾病和几种脑肿瘤特别有发展前途。治疗脑部疾病的主要困难是,许多物质根本不能穿过血脑屏障,而某些病毒可以携带着新基因通过血脑屏障,使病人恢复健康。目前有100多个不同的临床试验研究正在进行中,测试这个前景极好的疗法。58 慢病毒载体似乎有特别好的发展前途。改造后的疱疹病毒株已被成功用于治疗老鼠脑部肿瘤。这个特殊的研究使用一种会在肿瘤细胞内增殖的病毒,该病毒产生一种酶,将无毒的药物转化为只破坏肿瘤细胞的化合物。59

免疫系统

脊椎动物的免疫系统通常是一个强大的防御体系,可以抵御几乎所有致病病毒。机体出现疾病,其问题往往是由基因突变、不良的饮食习惯、卫生状况差、接触新的病原体(或大量的病原体,免疫系统超出负荷)、情绪压力、睡眠不足和缺乏锻炼等因素导致免疫系统减弱。一些病毒有能力改变它们的抗原结构,使人体的免疫防御系统将其视作一个新的、陌生的外来生者。

病毒通常不会通过演化或变异来征服宿主的免疫系统,但正如莫尔斯指出的,产生新病毒株的关键事件“并非基因突变,而是将现有的基因成功地重组。”60 这些基因有许多可能是从动物病毒转移来的。因此其致病性可能并非出于设计,而是出于意外。此后,宿主必须开发一个全新的免疫反应来对付新病毒。这个开发过程是需要时间的。因为这个原因,大多数疾病的急性期至少持续2-3天,直到身体的免疫防御系统可以开发出足够的反应细胞以摧毁入侵者。流感病毒、感冒(鼻病毒感染)病毒和艾滋病病毒比大多数其他病毒更善于使用基因重组的方法来产生新的病毒。

这种重组,通常被错误地称作“变异”,其实是一个允许病毒生存的设计。在普通情况下,某些基因制造表面蛋白,使宿主的免疫系统将病毒视作外来物质。然而,如果病毒由于基因重组而产生了新的抗原蛋白,该病毒就不会立即被免疫系统识别,从而减缓了免疫反应。这种基因重组偶尔也可能将基因拼接在基因组中错误的位点上,产生上述的致病性细菌或病毒。

除了这些程序化的基因重组产生的变化外,我们没有病毒进化的确凿证据。所有现存的证据表明,古代病毒与今天发现的病毒是相同的。61

脊椎动物机体的防御系统不仅仅包括免疫系统,皮肤也能够分泌核糖核酸酶,从而能够剪断RNA病毒的RNA。皮肤还能分泌蛙皮素,可以杀死病原体。这个复杂的防御系统几乎完全有效,因此,我们周遭数以万亿计的病毒很少导致健康问题。

小结

病毒学是一个比较新的学术领域。许多研究人员得出的结论是,我们现在对病毒的理解,就如同在20世纪初对细菌认识那样肤浅。目前已知病毒有数种有益的功能,研究表明病毒可能还有另外几个重要功能。根据现有模型,疾病并非由于病毒本身,而是由于病毒与宿主的关系被破坏了。成千上万的病毒类型存在于宿主的细胞内,但不会产生问题。疾病的产生是由于病毒的基因重组,宿主的基因突变,或宿主生物体的健康状况受到破坏。研究显示,病毒是生命的一个重要组分。福尔摩斯(Holmes)所指出的:

“单按数量来说,没有其他海洋生物可以与病毒相比。每一滴海水中可能有成千上万,有时甚至上百万的这类分子寄生物,其数量远超过细菌的十倍……证据显示,病毒是海洋中的强大力量,决定着海洋生态系统可以支持多少浮游生物,最终决定支持多少鱼,甚至多少人……病毒一定对整个海洋生态系统产生深远的影响。若细菌被原虫吃掉,能量便沿着食物链传递,从原虫传递到浮游动物,再传递到更大的掠食者,包括鱼。但若细菌被病毒感染而破裂,其细胞内富含能量的物质便流入海水中,进而被其他细菌摄入。富尔曼(Fuhrman)说,‘病毒倾向于让营养远离大的生物,而在小东西中循环。’ 如果是这样,病毒就塑造了整个生态系统的结构。”62

鸣谢

在此感谢伯特•汤普森(Bert Thompson)和约翰·伍德莫拉普(John Woodmorappe)的建议和宝贵反馈。

参考和注释

  1. Woodmorappe, J., Noah’s Ark: A Feasibility Study, ICR, Santee, CA, 1996.
  2. Young, W., Fallacies of Creationism, Detselig Enterprises, Calgary, Alberta, 1985.
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