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方舟子:冠状病毒是个什么东西

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。

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