只要一日地球上尚有生物,病毒就会存在;有些对人类有益,有些对人类有害,有些虽然和人类没有利害关系,但它们在生物圈的物质循环与能量交流中具有关键作用……
病毒,一个让人不寒而栗的名字总是与疾病和死亡紧密联系在一起,天花、鼠疫、埃博拉、艾滋病、疯牛病等等这些骇人听闻的病症都是因为某种病毒入侵的结果。然而,病毒是介于生命与非生命之间的一种生命物质,体积极其微小,结构极为简单。如果说它不是生物,它却可以在寄居的宿主细胞内繁殖,使细胞病变、死亡。当病毒游离于细胞之外时,自身不能复制、不能生长,不表现出任何生命活动,与非生命的有机物并无二致。它们的一切生命形式,都要在进入其他生命体的活细胞之后才能表现出来。当病毒进入细胞内,便把自身的基因“塞”进宿主细胞的DNA中,剥夺其基因物质作为自身复制的原材料,让宿主细胞鬼使神差地复制出大量病毒,表现出病毒的生命形式。在许多人的心目中,病毒是个十恶不赦的大恶魔。其实不然,病毒也有其独特的价值。撇开病毒祸害生灵的罪行不谈,我们假设:如果没有病毒,世界将会怎样?
图为小儿麻痹症病毒模型
如果没有病毒,生物不会如此进化
病毒在人类的进化中扮演了十分重要的角色,极大地帮助了哺乳动物和人类的生殖。美国加利福尼亚大学的研究人员威拉瑞尔等人发现,内源性逆转录病毒(ERV)在进化中与哺乳动物细胞形成了非常亲密的关系,并成为高级哺乳动物DNA中的组成部分。这些ERV是一些病毒的残余,它们在很古老的时候就以独特的方式进入哺乳动物的染色体,如今已成为高级哺乳动物染色体中的基因组成部分。
众所周知,人体和生物体是一个非常排他的系统。但是,母体内的免疫系统不排斥从受精卵开始就存在于子宫内的胎儿。原因何在?人们提出了很多假说,其中之一就是有某种因素在制约着母体内免疫系统使其不排斥胎儿。现在研究证明,ERV基因能调节或控制胎盘的形成。由此推论,这种病毒基因在进化的过程中,通过调节胎盘的功能而阻止母体内的免疫系统排斥胎儿。这是病毒输送自己的基因到人体和高级哺乳动物细胞内的结果,极大地推动了人和高级生物细胞的进化。或许可以这样说,如果没有病毒的这种“奉献”,就没有人类和高级哺乳动物的今天。
在人类的历史上,细菌、病毒、寄生虫一直是人类的头号天敌,它和人类的恶性寄生关系产生了传染性疾病让人无比恐惧。20世纪抗生素和消毒剂的发明成了人类的福音,死于传染病的人数大大减少。可是,人类没有告别病痛的困扰。关节炎、营养不良等一连串的疾病开始折磨人类,人类比以前更易受到感染。研究的结果让人震惊,主要原因是人们现在太“干净”了,没有了微生物、寄生虫,免疫系统失去了正常工作的机会。
如果没有病毒,花儿不会如此绚丽
在16世纪早期,荷兰人对有病毒侵染的植株所形成的条斑状郁金香花朵极为珍视,不惜重金购买郁金香来装扮自己的花园,这种郁金香的颜色不是单一的,它具有缤纷杂乱的花纹,如同喷溅在一起的各种颜色,在当时风靡一时。富人们不惜用房子、农场,甚至他们女儿的婚事做交易,只为能弄到一块色彩斑斓的郁金香鳞茎。这种自然之美的奥秘是什么呢?是一种植物病毒。
植物病毒对植物生长产生的危害作用使植物的叶或花改变颜色。正是因为病毒的侵染,使花瓣上的原有颜色产生了花斑或条纹,使花色更奇异、绚丽,起到对花卉的美化作用。可见,对某些花卉来说,它们受到病毒的侵染,不是“受害”,而是“幸运”。
早在18世纪,人们就利用病毒感染引起的植物叶和花的变色,创造新的花卉品种,如荷兰的郁金香杂色花变种、日本的卫矛叶变色品种、印度的杂色锦麻和中国的“绿菊”。如今,在我国花卉丰产地云南,也发现多种由病毒侵染而引起的杂色花,花色的特点是每个花瓣所表现的斑驳或条纹都不一样,色彩鲜艳美丽。
番茄黄化花叶病毒模型
如果没有病毒,害虫不会如此惊恐
病毒所依赖的活细胞叫宿主,一般每种病毒都有特定的宿主。宿主养活了病毒,而病毒却“恩将仇报”,反过来危害宿主。昆虫病毒是以昆虫作为宿主,并在宿主种群中流行传播的一类病毒。利用昆虫病毒制成的杀虫剂,是一种高效无毒的新型生物农药,杀虫效率高、作用专一、不伤天敌、药效持久、对人畜无毒、不产生抗性等优点,是化学农药理想的代用品。
20世纪70年代,中科院武汉病毒所在国内首次分离筛选出棉铃虫单粒包埋核型多角体病毒,率先研制成功棉铃虫病毒的雏形杀虫剂。1993年,又率先利用DNA重组技术对野生型棉铃虫病毒进行了基因工程改良,开发出一系列杀虫性能优良的新一代重组棉铃虫病毒杀虫剂,获得了一系列有开发前景和自主知识产权的重组病毒株,可用于棉花、烟草、辣椒等作物的棉铃虫及烟青虫等虫害的防治。近20年来,利用昆虫病毒防治农作物虫害已成为国内外生物防治的一个重要发展方向。其中,大规模田间治虫应用的有:赤松毛虫质型多角体病毒、棉铃虫和油桐尺蠖核型多角体病毒、菜粉蝶颗粒体病毒等病毒杀虫剂。这些病毒用于农林害虫的防治,取得了较好的防治效果和生态效益。
如果没有病毒,科研不会如此便捷
基因工程就是用人工的方法把生物体内有用的目的基因提取出来,经过体外的“改造”和“重组”后,导入受体生物中表达,从而使受体生物获得新的遗传性状。很少有人知道,基因工程中使用的工具酶和基因工程载体,就来源于病毒。可以这样说,基因的改造得益于DNA限制性内切酶、连接酶及其他修饰酶的发现;基因的转移得益于质粒载体等运载工具的发现和转移技术的建立。在目前应用的载体中,大多数来源于噬菌体、动植物病毒等。一些具有DNA基因组或其生活史中出现有DNA阶段的真核生物的病毒,经过改造之后,都可以发展成为基因转移的分子载体。逆转录病毒是一类含RNA的动物病毒,便于发展成为动物基因克隆载体。基因工程学家还设想用重组的痘苗病毒做载体,研制抗多种病原体的活疫苗。
图为动物病毒载体模型
在基因疗法实施过程中,正常基因必须通过一定的载体送入细胞,才能达到治疗目的。目前比较常用的载体是经过改造的无害病毒,如:逆转录病毒、疱疹病毒或腺病毒载体。近年,用腺相关病毒(adenoassociated virus,AAV)作为基因治疗载体已成为研究的热点。这是因为:AAV是一种有缺陷的病毒,人群中的大多数都受到过它的感染,但从未发现它能引起任何疾病,可以说,AAV是一种安全的病毒。用AAV作载体可以感染多种类型的人体细胞,可以使治疗基因在体内获得长期、稳定的表达。由于在构建载体时去掉了AAV病毒本身的基因,就避免了病毒可能带来的免疫反应。
植物病毒载体的研究开展得较晚,1984年才诞生了第一例由植物副逆转录病毒——花椰菜花叶病毒(CaMV)构建的载体。但是植物病毒载体具有很多优点,例如短时间内可以生产大量成本低廉的外源蛋白,满足医药及工业用蛋白日益增加的需求,因此1984年之后,人们尝试了多种植物病毒载体。近年来也逐步利用植物病毒载体作为探针,去研究植物和植物病原基因的表达调控、编码产物的功能以及植物与病原的相互作用。用植物病毒载体表达的诊断试剂和疫苗比用细菌、酵母等表达系统制备的产物具有更好的抗原性和免疫原性。同时,用植物病毒载体表达的疫苗也比用动物或动物细胞制备的疫苗更安全,因为后者可能携带潜伏感染的病原或尚未发现的病源。
如果没有病毒,生态不会如此平衡
地球上所有的物种都是过去35亿年间产生、繁衍和进化的,其中一些物种在进化过程中的相互作用,使我们今天看到的自然界不仅是一个个彼此独立的物种,而且是植物间的相生相克、动物间的食物链关系,一种生命依附于另一种生命等诸多行为和现象。病毒也是一样,在漫长的进化过程中,它们曾经“试探”了各种各样的宿主。如果对方的“抗性”太强,它们便无法依附;如果对方的“抗性”太弱,便会被“斩尽杀绝”,导致宿主物种的消逝。就在这漫长而又不断的“磨合”过程中,物种之间形成了相对稳定的协同进化关系,生态系统也平衡下来。然而,一旦一个新的、原本没有任何抵抗力的物种接触到陌生的病毒而又无法控制该病毒的大量繁衍,病毒种群便会大爆发,灾难也就出现了。
除了这种方式,病毒自身也可能发生变异和出现返祖现象,而导致宿主原有的抵抗力减弱或消失。以澳大利亚为例。19世纪末,兔子本来不存在于澳大利亚,当英国占据澳大利亚时,带来了原产于欧洲的兔子。不料因当地牧草丰富,无高等食肉动物,致使兔子急剧繁殖。仅百年时间,当地野兔已多达70亿只。兔子与羊争牧草,并打洞破坏草原,严重危害草原生态平衡和畜牧业发展。而南美洲原产兔身上有一种粘液瘤病毒(myxoma virus),若该病毒感染到欧洲兔,死亡率几乎达到百分之百,因此澳大利亚政府在1950年蓄意引入这种病毒,而它的天然传媒是蚊子;蚊吸病免的血再叮咬健康的兔子时就能传染。此后在澳大利亚东南部有蚊子肆虐的地区,兔瘟疫像野火般蔓延,3年内杀死各地大部分的兔子。基于这项惊人的杀兔效果,法国也在1952年引入,英国则偷偷在1953年试用。但好景不常,杀死率逐渐降低,兔子种群渐渐回升。
原来,野兔身上病毒的毒性减弱了。研究者把野生兔捉来,故意让它们感染原始病毒,发现野生兔抵抗病毒的能力大增。所以澳洲人不经意做了一项大规模的天择实验,使兔子抵抗力在十年内大增。更进一步的说,生态系统中由多种生物组成的食物链,实际上也是一种互利共生关系的集合。首先,捕食关系看似对一方有害,但如果从基因选择的角度分析,它实际上常常是一个互利共生的关系。
遗憾的是,人类对病毒维持生态平衡的重要作用认识不足。长期以来人类总是按照自己的利益来认定某种生物是“害”或是“益”。如果仅以人类的主观意志来决定某种生物的存在与否,必然要打破自然界的平衡,最终危及人类自身。
“往者已矣,来者犹可追”,保护环境、维护自然界的生态平衡刻不容缓。今天不做,不是明天会后悔,而是今天不做,怕没有明天了!