【知识】病毒与地球：精彩程度超乎想象

山海又相逢

在演化史上最近的瞬间，人类脱颖而出，病毒对我们的生存功不可没。原本就并没有什么“它们”和“我们”之分——生物在本质上只是一堆不断混合、不断闪转腾挪的DNA而已。

——《病毒星球》

早在人类和绝大部分动植物出现之前，病毒就已经是地球的主人了。直到今天，病毒依旧和我们共同拥有着这个星球。病毒的历史很长，但我们对病毒的发现历史并不长。几千年前，鼻病毒就让古埃及人患上感冒，然而直到十九世纪晚期，烟草花叶病毒的发现才让人们开始认识病毒世界。人的肺中平均驻扎了174种病毒，但只有10%是已发现病毒的近亲，剩下的90%都是陌生的。

病毒是可怕的，也是脆弱的。病毒可以随时随地发生突变，可以从宿主身上获取基因，它们在复制中产生错误的速度也比我们快上千倍。但同时病毒不能生长，不能主动排出废物，不能抵御炎热和寒冷，也不能通过分裂而增殖。

人类对“冠状病毒”的认知史也并不长。1937年，人类从鸡身上分离出第一种冠状病毒，上世纪70年代，第二种人体致病冠状病毒被发现，“冠状病毒科”诞生。那时这种病毒与人类并无过多交集。直到2003年，严重急性呼吸综合征（SARS）的出现，人类才开始重视这种病毒。SARS之后，科学家又发现了两种冠状病毒，但都没有引发大规模疫情。之后发现的一种冠状病毒便是2012年9月在中东地区发现的MERS，它比SARS的致死率高得多，三分之一的患病者去世。在人类发现这六种致人疾病的冠状病毒后，2020年1月在武汉暴发的新型冠状病毒，便是第七种冠状病毒。

人类擅长意外地制造新病毒，却不擅长清除病毒。病毒如何预防？研究疫苗或许是一种希望，但并不是所有病毒都有疫苗可使用。人类在整个发展时期研究出的最知名的疫苗之一，便是天花疫苗，这种疫苗让现代医学从自然界中完全消灭了一种人类病毒——天花病毒。除此之外的许多病毒，我们都只能通过抗病毒药物和公共卫生策略的抵抗，将其危害降到最低。

最新研究表明，地球上至少有32万种感染哺乳动物的病毒。如果考虑脊椎动物、无脊椎动物、植物、苔藓、蘑菇和褐藻目前已知总共有大约174万，病毒种类会上升至大于1亿，这个数量中还不包括细菌、古生菌和其他单细胞生物中的病毒。如果再考虑到大量的病毒粒子（主要是噬菌体）存在于海洋中，其数量还会大幅度提高。

另一方面，当我们把观察病毒的视角，从人类一隅扩大到整个地球的时候，我们可能可以得到一幅理解病毒演化的、更为清晰全面的图景。

在西班牙内华达山脉，一只国际研究团队在高山上放置了4只水桶。不过，他们的目标不是统计每天的降水量，也不是看有多少灰尘降落，而是收集从天而降的病毒雨。

科学家推测，在对流层和飞机飞行的高度之间，有大量病毒环绕着地球旅行。此前人们对这个问题知之甚少，这就是为什么沉降在桶中的病毒数量令不列颠哥伦比亚大学的海洋病毒学家柯蒂斯·萨特尔带领的研究团队震惊不已。据计算，每平方米土地平均每一天都有8亿只病毒如瀑布般倾泻而下。
这些全球传播的病毒大多数是随着浪花散播到大气中的，还有一部分通过沙尘暴进入大气。
“因为不受地球表面的摩擦阻碍，可以长途跋涉，所以洲际旅行对于病毒来说相当容易”，萨特尔举例说，“我们不时会看到，从非洲卷入大气的病毒最终沉降在北美。”
这项由萨特尔博士主导的研究于不久前发表在《国际微生物生态学协会期刊》（International Society of Microbial Ecology Journal）上，这也是第一项计算落在地球上的病毒数量的研究。不过，这项研究不是为了研究流感或其他疾病，而是为了更好地了解我们头顶上方丰富多彩的“病毒圈”。
通常人们认为，这些病毒起源于地球表面并被海浪或沙尘卷向空中，但也有一些研究者认为病毒实际上可能起源于大气层。（有一小部分研究者认为病毒甚至可能来自外太空，这种观点被称为“泛种论”。）
无论如何，病毒有着迄今为止地球上数量最多的个体。在一平方米的范围内，除了数亿个病毒，萨特尔团队还发现了数千万的细菌。

改变生物演化轨迹
我们印象中的病毒往往是传染性病原体，但它们的真实作用远远不仅于此。病毒在世界上扮演的中心角色怎么夸大都不过分：它们对我们的免疫系统和肠道微生物群、陆地和海洋生态系统、气候调节和所有物种的演化都至关重要。病毒包含非常多样化的未知基因，并将它们传播给其他物种。
去年，三位专家呼吁一项新举措以更好地了解病毒生态学，尤其是随着地球的变化。“病毒调节着所有生物的功能和演化，”俄亥俄州立大学的马修·沙利文、佐治亚州理工学院的约书亚·韦茨和田纳西大学的史蒂芬·威廉共同写道，“但至于到什么程度仍然是个谜。”
病毒是否符合生物的定义？这一问题始终存在争议。虽然它们是微生物世界的顶级捕食者，但它们缺乏繁殖能力，所以必须占领宿主细胞（即感染）并利用其细胞器进行复制。病毒将自己的DNA注入宿主，有时合成的新基因对宿主有益并成为其基因组的一部分。
研究人员最近发现，一种古老的病毒曾将其DNA插入到一类四肢动物的基因组中，这类动物曾是我们的祖先。该段名为ARC的遗传密码是现代人类神经系统的一部分，在人类意识中发挥重要作用——包括神经传递、记忆形成和高阶思维。据估计，40%~80%的人类基因组可能与古老病毒的侵袭有关。

病毒及其猎物也是全球生态系统的重要参与者。现在有许多研究旨在通过解读病毒的这些行为过程，进一步理解地球生命的运转方式。

“如果你能给海洋里的所有生命物质称重，其中95%是你看不到的，它们负责供应地球上一半的氧气。”萨特尔博士说。

在实验室中，萨特尔博士过滤掉海水中的病毒、留下他们的猎物——细菌。在这种情况下，海水中的浮游生物会停止生长。因为病毒是非常特殊的捕食者，当正在捕食的病毒感染并消灭一种微生物时，它们会释放体内的营养物质，比如氮，从而为其他细菌提供食物。这就和被狼杀死的麋鹿成为渡鸦、郊狼等动物的食物一样。浮游生物生长的同时，会吸收二氧化碳并产生氧气。

一项研究估计，海洋里的病毒每秒会造成1024次感染，每天破坏海洋中大约20%的细菌细胞。

重塑地球生态系统

病毒通过改变微生物群落的组成来维持生态系统的平衡。例如，当有毒的水藻爆发形成水华时，病毒可以攻击水藻、致其分解并死亡，从而在一天之内结束水华。

虽然有些病毒和其他生命体已经共同演化并取得了一种平衡，但是一些病毒的入侵也可以造成迅速、广泛的破坏甚至导致物种灭绝。

一些研究人员说，西尼罗病毒已经改变了美国大量地区鸟类群落的组成：它们在杀死乌鸦的同时助长渡鸦的繁殖。而在夏威夷的山区森林，这里曾经因为气温太低而没有蚊子生存，但随着气候变暖，蚊媒的禽痘病毒开始在这里传播，多种鸟类灭绝预计将会灭绝。

当物种消失时，这些变化可能波及整个生态系统。一种名为牛瘟的病毒性疾病就是教科书般的案例。

19世纪，意大利军队将几头牛带入北非。1887年，牛瘟在非洲大陆蔓延，杀死了从厄立特里亚到南非大片区域的偶蹄类动物；在某些地区，甚至消灭了95%的兽群。

“病毒感染了羚羊、角马和整个生态系统中的其他大型食草动物。”国际非盈利机构生态健康联盟的主席彼得·达斯扎克说。该联盟正在开展一项全球项目，将可能由动物传染给人类的病毒进行编目。
“病毒不仅仅只对动物有影响。因为它们是食草动物，大量死亡后植被会受到影响，树木得以在原先放牧的地方生长，”达斯扎克说，“这些生态变化可以持续几个世纪甚至数千年。”
随着牛瘟的传播，再加上干旱，大量的人死于饥饿。在1891年，一位探险家估计有三分之二依靠牛生存的马赛族人死去。“牛瘟几乎瞬间将热带非洲的财富一扫而空。”约翰·里德在他的书《非洲：一个大陆的传记》中写道。
通过接种疫苗，在2011年不仅是非洲，全球的牛瘟都被彻底消灭。
病毒的有益作用鲜为人知，尤其是在植物中。例如，在黄石地热区的高温土壤中，科学家发现了一种依靠真菌在极端环境中生长的草，而这种真菌又是依靠病毒存活的。
藜麦植株上的微小病毒斑点对其生存也很重要。“这些斑点赋予植物耐旱性，但不会导致疾病，”宾夕法尼亚州立大学研究植物病毒生态学的玛丽莲·鲁西克说，“它改变了整个植物的生理机能。”
“病毒不是我们的敌人，”萨特尔博士说，“某些讨厌的病毒会让你生病，但重要的是要认识到，病毒和其他微生物对生态系统是绝对不可或缺的。”
你要是简单的认为地球氧气主要靠热带雨林的光合作用，那就大错特错了，亚马逊雨林白天光合作用没错，但一到晚上就会把自己白天生产的氧气消耗殆尽。
真正的氧气来自一种叫海洋聚球藻的生物，这种细菌捕捉阳光的基因是从一种病毒身上整合过来的。
海洋聚球藻能合成地球1/4的氧气，你每呼吸4次中，要感谢病毒1次！