什么是生命？新发现的巨型病毒进一步模糊生命的定义
2018-03-12 来源 : 环球科学
编译：糖兽
来源：公众号“原理”（ID：principle1687）
几十年来，病毒的存在跨越了生命与非生命之间那片难以定义的灰色地带。病毒的一些标志性属性——比如大小、微小的基因组以及对细胞宿主的寄生依赖性等，都使它们有别于所有其他生物。不仅这样，关于病毒的故事还有更让人匪夷所思的一面，尤其是在巨型的拟菌病毒于2003年被发现以来，其庞大的个体甚至让研究人员一度认为这是一种细菌。
当拟菌病毒于2003年被发现时，它是当时已知的具有最大衣壳直径的病毒。在发现拟菌病毒之前，病毒之所以在很大程度上被认为与“有生命的”生物完全不同，是因为它们无法合成蛋白质（从而产生自己的能量），因此不能被认作为细胞生命。但是拟菌病毒的遗传复杂性挑战着对这一理论界限，在科学家已经发现的几个巨型病毒家族中，其中一些巨型病毒拥有超过1000个的基因；其中一个还拥有高达2500个（相比之下，一些小病毒的基因数只有少少的4个）。令科学家震惊的是——这些基因中还包括了可以进行DNA修复、复制，转录和转译等功能的基因。进化生物学家Chantal Abergel说：“如此看来，巨型病毒的复杂性与生物体一样。”
上周，当科学家在《自然通讯》发表论文宣称他们在巴西发现了两种新的巨型阿米巴感染病毒后，这一结论进一步得到了加强。科学家将这种巨型病毒称作为Tupanviruses（图潘病毒），这种病毒给研究人员造成的“冲击”很大，不仅因为它们有长达2.3微米的尾巴，还具有迄今发现的最完整的一套转译相关基因，其中包括能确定遗传密码特异性的所有20种酶的基因。丰富大量的蛋白质编码基因让它可以产生的蛋白质种类多达1425种。它们唯一缺失的成分是全长核糖体基因。但仍需通过测试才能知道所有的这些元素是否能正常运作。
○ 扫描电镜照片显示下的 Tupanviruses，这是一种最新发现的巨型病毒，一般超过一微米长。在它们的身上可能藏匿着所有病毒进化的线索。| 图片来源：MICROSCOPY CENTER OF THE FEDERAL UNIVERSITY OF MINAS GERAIS
Tupanvirus 并非独一无二的：例如去年就有研究人员发表了一份对一组名为 klosneuviruses 的新巨型病毒进行的分析，这些病毒同样被证明能编码一种用途广泛的蛋白质制造器。正因拥有这一特别的制造器，tupanvirus 可被归类于拟菌病毒科中。
没有直接参与到这项研究的病毒学家 Matthias Fischer 说：“病毒似乎广泛地融入了转译领域，这很令人惊讶。”
这种混合引发了科学家对病毒是何时以及如何进化产生了争论。病毒的进化很模糊，不同的病毒组可能有着非常不同的起源。有些可能是从细胞基因组中退化出的“逃逸者”，还有一些则可能直接来自于原始汤（primordial soup）。Fischer 说：“还有一些病毒在进化过程中会出现多次基因重组和交换，我们永远也无法知道它们最初来自哪里。”
作为具有多样性的代表，巨型病毒能让我们更好地了解病毒是如何运作和进化的，即便无法完全确定它们的起源和进化路径。一方认为，巨型病毒是从小型病毒在20亿年的时间内通过水平基因转移和基因复制等基因增加过程而进化得来的。而另一方则认为病毒从一开始很大，在抛弃那些不被需要的基因和被分散到我们今天看到的毒株中之前，它们甚至可能是独立的生物体。
这种观点分产生的原因在于——巨型病毒的某些基因与在生命树中其他细胞生物体的基因相关，这些生物体包括古生菌、细菌和真核生物；但又还有一些基因似乎与其他已有的基因记录完全不同。30%的 tupanvirus 基因组属于后者，而在其他病毒中这种基因所占的比重还要更大。
○ 透射式电子显微镜图片显示的 tupanviruses 病毒的横断面结构图。每个病毒颗粒都有一个特别长的圆柱形尾部和一个能容纳其巨大基因组的多面体囊。许多小的纤维覆盖其表面上。| 图片来源：MICROSCOPY CENTER OF THE FEDERAL UNIVERSITY OF MINAS GERAIS
新论文的第一作者是微生物学家 Jounnatas Abrahão，他说：“与大多数巨型病毒一样，tupanvirus 带来的问题要多于答案。它的出现将进一步加剧关于巨型病毒起源的争论、以及对进化会如何驱动病毒与其宿主之间关系的思考。”
如果所有的巨型病毒都共享其独特的转译相关基因，那么就意味着他们拥有一个巨型的共同祖先，一种随时间推移而变得多样化的古老病毒，构建了属于病毒自身的生命领域。而这也将支持巨型病毒始一开始就很大的说法，
Abergel 认为它们不应该是一条生命分支，但表示：“我确实认为病毒从一开始就是庞大而复杂的系统。” 在她看来，生命的起源见证了共同进化过程中，用不同生存策略而存活下来的原始细胞。最终，细胞的祖先是那些涌现出支配地位、具备能全面运转的转译系统、能迫使“进化的失败者”（巨型病毒的祖先）变成寄生态以避免被完全消灭的细胞。Abergel 认为，tupanviruses 和其他病毒之所以能拥有如此多与蛋白质制造相关的基因，都是因为这一共同进化过程。
但Fischer说：“与其说是寻找具有相同进化史的基因和蛋白质，我们得到的其实是一幅混合的绘景。”少数几种转译成分广泛地存在于巨型病毒中，但更多的转译成分仅存在于少数的几种病毒中，并且与在真核生物中发现的基因序列密切相关。这意味着病毒正如生物学家 Eugene Koonin 和微生物学家 Mart Krupovic 在2014年所提出的那样——是从小开始的，可能始于可移动遗传因子。然后，随着时间的推移，当他们感染不同的宿主时，病毒会挑选出新的基因并将它们整合到它们的转译库中。
去年发表在科学预印网站 biorxiv 上的研究就支持了这一观点。论文的第一作者 Christine Deeg 通过研究不同类型的巨型病毒发现了“似乎正处于翻转状态的转译机制”。因为病毒似乎会为了适应拥有不同转译器的宿主，而丢弃一些自己的基因。此外，它的整个基因组表现出大量的基因复制和扩展。Deeg 说：“这表明了这些病毒是如何变得如此之大的，也就是说它支持的转译机制是从外部获取的。”
目前，tupanviruses 的出现仅为这一难题作出了一小部分贡献，它帮助科学家精炼了巨型病毒之间的关系。为了进一步了解它们的进化，研究人员需要对转译相关基因进行进一步分析，以筛选出其中哪些基因是活跃的、它们能做什么、以及哪些对病毒的成功复制至关重要。
与此同时，我们对病毒的分类尚不清楚。根据预印论文所述，tupanviruses 对宿主的依赖似乎很少，其他病毒甚至可以编码核糖体蛋白。Deeg 说：“细胞生物和病毒之间的差距正开始慢慢缩小。然而这又将我们又回到最初的问题：什么是病毒，什么又是生命？”