什么是病毒？

最近发现一个很有趣的像：从初中的科学课程到高中的生物、化学课程都没有提及病毒的概念，只有AP生物课程才有对病毒的文字描述。是讳莫如深呢，还是担心学生无法理解？其实，流感病毒无时无刻不在，让小孩子们知道什么是病毒、如何预防不好吗？我觉得有必要写一篇短文来科普一下，因为最近一个9年级学生说，她可不想再来一次Covid-19大流行了，因为她们全家就只有她出现了模糊的第二道杆，父母总是轮流地两道杆。

病毒的定义

病毒是可以在生物细胞内自我复制的、具有传染性的亚微物质。病毒以独立的粒子（Virion）形式存在，有三个部分：（1）一个由核酸分子（RNA或DNA）组成的核，病毒的核酸可以是单股或双股，也与核酸的种类无关。双股的病毒核酸是由两条互补配对的核酸链所组成，如同一个梯子。而单股的病毒核酸是一条没有配对的核酸链，如同一个梯子从中间分成两边的其中一边。（2）外层是蛋白衣壳，构成衣壳的单一蛋白质亚基称为“壳粒”（capsomere，又称次蛋白衣）。衣壳是由病毒基因组所编码的蛋白质组成的，结构复杂的病毒还会编码某些帮助构建衣壳的蛋白质。（3）有些病毒的核衣壳外面，还有一层由蛋白质、多糖和脂类构成的膜叫做“包膜”（envelope，又称套膜、外套膜），包膜上生有“刺突”（spike，又称棘突），如流感病毒。

病毒颗粒大约是细菌大小的千分之一，大多数病毒的直径在20-250纳米（nm）。某些丝状病毒的长度可达1400nm，但其宽度却只有约80nm。不同病毒的核酸的大小差别很大。最小的病毒基因组分子量只有10⁶道尔顿，编码4个蛋白质；最大的病毒基因组则有10⁸道尔顿，编码超过100个蛋白质。除了一些大的病毒体如痘病毒（poxvirus）,光学显微镜看不到病毒。只有1930年代造出电子显微镜后，人们才能看清病毒体的表面；其内部结构可以用透视电子显微镜（transmission electron microscope）探知。

病毒的形态一般可以分为以下四种：（1）螺旋形。一般为单股RNA病毒，也有少量单股DNA病毒。其核酸都透过静电相互作用与衣壳蛋白结合（核酸带负电而衣壳蛋白朝向中心的部分带正电）。用于定义这种螺旋形态的参数有两个：amplitude和pitch，前者即直径，而后者是指壳粒环绕一周后所前进的距离。（2）正二十面体。大多数的动物病毒为正二十面体或具有正二十面体对称的近球形结构。规则的二十面体是相同壳粒形成封闭空间的一个最优途径，可以使所需的能量最小化。形成二十面体所需的最少的等同的壳粒的数量为12，每个壳粒含有5个等同的亚基。但很少有病毒只含有60个衣壳蛋白亚基，多数正二十面体形病毒的亚基数量大于60，为60的倍数，倍数可以是3、4、7、9、12或更多。（3）包膜型。（4）复合型的病毒结构非常复杂，还可以有蛋白质组成的尾巴或复杂的外壁。

病毒存在于地球上的每一个生态系统中，它们是数量最为庞大的生物存在。可以说有生命的地方就有病毒；现在已经有超过1万1千种病毒被详细记录在案。病毒是介于生物与无生物之间的存在，因为无生物不会繁殖，生物的细胞可以自我复制，病毒需要使用某种糖蛋白依附于宿主细胞才能存活。

还有比病毒更小的存在：类病毒（Viroids）和朊毒体（Prions）。类病毒是植物病原体(Plant pathogens)，是单股、圆形的RNA分子；它们缺少由蛋白质形成的衣壳，也没有编码蛋白质的基因。然而，类似于病毒，它们可以在宿主细胞内再生。类病毒可以感染植物，是庄稼欠收、农业收入减少的原因之一。

朊毒体是具有感染性的蛋白质分子，不含核酸（DNA或RNA）。历史上，人们认为没有核酸的感染性物质是不可能的，但诺贝尔奖获得者Stanley Prusiner证明了它们的存在。虽然缺乏核酸，朊毒体依然能够复制，这是因为在生物体内存在与朊毒体具有相同序列但结构不同的正常蛋白质，而朊毒体可以使这些正常蛋白质的结构发生变化，转化为朊毒体，这样新产生的朊毒体又可以感染更多的正常蛋白质，使得朊毒体越来越多。虽然朊毒体与病毒或类病毒本质完全不同，但朊毒体的发现说明了，病毒可能进化自能够自我复制的分子。

病毒感染

病毒可以感染所有的生命形态，从动植物到微生物（包括细菌和古细菌）。感染的过程可以分为6个阶段：（1）附着（Attachment）：病毒衣壳蛋白与宿主细胞表面特定受体之间发生特异性结合。这种特异性决定了一种病毒的宿主范围。例如，艾滋病毒只能感染人类T细胞，因为其表面蛋白gp120能够与T细胞表面的CD4分子和受体结合。对于带包膜的病毒，吸附到受体上可以诱发包膜蛋白发生构象变化进而导致包膜与细胞膜发生融合。

（2）进入（viral entry）。病毒附着到宿主细胞表面之后，透过受体介导的胞吞或膜融合进入细胞。感染植物细胞时只有在细胞壁出现伤口时才能进入。细菌也有一层细胞壁，病毒必须通过这层细胞壁才能够感染细菌。某些病毒，如噬菌体，进化出一种感染细菌的机制，将自己的基因组注入细胞内而衣壳留在细胞外，进而减少进入细菌的阻力。

（3）脱壳（Uncoating）：病毒的衣壳遭到宿主细胞或病毒自己的酶降解破坏，病毒的核酸得以释放。（4）合成（Replication）：病毒基因组完成复制、转录以及病毒蛋白质合成。早期合成：由于病毒不自带酶系统，必须先利用宿主细胞的酶与细胞器来合成病毒的非结构蛋白（即复制所需的“酶”和用以阻断宿主自身合成转而用于病毒合成的“抑制蛋白”）。晚期合成：依据病毒基因组指令，复制核酸、合成结构蛋白与其他非结构蛋白。

（5）组装（Assembly）：将合成的核酸和蛋白质衣壳各部分组装在一起。通常DNA病毒（痘病毒除外）其衣壳蛋白会进入细胞核内与其核酸在细胞核内组装，而RNA病毒则两者直接在细胞质内组装。在病毒颗粒完成组装之后，病毒蛋白常常会发生修饰作用（成熟过程）。

（6）释放（Egress）：病毒体（Virions）释放出宿主细胞，以感染附近其它细胞并重复病毒的复制过程。无包膜病毒需要在细胞裂解（透过使细胞膜发生破裂的方法）之后才能得以释放，称作溶胞或溶菌（lysis）。对于包膜病毒则可以透过出芽（budding）的方式得以释放。在出芽的过程中，病毒需要从插有病毒表面蛋白的细胞膜结合，获取包膜。

病毒可以引起人类疾病。已经确定的有感冒、流感、水痘、麻疹等一般疾病，以及天花、艾滋病、SARS、禽流感和2019冠状病毒病等严重疾病。还有些疾病可能是以病毒为致病因子，例如：人疱疹病毒6型与某些神经性疾病；多发性硬化症和慢性疲劳综合征之间可能相关。此外，原本认为是马类神经系统疾病的致病因子的玻那病毒，现在发现其可能足以引起人类精神疾病。

病毒的致病机制与病毒的种类有关。在细胞层面，病毒主要的破坏作用是导致细胞裂解，进而引起细胞死亡。在多细胞生物中，一旦机体内有足够多的细胞死亡，就会对机体的健康产生影响。某些病毒能够引起慢性感染，可以在机体内不断复制而不受宿主防御系统的影响。受到慢性感染的人群即是病毒携带者，因为他们相当于储存了保持感染性的病毒。当人群中有较高比例的携带者时，这一疾病就可以发展为流行病。如果疾病传播到世界范围则称为瘟疫。

并非所有的病毒都会导致疾病，因为许多病毒的复制并不会对受感染的器官产生明显的伤害。某些病毒，如艾滋病毒，可以与人体长时间共存，并且依然能保持感染性而不受到宿主免疫系统的影响，即“病毒持续感染”（viral persistence）。细菌这样的微生物也具有抵御病毒感染的机制，如限制修饰系统。植物病毒也不会感染动物。

病毒防治

因为病毒使用宿主细胞来进行复制并且寄居其内，因此很难用不破坏细胞的方法来杀灭病毒。抗生素对病毒没有任何作用，但用于治疗病毒感染的抗病毒药物已经研发出来。常用的抗病毒药物常是核苷类似物，它们缺少与磷相连、能够形成DNA“骨架”的羟基，能造成DNA的链终止，进而抑制病毒的增殖。其他使用中的抗病毒药物是针对病毒生长周期的不同阶段，如蛋白酶抑制剂类的药物可以使HIV-1蛋白酶失活。

现在最积极的对付病毒的方法是接种疫苗来预防病毒感染。在通常情况下，病毒感染能够引发免疫反应，消灭入侵的病毒。而这些免疫反应可以通过注射疫苗来产生，使接种疫苗的人或动物能够终生对相应的病毒免疫。疫苗可以用活的病毒、灭活的病毒，或者病毒的分子单元（molecular subunits）来准备。灭活疫苗和分子单元病毒均不会引起疾病。

活体病毒疫苗（live viral vaccines）是在实验室中设计的，它引起受体的一系列症状、并使受体对进一步的感染获得免疫保护。活体疫苗通常是在组织（tissues）中培植该病毒，稀释（减弱）其活性，或者改变病毒在宿主中的温度。这些适应性的改变使得病毒的基因组发生变异，让它们能够在实验室中成长，而当注入宿主后又能限制它们的致病能力；由于它们不能迅速地成长，宿主可以有时间发展免疫反应，从而免于生病。使用活体疫苗有一定的风险，因为它们可能因为变异而重新适应宿主的环境，回到致病形态。

有些病毒如流感、Covid-19具有很高的变异率，疫苗的研发必须持续不断地进行。流感疫苗、麻疹疫苗每年都得打。Covid-19已经肆虐人间5年了，其变异已经有几十种了，疫苗研发却停止了；因为疫苗导致的后遗症层出不穷，一点小毛病的并发症后果很是严重。可悲的是，它是从哪里来的、怎么来的，人类至今都不清楚。