编者按：这篇文章最初发表在《大众科学》2004年12月刊。
在20世纪50年代经典电视喜剧《蜜月期》的一集中，布鲁克林巴士司机拉尔夫·克拉姆登大声向妻子爱丽丝解释说：“你知道我知道你很容易感染病毒。” 半个世纪前，即使是像克拉姆登夫妇这样的普通人也对病毒有所了解——将其视为微小的疾病传播者。 然而，几乎可以肯定的是，他们并不确切知道病毒是什么。 他们过去和现在都不是孤单的。
大约100年来，科学界对病毒的本质反复改变集体认知。 最初被视为毒物，然后是生命形式，再后来是生物化学物质，如今病毒被认为处于生物和非生物之间的灰色地带：它们不能自行复制，但可以在真正的活细胞中复制，并且还能深刻地影响宿主的行为。 在现代生物科学的大部分时期，将病毒归类为非生物，产生了一个意想不到的后果：它导致大多数研究人员在进化研究中忽视了病毒。 然而，最终，科学家们开始认识到病毒是生命历史中的基本参与者。
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达成共识
很容易理解为什么病毒难以归类。 它们似乎随着用于检查它们的不同角度而变化。 最初对病毒的兴趣源于它们与疾病的关联——“病毒”一词源于拉丁语中表示“毒药”的词汇。 在19世纪后期，研究人员意识到某些疾病，包括狂犬病和口蹄疫，是由似乎像细菌但体积小得多的颗粒引起的。 因为病毒本身显然是生物性的，并且可以从一个受害者传播到另一个受害者，并产生明显的生物学效应，所以病毒当时被认为是所有活着的、携带基因的生命形式中最简单的。
它们被贬为惰性化学物质是在1935年之后，当时温德尔·M·斯坦利和他的同事在现在的纽约市洛克菲勒大学首次结晶了一种病毒——烟草花叶病毒。 他们看到它由一包复杂的生物化学物质组成。 但它缺乏代谢功能、生命生化活动所必需的基本系统。 斯坦利因这项工作分享了1946年诺贝尔奖——是化学奖，而不是生理学或医学奖。
斯坦利和其他人的进一步研究表明，病毒由核酸（DNA或RNA）组成，包裹在蛋白质外壳中，蛋白质外壳也可能保护参与感染的病毒蛋白。 按照这种描述，病毒似乎更像一个化学试剂盒，而不是一个生物体。 但是，当病毒进入细胞（感染后称为宿主）时，它远非不活跃。 它脱去外壳，露出基因，并诱导细胞自身的复制机制来复制入侵者的DNA或RNA，并根据病毒核酸中的指令制造更多的病毒蛋白。 新创建的病毒片段组装起来，瞧，更多的病毒产生了，它们也可能感染其他细胞。
这些行为使许多人认为病毒存在于化学和生命之间的边界。 更富有诗意的是，法国斯特拉斯堡大学的病毒学家马克·H·V·范·雷根莫特尔和美国疾病控制与预防中心的布莱恩·W·J·马希最近表示，由于病毒依赖宿主细胞，它们过着“一种借来的生命”。 有趣的是，尽管生物学家长期以来倾向于认为病毒仅仅是化学物质的盒子，但他们利用病毒在宿主细胞中的活动来确定核酸如何编码蛋白质：事实上，现代分子生物学的基础是建立在通过病毒获得的信息之上的。
分子生物学家继续结晶了细胞的大部分基本成分，并且今天习惯于将细胞成分——例如，核糖体、线粒体、膜、DNA和蛋白质——视为化学机器或机器使用或生产的东西。 这种对执行生命过程的多种复杂化学结构的接触，可能是大多数分子生物学家不花大量时间思考病毒是否是活的的原因。 对他们来说，这种练习可能等同于思考那些单个亚细胞成分是否自身是活的。 这种短视的观点使他们只能看到病毒如何利用细胞或引起疾病。 关于病毒对地球生命历史的贡献这一更广泛的问题，我将在稍后讨论，但在很大程度上仍然没有得到解答，甚至没有被提出。
生存还是毁灭
关于病毒是否是活的这个看似简单的问题，我的学生经常问，可能多年来一直没有简单的答案，因为它提出了一个根本问题：究竟是什么定义了“生命”？ 生命的精确科学定义是难以捉摸的，但大多数观察家都会同意，除了复制能力之外，生命还包括某些特质。 例如，一个生命实体处于出生和死亡所界定的状态。 生物也被认为需要一定程度的生化自主性，进行代谢活动以产生维持生物体所需的分子和能量。 这种程度的自主性对于大多数定义至关重要。
然而，病毒几乎寄生于生命的所有生物分子方面。 也就是说，它们依赖宿主细胞提供核酸合成、蛋白质合成、加工和运输以及所有其他允许病毒繁殖和传播的生化活动所需的原材料和能量。 因此，人们可能会得出结论，即使这些过程受病毒的指导，病毒也仅仅是活着的代谢系统的非生物寄生虫。 但是，在确定是活着的和不是活着的之间可能存在一个谱系。
石头不是活的。 一个代谢活跃的囊，没有遗传物质和繁殖潜力，也不是活的。 然而，细菌是活的。 尽管它是一个单细胞，但它可以产生能量和维持自身所需的分子，并且它可以繁殖。 但是种子呢？ 种子可能不被认为是活的。 然而，它具有生命的潜力，并且可能会被摧毁。 在这方面，病毒更像种子，而不是活细胞。 它们具有一定的潜力，这种潜力可能会被扼杀，但它们没有达到更自主的生命状态。
思考生命的另一种方式是将其视为某些非生物事物集合的涌现特性。 生命和意识都是涌现复杂系统的例子。 它们各自需要一个临界水平的复杂性或相互作用才能达到各自的状态。 单独一个神经元，甚至在神经网络中，都不是有意识的——需要整个大脑的复杂性。 然而，即使是完整的人脑也可能在生物学上是活着的，但却无法意识，或者“脑死亡”。 同样，细胞或病毒的单个基因或蛋白质本身也不是活的。 去核细胞类似于脑死亡状态，因为它缺乏完全的临界复杂性。 病毒也未能达到临界复杂性。 因此，生命本身是一种涌现的复杂状态，但它是由构成病毒的相同基本物理构建块构成的。 从这个角度来看，病毒虽然不是完全活着的，但可以被认为不仅仅是惰性物质：它们接近生命。
事实上，在十月份，法国研究人员宣布了一些新发现，这些发现再次说明了某些病毒可能有多么接近生命。 马赛地中海大学的迪迪埃·拉乌尔和他的同事宣布，他们已经对已知最大的病毒——拟菌病毒的基因组进行了测序，该病毒于1992年被发现。 该病毒的大小与小型细菌差不多，会感染阿米巴原虫。 对该病毒的序列分析表明，存在许多以前认为只存在于细胞生物中的基因。 其中一些基因参与制造病毒DNA编码的蛋白质，并且可能使拟菌病毒更容易利用宿主细胞复制系统。 正如该研究团队在《科学》杂志上的报告中指出的那样，拟菌病毒基因组的巨大复杂性“挑战了病毒和寄生细胞生物之间已建立的界限”。
对进化的影响
关于是否将病毒标记为活着的争论自然而然地引出了另一个问题：思考病毒作为生物或非生物的状态，是否不仅仅是一种哲学练习，是一种活泼而激烈的修辞辩论的基础，但实际上没有什么真正的后果？ 我认为这个问题很重要，因为科学家如何看待这个问题会影响他们对进化机制的思考。
病毒有其自身古老的进化历史，可以追溯到细胞生命的起源。 例如，一些病毒修复酶——切除和重新合成受损的DNA，修复氧自由基损伤等等——是某些病毒特有的，并且可能已经存在了数十亿年，几乎没有变化。
然而，大多数进化生物学家认为，由于病毒不是活的，因此在试图理解进化时，它们不值得认真考虑。 他们也认为病毒来自宿主基因，这些基因不知何故逃离了宿主并获得了蛋白质外壳。 在这种观点中，病毒是已经退化为寄生虫的逃逸宿主基因。 并且，由于病毒因此被生命网络排除在外，它们可能对物种起源和生命维持做出的重要贡献可能会被忽视。 （事实上，2002年版《进化百科全书》的1205页中只有4页专门讨论病毒。）
当然，进化生物学家并不否认病毒在进化中起过一定的作用。 但是，通过将病毒视为无生命的，这些研究人员将它们与气候变化等影响归为同一类。 这种外部影响在具有不同遗传控制特征的个体中进行选择； 那些最能够在面对这些挑战时生存和繁荣的个体，将继续最成功地繁殖，从而将其基因传播给后代。
但是，病毒直接与生物体交换遗传信息——也就是说，在生命网络本身之内。 对大多数医生，甚至可能对大多数进化生物学家来说，一个可能的惊讶是，大多数已知的病毒是持久且无害的，而不是致病的。 它们在细胞中定居，在那里它们可能会长期处于休眠状态，或者利用细胞的复制装置以缓慢而稳定的速度繁殖。 这些病毒已经开发出许多巧妙的方法来避免被宿主免疫系统检测到——基本上免疫过程的每一步都可以通过在一种或另一种病毒中发现的各种基因来改变或控制。
此外，病毒基因组（DNA或RNA的完整补充）可以永久性地在宿主中定殖，将病毒基因添加到宿主谱系中，并最终成为宿主物种基因组的关键部分。 因此，病毒肯定具有比外部力量更快、更直接的影响，而外部力量只是在更缓慢产生的内部遗传变异中进行选择。 庞大的病毒种群，加上它们快速的复制和突变率，使它们成为世界领先的基因创新来源：它们不断“发明”新基因。 并且，病毒来源的独特基因可能会传播，进入其他生物体并促进进化变化。
国际人类基因组测序联盟发布的数据表明，在细菌和人类基因组中存在的113到223个基因，在介于这两个进化极端之间的充分研究的生物体（如酵母菌酿酒酵母、果蝇黑腹果蝇和线虫秀丽隐杆线虫）中却不存在。 一些研究人员认为，这些在细菌之后但在脊椎动物之前出现的生物体，只是在它们进化历史的某个时刻丢失了有问题的基因。 其他人则认为，这些基因是通过入侵细菌直接转移到人类谱系中的。
我和俄勒冈健康与科学大学疫苗和基因治疗研究所的同事维克多·德菲利皮斯提出了第三种选择：病毒可能起源于基因，然后在两个不同的谱系中定殖——例如，细菌和脊椎动物。 一个显然由细菌赋予人类的基因，可能是由病毒赋予两者的。
事实上，我和澳大利亚悉尼麦考瑞大学的菲利普·贝尔以及其他研究人员认为，细胞核本身起源于病毒。 细胞核的出现——它将真核生物（细胞中含有真核的生物体），包括人类，与原核生物（如细菌）区分开来——不能仅仅用原核细胞的逐渐适应来满意地解释，直到它们变成真核细胞。 相反，细胞核可能是从一种持续存在的大型DNA病毒进化而来的，这种病毒在原核生物中永久定居。 对这一观点的一些支持来自序列数据，这些数据表明，感染细菌的T4病毒中的DNA聚合酶（一种DNA复制酶）基因与真核生物和感染它们的病毒中的其他DNA聚合酶基因密切相关。 巴黎-萨克雷大学的帕特里克·福尔特雷也分析了负责DNA复制的酶，并得出结论，真核生物中此类酶的基因可能起源于病毒。
从单细胞生物到人类群体，病毒影响着地球上的所有生命，经常决定着什么能够生存。 但是，病毒本身也在进化。 新病毒，如引起艾滋病的HIV-1，可能是研究人员实际上可以见证产生的唯一生物实体，提供了进化在行动的实时例子。
病毒对生命至关重要。 它们是生物学和生物化学世界之间不断变化的边界。 随着我们继续解开越来越多生物体的基因组，来自这个动态而古老的基因库的贡献应该会变得显而易见。 诺贝尔奖获得者萨尔瓦多·卢里亚在1959年思考了病毒对进化的影响。 他写道：“我们难道不觉得，在病毒中，在它们与细胞基因组融合并从中重新出现的过程中，我们观察到了在进化过程中创造了所有活细胞基础的成功遗传模式的单位和过程吗？” 无论我们是否认为病毒是活的，现在都应该承认并在其自然背景下——在生命网络中——研究它们。