Photo Credit: Unsplash

原來病毒與蛇有密切關係!?

文/ Sanjay Gupta,譯/張瓊懿

病毒的英文「virus」有個有趣的起源。它的原意是「蛇的毒液」,源自拉丁文的「黏液」或「毒藥」。但事實上這項命名是個錯誤,因為並非所有病毒都是有害、會破壞身體或導致死亡的。事實上,病毒有存在的必要。我再說一次:病毒有存在的必要。我知道這令人難以置信,因為這個由一小段基因物質組成的冠狀病毒重創了我們的世界。但病毒的確是地球上主要的生命形態。幾千年來,它們對我們的存在以及演化扮演著重要的角色,並且對我們在動物界和植物界的朋友貢獻良多。以乳牛為例,病毒能將草裡的纖維轉換成糖,提供牛隻能量,促進牠們分泌乳汁。

這場新冠疫情中,我們很努力在避開某種病毒,但就在你讀這本書和呼吸時,病毒也在你不知情的狀況下進入你的體內,而且是每天有成千上萬個進入。它們在海洋中繁衍興旺,最新統計指出,從北極到南極,以及在海平面到一萬三千英尺深處,共有將近二十萬種病毒種群。下次你吞了口海水時想想這件事;你吞下的病毒數量跟北美洲人口一樣多。我們體內也有許多病毒繁衍,它們覆蓋在消化道等器官組織上,扮演著重要角色,例如破壞會致病的細菌。我們知道的「噬菌體」,就是專門感染細菌的病毒,它們存在於我們的鼻子、嘴巴和腸道內的粘膜,像是擔負保衛重責的軍人。你或許聽過「人類微生物組」(human microbiome)——這是指以共生關係存在我們體內和身體表面的所有微生物。包含細菌、病毒和真菌在內的這些與我們共生的有機體,數百萬年來一直跟著我們一起演化,對我們的生存貢獻良多。其中細菌的數量最多,它們對人類健康(尤其是新陳代謝和免疫力)的益處,是醫學上重要的研究領域。病毒庫(或稱病毒組〔virome〕)同樣是我們的終生伴侶,解開病毒對我們的助益將是下一個醫學重點。總之,我們的微生物組還有許多功能有待我們以科學方法去解開(第二部有更多討論)。

世界著名的病毒獵人內森.沃爾夫博士(Nathan Wolfe),是預見新冠肺炎將會來襲的人之一,他在幾年前就警告說,我們的世界沒有做好面對大流行病的準備。他癡迷於「生物界的暗物質」(biological dark matter)。據他表示,存在我們鼻子裡的遺傳物質,只有不到二十%是我們可以完全識別的,腸道裡的遺傳物質也有多達五十%是「不明生物」。我一直以為「不明生物」這個詞是用來描述外星生命,而不是我體內的有機體。我在第二部會再提到沃爾夫,以及他為政府和私人企業評估和控制生物威脅所創辦的Metabiota。早在二〇一八年,他便設計了一個別出心裁的保單,提供大型企業因疫情造成龐大財物損失時的保障。不過沒有人買帳。

我們的基因組中病毒的遺傳物質數量,是我們自身基因的四倍。而我們的DNA中,做為蛋白質編碼(基因)的只占了二%。我們能讀、能寫、能記憶,要歸功於許多古老的病毒。我的意思不是說你體內的病毒是大腦的管家,正在幫助你閱讀這個句子,而是說從宏觀的角度來看,人類在整個演化過程中不斷與病毒相遇,不管在分子層級還是遺傳層級,病毒都已經成了我們的一部分,在我們的認知技能和能力發展上扮演著重要角色。畢竟它們也都是資訊。它們塑造我們的DNA,做為對遺傳有利的寄生物,賦予我們更好的思考能力、記憶力,甚至免疫力。就像我前面提的,哺乳類動物的病毒能協助抵禦有害的細菌,具有抗癌作用。在我們的演化過程中,還有幾次病毒基因被整合進人體基因的情形,像是轉錄病毒的syncytin-1基因(又稱enverin)就是個與胎盤形成有關的重要蛋白質編碼。從某個角度來看,我們之所以具有生育能力,也要歸功於古老的病毒。

我們不知道全世界共有多少種病毒,但應該會是數以「兆」計。在我們已知的幾十萬種病毒中,已命名的還不到七千種,有能力感染人類的大約兩百五十種,當中包含冠狀病毒。但我們不是病毒唯一的目標,細菌才是它們的主要感染對象,不過它們也感染動物和植物,從豆類到黑莓、蜱和蚊子、馬鈴薯和香蕉,乃至貓、狗和鳥類等等。我們不知道病毒最初是從哪來的。它們究竟是在活細胞之前、還是之後出現在地球上的?對此,科學家至今還沒有定論。

第一個已知有科學紀錄的病毒感染對象,並不是人類,而是菸草。遭感染的菸草葉會出現暗綠、黃色和灰色斑駁。一八五七年,荷蘭農人指出,某種疾病摧毀了他們八成的農作物。它的擴散能力非常強,光是碰過生病植物的水管就能感染下一株植物。馬丁努斯.拜耶林克(Martinus Beijerinck)是極具遠見的微生物學家和植物學家,他一直認為感染源是某種和細菌或黴菌截然不同的東西,並稱它為「具有傳染力的活液體」(contagium vivum fluidum),因為他發現這個病原體能通過阻擋細菌的濾網,性質幾乎跟液體一樣。最後,拜耶林克用virus這個原意為「毒液」的拉丁字為這個新種病原體命名,使得它很不幸的跟「毒液」扯上關係。如果它能通過用來攔截細菌的過濾器,代表拜耶林克面對的不是細菌,而是比細菌小得多的東西。但是拜耶林克最後並沒有完整解開病毒的故事,也沒有機會一睹它們的模樣。

儘管他誤以為病毒是一種液體,但他確實抓到了重點。

人們認為拜耶林克是個孤僻、難相處的人,他不給人拍照、經常辱罵學生,從來沒交過女朋友,也沒有結婚,因為他認為婚姻會影響工作。但他是個觀察力敏銳的科學開路先鋒。或許他的個性未能為他加分,但他確實收穫了實驗室裡的成就。一直到七十九歲癌症奪走他的性命前,他都在實驗室裡從事研究。他被視為將微生物學變成重要研究領域的推手。在大部分的大學尚未將微生物學單獨列為一門學科前,他就成立了「代爾夫特微生物學院」(Delft School of Microbiology),這個學院是現在眾多相關科系和研究機構的鼻祖。

荷蘭農業實驗站所在的瓦赫寧恩市(Wageningen)就在代爾夫特的東邊,曾在這裡擔任負責人的植物病理學家阿道夫.梅耶(Adolf Mayer)早在一八七九年,便開始研究菸草枯萎的現象,並將它命名為「菸草嵌紋病」(mosaic disease of tobacco)。病菌理論——也就是我們現在所知病原體會使我們生病的想法——當時還在緩慢發展,關於病毒的概念要再過一段時間才會為人們接受,我們也才會了解它的生物學背景。德國病理學家,同時也是現代細菌學的主要創始者羅伯特.科霍(Robert Koch)在一八八二年發現導致肺結核的罪魁禍首後,訂了一個簡單的指引,將這些病菌和它們引起的疾病做因果連結。

這個指引後來稱為「科霍氏法則」(Koch’s postulate),科學家用它來辨識細菌在疾病中扮演的角色:這種細菌必須存在每一個患者身上;該病菌必須可以從寄主身上分離出來,並在培養皿中培養;健康個體接觸到培養出的純病菌會染上相同的疾病;最後,必須在這名受感染的宿主身上分離出相同的細菌。(我再補充一下:只有不到一%的細菌會導致人類生病。)

梅耶做了實驗,來確認這種不明微生物是否符合科霍氏法則,但事情不太對勁。梅耶為尋找菸草嵌紋病病因所做的每一輪病菌分離和重新感染,都失敗了。他可以證明生病的菸草葉汁液會感染健康的葉子,但沒辦法將這個病菌做純種培養,也沒辦法在顯微鏡下找到這個敵人。這是一種看不見的感染源。

病毒和細菌不同,細菌可以在一般光學顯微鏡下觀察到,但是病毒不行,這件事讓它們顯得抽象、難以置信、捉摸不透,而且近乎幻想。一九二九年,美國生物學家法蘭西斯.霍姆斯(Francis Holmes)利用菸草嵌紋病發展出一套方法,證明病毒是一種粒子,而且濃度愈高,作用力愈強。從本質上看,他的實驗即便沒有影像,在某個程度上也算是「讓病毒變得可見」了。直到一九三一年電子顯微鏡問世,美國生物化學家及病毒學家溫德爾.梅雷迪思.斯坦利(Wendell Meredith Stanley)才得以一睹病毒的模樣。他製造了能夠在X光下「見到」的病毒結晶體樣本,還因此獲得一九四六年的諾貝爾化學獎。一九四一年,強力的穿透式電子顯微鏡發明後,我們才得到第一張清晰的菸草嵌紋病毒照片,照片中病毒呈細長的桿狀。(繼發現DNA雙股螺旋的貢獻後,羅莎琳.富蘭克林〔Rosalind Franklin〕又在一九五五年時,留下了最清晰的菸草嵌紋病毒X光繞射照片。)

影像證據成了科學上的轉捩點,原本懷疑病毒、提出質問的人都安靜了下來。影像中的病毒構造非常簡單,只有遺傳物質和包裹它的固體蛋白質外殼(在新冠病毒則是脂質構造的球形外殼,所以很容易被肥皂破壞)。雖然細菌和病毒都很小,小到必須用顯微鏡才看得到,但是微生物學家會告訴你,它們完全不一樣,就像長頸鹿與金魚那樣不同。細菌複雜得多,它們是單細胞生物,外層有堅韌的細胞壁,裡面則像裝滿液體、可以擠壓的沙灘球。最重要的是細菌能自行複製,它們存在地球上大約三十五億年了。病毒要比細菌小得多,而且必須依附在寄主細胞才能進行複製。你沒辦法殺死病毒,因為它們並不是真的活著的東西,它們是微生物界中的殭屍。

究竟我們該不該稱病毒為「微生物」至今仍有爭議。它們無法獨立生存、不具任何細胞,也無法執行動物或植物之所以被稱為「生物」的任何生理作用,像是進食、呼吸、繁殖,甚至死亡。它們更像是需要機器來運作的數據,必須藉助宿主來複製和繁衍。它們好比一袋袋的密碼,有時被稱為「具有殼體編碼的有機體」(capsid-encoding organism),諷刺的是,簡稱就叫CEO。它們不會成長或移動,必須藉助我們來傳播。我們就像一部巨型電腦,被利用來執行它們的軟體程式。至於新冠病毒則像凶殘的電腦病毒——不但奪走了我們的控制權,還讓系統反過來加害我們的惡意病毒。

SARS的後代

人類的演化緩慢而穩定。我們的基因組花了長達八百萬年,才演化了百分之一。但是問問想要感染你的病毒,它為了適應環境進行改造,需要花多長時間?它會回答你:大概一天吧。病毒的改變就跟天氣一樣。許多感染動物的病毒,包括新冠病毒在內,只需要幾天就能演化超過百分之一。冠狀病毒裡只有一條單股的RNA分子,累積突變的速率比人類的DNA快了一百萬倍以上。它們的構造精簡、小巧靈活,反觀我們人類則是複雜龐大,而且經常很笨拙。

想要了解DNA和RNA有何不同的人,我在這裡做個最簡單的解釋。兩者都是生物體中攜帶遺傳訊息、維持生命的重要物質,但它們的構造不完全相同。RNA是單鏈的,就像一條緞帶,而DNA是雙鏈的,所以比較牢固穩定。DNA的樣子像旋轉的梯子,就是你記憶中高中生物課本裡的圖片。它們的成分也不一樣。核苷酸是RNA與DNA的結構單位,但RNA的核苷酸含的是核糖,DNA的核苷酸含的則是去氧核糖。

每個研究它們的科學家都知道,尿嘧啶(uracil)是RNA特有的,而胸腺嘧啶(thymine)只存在DNA中(別緊張,我們沒有要考試)。總之,重點是兩者是生命藍圖上的夥伴,它們的主要工作是生產蛋白質,而蛋白質是維持地球上的生命最關鍵的物質。

在大多數生物體中,DNA的功用在建立和儲存生物體的遺傳訊息,同時將這些珍貴的密碼傳給下一代;而RNA主要的功用,則在遞送合成蛋白質時所需的遺傳密碼。蛋白質的工作很吃重,所有組織器官的結構、功能和調節都仰賴它來進行。簡單的說,細胞的生存和健康,都必須藉由蛋白質驅動的化學反應來維持。DNA大多存在細胞的細胞核中,RNA則位於周圍的細胞質內。一直到不久前,RNA都被認為僅僅是DNA和蛋白質間的信息傳遞者,但事實上它的功用不只這樣。由於RNA跟蛋白質一樣能驅動化學反應,也跟DNA一樣可以攜帶遺傳訊息,因此大部分科學家認為,我們所知的生命很可能是從RNA(而不是DNA或蛋白質)開始的。很可能在RNA和病毒存在了很長一段時間後,DNA才開始出現於地球生命的故事或回憶錄裡。

由於病毒的RNA突變率遠高於DNA,所以在我們的免疫系統防禦下,依舊有很好的生存能力——它們能迅速變身或改造棘蛋白,以便跟人體受器緊密結合,進到我們的細胞。新冠病毒就是這樣,這也是為什麼我們會聽到這麼多關於變異株的消息——突變後的新冠病毒變異株可能更具傳染力,或擁有更高的致死率。源自動物的病毒能藉由突變從動物(例如蝙蝠)跳到人類身上,我們稱為這樣的病毒為「人畜共通病毒」。

當今感染人類的新傳染病中,有四分之一源自動物。過去這三十年,至少出現了三十種新的傳染病,包括SARS、中東呼吸症候群,以及現在的新冠肺炎;它們使數億人的健康遭受威脅。更驚人的是,聯合國的報告指出,每四個月就有一種感染人類的新傳染病誕生。背後的原因很多,但主要還是氣候變遷、人口成長、微生物的遺傳適應、國際貿易和旅遊,以及土地利用改變的共同影響。

罕見傳染疾病,例如伊波拉出血熱爆發時,通常會登上新聞頭條,但更麻煩的其實是那些透過呼吸、說話、耳語、親吻、握手、擁抱或唱歌,很輕易就能散播的病毒。有鑑於它們演化的速度比我們快許多,我們的天然免疫力很難跟得上它們的腳步。既然我們跟病毒在自然環境下接觸的機會愈來愈多,就必須採取其他策略,更有技巧的對付它們。而疫苗就是強而有力的反擊手段。

現代流行病和過去幾個世紀的流行病一個很大的區別,在於它們的來源林林總總。此前幾千年,我們的傳染病大多來自飼養的牲畜,如豬、禽、牛等。一般感冒的來源是駱駝;流感病毒如H1N1和H5N1,則多從豬和禽類而來。但是現在,我們的流行病源自和野生動物親密接觸。在中非和西非,伊波拉病毒一再從蝙蝠跳到靈長類和人類。在沙烏地阿拉伯,中東呼吸症候群從蝙蝠跳到了駱駝,再跳到人類。在美國,維吉尼亞州的一個靈長類研究中心因為進口獼猴,於一九八九年爆發伊波拉疫情;中西部則因為從西非的迦納(Ghana)進口嚙齒動物,於二〇〇三年爆發了猴痘疫情。當時伊利諾伊州的一家商店,讓這些生病的嚙齒動物和販售來當寵物的土撥鼠同處一室,因而傳染給人類。新型冠狀病毒的基因組和某個蝙蝠病毒相似度高達九十六%,我們不知道這個蝙蝠病毒突變到能傳染人類花了多久。或許在過程中,這個病毒還搭了另一種動物(例如穿山甲或果子狸)的便車,才抵達人類細胞。

我擔任記者時,曾前去東南亞和中國的疫情爆發中心,這些地方一直被視為傳染病興起的熱點。從貧窮、人口密度高,到耕種方式改變,以及與野生動物近距離接觸等,都是原因。

與鳥類接觸已經成了疾病爆發的重要因素。世界上沒有哪個地方像中國一樣,有這麼多人和這麼多鳥類如此密切的近距離接觸。請任一名傳染病專家預測下一個流行病會在哪裡爆發,他們會異口同聲的說,是中國。上個世紀的兩次流感疫情,分別發生於一九五七年和一九六八年,它們都源自中國,起因都是禽流感病毒演化,成了能輕易在人類傳播的病毒。中國是現代病原體的溫床。中國的農場上,人和牲畜住得很近,加上多種物種雜居,共用的飲水和餐具,以及血液、唾液和糞便與其他分泌物的空中飛沫,都為疾病營造了絕佳的傳播環境,於是,大家都染上了病菌。豬感染了禽流感病毒和人類流感病毒,成了名副其實的大熔爐,所有基因成分混在一起,製造出了致命的新病毒株。人們喜歡吃現宰的肉,在活體動物市場裡,動物被關在擁擠的籠子裡,顧客購買後由店家現場宰殺,這讓人們有大量與這些突變病毒接觸的機會。你找不到比這裡更適合疾病擴散的地方了。這是個病菌的狂歡派對。

二〇一九年,新冠病毒首度被辨識出來時,某個婦人喝蝙蝠湯的影片在網路上瘋傳,引發中國人喝蝙蝠湯導致疫情的謠言,開始了一連串錯誤訊息。(事後證實,這段影片是二〇一六年在帛琉拍的,影片中的女子是旅遊節目主持人。)但可以確定的是,蝙蝠確實是新病毒的主要宿主,而且蝙蝠為數眾多。

蝙蝠占地球上哺乳類總數的四分之一,嚙齒動物更占了哺乳類總數的一半,因此人畜共通傳染病最常見的源頭,就是蝙蝠和嚙齒動物,其中又以蝙蝠占大多數。牠們攜帶了六十多種能感染人類的病毒,包括伊波拉病毒和狂犬病病毒。牠們也是罕見但可怕的馬堡病毒(Marburg)、立百病毒(Nipah)和亨德拉病毒(Hendra)的天然宿主,曾在非洲、馬來西亞、孟加拉和澳洲造成人類感染,引發疫情。為什麼蝙蝠攜帶的人類病原體比其他動物多呢?因為蝙蝠和我們一樣非常社會化,喜歡挨在一起生活,給了病毒許多傳播機會。

本文摘自《大疫時代必修的生命教育》,原篇名為〈第七章:蛇——病毒能耐變變變〉,立即前往試讀►►►