有机物及生命的演化

我们试图寻找生命与非生命之间的界限，而病毒及其特性为这种研究提供了帮助。因为病毒具有两重性，在细胞内表达生命，在细胞外更像一个有机大分子。

病毒是一类不具细胞结构，具有遗传、复制等生命特征的微生物。一般病毒由一个核酸分子（DNA或RNA）与蛋白质构成的非细胞形态。病毒个体微小，结构简单，只含单一核酸（DNA/RNA），必须在活细胞内寄生并以复制方式增殖的非细胞型微生物。病毒同所有生物一样，具有遗传、变异、进化的能力。

一般病毒有高度的寄生性，完全依赖宿主细胞的能量和代谢系统，获取生命活动所需的物质和能量。病毒离开宿主细胞，它只是一个大化学分子，停止活动，可制成蛋白质结晶，为一个非生命体。结晶体是一个化学概念，是很多无机化合物存在的一种形式，我们可以认为某些病毒同时具备化学结晶与生命活动的两种形式。遇到宿主细胞的时候，它会通过吸附、进入、复制、装配、释放子代病毒而显示出典型的生命体特征，细胞体外它们属于结晶体。所以病毒是介于生物与非生物的一种原始的生命体。

从遗传物质方面来说，病毒分为DNA病毒、RNA病毒、蛋白质病毒（如：朊病毒）

烟草花叶病毒的装配方式（如烟草花叶病毒）是核酸与衣壳蛋白相互识别，由衣壳亚单位按一定方式围绕RNA聚集而成。装配过程不借助酶，也无需能量再生体系。许多二十面体病毒粒先聚集其衣壳，然后再装入核酸。烟草花叶病毒RNA和衣壳蛋白混合在一起后，可以重新组装成具有感染性的病毒，这也揭示了很可能就是病毒在宿主细胞内的组装过程。病毒核酸和结构蛋白是分别复制的，然后装配成完整的病毒粒。一些病毒包膜是蛋白与脂质结合的，膜蛋白与外层脂质相连结，又同内部的核壳相连结，起到维系病毒内外结构的作用。

病毒的生活史：病毒不仅没有细胞结构，而且也不能独立生存，只能在活细胞中进行增殖。病毒是寄生性严格，以复制进行繁殖的一类非细胞型微生物。病毒是比细菌还小、没有细胞结构、只能在细胞中增殖的微生物，由蛋白质和核酸组成。

图070

病毒能增殖、遗传和演化，因而具有生命最基本的特征。其主要特点是：一般自身不产生酶系，有的会产生几种酶，也无蛋白质和核酸合成酶系，只能利用宿主活细胞内现成代谢系统合成自身的核酸和蛋白质成分。在离体条件下，能以无生命的生物大分子状态存在，并长期保持其侵染活力，一旦遇到细胞，就具有了活力。

噬菌体是病毒的一种。在微生物界，同样存在类似动植物界的食物链一样的关系，噬菌体（Phage）是“捕食”细菌的生物。噬菌体是感染细菌、真菌、放线菌或螺旋体等微生物的细菌病毒的总称，噬菌体具有病毒独有的一些特性：个体微小，不具有完整细胞结构，只含有单一核酸。噬菌体基因组含有许多个基因，但所有已知的噬菌体都是在细菌细胞中利用细菌的核糖体、蛋白质合成自己所需要的各种因子、氨基酸和能量，实现其自身的生长和增殖。一旦离开了宿主细胞，噬菌体既不能生长，也不能复制。

一个典型的噬菌体的侵染细菌的过程是这样的：首先是感染阶段，噬菌第一步是用尾部“吸附”在细菌的细胞壁上，通过溶菌酶的作用在细菌的细胞壁上打开一个缺口。然后伸入细胞壁内，只把头部的DNA或RNA注入细菌的细胞内，其蛋白质外壳留在壁外，不参与增殖过程。其次是增殖阶段。噬菌体DNA进入细菌细胞后，细菌的DNA合成停止，酶的合成也受到阻抑，噬菌体逐渐控制了细胞的代谢。噬菌体巧妙地利用寄主（细菌）细胞的“机器”，大量地复制子代噬菌体的DNA和蛋白质，并形成完整的噬菌体颗粒。噬菌体的形成是借助于细菌细胞的代谢机构，由本身的核酸物质操纵的，这些DNA高分子聚缩成多角体，头部蛋白质通过排列和结晶过程，把多角形DNA聚缩体包围，然后头部和尾部相互吻合，组装成一个完整的子代噬菌体。最后是成熟阶段。噬菌体成熟后，在潜伏后期，溶解寄主细胞壁的溶菌酶逐渐增加，促使细胞裂解，从而释放出子代噬菌体。

图071　这张图片可能看起来像外星人登月或科幻电影里的外星世界，但其实它显示了被称为“噬菌体”的病毒正在攻击细菌，这是经常发生在我们体内的事情，有时候这种行为有利于增强我们的免疫系统（图片来源：壹图网）

在光学显微镜下观察培养的感染细胞，可以直接看到细胞的裂解现象。T2噬菌体在37℃下大约只需40分钟就可以产生100～300个子代噬菌体。子代噬菌体释放出来后，又去侵染邻近的细菌细胞，产生子二代噬菌体。如此重复只需4次，一个噬菌体颗粒便可使几十亿个细菌感染而死亡。

噬菌体有时有益，有时有害。益是因为它会“吃”掉某些在人体内的病菌，可能起到治病的效果。害是因为它可能会“吃”掉一些有益菌。有时候它也侵害对人体既有害也有益的细菌。比如：大肠杆菌、葡萄球菌、酵母菌。早在1958年，我国余贺教授，就利用噬菌体成功治疗了绿脓杆菌对烧伤病人的感染。人和脊椎动物直接从病毒那里获得了100多种基因，而且人类自生复制的DNA酶系统，也可能来自病毒。

类病毒是一种没有蛋白质外壳、仅由一个裸露的大约由350个核苷酸组成的单链环状RNA病原体。通常通过种子或花粉传播感染高等植物。类病毒RNA能作为自身的模板，利用宿主细胞的酶进行复制，产物是子代链的多联体，经过自身切割形成新的类病毒RNA基因组。类病毒不能像病毒那样感染细胞，只有当植物细胞受到损伤，失去膜屏障，才能在供体植株与受体植株间传染，侵入宿主细胞后自我复制，并使宿主致病或死亡。

图072　类病毒

类病毒仅为一裸露的无蛋白外壳的单链RNA，分子量1.1105～1.3105，它是比病毒都小的病原体之一，也是目前已知最小的可传染的致病因子，比普通病毒简单，最小的草矮生类病毒（HSV）仅含290～300个核苷酸。

朊病毒就是蛋白质病毒，是只有蛋白质而没有核酸的病毒，阮病毒可以引起同种或异种蛋白质构象来改变或功能改变的致病蛋白质。

就生物理论而言，朊病毒的复制并非以核酸为模板，而是以蛋白质为模板，这必将对探索生命的起源与生命现象的本质产生重大的影响。

朊病毒与常规病毒一样，有可滤过性、传染性、致病性、对宿主范围的特异性，但它比已知的最小的常规病毒还小得多（约30～50nm）。电镜下观察不到病毒粒子的结构，且不呈现免疫效应，不诱发干扰素产生，也不受干扰作用。朊病毒对人类最大的威胁是可以导致人类和家畜患中枢神经系统退化性病变，最终不治而亡。因此世界卫生组织将朊病毒与艾滋病立为世纪之交危害人体健康的顽疾。朊病毒已经超出了经典病毒学的生物学概念，研究表明，蛋白质在特定条件下发生突变或构型上的变化，由良性变为恶性，即变为具有传染性的蛋白质颗粒，这一观点向传统观点提出了强有力的挑战。由于朊病毒引起的疾病近年来不断被发现并相继被确认，不论在人群中还是在动物群中的发病率在全球范围内都呈上升趋势，因而对朊病毒的研究具有重大的意义。

图073　朊病毒（右图图片来源：壹图网）

300年前，人们就发现在绵羊和山羊身上的“羊搔痒症”。其表现为：丧失协调性，站不稳、烦躁不安、奇痒，直至瘫痪死亡。20世纪60年代，英国生物学家阿尔卑斯用放射破坏DNA和RNA后，其组织仍具感染性，因而认为“羊搔痒症”的致病因子并非核酸，而可能是蛋白质。由于这种推断不符合当时的认识，也缺乏有力的实验支持，所以没有得到认同，甚至被视为异端邪说。

1986年11月至1995年5月，英国饲养的大约15万头牛感染了一种新的神经疾病，病牛从发病到死亡仅数周或数月的时间，这种病被称为疯牛病。这种病毒普通的消毒、灭菌方法都难以做到灭活，冷冻和干燥也无法将其消灭（可用5%次氯酸钙或1mol/LNaOH溶液浸泡60min处理），甚至加热低于400度也无法将其完全灭活，这种病毒就是蛋白质朊病毒。随后，法国、葡萄牙等其他20多个国家和地区相继也发现了疯牛病。现在有足够的证据证明其与使用牛骨肉粉饲料密切相关。

克雅氏病也是一种蛋白质病毒导致的。20世纪20年代，两位德国病理学家首次发现这种病，后来发现该病可经外科、牙科等手术传染。英国新近发现人的疯牛病也与蛋白质病毒有关，科学家高度怀疑，人吃了患有疯牛病的病牛的内脏可能是造成人畜共患的原因。据科学推测，疯牛病的发源国，英国已约有50万人潜在感染疯牛病，这些人都可能处于长短不同的潜伏期中，如果处理不当，到2020年以后，人的疯牛病（即变异型克—雅氏病）将成为比艾滋病还要可怕的传染病。

由朊病毒引起的病统称为朊病毒病或传染性海绵脑病，它们都为致死性中枢神经系统的慢性退化性脑病。感染朊病毒后有超长的潜伏期，平均20年，最长可达到50年。发病前无法检测和诊断，其病理学的特点是淀粉样斑沉积，大脑皮层的神经元细胞退化、丢失，空泡变性、死亡、消失，最终被空泡和星状细胞取代，因而造成海绵状态，大脑皮层（灰质）变薄而白质相对明显，即海绵脑病。患这种病的病人全部都伴有痴呆、共济失调、震颤等症状。

朊病毒可通过肠道壁进入脾中的免疫细胞。其他传播途径还有藏有朊病毒的免疫细胞，食用动物肉骨粉饲料、牛骨粉汤。医源性感染，如使用脑垂体生长激素、促性腺激素和硬脑膜移植、角膜移植、输血等。朊病毒特点是耐受蛋白酶的消化和常规消毒作用，由于它不含核酸，用常规的PCR技术还无法检测出来。朊病毒存在变异和跨种族感染，具有大量的潜在感染来源，主要为牛、羊等反刍动物。未知的潜在宿主可能很广，传播的潜在危险性不明，很难对其做出预测和推断。朊病毒可感染多个器官，已知的主要为脑髓，但在潜伏期内除中枢神经系统外，各种组织器官均有感染。除消化道外，神经系统、血液均可感染。预防难度大，人畜一旦发病，6个月至1年全部死亡，达到100%的死亡率。

从理论上讲，遗传“中心法则”认为DNA复制是“自我复制”，即从DNA到DNA，蛋白质的产生依赖DNA，即“DNA→蛋白质”。

而朊病毒蛋白是PrP→PrP，是为“自他复制”，即“蛋白质→蛋白质”。这明显违背了传统遗传“中心法则”。

病毒基因同其他生物的基因一样，也可以发生突变和重组，因此也是可以演化的。因为病毒没有独立的代谢机构，不能独立的繁殖，因此被认为是一种不完整的生命形态。近年来发现了比病毒还要简单的蛋白质朊病毒及RNA类病毒。

病毒具有两重性，病毒的生命活动很特殊，对细胞有绝对的依存性，存在于细胞外环境时，则不显活性，但保持感染活性。病毒可提纯为结晶体，结晶体是一个化学概念，是很多无机化合物存在的一种形式。我们可以认为某些病毒同时具备化学结晶与生命活动的两种形式。遇到宿主细胞显示出典型的生命体特征，细胞体外它们属于结晶体。所以病毒是介于生物与非生物之间的一种原始的生命体。

长期以来，人们对于病毒的起源，曾有过种种推测：一种观点认为病毒可能类似于最原始的生命；另一种认为病毒可能是从细菌退化而来，由于寄生性的高度发展而逐步丧失了独立生活的能力；还有一种则认为病毒可能是宿主细胞的产物。这些推测各有一定的依据，目前尚无定论，因此病毒在生物进化中的地位是未定的。但是，不论其原始起源如何，病毒一旦产生以后，同其他生物一样，能通过变异和自然选择而演化。

病毒虽无完整的酶系统，但常含有一些特殊的酶，有的病毒粒中含RNA多聚酶，反录病毒科含反转录酶，均与核酸复制有关。一些溶源性噬菌体感染细菌后，并不使细胞死亡，而是将其自身的基因组整合进宿主细胞的基因。一些病毒将DNA或其片段整合到宿主细胞DNA上，并随细胞分裂而传给子代细胞。感染宿主DNA后，它们只表达其部分基因（一般为早期基因），但不产生自己子代病毒粒，细胞也不死亡，而被转化成类似于肿瘤的细胞。

原来科学家认为病毒需要活的宿主，病毒只能在动物、植物、细菌等的体内生长。但是后来科学家发现病毒能够分别在淋巴液中、豚鼠角膜组织中，能够像在细胞中那样显示活性。科学家发现切碎的母鸡肾脏的悬液对牛痘苗病毒也能够进行培养，脊髓灰质炎病毒疫苗就是用这种方法进行大规模生产的。痘类病毒的独立自主能力最强，甚至能在去细胞核的细胞中进行DNA复制，其基因组至少能为75种蛋白质编码，包括DNA多聚酶、胸苷激酶、脱氧核糖核酸酶和聚核苷酸连接酶。

2010年10月，英属哥伦比亚大学（UBC）发现了最复杂的海洋病毒——Cafeteria roenbergensis病毒，此病毒仅次于淡水病毒——多噬棘阿米巴模仿病毒，后者拥有120万个碱基对。该病毒主要感染海洋中的浮游生物掠食者，并携带了令人难以置信的约73万个脱氧核糖核酸（DNA）碱基对，其中包括超过500个类似于基因的区域。这种病毒的基因组比一些细胞生物的基因组还大，它的遗传复杂性使科学家感到疑惑，不知道该把它归为“无生命”生物，还是“有生命”生物行列。该研究发表在《美国国家科学院院刊》上，这项研究者英属哥伦比亚大学教授柯蒂斯·苏特勒说：“我们一般认为病毒都很小，是简单生物体，只有少量基因。然而我们在这种病毒里发现的大量遗传机制，只能在有生命的细胞生物体里找到，它们需要很多基因才能产生DNA、RNA、蛋白质和糖。”

一般情况下，病毒在活宿主细胞外无法自我复制，它们需要利用宿主提供的蛋白质进行复制，有无自我复制形式是区分“有生命”和“无生命”生物的分界线。然而最新发现的这种巨型病毒却对上述归类标准发起了挑战，它们虽然仍需要一个细胞进行复制，但它们是在自己的基因组里进行编码的。研究人员指出，这种病毒拥有大量基因，这些基因通常被活细胞用于修复它们的DNA损伤以及合成蛋白质和糖。它还拥有编码病毒复制需要但是必须从宿主生物那里获取一些蛋白质的基因。

科学家一般不会把病毒划归为活的生物体，这是因为病毒无法独立复制，但是像这样的巨大病毒有自己的蛋白质合成机制以及通常在活体细胞中才能够完成的功能。这种行为将什么是活的有机体和什么是非生命之间的界限弄模糊了。而且病毒能够在没有细胞核的细胞及细胞外面进行培养。这些都说明了原始生命进化中，像大病毒这种前生命物质，可以完成从有机物集合向细胞生命的自然进化。

如果研究从物质到生命的进化，我们必须了解有机物质的量子性质，才能够构成一个生命诞生的逻辑图景。第三章里讲到了有机物质的量子特性，及用科学事实证明了量子本身的系统性、记忆性、自我组装性。这些性质在有机分子领域同样适用。类病毒是RNA有机分子，朊病毒是蛋白质有机分子，两者都具有复制性，遗传性。蛋白质被人体消化后，大部分分解为氨基酸小分子，但是由两三个氨基酸小分子组成的二肽与三肽的依然可以进入人体并具有生理功能。而在第五章、第七章里，会讲到小RNA分子，也具有干扰性、遗传性及信息作用。下面两个例子则说明了有机物质的一些特性：

以色列甘—摩尔博士领导的研究团队，用油菜籽油、大豆油、棉籽油，橄榄油，最终配制成一种水乳化剂，用来治理蔬菜以及燕麦、大麦与小麦谷粒作物的蚜虫、螨虫与白粉病等霉病方面。甘-摩尔博认为，没有人确切知道发挥作用的方式，油可能堵塞了昆虫与无脊椎动物呼吸用的小孔，但在有关的科学看来更为复杂，油的DNA具有的某种进化防御系统可能发挥作用，由于食用油是种子加工的，进化可能赋予种植某种抗御真菌与害虫的自然机制，这意味着，食用油以至基础油的某种成分具有抵御害虫的天然能力。

人体汗液是天然抗生素，汗液中的化学物质人汗腺抗菌肽能够在略带酸性的含盐汗液中激活，刺透有害细菌的细胞膜，最终杀死这些细。这项研究是2013年2月，由英国爱丁堡大学扎查里亚博士等发现的。根据他们的研究，人汗腺抗菌肽通过汗腺传播，如果皮肤被割伤、刮伤或者被蚊虫叮咬，它们会快速而有效地杀死入侵的细菌。科学家发现人汗腺抗菌肽的分子通道长度极长，具有渗透性和出色的适应能力，能够应对各种细胞膜，同时抗击细菌和真菌。人汗腺抗菌肽的长期功效超过传统抗生素，因为细菌无法快速进化出针对人汗腺抗菌肽的抗药性，这种杀菌剂能够攻击细菌的唯一致命弱点，也就是细胞壁，持续的攻击让细胞壁无法承受。由于这个原因，人汗腺抗菌肽具有巨大的应用价值，可用于研发新型抗生素。

组成细胞膜的脂类在自然界中容易形成球形膜状结构，细胞里的有机物质——RNA、蛋白质、核糖体，在体外也能够自我组装。对于有机物质来讲，在几十亿年前的有机物质组成“原始营养汤”里，大量聚集一起的有机物质很容易形成原始细胞需要的细胞膜结构、提供原始RNA（DNA的前身）、蛋白质及两者结合的产物。它们聚集一起，就会形成记忆、系统性与自我组装性。病毒只是人们给予相对命名的，而在生物进化历史中，它们只不过是各种形式的有机物质。我们可以把从有机物质进化到生命细胞结构分析如下。

从有机物质向简单结构的大分子蛋白质——RNA（病毒或者其他活性有机物质）进化会形成生命的第一步。

然后拥有简单蛋白质，RNA有机分子继续演化，并使两者结合起来，形成RNA与蛋白质的结构（病毒，或者核糖体结构）。

RNA与蛋白质形成的结合体继续演化，形成复杂的包含其他有机物质的结合体（复杂的大分子病毒，或者复杂的RNA与蛋白质的复合体）。

漫长历史中，它们继续进化、聚集、完善、修补，并拥有细胞膜或者假细胞膜结构，继续进化形成今天的生物世界。

在第三章里，我们探索了量子记忆，说明在比有机大分子更小的分子领域，量子能够具有信息记忆的特征。由于人体、生物及万物都是由原子组成的，原子核假如是葡萄（20毫米）大小，那么整个原子有大约200米左右大小。原子内部其他都是电磁场。而电子好比这个200米原子运动场中运动的一粒沙子，光是能量的基础，光本身也是一种电磁辐射，当然科学给予了量子的智慧选择性的证明。20种构成蛋白质的氨基酸的平均相对分子质量是128，如果从量子角度看，有机大分子的分子量都在几千个之上，那么这些分子都可以具有信息特征。

在细胞外环境中，蛋白质、RNA、DNA、核糖体都能够自主组装。这些在细胞环境中表现活跃、像社会分工合作的人群、精确运作的分子，在细胞体内外都表现出了智慧性。

RNA是DNA的前身，RNA具有遗传性，小RNA分子也具有遗传的参与性，核糖体是RNA与蛋白质的结合体。科学已经证明，当没有细胞环境时候，核糖体照样能够复制DNA信息合成蛋白。

我们可以推测，在漫长的生物进化过程中，自然界先是产生了蛋白质（或者接近蛋白质的多氨基酸分子）、RNA等生命需要的初级毛坯有机分子。通过他们的自然聚集，加上适度的环境，就像病毒在特定物质中的活力一样，他们开始形成生命的初级阶段。有机分子互相合作，各自分工：有的负责获取能量，担当细胞膜的功能，有的负责指挥，协调，搬运；有的负责遗传，复制，繁殖，完成从有机分子到细胞微生物的的前奏，随后在细胞毛坯中完成细胞的前期初步进化。

经过几十亿年，细胞中的各个有机分子已经进化的比较完美，专职功能更强，比如RNA分子有DNA专职完成遗传的功能，蛋白质成为细胞与生物的主要框架。