巨大的病毒世界:我们所知道的(和不知道的)

年代轻轻地缠绕在边缘的形状和稍微模糊，黑斑点散落在斑驳的灰色背景上，看起来很像后现代绘画。1938年，柏林医学会议于1938年，德国医师和生物学家赫尔穆特鲁卡，正在展示有史以来见过的病毒颗粒的第一款图像。漂移是Poxvirus家族的成员，特别是Extromelia，直接在感染小鼠的淋巴液中可视化。

由于电子显微镜的发明，当时被称为übermikroscop.，科学家们终于可以观察到——实际上看到——已知存在的东西:微小而神秘的病毒世界。鲁斯卡的兄弟，物理学家恩斯特，在完成博士学位时制造了第一台仪器的原型，但赫尔穆特看到了该设备在生物学领域的潜在应用。到1939年底，赫尔穆特和他的同事继续收集了近2000张黑白照片。他们收集了各种已知会感染人类和植物的病原体，包括天花病毒(导致天花)和烟草花叶病毒(第一个病毒迄今为止发现的)。

病毒结构简单，功能先进，存在于惰性和活性之间。

就在80多年后，科学家们发布了导致COVID-19的新型病毒SARS-CoV-2的第一批图像。为了揭示它标志性的刺突蛋白，他们使用了一种类似罗斯卡的工具。这些黑白图像从视觉上证实了它是冠状病毒家族的一员，使世界各地的科学家能够开始利用此前多年研究中对此类病毒的现有知识。必威体育西汉姆官网2019年12月下旬，中国的一批患者被诊断出患有不明原因的肺炎，此后不久，科学家们就能够直接观察到这种新病毒。到2020年3月，世界卫生组织宣布COVID-19为大流行。

在以前的Pandemics中，事件逐渐升级​​。黑死病14世纪中期的大流行在四年时间里杀死了超过三分之一的欧洲人口，没有人知道是什么导致的。到那个时候1918年流感大流行，科学家们了解了疾病的原因，但无法看到病毒或对其进行检测。当SARS-CoV-2出现时，几十年前进行的基础科学研究的价值以创新的病毒检测工具的形式迅速显现出来。研究人员现在可以对新病毒进行测序并研究其基因组，但即使如此显微镜下继续提供这种病原体独特的“开放”视图。

美国疾病控制中心的辛西娅·戈德史密斯使用电子显微镜来识别病原体，她说:“你不能对一张图片提出异议。”“这项技术不仅能让我们看到病毒的外观，还能让我们看到它在细胞中如何生长。”尽管戈德史密斯多年来已经识别了如此多的病毒，她甚至都猜不出具体的数量，但她检测的病毒仅限于那些已知会导致疾病的病毒，以及那些主要感染人类的病毒。但科学家估计167万年尚未发现的病毒存在于哺乳动物和鸟类宿主中。例如,蝙蝠充满了新的菌株冠状病必威体育西汉姆官网毒。可能有更多的病毒而不是有的病毒宇宙中的恒星．今天正在进行的基础科学研究将在帮助我们了解它们的过去、现在和未来——以及更好地为更多新病毒的出现做好准备方面发挥关键作用。

斯坦福大学的Laura Bloomfield说:“科学家和公共卫生官员花了很多时间思考下一次大流行将在何时何地出现。”“但我们了解到，准确预测这种情况的可能性非常低。我们需要建立机制来做好准备和应对，同时也要从一开始就防止未来的疫情爆发。”

这意味着要进行更多的基础科学研究。这不仅意味着发现和测序更多的病毒，还意味着投资研究，以提高我们理解病毒结构、它们如何与宿主相互作用以及它们在历史上是如何进化的能力。此外，为下一次大流行做准备也意味着更多地关注人类行为和修复我们与自然的关系。例如为工业林业或农业清除原生森林，扩大人类住区或土地使用到完整的生态系统，以及贸易野生动物大大增加了另一场灾难性疫情爆发的机会。

病毒的发现

在鲁斯卡的时代，研究人员用“可过滤的感染因子”来描述病毒。实验表明，这些肉眼看不见的微小实体能够通过过滤器，捕捉并保留细菌和其他微生物。“病毒”这个词源于一个拉丁词，意思是“黏稠的液体”、“强效的汁液”或“毒药”，它指的是微小到可以通过过滤器的物质，而且在没有活体宿主(植物或动物)的帮助下无法繁殖。Martinus Beijerinck是一位荷兰微生物学家和植物学家，证明病毒引起疾病在19世纪，科学家们用生病的烟草叶子中的汁液进行了实验。

他是最早证明一个太小以至于不能被光学显微镜检测到的实体能够感染植物的科学家之一。Beijerinck使用从患病植物中提取的新鲜树液在健康植物的叶子上产生斑点；他使用的汁液越多，包括畸形叶片在内的症状就越严重。他从生病的植物中提取树液Contagium Vivum fillingum.（传染性活液）。他指出，它“被吸引到分裂细胞的生长中”，这意味着它需要其他生命（在本例中是植物细胞）来繁殖。

Beijerinck发现这种能毒害其他植物的液体毒液为我们的能力奠定了基础，今天，我们能够识别新病毒，破译它们的形态（它们的结构），并利用这些信息来开发它们所引起的疾病的治疗方法。但它也使我们对病毒的普遍看法产生了偏见，认为病毒是唯一致病的，也就是说，能够引起疾病。在大多数情况下，病毒不引起疾病，许多是有益的。他们塑造了我们的生活，无论好坏，一些病毒都会构成健康威胁，但许多其他人提供有用的功能。

病毒如何塑造生命

结构简单但功能先进，病毒的种类介于惰性和活性之间。一些生物学家认为它们是准活性的，而其他人则认为它们是无生命的微粒或物质的排列。但专家们一致认为，它们就像缠绕在生命树上的藤蔓；它们的存在涉及到共生生物sis是两种生命形式之间的密切联系。病毒只能在活细胞内繁殖。即使在我们最健康的时候，我们的身体也是数万亿病毒的家园，甚至可能更多。在那里，它们最“有活力”，因为它们的遗传物质渗透到宿主细胞，并将其转化为病毒制造工厂。

野生动物保护协会健康项目的疾病生态学家莎拉·奥尔森解释说：“把病毒和细胞想象成一台显微镜复制机。”。“病毒利用现有的入口点进入细胞，当病毒进入细胞时，它携带指令接管细胞的机器并复制自身。然后，病毒进入下一个细胞。”

“女孩”可能是很久以前细胞的后代，但其他人认为她们可能构成了生命的第四维度。

病毒通过一系列步骤进行复制，首先附着在宿主细胞上并注入其遗传物质，然后随着细胞大量产生病毒而将自身融入细胞的遗传物质。一旦病毒信息整合到宿主基因组中，该信息就成为宿主的一部分，并可通过g世代。事实上，大约8%的人类基因组来自病毒基因，这意味着我们已经和病毒一起进化，并将继续进化。事实上，没有病毒，人类和其他哺乳动物可能仍在产卵。在进化过程中的某个时刻，合胞体蛋白，对胎盘的形成至关重要，来自逆转录病毒感染.我们也知道病毒可以防止细菌侵入我们的肠道并造成感染。

和其他生物一样，病毒也执行着达尔文主义的使命:它们的目标是尽可能地增加数量，扩展它们的地理边界，并跨越时间生存下来。这正是SARS-CoV-2目前正在做的事情，即使疫苗已经推出，新的变异已经被识别出来。但是过去仍然很重要。正如西雅图弗雷德·哈钦森癌症研究中心的生物学家迈克尔·艾默曼所说，研究病毒进化史上古老事件的动机是为了更好地理解迫在眉睫的现代挑战。

病毒的起源以及他们的历史事项

从基础研究中发现的模式病毒的起源和进化可能有助于我们为未来的流行病做好准备。“你想对当前所有病毒的起源有一个单一的解释，”波兰波兹南亚当·米基维茨大学的生物学家茱莉亚·杜尔津斯卡（Julia Durzyńska）说，她曾写过关于病毒进化的文章。“相反，有三个主要模型似乎相互完善。”

所谓的“病毒优先”模型表明，在生命之初，非常简单的病毒形式先于细胞存在。现代病毒的远古祖先可能为细胞生命的发展提供了原料。如果这个模型适用于当今世界上所有的病毒，那就意味着它们都是从几个病毒祖先进化而来的。在某种程度上，这将使识别新病毒、开发疫苗或治疗方法变得更容易——科学家可以利用他们对一种病毒的了解，将其作为了解其亲属的起点。

病毒起源的第二个所谓的“逃生”或渐进模型表明，病毒来自逃离较大生物体的基因的遗传元素。例如，噬菌体（感染细菌的病毒）将来自细菌遗传物质的比特。因此，根据这种模型，并非所有病毒都来自深度时间 - 即在地球历史的巨大弧度的早期，在任何多种寿命存在之前。

第三种模型，被称为“减少”模型，基于假设，病毒曾经较大，自由生物。随着时间的推移，据信他们失去了遗传信息并最终更小，并无法单独繁殖。但他们通过在其他生物的细胞中复制来维持其存在。作为这种模型的证据最常见的发现是咪薇卢斯 - 第一个“巨型病毒”的发现是2003年最初被隔绝的。

巨型病毒如何扩展了我们对病毒世界的看法

25年前，戴维·威斯纳(David Wessner)是一个研究冠状病毒的研究小组的博士后学者，他现在是戴维森学院(Davidson College)的生物学家。必威体育西汉姆官网他的工作包括检查它们的刺突蛋白(从病毒外表突出的尖刺)，并确定它们如何与细胞相互作用。“许多基础研究为COVID-19出现时的应对措施奠定了基础，”威斯纳说，“对巨型病毒的基础研究可能最终也是如此。我们还没有发现任何会显著影响人类健康的巨型病毒，但这可能会改变。”

后来被命名为mimivirus的病毒是在1992年英国肺炎爆发的一次调查中首次发现的。法国Aix-Marseille Université的微生物学家伯纳德·拉·斯科拉(Bernard La Scola)领导了一项多年的努力，以分离这种未知的实体，并检查其结构。他有一个朋友当时正在研究电子显微镜。“我给了他一个样本，”拉斯科拉说。“我问他是否可以看看这个奇怪的东西，告诉他我不知道这是什么。”

拉斯科拉说，当他第一次看到生成的图像时，他并没有想到一个巨大的病毒。

“只有在我看了这个规模之后，我才意识到它太大了，不可能是一种病毒。因此我们开始了这项研究。”La Scola和他的同事们知道他们已经分离出了一些新的东西。

病毒旨在尽可能地增加数量，以扩展其地理边界，并在跨时间生存。

最终，病毒的发现(Acanthamoeba多食目)-然后是乳状病毒，然后是病毒甚至更大的Pandoravirus-考虑到病毒的相对大小和基因复杂性，使人类对病毒意味着什么的认识有所延伸。一些科学家认为这些“女孩”可能是深层次细胞的后代，而其他人则认为它们可能构成生命的第四维度，不同于构成生命树模型的古细菌、细菌和真核生物域。

拉斯科拉不太参与关于病毒起源的争论;他的重点是分离和识别新的病毒。多年来，他和他的学生从各种来源获得了资金，包括他的大学、Méditerranée感染基金会和法国卫生部，但拉斯科拉说，他大部分关于巨型病毒的工作都没有得到资金支持。这得益于他为其他更多的应用项目所获得的资金，以及他和其他人的浓厚兴趣和坚持不懈。

今天，虽然还不知道巨型病毒会对人类健康产生巨大影响，但拉斯科拉谨慎地指出非洲猪瘟病毒。它由蜱虫传播给猪，并在猪之间传播。它会引起出血热，而且与拉斯科拉和他的团队在马赛从污水中分离出的一种巨大病毒密切相关。

“这是基因组减少的一个例子，因为它丢失了大约三分之二的基因组，”他说。“现在这种巨大的病毒可能是脊椎动物——猪——出血热的病原体。”这种病毒可能来自一个更大的有机体，并进化成引起疾病的病毒。它只发生过一次，所以它可能会在人身上再次发生。

2020年，拉斯科拉和他的同事发表了一篇关于另一种令人困惑的新病毒——亚拉病毒起源的论文。当他们对这种病毒进行测序以破译其遗传信息时，他们意识到有些基因看起来与巨型病毒中的那些基因相似，但他们无法弄清楚亚拉病毒与这些基因之间的关系。它的基因与已知生物体的任何序列都不匹配。这是一种全新的暗物质病毒，以独特的遗传信息为特征。这样的暗物质，一个巨大的深渊，是我们必须更好地了解的病毒世界的证据。

人类行为的作用

在健康的森林等完整的生态系统中，病毒和它们的野生宿主长期以来一直在微妙的平衡中相互作用。当人类入侵科学家们称之为“现有的疾病生态网络”时，他们经常暴露在不熟悉的病毒面前。同样，将野生动物从森林中带走并运到商业市场也会使人类接触到新病毒。展望未来，人类与病毒世界的纠缠将在一定程度上由“边缘”形成，即人类和野生动物相互作用和交换病原体的退化栖息地。

“有一个相关的指标：边缘密度，”布卢姆菲尔德说。边缘密度是指人类进行日常活动的景观中碎片的形状和程度。切割树木，建筑道路和扩大城市定居点是可能导致这种碎片的所有活动。

环境的恶化在人类和动物栖息地之间造成了更多的“边缘”，从而使人们有更多的可能接触到他们以前没有接触过的病毒。布卢姆菲尔德研究了改变景观如何鼓励人类和野生动物之间的互动，并影响传染病的出现。传染病医生通常关注特定疾病，而公共卫生专家通常关注溢出事件的细节——病毒从一个物种传播到另一个物种，比如从蝙蝠或猴子传播到人类。但布卢姆菲尔德感兴趣的是更大的模式:人类行为如何驱动连接和环境退化，增加边缘密度，从而增加疾病传播的风险。

切入亚马逊森林的道路的鱼骨图案是一个常见的例子。2000年和2001年，秘鲁的研究人员通过相对原始地区的森林地区的蚊子记录了278倍的尖息率。疟疾病例随着蚊子在新洒满阳光的池塘里迅速繁殖，人们开始侵占森林，玫瑰开始绽放。在乌干达，布卢姆菲尔德的研究表明，家庭和收集建筑材料等活动的边缘密度更大。在森林栖息地觅食也增加了人和其他灵长类动物接触的可能性。研究人员发现，森林退化与许多源自野生动物的病毒爆发有关，如尼帕病毒、亨德拉病毒和埃博拉病毒。

“具有更高的生物多样性和人类侵犯生物多样性的地区绝对是关注的领域，”布卢姆菲尔德说。“你拥有的物种之间的相互作用越多，罕见传输事件的可能性越高，”她指出。科学记者David Quammen写了一本关于新型疾病的出现的现有书，解释说，这种现象类似于掷一对骰子和蛇眼的可能性。一个卷上的赔率很低，但经常滚动骰子，最终你最终会得到一对。当合适的病毒在适当的情况下向人们传递给人们时，可能会出现溢出和爆发。现代旅行和我们目前的人类连接水平围绕地球仪意味着当感染者从一个地点传播到另一个地点时，爆发就会迅速成为大流行。

也许只有更好地了解病毒世界以及病毒继续塑造我们生活的许多方式——通过攻击我们，通过成为我们的一部分，也通过帮助我们，我们才能找到正确的平衡。制止退化和野生动物贸易也将帮助我们使人们远离新的、潜在的有害病毒。

在2015年之前，甚至没有跟踪新兴传染病的数据G-FINDER这是一个监测和报告全球被忽视疾病研发资金的项目，由全球智库“政策治疗研究”赞助，并得到比尔和梅林达·盖茨基金会的支持。埃博拉疫情;像非典、中东呼吸综合征和H1N1这样的大流行;对全球卫生安全的日益关注甚至在SARS-CoV-2出现之前就在集体意识中提出了这个问题。然而，对病毒和新出现的传染病的基础科学研究的资助仍然落后于许多专家认为应该达到的水平。

越来越多地认识到人类、动物、植物以及它们共同的环境之间的相互联系-这些相互联系对人类健康的影响也需要向更跨学科研究和合作的范式转变。因为人、动物和环境的健康是紧密联系在一起的，研究工作和解决问题需要医学和环境科学家之间的桥梁。到目前为止，还没有太多的机制促进这样的跨学科研究。布卢姆菲尔德说：“我认为基金会可能是我们获得大量支持的地方。”。

今年，世界各地的科学家创造了历史，在新型冠状病毒的首批图像出现不到一年的时间里，他们开发出了一种有效的COVID-19疫苗。必威体育西汉姆官网正是基础科学研究为这种前所未有的反应奠定了基础;在过去，疫苗通常需要10到15年的时间来开发。在一定程度上，我们与自然和彼此之间的持续互动决定了我们的未来，需要这种方法的延续:将现有的知识付诸行动，支持旨在破解我们仍然不完全了解的病毒世界的基础研究。

劳伦·e·奥克斯(Lauren E. Oakes)是野生动物保护协会(Wildlife conservation Society)的保护科学家，斯坦福大学(Stanford University)地球系统科学系(Department of Earth System Science)的兼职教授，也是一名科学作家。她写的是寻找金丝雀树（基础书籍，2018年）。

这篇文章最初发表在我们的科学哲学联盟频道2021年4月。