本文來自公眾號：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids），作者：Mirror

病毒可以說是自然界中存在最廣泛卻又最令人摸不著頭腦的有機體。從海洋到高空，病毒無處不在，其顆?？倲?shù)遠(yuǎn)超一切細(xì)胞生物個體數(shù)之和；從藍(lán)鯨到細(xì)菌，無一物種能夠幸免它們的侵染，狠起來就連“自己人”都不放過。

不僅數(shù)目驚人，病毒的種類也十分多樣，而且變異頻繁。自19世紀(jì)末人類首次發(fā)現(xiàn)病毒（煙草花葉病毒）以來，迄今約有5000種病毒被詳細(xì)記錄。然而據(jù)估計，光是感染哺乳動物的病毒就至少有32萬種。

即便如此，新的病毒仍在不斷出現(xiàn)，但只有那些對人類高危的病毒才會受到關(guān)注，比如最近舉世矚目的新型冠狀病毒（2019-nCov）。

追溯毒源

蝙蝠是眾多病毒的宿主 | 圖源：pixabay

我們已經(jīng)知道傳播到人類社會的很多病毒都來自于野生動物，比如蝙蝠家族是SARS、埃博拉病毒和新型冠狀病毒的“窩點”。但蝙蝠等動物也并非“制毒者”，追根溯源，病毒究竟從何而來？又于何時在進(jìn)化樹上萌發(fā)？

要追溯一個物種的演化史，通常需要相應(yīng)的化石證據(jù)，但病毒實在太過微小，幾乎不可能有化石保存下來。而且它們大都存在于宿主細(xì)胞內(nèi)，混在其基因組中，難以區(qū)分。

雖然找不到病毒化石，科學(xué)家們還是可以基于現(xiàn)有病毒及其宿主的基因組等信息，得到病毒演化的線索。由此他們提出了3種病毒起源的主流理論：逃逸假說（The Progressive Hypothesis）、退化假說（The Regressive Hypothesis）和先于細(xì)胞起源假說（The Virus-First Hypothesis）。

病毒的“詭計”

在具體解釋這3種理論之前，我們先來簡單了解一些基本生物學(xué)概念。目前已知的所有細(xì)胞生物都是以DNA為主要遺傳物質(zhì)的。細(xì)胞想要獲取DNA中的編碼信息需要借助郵差，也就是信使RNA（mRNA）。它們專門負(fù)責(zé)把轉(zhuǎn)錄下來的信息送出細(xì)胞核，再傳達(dá)給轉(zhuǎn)運RNA（tRNA），最后在核糖體等細(xì)胞器內(nèi)合成加工出蛋白質(zhì)。

遺傳信息傳遞遵循的中心法則 | 圖源：維基百科

而病毒的組成極度簡化，沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，更別提復(fù)雜的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)。它們基本上只有層蛋白質(zhì)衣殼，包裹著遺傳物質(zhì)（DNA或RNA），因此只能盜用宿主細(xì)胞的生產(chǎn)工具來復(fù)制自己。更有甚者，直接潛入宿主細(xì)胞的基因組中當(dāng)起了間諜。

最典型的當(dāng)屬逆轉(zhuǎn)錄病毒（也叫反轉(zhuǎn)錄病毒），它們是一類RNA病毒。逆轉(zhuǎn)錄指的是轉(zhuǎn)錄的逆向過程，即通過RNA合成DNA，然后病毒就可以把帶有自身遺傳信息的DNA整合到宿主基因組中，讓被蒙在鼓里的宿主細(xì)胞替它們白干。

這樣一來，即使我們想清除它們也很難不誤傷友軍。HIV就是這樣一類狡猾的病毒，這也是它們難以攻克的一大原因。

逃逸假說：“叛逃”的基因

聽起來很不可思議，但病毒最初可能就來自于細(xì)胞自身。在細(xì)胞生物包括我們?nèi)祟惖幕蚪M里大量存在著一類“不安分”的“跳躍基因”，也叫轉(zhuǎn)座子（transposon），它們能從原本的位置解離或者通過復(fù)制，轉(zhuǎn)移到另一個基因位點，比如另一條染色體上。

科學(xué)家芭芭拉·麥克林托克發(fā)現(xiàn)玉米的彩色顆粒是受轉(zhuǎn)座子的影響

而轉(zhuǎn)座子復(fù)制的方式有的是從DNA直接拷貝為DNA，還有的則是從DNA轉(zhuǎn)錄為RNA，再逆轉(zhuǎn)錄為DNA，這種轉(zhuǎn)座子就叫做逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子。

逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子的“騷操作”是不是讓你聯(lián)想到了上面提到的逆轉(zhuǎn)錄病毒？經(jīng)過對比，科學(xué)家的確發(fā)現(xiàn)，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子和逆轉(zhuǎn)錄病毒在基因結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)移方式上驚人地相似。這就意味著，它們在演化史上很可能存在著某種關(guān)系。

一種理論的解釋是，自我們的祖先誕生以來，就在不斷受病毒侵染，漸漸地，一些病毒的基因被固定在了我們的基因組中，甚至參與了某些演化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，比如胎盤的發(fā)育。

另一種理論，也就是逃逸假說認(rèn)為，病毒或許是“叛逃”的基因片段，比如轉(zhuǎn)座子演化而來的，它們在某個契機下獲得了蛋白質(zhì)裝備的加持，成功出逃，自此打開新世界的大門。

事實上，已有科學(xué)家證明某些轉(zhuǎn)座子仍有被激活成病毒的潛能。但轉(zhuǎn)座子和病毒在演化史上的出現(xiàn)究竟孰先孰后，仍未有明確結(jié)論。

細(xì)菌質(zhì)粒DNA獨立于擬核之外

也有觀點認(rèn)為DNA病毒的起源可能與“逃逸”的質(zhì)粒（plasmid）有關(guān)，這是一種存在于細(xì)菌內(nèi)的環(huán)狀DNA，具有自主復(fù)制和在細(xì)胞間傳遞的能力?；蚬こ陶抢昧速|(zhì)粒的這些特點，將其改造為目的基因的載體，以實現(xiàn)基因的水平遷移。

退化假說：“墮落”的細(xì)胞

類比線粒體和葉綠體這類半自主性細(xì)胞器的起源理論，退化假說提出，病毒的祖先原本有著相對完整的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，也是自立根生的“好細(xì)胞”，后來在和其他細(xì)胞共生的過程中，逐漸“迷失自我”，開始丟失基因，最后完全依賴其他細(xì)胞的勞動，甚至變本加厲，瘋狂掠奪。

這一假說最有力的例證來自核質(zhì)巨D(zhuǎn)NA病毒（NCLDV）。這類病毒與一般病毒最大的不同就是大，以至于會被其他小病毒感染。病毒的大小通常不超過200納米，但NCLDV卻能比細(xì)菌還大，比如擬菌病毒（Mimivirus），直徑達(dá)750納米。

擬菌病毒的電鏡照片 | 圖源：microbewiki

它們的大也不是徒有其表，關(guān)鍵在于其基因組也大，并且還擁有細(xì)胞生物蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)的相關(guān)基因，但并不完整，仍無法自主合成蛋白質(zhì)。這種病毒的發(fā)現(xiàn)，在病毒和細(xì)胞的演化道路之間搭起了一座橋梁。

更有趣的是，擬菌病毒和一種細(xì)菌（普氏立克次體）十分相似，這更讓一些科學(xué)家相信它們的祖先原本也是一種細(xì)菌，后來“退化”成了病毒，只是裝備丟得沒有一般病毒干脆。

不過2017年的一項研究發(fā)現(xiàn)，另一種大型病毒（Klosneuvirus）所攜帶的細(xì)胞基因只是它們從宿主那里“盜取”，逐漸積累而成的。

先于細(xì)胞起源假說：蛋先于雞

上述兩種理論都假設(shè)病毒是出現(xiàn)在細(xì)胞之后的，畢竟病毒都需要依賴細(xì)胞生存。但也有科學(xué)家打破了這一固定思維，在先有雞還是先有蛋這個問題上，他們更傾向于后者。

該理論認(rèn)為在第一個細(xì)胞出現(xiàn)之前，具有自我復(fù)制能力的RNA分子或許早已存在，隨著時間的推移，它們演化出了各種功能，表達(dá)的蛋白質(zhì)也越來越復(fù)雜。

在關(guān)鍵細(xì)胞結(jié)構(gòu)被合成出來之前，一些RNA和蛋白質(zhì)的組合已經(jīng)開始蠢蠢欲動，它們中的一部分進(jìn)一步發(fā)展成了細(xì)胞，而另一部分則保留了簡單結(jié)構(gòu)，成為最原始的病毒，而后隨著細(xì)胞的誕生而激活。

在某些生物比如四膜蟲的細(xì)胞里就有這樣的RNA分子，叫做核酶（ribozyme）。我們知道酶是一類具有催化作用的生物分子，絕大多數(shù)都是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的，但核酶卻是種小分子RNA，參與催化蛋白質(zhì)合成等重要反應(yīng)。

某些核酶還能夠自我復(fù)制，在細(xì)胞間傳播，比如主要感染植物的類病毒（viroid）。類病毒與病毒不同，它們連蛋白質(zhì)衣殼都沒有，僅有RNA，但同樣可以感染各種生物。

交織的演化史

上述理論都還僅僅是假說，仍未有充分證據(jù)證明，因此病毒起源和生命起源一樣，至今仍是未解之謎。不過，2018年發(fā)表在《自然》上的一項研究表明，病毒很可能早在第一只脊椎動物出現(xiàn)之時就已經(jīng)存在。它們伴隨著整個脊椎動物乃至整個生物界的演化，至今仍在相互影響。

除了病毒起源，它們在自然界中究竟扮演了怎樣的角色也十分耐人尋味。無處不在的病毒與其他物種之間似乎保持著一種奇妙的平衡。然而無知的人類卻時不時將其打破，結(jié)果打開了潘多拉魔盒。要想關(guān)上魔盒，不僅需要科學(xué)家們對病毒更深入的研究，還需要我們每個人對自然法則的敬畏。

本文來自公眾號：把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids），作者：Mirror