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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 ， 这一步是在核糖体进行的 。 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）


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