病毒和細胞

來自古哥古點

人類有個困惑千年的邏輯難題就是雞生蛋還是蛋生雞？這個問題在大多數情況下體現出一種邏輯詭辯的意涵，不過從科學角度如果認真思考的話，這個問題還是有意義的，因為其本質是在問生命的起源在哪裡？而生命起源的問題則是到目前仍然沒有確切答案的，故此雞生蛋問題也就迄今無解。今天我們就為大家聊聊生命起源問題中的兩個話題：細胞和病毒。

細胞

細胞和病毒是我們經常聽到的兩個詞，但是多數人可能並不完全準確的知道其含義。一般認為，細胞是生命的最小單位，是最簡單的生命存在形式。除病毒外所有的已知生命都由細胞構成。其結構是外包一層磷脂細胞膜，裡面是細胞質和細胞核，細胞質中有線粒體，負責將營養物質氧化產生能量，細胞核中是染色質，遺傳物質DNA就位於染色質之上。

在之前的節目中，我們已經講過。沃森和克里克發現了遺傳編碼藏在DNA雙螺旋結構之上，破解了生命的信息和遺傳之謎；米切爾發現了細胞的膜結構形成了一種質子水壩，構建出的能量泵，並通過ATP電池在生物體內供應能源，從而解釋了生命的能量問題。至此，關於生命的最基本單位的細胞工作和繁殖原理，人類已經完全掌握清楚，可以說這個成就令人讚歎。但是很自然的，另一個問題變出現了。第一個細胞是怎麼形成的。這就要先說說病毒。

病毒

病毒是什麼非常難以回答，甚至到今天也還沒有確切統一的認識。最初人們認為病毒是一種毒性藥物。病毒的英文名稱便是如此得來。但是很快人們發現病毒可以實現繁殖、變異和遺傳，具有生物特性，所以一度又認為病毒是一種更微小的生命。但是很快研究人員又注意到，病毒的所謂繁殖並不像典型生命體行為，不是一種自身具備的能力。病毒需要將自己的基因植入到宿主體內，然後藉助宿主的繁殖能力，將自身基因複製表達出來，然後再破壞宿主離開。請注意，病毒的這種繁殖和生物的寄生關係不一樣。寄生生物其繁殖仍然是依靠自身來完成的，它們只是從宿主體內獲得營養物質，而病毒一旦找不到宿主就無法繁殖。病毒完全依賴宿主細胞的能量和代謝系統，獲取生命活動所需的物質和能量。離開宿主細胞，它只是一個大化學分子，停止活動，為一個非生命體；遇到宿主細胞它會通過吸附、進入、複製、裝配、釋放子代病毒而顯示典型的生命體特徵。所以現在對病毒的理解一般定義其為一種介於生命和非生命之間的半生命。

病毒非常微小，只有納米級別，除了極個別巨型病毒外比細胞小很多。其結構極其簡單，就是蛋白質殼體包裹著遺傳物質。絕大多數病毒的遺傳物質都是RNA，而不像其他生命使用DNA。RNA和DNA都是能形成長鏈結構的分子，故此都可以攜帶編碼信息。但RNA相比於DNA非常容易發生突變，狀態不穩定，故此從攜帶遺傳物質所需的穩定性而言，DNA要遠遠優於RNA，這也是為什麼絕大部分生命體都是基於DNA遺傳。不過RNA相對於DNA來說分子結構更加簡單，而且具有非常強的功能自洽特性。什麼是自洽性，就是自我滿足特性，具體來說就是如果需要構建一個實驗室的環境，製造一些分子，讓它們模擬一些很初級的類似生命的行為，比如繁殖、變異等等。那麼只需要用若干類型的RNA分子就可以基本搞定，生命演化過程中間所牽涉的大部分物理化學功能，RNA分子都可以勝任。例如遺傳物質的複製過程需要酶來催化，就有研究證明RNA的複製藉助其他RNA分子就能實現催化，而DNA的複製則必須依賴其他的蛋白質酶來催化。又比如從遺傳信息分子鏈合成蛋白質時需要剪切功能，RNA類型分子自己就可以完成，而DNA同樣要靠別的蛋白質。RNA自己可以搞定自己，DNA需要依賴蛋白質，而蛋白質又是由DNA表達所生成的，所以RNA是功能自洽的，DNA是功能循環依賴的。

RNA分子結構簡單而且又有功能自洽特性，因此很自然的人們就會想到最初的生命世界很有可能就是從一個由RNA分子形成的初級生命環境逐步進化來的，這就是著名的RNA世界假說。1981年度諾貝爾化學獎獲得者吉爾伯特（W.Gilbert）提出了該假說，內容主要是「在生命起源的某個時期，生命體僅由一種高分子化合物RNA組成。遺傳信息的傳遞建立於RNA的複製，其複製機理與當今DNA複製機理相似，作為生物催化劑的、由基因編碼的蛋白質還不存在」。

近年來，這個假說已經越來越趨向於成為被主流學界接受的一種生命起源理論，因為有許多實驗正在逐步支持這種看法。比如2009年1月，喬伊斯團隊在《科學》上發表了他們的實驗結果。在一個微型試管系統中，他們初始投入了24中RNA分子。這些分子處在同一個營養池中，就如同不同的生命物種在自然中相互競爭和博弈，每一種分子都希望拚命延續自己的後代，所以不斷的進行複製，並在進化中產生各種變體。實驗進行了100個小時，分子總數增加了1023倍。最初的RNA分子全部消失了，它們全部被進化出來的新型RNA分子所取代。請注意，這裡的RNA分子都不是生命，它們更接近於生命最初出現前的非生命形態，但是這種類似生命的行為卻顯示出RNA世界假說的合理性。

然而即使RNA世界理論是真實的，仍然會有新的問題，那就是最初的RNA分子從哪裡來。RNA世界理論並不能回答RNA分子的起源。RNA分子相對與DNA分子的確結構簡單，但是和普通分子比，它的結構實在過於複雜。就像紐約大學的化學家羅伯特·夏皮羅所說：「根據化學運作原理，要形成這樣一種分子絕不可能。在這個領域裡，這是不可能的事。要接受這個觀點，除非你相信我們有難以置信的幸運。」這就如同一陣大風吹過一堆沙子和水泥，碰巧就形成了一座房子一般。

不過我們今天並不是去深入討論第一個RNA分子的起源，也不是去判別RNA世界假說的正確性。此處介紹RNA和DNA的區別是為了引出下面的問題，世界上先有病毒還是先有細胞？

不要以為這個問題簡單，因為通過剛才的講述，我們會發現這個問題面臨著相似於先有雞還是先有蛋的邏輯困難。一方面，既然細胞都是以DNA作為遺傳物質的，病毒大部分是以RNA為遺傳物質的（也有DNA病毒），而RNA又是世界的起源，那麼病毒似乎應該早於細胞。然而再看另一方面，既然病毒的繁衍生存依賴於細胞，如果沒有細胞，病毒如何生存，所以好像很明顯的結論是細胞出現早於病毒。那究竟先有細胞還是先有病毒呢？

答案是沒有統一答案。剛才說的都有道理，也都有各自對於其不利論據的一些解釋。目前，在細胞和病毒的起源先後順序上，共有三種解釋。進化假說（TheProgressive Hypothesis）、退化假說（The Regressive Hypothesis）和病毒在先假說（The Virus-First Hypothesis）。第一種假說認為細胞產生早於病毒，第二種假說認為細胞和病毒同時出現，後一種則認為病毒產生早於細胞。

進化假說認為細胞作為生命基本形式出現後，其中的DNA序列有時會出現斷裂，產生碎片，並被排出到細胞體外。這些基因片段大部分沒有什麼用處，但也有極少數具備了某種功能，從而逐步進化成了遊盪在細胞外的病毒。這一說法最主要的支持證據來自於病毒攜帶的遺傳信息和某些細胞當中的遺傳信息具有明顯的相似性。例如對很多基因組測序後，發現其基因組中存在與病毒基因組極其類似的轉座子。這些轉座子不僅在基因組結構方面相近，而且在細胞中的轉錄、DNA合成乃至插入宿主基因組的方式都很相似。因此病毒基因和細胞的基因片段應該有母子關係。由於認為細胞出現在先，當然就說明病毒的基因是子，細胞的基因片段是母。不過請注意，細胞先出現並非確定結論，所以如果病毒先出現的話，那就變成了病毒基因是母，細胞基因片段是子。可是細胞的基因是從上一代細胞繼承來的，其片段怎麼可能來自於病毒呢？有可能，因為逆轉錄病毒就提供了這種途徑。所謂逆轉錄，就是把RNA翻譯成DNA的過程。逆轉錄病毒是一種病毒類型，和一般病毒直接複製自身的RNA遺傳信息不同，它有能力首先將自己攜帶的RNA基因反轉錄成DNA片段，這樣就能將這段寄生DNA插入到宿主細胞的DNA序列當中。等到宿主細胞複製自己的DNA時，也就複製了一份寄生DNA。之後這段DNA再發揮作用生成新的病毒。如果在寄生DNA被複制以後，而產生作用之前，恰好宿主細胞產生了某種突變，該突變又恰好抑制了這段寄生DNA的作用。那麼這段病毒DNA就尷尬了，既失去了重新變成病毒體的可能，又對細胞本身無用，於是變成了一段垃圾DNA。實際上，人體內這樣的逆轉錄病毒形成的垃圾DNA容量占人體全部遺傳信息的5%。不過，這些DNA並非後來真的不再有用，經過長時間的演化，它們雖然不承擔攜帶生物體遺傳信息的能力，卻可以調節這些信息的蛋白質表達，從而影響生物體的形狀。例如瑞典德隆大學JohanJakobsson及同事就發現，在進化過程中，某些逆轉錄病毒可以讓腦細胞變得更活躍，更有活力，讓人變得更聰明。

退化假說認為細胞病毒同時出現，只是病毒當時也是一種細胞，病毒的祖先細胞和寄生細胞共生在一起，存活在寄生細胞內部。久而久之，寄生細胞所具有的能量代謝能力，讓病毒的祖先細胞開始變懶，慢慢開始退化，其本身不需要再具備相應的功能。最後經過漫長的退化歷程祖先細胞就形成了病毒。這種說法最主要的一個支持來自於細胞內的線粒體結構，因為線粒體就是從一種共生在細胞質中的遠古細菌不斷功能退化形成的。經過對一些病毒與寄生細菌的基因組比較分析，其結果很大程度上支持病毒是由遠古細胞退化而來的。

最後一種病毒在先的假說，最符合直觀和容易理解。因為病毒更小更簡單，細胞更複雜，所以生物中先產生了結構簡單的病毒，病毒之後又進化出現了細胞。之前該理論面臨最大的一個挑戰就是病毒的生存要依賴於細胞，那麼怎麼可能先於細胞產生呢？而前面所說的RNA世界假說很好的回答了這個問題，在早期的非生命向生命的轉化階段，病毒是有可能獨立於細胞形式之外而生存的。2003年，法國科學家發現了一種體型巨大的病毒。由於體積大，之前還曾誤以為是細胞內的共生細菌。這些病毒的基因組龐大，有的竟然包括1000多個基因，甚至超過某些細菌的基因容量。這種複雜結構的病毒的存在也加強了病毒進化成細胞的可能性。

先有雞？還是先有蛋？答案是先有細胞！先有細胞？還是先有病毒？答案很可能是先有RNA！那麼RNA之前先有什麼，我們還是不清楚。就算有一天人類真的能夠搞清楚生命之源，可以在實驗室里再現生命進化的過程，恐怕到時候又有一個更棘手的問題存在：既然我們能在實驗室里創造生命，如何說明我們自己不是在一個被創造的實驗室中？

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