科学阶梯丨你需要知道的病毒极简史

科技   2025-01-24 19:03   北京  
编者按 

一部部科学经典著作,犹如人类文明史上璀璨的里程碑,奠定了现代科学基石,铺就了人类进步的阶梯。为让更多读者感受科学魅力,北京市科学技术协会推出“科学阶梯”专栏,对科学经典著作进行深入诠释。

本期我们带来的是《病毒博物馆》,让我们一起来了解病毒对地球生命、人类生产和生活产生的巨大影响。



18世纪:疫苗接种的发明


18世纪末期发明的疫苗接种,为人类对付感染性疾病带来了重大变革。

天花是当时流行的众多致死性疾病之一,它不仅造成了成千上万人的死亡,而且给幸存者带来了可怕的形态改变。
英国乡村医生爱德华·琴纳(Edward Jenner)发现,有些人对天花有抵抗力——特别是那些得过牛痘(一种奶牛传染的温和疾病)的挤奶工。琴纳认为,牛痘可以保护人类免受天花的威胁,如果将牛痘脓疱中的提取物注射到人体内,也许人们就可以像挤奶工一样,获得对天花的免疫力。
疫苗(vaccine)一词正是来源于牛痘(vaccinia),后者来源于拉丁语中“牛”这个词,被人们用来命名导致牛痘的病原。琴纳于1798发表了他的研究成果,但是,当时他根本就不知道天花或牛痘是由病毒所引起的。
法国科学家先驱路易·巴斯德(Louis Pasteur)发明了狂犬疫苗。他用加热的方法“杀死”狂犬病原,这是第一次用死的病原做疫苗,来抵御后续活病原的感染。与琴纳不同,巴斯德是知道细菌的,他意识到狂犬病的病原比细菌还要小,但他还是不知道病毒到底是什么。

19世纪:“病毒”的发现


19世纪末期,烟草上出现了一种传染病,它在植物叶片上形成深浅不一的花斑。1898年,荷兰科学家马亭乌斯·贝杰林克(Martinus Beijerinck)发现,该病可以通过植物的叶汁,从一株植物传染给另一株植物,而且叶汁经可去除细菌的陶瓷滤器过滤后,仍具有感染性。
贝杰林克认为,这是由一种比细菌还小的新感染源所引起的,他把它称为“活的传染性液体”。后来,他开始用“病毒”一词,在拉丁语中,该词意味着“毒物”。
后来科学家们证实了贝杰林克发现的是烟草花叶病毒,这就仿佛打开了一扇泄洪大门。同一年,弗利德里希·莱夫勒(Friedrich Loeffler)和保罗·弗罗施(Paul Frosch)发现,动物中流行的口蹄疫,是由可滤过性的病毒所引起的。

20世纪:与病毒共存


1901年,瓦尔特·里德(Walter Reed)证明,一种严重的人类疾病——黄热病,也是由病毒所引起的。
1908年,威廉·埃勒曼(Vilhelm Ellerman)和奥拉夫·班(Oluf Bang)发现,一种可通过过滤器不含细胞的感染源,使鸡感染白血病
1911年,佩顿·劳斯(Peyton Rous)揭示,一种类似的病原可以在鸡中引起实体瘤,由此发现病毒可导致肿瘤
1915年,弗雷德里克·图尔特(Frederick Twort)发现细菌中也存在病毒,此后,有关病毒的研究得以快速发展。与许多伟大的发现一样,这个发现也属偶然。
图尔特想找到一种培养牛痘病毒的方法,他认为细菌也许可以提供病毒赖以生长的必需物质。他用培养皿培养细菌,结果发现,培养皿中有些地方变得清亮,细菌在这些地方长不起来,有什么东西将它们都杀死了。与之前的病毒学家一样,图尔特揭示,这种病原即使经过最细的陶瓷滤器过滤后,仍然能感染细菌。
几乎与此同时,法裔加拿大科学家费利克斯·德赫雷尔(Félixd’Herelle)发现了一种“微生物”可以杀死引起痢疾的细菌,他把这种病原微生物称为“噬菌体”,意思是“吃细菌的”
他还发现了其他的一些“吃细菌的”,这些发现,为当时带来了一种希望,也许可以发明一种对付细菌感染的治疗方法。噬菌体和病毒一样,都可以通过最细的滤器,时至今日,细菌病毒仍被称为噬菌体。
用噬菌体治疗细菌感染的想法,后来因为抗生素的出现而黯然失色,然而直到今天,人们仍在讨论这种方法。
实际上,在农业上这种方法已经得到运用,有时候,在人类皮肤病治疗中也在试验这种方法。随着一些严重的病原性细菌出现抗生素耐药性,噬菌体治疗也许在抗击细菌中仍会提供一些好的策略。
噬菌体和其他病毒的自然本质,直到20世纪30年代电子显微镜发明之前,人们都还不清楚。
烟草花叶病毒的第一张电镜照片于1939年发表。1940年 “噬菌体研究组”成立,这是一个由研究噬菌体的美国科学家组成的非正式临时学术圈,分子生物学也由此开端。
1935年,美国科学家温德尔·斯坦利(Wendell Stanley)成功地获得了高纯度的烟草花叶病毒晶体。在这之前,病毒一直被认为是一种更小的活生命体,而能够结晶,提示它们与盐和其他无机物类似,具有一种惰性的、化学的本质。
这引发了一个持续到今天的争论:病毒到底有没有生命?斯坦利还揭示,病毒由蛋白质和核酸(RNA)组成。当时,还没有人知道基本的遗传物质由DNA分子所构成,多数科学家还认为遗传物质是蛋白质。
20世纪50年代,罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)用X-光衍射技术研究烟草花叶病毒晶体的精细结构,她也用同样的技术研究了DNA的结构,而她的研究,被詹姆斯·沃森(James Watson)和弗朗西斯·克里克(Francis Crick)用于发现DNA 双螺旋结构。
20世纪中叶,发现DNA是编码基因的遗传物质后,弗朗西斯·克里克进而提出了“中心法则”,即DNA指导合成互补链的RNA,RNA再指导蛋白质的合成。
20世纪70年代发现的逆转录病毒,其基因是由RNA所编码的,而且这些RNA会指导DNA的合成,与中心法则正好相反。逆转录病毒中包括造成艾滋病的人免疫缺陷型病毒(Human immunodeficiency virus,HIV-1),科学家们认为,逆转录病毒对人类的遗传进化曾经起到了深远的影响。

我们如何给病毒命名?


人们发现的第1个病毒——烟草花叶病毒,是以其宿主及症状来命名的。许多植物病毒的命名,也遵循了这个原则,虽然最终病毒的命名,还是取决于研究它们的病毒学家。


为了让病毒的命名标准化,国际病毒分类委员会(International Committee for the Taxonomy of Viruses,ICTV)成立了,ICTV的第1次分类报告发表于1971年,包含了290种病毒。


2012年,ICTV发表了第9次分类报告,包括了约3000种病毒,不过,这也只占世界上所有病毒的很少一部分。ICTV 由世界各地的病毒学家组成,他们建立了一套复杂的命名系统,以拉丁语命名病毒的种、属、科和目。病毒的种和属,可以由发现病毒的病毒学家来命名,而更高层次的命名,一般会与属名有关,或者,与一个描述病毒特征的希腊语或拉丁语词汇有关。例如,很多噬菌体属于有尾病毒目Caudovirales,这个目的名称来源于拉丁语“caudo”,意为“尾”,指这类病毒的着陆装置。被ICTV 正式认定为种的病毒名称,在书写时用斜体。






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《病毒博物馆》通过340余幅高清电镜彩图和示意图,详细介绍了全球101种与人类生产和生活密切相关的典型病毒及其变异种,展现了病毒神奇的外部形态和内部结构,揭示了病毒惊人的多样性和复杂性,以及它们对地球生命、人类生产和生活产生的巨大影响。

来源:“科学元典”公众号

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