病毒和细胞,谁先出现？

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今天。病毒如此之小和简单。它们甚至不能自己复制。病毒只携带必要的基因信息。它们需要这些信息才能溜进宿主细胞。诱使宿主细胞制造新的病毒拷贝。例如。流感病毒只有14个蛋白质编码基因。因为病毒通常如此基本。许多生物学家甚至不认为它们可以被归类为生命形式。

但就在十年前。我们对病毒的看法开始转变。法国科学家正在研究一种看起来像细菌但在基因上与细菌完全不同的神秘微生物。他们意识到他们发现了一种巨大的病毒。他们把这种看起来很像的细菌命名为“模拟微生物”或“拟态病毒”。

mimivirus不仅体型庞大。他们显示它携带了1000多个基因——一个病毒的巨大基因组。仅仅比一些细菌小几百个基因。从那以后。已经发现了几个巨大的病毒。潘多拉病毒包含大约1100个基因。

这些微生物的遗传复杂性重新唤起了人们对一个关于病毒的长期问题的兴趣——它们是什么时候首次进化的？病毒是通向更复杂细胞生命的进化垫脚石吗？或者它们是后来出现的？这个问题很棘手。病毒由包裹在柔软蛋白质外壳中的几股短的脱氧核糖核酸或核糖核酸组成。不会变成化石。没有化石记录可以研究。几乎不可能理清它们的谱系。

为了试图解开病毒进化的问题。卡埃塔诺-阿诺尔开发了一种新的方法来重建微生物系谱。并追溯细菌和病毒的起源。

科学家通常通过比较物种间的基因来创建进化系谱树。或“系统进化树”。两个有机体有越多的共同基因。它们之间的联系就越紧密。但是这项技术只能让你回溯一百万年左右。再往前走。脱氧核糖核酸变异太大。不可能看到物种之间的相似之处。

卡埃塔诺-安诺斯想回到地球生命的起源——大约35亿年前。因此。他的团队没有比较基因。而是比较了蛋白质的形状或“折叠”。蛋白质是高精度的分子机器——如果你改变它们的形状。就会破坏它们的功能。虽然生命可以忍受遗传密码的持续温和漂移。但蛋白质的形状至关重要。因此进化要慢得多。塔斯马尼亚大学的计算生物学家迈克尔·查尔斯顿说。追溯蛋白质的形状“将我们带回到我们可能希望的最远的地方”。

研究人员开发了算法来比较3460种病毒和1620种细胞的蛋白质形状。他们发现细胞和病毒共有442个蛋白质折叠。但66个折叠是病毒独有的。

为了理解这些数据。该团队将蛋白质折叠排列成一棵树。每当一种新的蛋白质折叠进化出来时。树就会长出一个新的“分枝”。在可能的情况下。该小组使用化石证据来确定特定分支萌芽的大致日期。例如。一种特殊的蛋白质折叠首先出现在蓝细菌(蓝绿藻)中。后来出现在它的所有后代中。通过比较蓝细菌第一次出现在化石记录中的时间(21亿年前)和它的后代后来出现的时间。他们可以确定这个特定的褶皱出现在大约20亿年前。

病毒进化过程中的一个关键步骤似乎发生在大约15亿年前——也就是该团队估计66个病毒特异性蛋白质折叠出现的年龄。这些变化是病毒外壳中的蛋白质——病毒用来侵入宿主细胞的机器。

对查尔斯顿来说。这项研究的显著之处在于今天的细菌和病毒有多少共同的蛋白质。“我被这些蛋白质折叠如此保守的想法震惊了。”他说。\"这确实是很强的证据。证明他们早就有一个共同的祖先.\"

今天。人们很容易将病毒仅仅视为害虫。但是“他们不是破坏的媒介。”卡埃塔诺-安诺勒斯说。如果没有我们病毒般的共同居民。地球上的生活将会大不相同。芝加哥大学微生物学家詹姆斯·夏皮罗说:“没有他们。我们就不会在这里。”。例如。研究人员推测。一亿多年前。一种原始哺乳动物的病毒感染上传了一个帮助胎盘进化的基因。合胞体蛋白是一种蛋白质病毒。用于将细胞融合在一起。以便从一个宿主细胞跳到另一个宿主细胞。在哺乳动物中。它将胎盘细胞与子宫融合。让胎儿从母亲那里吸取营养。

至于更抽象的病毒是否有资格成为生命的问题。卡埃塔诺-安诺勒斯认为。如果病毒是活细胞的后代。它们现在仍然活着——但以一种独特的方式:当病毒感染细胞时。这种结合形成了一个完整的生命系统。

悉尼加尔万研究所所长、分子生物学家约翰·马特克对此表示同意。“人们说病毒不是自由生活的。但这是一个哲学问题——我们是自由生活的吗？”他问道。“没有植物我们无法生存。生活是一个相互联系的系统。”

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