病毒與細胞有何不同？人類對病毒的認知很有限

專題：《科學大家》聚焦新型冠狀病毒

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出品：新浪科技《科學大家》、《首都科學講堂》

主講嘉賓：葉盛

（本文根據葉盛教授在「首都科學講堂」的《病毒那些事兒》系列科普講座第一講整理而成，有刪減。）

新型冠狀病毒疫情發生以後，我相信很多人有恐慌的情緒，也可能錯信了一些謠言。如果你能夠懂得病毒的基本知識，面對疫情時或許會以一個更加積極、更加樂觀的心態去對待。

列文虎克依據觀察手繪的細菌與現代顯微鏡拍攝的相應細菌照片（圖片來源自網絡）

病毒是一種微生物。而要說起微生物，就要從列文虎克說起。他利用自己發明的顯微鏡觀察到了很多細胞，特別是像細菌這樣的單細胞生物。現在科學家用電子顯微鏡所拍攝到的細菌的圖片，與列文虎克的手繪圖非常相似。

人類如何進入微生物學時代

發現細菌後，科學家們始終沒有意識到，這些小小的單細胞生物和人類的疾病之間其實是有著重要的聯系，這個空白持續了100多年，直至巴斯德出現。

路易斯·巴斯德（1822~1895）（圖片來源自網絡）

巴斯德一開始研究的是紅酒的發酵問題。他發現發酵原來是像真菌這樣的微生物在不斷地繁殖、生長的過程，這是巴斯德所做出的第一個重大發現。

當時，法國除了紅酒產業以外，還有一個很重要的產業是紡織業，紡織業離不開蠶，但是當時的養蠶業遭遇了一個重大危機，一些傳染病在蠶種之間不斷傳播。於是巴斯德臨危受命去研究這件事，發現原來這種病是由一種微小生物所造成的，這就是細菌。在此之前，人類不知道細菌和疾病之間的關系，而巴斯德是第一個用實驗證實了這件事情的人。

自此，人類進入了微生物學時代。

上圖是細菌（大腸杆菌）的結構，外面是一層細胞膜和一層細胞壁，後面有一個很長很長的鞭毛，隨著鞭毛的轉動，細菌可以去往它「想」去的方向。細菌內部有著細胞器，中間是核區，核區裏存儲著遺傳物質。所以細菌其實就是一個細胞，也可被稱為單細胞生物。

細菌究竟有多大，上圖右下是細菌的掃描電鏡的照片，底下那條直線表示10微米，也就是這條線段代表的就是一個10微米的長度。可以看到，細菌大小差不多是在幾微米的尺度上。

圖片來源自網絡

巴斯德除了發現細菌致病學說外，他還成功制備了狂犬病減毒疫苗。直到今天狂犬病仍舊非常危險，被動物咬傷後要及時去醫院去打狂犬病疫苗。但以前的疫苗很危險，巴斯德通過減毒的方法讓人類獲得了更安全的狂犬病疫苗。遺憾的是，巴斯德始終沒有發現到底是什麼導致了狂犬病。他猜測可能是一種比細菌更小的病原體導致了狂犬病，從現在來看，巴斯德猜對了。

1898年，一位荷蘭科學家拜耶林克研究煙草時，發現了比細菌還小的病原體。

19世紀末，煙草種植業已經達到了一個巔峰時期，但煙草花葉病嚴重影響了煙草種植業，得了煙草花葉病，會大大降低煙草的產量。正因為如此，當時很多科學家都在研究煙草花葉病。拜耶林克使用了一種由巴斯德和他的助手發明的工具，叫做巴斯德-尚柏朗過濾器，能夠把液體中的細菌都過濾掉。結果發現，生病的煙草葉子榨成汁液再過濾後，雖然已經沒有細菌或其他細胞了，但還是能讓健康的煙草患上花葉病。這就說明，煙草花葉病是由一種比細菌還要小的病原體導致的。拜耶林克把這種更小的病原體命名為病毒。

但是，直到1931年拜耶林克去世的時候，他也沒有見過病毒是什麼樣子。這或許就是科學的偉大之處：通過實驗觀察到的一些現象，分析之後去得出一些理論。但是做這番推理的科學家，很可能在有生之年都無法見證到這個理論被徹底地證實。

就拜耶林克去世的同一年，物理學家發明了電子顯微鏡。

電子顯微鏡讓人類更深入了解病毒

我們可以發現，電鏡和光鏡的原理是非常類似的：光鏡是用透鏡去聚焦光線，而電鏡是用磁線圈去聚焦電子束，最終同樣是能夠讓樣品成像。

上圖是目前科學家們會使用到的一種電子顯微鏡：泰坦。它是一台300千伏的冷凍透射電子顯微鏡，也是目前世界上最強大的電子顯微鏡。這樣一個裝置能夠讓我們在更加微觀的尺度上去發現生命世界的細節，研究更加微觀的生命問題。

隨著電子顯微鏡的發明，人類終於看到了病毒。上圖是1939年科學家拍攝到的第一張病毒的照片，這個病毒就是前面提到的煙草花葉病毒。

隨著電子顯微鏡技術手段的進步，科學家們又拍攝了更清晰的煙草花葉病毒電鏡照片。

事實上，今天我們通過結構生物學手段還能夠在更微觀的、原子的尺度上去研究生命的結構。上圖是煙草花葉病毒的結構示意圖，它外部由兩種蛋白質構成螺旋形的外殼，裏面的紅色分子就是它的遺傳物質，一條單鏈RNA分子。

形形色色的病毒

是不是所有病毒都長這個樣子？還真不是！應該說大部分病毒都不長這個樣子。我們接下來來看一看形形色色的病毒。最左面的就是我們講的第一個煙草花葉病毒，它的樣貌剛才我們說了是一個螺旋體，長條形的。

腺病毒的外形也很規整，外面由蛋白質顆粒構成的一個正20面體，這是非常接近於球形的一個幾何構型。我們的上呼吸道感染有一部分就是腺病毒造成的，比如說扁桃體炎，比如說咽炎、鼻炎，都有可能是腺病毒造成的。

流感病毒能引起流行性感冒。流感病毒的外殼是一層包膜，是跟細胞膜非常類似的這樣一層由磷脂分子組成的膜，而包膜裏面就包裹著病毒的遺傳物質。流感病毒應該說也是人類的「老朋友」了，致死率並不低。

上圖中的病毒長得非常奇怪，好像是一個外星飛船一樣，上面有一個規則幾何形體的頭部，裏面裝載著它的遺傳物質。頭部下面有一個很修長的圓筒狀的尾部，有點像前面說的煙草花葉病毒，而在這個尾部底端伸出來六條腿。這個病毒叫做噬菌體，顧名思義，它是以細菌為攻擊目標的一種病毒，這個病毒非常古老，從地球上有最初的單細胞生物開始，它很可能就存在於地球上了，所以它有這樣一個奇怪的外形，應該說是不斷的進化，最終特化的結果。

上圖中的病毒就大名鼎鼎的艾滋病毒，很多人談之色變。艾滋病毒從結構上來講也是非常有特殊性的，它的外面有點像流感病毒，有一層包膜，而包膜裏面還有兩層蛋白質的衣殼，在這兩層蛋白質衣殼的最中間，才存儲著它的遺傳物質。

最後要介紹的病毒名字叫擬菌病毒，從大小上來看，它更接近細菌。前面介紹的病毒基本是在幾十納米到兩三百納米的尺度上，而擬菌病毒的直徑達到了800納米，它是人類目前已知的最大的病毒之一。從結構上來講，擬菌病毒和艾滋病毒又正好相反。艾滋病毒外面是包膜，裏面是蛋白質的殼，而擬菌病毒外面是蛋白質的殼，裏面有一層磷脂的包膜，再往裏才是它的遺傳物質。

病毒的外形、結構、大小都呈現了非常大的差異，這應該是進化選擇的結果。

病毒VS細胞

了解這麼多病毒後，我們再回過頭來說一下細胞，為什麼呢？因為我自己在學習知識的過程中感受到：你要想徹底掌握一個新概念，最好的辦法是把它和舊概念進行比較，認識到它們的差異。

細胞就像城市一樣，它有非常規整的結構，外面有一道「圍牆」，是細胞膜。這道「圍牆」對於細胞來說非常重要，牆外是非生命的世界，牆內是生命的世界。細胞的中央是細胞核或者核區，存放著它的遺傳物質，就像是一個城市裏的指揮部一樣，指揮著整個城市的運作，有條不紊地去利用能量生產各種各樣的生命分子物質。

上圖是電腦繪制的細胞內部想象圖。底下長條狀的東西叫微管，它是細胞骨架的一種。

很多人對於細胞的概念可能還停留在生物書上看到的一個「球」剖開了像一鍋湯一樣，裏面煮著各種各樣的「菜」，那個是對細胞一個非常粗略的概念。實際上我們今天知道，細胞裏面不是一鍋粥，不是一鍋湯，有著更為複雜規整的結構。

在長條狀的微管上面行走的是蛋白質，像大力士一樣，托著比自己大很多的東西，叫囊泡。這樣的運輸此時此刻就發生在你身體的每一個細胞裏面。與此同時，那裏還發生著各種各樣的化學反應。

總結來說，細胞裏面有三件主要的事情。

一是能量被利用，被轉化。綠葉植物可以進行光合作用，像動物和人的細胞是需要利用外來的帶有能量的化學物質。

二是物質被分解、被合成。細胞裏的物質不是一成不變的，蛋白質合成出來後，完成任務之後就會被分解處理掉，然後又會有新的蛋白質來替代。

三是遺傳信息被複制、被轉移。細胞裏面承載著遺傳信息，這些遺傳信息在細胞分裂的時候就被複制成兩份。什麼時候被轉移？當你用DNA裏的遺傳信息去生產相應的蛋白質的時候，這個信息就從DNA上轉移到了你的蛋白質裏。

哲學上有這麼一句話：「你不可能再次跨過同一條河流。」意思是當你再次伸腿去跨過一條小溪的時候，雖然小溪還是那條小溪，但是裏面的水已經變了，已經是剛流過來的新的水了。

生物學家可能會這麼說：「你不可能再次看到同一個細胞。」你看起來好像細胞沒有動，還是同一個細胞，但是那個細胞裏面的分子，特別是蛋白質這些分子，早已經被新的一批分子所取代了，雖然它們長得一樣，但是已經不是原來那個分子了。

上圖是病毒和細胞的結構對比圖，左面是流感病毒結構示意圖，右面是細胞結構示意圖。它們有很多不同點：

首先從外殼上來講，病毒的外殼可以是蛋白質，可以是磷脂膜，也可以是蛋白質加上磷脂膜，可以磷脂膜在外，蛋白質在裏，也可以蛋白質在外，磷脂膜在裏，說起來簡直就像繞口令一樣。細胞的外殼主要是磷脂分子組成的細胞膜，還有一些細胞有細胞壁，比如說細菌、真菌和植物細胞。

遺傳物質方面，病毒也是千奇百怪，它的遺傳物質可以是DNA分子，可以是RNA分子，可以是單鏈的DNA、RNA分子，也可以是雙鏈的DNA、RNA分子。而地球上所有的細胞生命，無論是人、動物、植物，還是細菌、真菌，我們用的遺傳物質全部都是雙鏈的DNA分子，在這點上可以看出來有很大的不同。

分子機器方面，細胞裏面有各種各樣的細胞器，細胞器可以看作是一個比較大的分子機器。還有一些小的分子機器，是各種各樣的蛋白質或者核酸的複合物。它們都能執行非常複雜的功能，而這樣的分子機器在病毒裏面幾乎是沒有的。

另外在能量流動、物質代謝、信息流轉三個方面，這都是細胞裏每天在發生的正常事情，而在病毒裏這些事情都不存在。

所以有人說細胞是一條流動的生命之河，因為裏面的能量在流動，物質在流動，它看似靜止，但其實不靜止。如果說細胞是一條流動的生命之河，那病毒是什麼呢？我做了一個比喻，我們把流動的生命之河凍上，凍成一個大冰塊，然後從其中敲下一小塊冰來，這一小塊冰就是病毒。病毒是一個凝固的生命碎片，它的內部不是活著的。

病毒是如何生存的

既然病毒是一個凝固的生命碎片，它要怎麼活下去？它必須要利用細胞才能活下去，或者說得更准確一點，它必須要入侵細胞才能活下去。下面用噬菌體的生命周期來回答這個問題。

在上面的示意圖中，我們可以看到細菌外面有很多噬菌體叮在它的表面上。當噬菌體叮到了細菌表面後，它尾部會刺到細菌的細胞膜和細胞壁上面，然後把它的遺傳物質釋放到細菌的細胞裏面。

這時候有兩種可能性：一種可能性就是它的遺傳物質被細菌當成了自己的遺傳物質，於是生產出了很多病毒的蛋白質，並且複制了新的屬於病毒的基因組，在細菌細胞的內部就重新組裝成了新的噬菌體顆粒，最後釋放出去。這個釋放的過程就會導致整個細菌細胞的破裂，死去，而這些新的噬菌體又可以去侵染更多的細菌。

還有一種可能性是，噬菌體的遺傳物質會整合到細菌自己的基因組裏面。整合以後好像什麼事都沒有發生一樣，這個帶著病毒基因組的細菌會繼續的一分為二，二分為四，不斷分裂增殖。這樣的好處是什麼？它可以通過自己的分裂增殖倍增出更多被噬菌體感染的細菌。當受到某些特殊信號刺激的時候，這些細胞才會開始生產噬菌體的蛋白，複制噬菌體的基因組，去合成新的噬菌體顆粒。

以上就是噬菌體在細菌細胞中的兩種可能的生命周期。

不管怎麼，病毒必須要依靠細胞才能夠延續自己的生命，複制更多的病毒。如果只有病毒自己的話，這件事情是不可能完成的。

現在已經被人類觀察到並且分類命名，做出了科學描述的病毒大概不到5000種。這5000種聽起來好像很多，但實際上根據科學家估計，世界上所有病毒的種類總計可能會達到100萬種。為什麼會這麼多？因為幾乎所有的細胞生命全都會被某種病毒感染。動物會被病毒感染，植物會被病毒感染，就連細菌也會被病毒感染。

目前，人類對於病毒的認識還非常有限，只不過看到了其中很小的一部分而已。要想抵抗病毒的進攻，就必須對病毒有更多更深的了解才行。

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