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地球的演变:从寂静走向喧嚣

2020-4-22 11:53:25 来源:中国矿业报 作者:苑坤

45亿年前

地球,已经有46亿年的历史了。

最初,围绕在太阳周围的小行星发生了碰撞,碰撞的结果便是这个我们今天称之为“地球”的圆形的、大大的、浮着的球体。

当然,那时的地球看起来一点也不像现在这样。那时,这个星球上很热,到处都是爆发的火山。

与此同时,大约45亿年前,月球诞生了。它也源于一次星球碰撞,而不同的是,这次是一颗火星大小的忒伊亚行星撞上了地球,月球就是当时碰撞后忒伊亚留下的碎片。

在接下来的10亿年里,不断有流星撞上地球,很多流星都携带着少量的冰。慢慢地,慢慢地,地球就充满了水。

39亿年前

39亿年前,海洋深处诞生了地球上第一个有机的发光体。又经过许多年,火山不断爆发,逐渐形成了岛屿,这些岛屿又被地球的板块所移动。

3.75亿年前

3.75亿年前,臭氧层变厚,阳光中的紫外线无法通过厚厚的臭氧层,这使得地球上的辐射减少了,为陆地上的生命创造了一个完美的生存场所。

在此之前,动物的活动范围、包括产卵均在水中进行,直到有一只蜥蜴将卵产到了岸上,这一个小小的细节改变了一切。动物终于可以离开水,并开始征服陆地。经过许多年,这些动物的四肢越来越强壮,可以更加自由地在陆地上移动。

直到4.5亿年前,在地球的大气中和海洋中发现氧气后,海洋生物奇迹般地开始繁荣生长。

4.5亿年前

在人类出现之前的6.5亿年里,第一个冰河时代出现了。在那个时代,冰覆盖了整个地球,无论你看向哪里,入眼的都只有白色,所以这个时期的地球,又被称为“雪球”。

6.5亿年前

2亿年前

6500万年前

渐渐地,哺乳动物开始繁衍。一种类似猴子一样的食肉动物慢慢学会使用工具和双腿站立,而这个小小的细节正式宣布人类时代的开始。

生物多样性,地球因你而精彩

□ 宋腾

早在人类出现之前,病毒就占领了这颗星球,历经高温、酷寒或干旱等极端条件,到现在病毒仍然无处不在………病毒在人类的DNA中更是留下了丰富的信息,人类DNA片段中8%来自病毒,说它们是我们亲缘有点远的祖先也不为过………病毒在某种意义上是致病的,但它们也赋予了这个世界必不可少的创造力。

——《病毒星球》,卡尔·奇默

病毒的发现

19世纪末,荷兰农场的烟草作物经常感染一种被称为“烟草花叶病”的疾病,会在叶片上出现发黄、泡斑、畸形等症状。一株发病,附近植株几乎全都受影响,导致烟草大量歉收。

一位名叫马丁努斯·拜耶林克的荷兰生物学家对这种疾病进行了研究。他从得病的植株里提取出汁液,用精细过滤器过滤后得到一种澄清的液体。而将这种液体注入健康植株后,健康植株就会发生感染。他同时发现,这些过滤得到的澄清溶液在浸泡酒精、高温加热后仍具有染病能力;甚至将溶液中的水蒸发干燥后,再次加入水,形成的新溶液仍具有染病能力。拜耶林克认为,这种“有传染性的活液”中存在一种看不见的物质,具有使植株发病的能力,并称其为“病毒(Virus)”。这是人类历史上第一次发现病毒。

但那时人类还看不到病毒的“真身”。直到20世纪30年代,美国科学家温德尔·斯坦利使用结晶法从拜耶林克的“神奇活液”中获得了乳白色、细针状、状似食盐的病毒晶体。之后,随着显微镜技术的发展,人们逐渐看清了病毒的真实面貌,并查明了它的微观结构。

病毒的特征

病毒是人类目前已知的最小的生命体。它同所有生物体一样,具有遗传、变异、进化的能力。病毒的结构极其简单,主要由核酸(DNA或RNA)和蛋白质组成。核酸是病毒的基因组,是病毒粒子中最重要的成分,是遗传信息和生物活力的物质基础,也是病毒分类鉴定的重要依据。病毒的蛋白质分为结构蛋白和非结构蛋白。前者主要构成衣壳,起保护遗传物质的作用;后者则充当冲锋陷阵的“先头部队”,可以与宿主细胞表面结合,使病毒核酸能够侵入细胞内部进行增殖。

在电子显微镜下,病毒可观察到5种基本形态:球状体、丝状体、砖状体、弹状体和蝌蚪状体。大多数感染人类和脊椎动物的病毒形态为球状,如疱疹病毒、腺病毒等。2020年在全球肆虐的新冠病毒(COVID-19)除了具有球状体特征外,还可观察到外膜上明显的棒状粒子突起,形态神似古代帝王的皇冠。

病毒有高度的寄生性,完全依赖宿主细胞的能量和代谢系统获取生命活动所需的物质和能量。离开宿主细胞,它只是一个大化学分子;遇到宿主细胞,它会通过吸附、进入、复制、装配、释放子代病毒而显示典型的生命体特征。所以,病毒是介于生物与非生物的一种原始的生命体。

病毒的起源

病毒是地球最原始、最基础的生命体之一,它的起源和进化与细胞生物相随相生。

关于病毒的起源,目前学界仍众说纷纭,主要存在三种假说:第一种是原始大分子学说,认为病毒是地球上最原始的生命物质,产生于化学进化之后,地球上的生命演化历程遵循无机物→有机物→化学大分子→病毒→原核生物→真核生物的演化历程。由于目前尚未找到地球早期的病毒化石,所以此假说缺乏实物证据。

第二种是退化性学说,认为病毒是高级微生物的退行性生命物质,是由细菌→类似立克次氏体类生物→类似衣原体类生物→病毒演化而来。但目前也未在相应的生物体内找到足够的证据。

第三种是内源性假说,认为病毒来源于正常细胞的核酸。这种假说可部分解释DNA病毒的起源,但对RNA病毒仍证据不足。

总而言之,由于病毒的起源是复杂和多元化的,人类对病毒的起源研究仍处于理论推测阶段,需要综合各种新的理论与新的视角开展更深入的探索。解决病毒起源的谜题,是科学界正在努力的方向。

病毒的进化

从进化的角度来说,病毒是高度进化的生命,并时刻处于高速进化中,其变异频率之快、变异能力之强,远超地球绝大多数生物体。在适宜的条件下,病毒的基因变异可表现出一定的“量子”特征,繁殖速度可高于宿主一百余倍。因此,研究病毒进化的机制十分关键。

病毒进化的机制主要有以下几种:

(1)基因突变,又分为自发突变和诱发突变。由于病毒核酸链短,基因数量少,且缺少起修复功能的酶,因此遗传物质在复制过程中产生错误的几率较高。据统计,某些RNA病毒的基因复制配错率比宿主细胞高出一百万倍左右。这种极高的突变率是病毒能够迅速适应环境的原因之一。

(2)病毒间遗传信息交换。不同病毒通过重组、重配交换遗传信息,如同有性生物的父体和母体一样,通过基因混合创造出一种全新的病毒类型。这种新的病毒可能同时携带了原病毒的多种适应性状,因而具有更强大的环境适应能力。

(3)自然选择。一般而言,能存在于自然界的完整病毒必须总是先于宿主进行适者生存的选择,或通过产生大量子代病毒(DNA病毒)快速繁殖,或通过快速变异产生多样性(RNA病毒)适应宿主,也可通过扩大选择宿主范围来适应环境变化。

病毒与人类

病毒与细胞基因组之间存在的遗传信息交换也是病毒进化的一种方式。许多病毒基因组中都存在与宿主高度同源的序列,典型的例子就是存在于所有有颚脊椎动物基因组中的内源性逆转录病毒(Endogenous retroviruses,ERV)。

该病毒原本只是普通的逆转录病毒,在入侵生物体后,一部分病毒将基因插入生物体生殖细胞内,由于生殖细胞的免疫功能较强,部分细胞会将病毒制服,使病毒发生突变失去感染能力,并随生殖细胞传递到新个体中,成为宿主生物体基因组的一部分。该病毒整合到宿主基因组中后,仍可以复制自身的DNA,并重新插入宿主基因组,形成内源性逆转录病毒。

这样日积月累,经过数百万年的演化,生物体内的内源性逆转录病毒数量惊人。据研究,在人类体内,每个细胞中约有近10万个内源性逆转录病毒的DNA片段,占人类DNA总数量的8%,而人类基因组中总共才2万个负责蛋白质编码的基因,仅占1.2%。这些数量庞大的内源性逆转录病毒,是人类祖先在进化过程中不断感染病毒的证据。

病毒与地球

由于病毒具有上述进化特点,因此它可以轻松适应各种环境,哪怕是人类认为的“不毛之地”。

在墨西哥奇瓦瓦州东南部的沙漠中,有一条寸草不生的山脉——奈卡山脉。那里地下300米处存在一个发育巨大石膏晶体的“水晶洞”,是在2600万年前由于火山活动形成的。在岩浆烘烤下,洞中水温极高,矿物大量析出,形成晶体,一直以来与世隔绝。然而,洞中水的检测结果让人大跌眼镜,该洞每一滴水中都有上亿个病毒,90%是人类从没见过的类型。

在地球上,无论是河流、海洋、湖泊,甚至是南极冰盖、地壳深处,都能发现病毒的身影,可谓无处不在。地球上究竟有多少病毒?数量十分惊人。据海洋生物学家约翰·西伯思统计,每升海水中有多达1000亿个病毒颗粒。据此推算,地球的海洋中大约存在1×1031个病毒,远超人类认为的宇宙中星体的数量(1×1025),这还没考虑其他水体和生物体中的病毒数量。病毒的总体质量,也远远超过任何一种生命体。可以说,我们的地球是一颗真正的“病毒星球”。

如何看待病毒?不少人“谈毒色变”,唯恐避之不及。其实大可不必。我们每个人都生活在病毒的包围中,甚至生活在病毒维持的环境中,我们的生活一时一刻都离不开病毒。包括人类在内的地球生物体已经与病毒共同相处了几亿年,在大部分时间里,病毒都是与我们共同进化的。我们的祖先感染过大量的病毒,也同化了大量的病毒,这种印记至今烙在我们的DNA里。病毒中只有极小部分会感染人类或者其他动植物,它们最常见的目标是细菌和其他单细胞微生物。人类甚至利用这种特性,研发出了细菌性疾病的治疗方法(噬菌体疗法)。

病毒还是一座基因多样性的大宝库。正是它们不停地突变、重组、重配,形成了基因的流动和变化,推动了整个生物圈的进化。人类之所以是现在的模样,同样离不开病毒的改造。1999年,法国科学家让·吕克·布隆发现了一种控制人体内合胞素生成的内源性逆转录病毒。合胞素是一种对人类生殖特别重要的蛋白质,它能够使胎盘外层的细胞黏着在一起,从而让分子在细胞间顺畅流通。没有合胞素,人类就无法出生。然而布隆的研究表明,这种控制合胞素产生的基因来自一亿年前感染哺乳动物共同祖先的一种病毒。我们的祖先正是在制服、同化了这种病毒之后,产生了胎生的能力,从而进入全新的进化阶段。

病毒还是地球碳循环的重要环节,每天死于病毒袭击的细菌多达数万亿个,这样就将数十亿吨的碳元素释放出来,从而可以被其他生物所利用。石油和天然气等人类目前最重要的化石能源的形成,很大程度上也得益于病毒的作用。正是病毒造成了海洋、湖泊等水体中微生物的大量死亡、沉降,连同病毒的遗体一起沉积,才形成了可以生成油气的烃源岩。

保持地球生态平衡

就是保护人类自身

随着科技的发展,人类改造环境的能力越来越强,而与我们伴随的生物却越来越少。地球本是一个生物多样化,物种之间相互平衡、共同进化的和谐环境,然而我们却打破了这一平衡。

河流湖泊枯竭、海洋环境污染、南北极冰川融化、森林大量消失、生物接连灭绝,越来越多的迹象反映了我们对地球母亲的肆意妄为。席卷全球的病毒性疾病越来越多,一些本来潜藏在其他动物体内的病毒被释放出来,人类不得不自食苦果。自然环境中的化学污染不断扩散,生态系统中污染物的浓度和种类日益增加,然而对病毒这样的简单生物来说,多个污染物的联合效应不仅不会造成它的衰亡,反而会导致其加速突变,甚至可能在短时间内完成大幅度进化,形成“超级病毒”,其后果是人类无法预测的。

人类大量使用药物虽然能够在短期内自我治愈,但在一段时间却诱导了病毒的突变方向,形成药物选择,伴随的结果只能是陷入“耐药株的出现、检测试剂的失效、传统疫苗的失败、新的病毒性疾病的出现”恶性循环。

人类的自我救赎之路只有一条,那就是恢复物种多样性,维护生态环境,保护好我们的地球母亲,让包括病毒在内的各种生命体各得其所、复归本原。少一份对地球的破坏,多一份对地球的呵护——我们每个人都义不容辞。□

(本版稿件由自然资源部中国地质调查局油气资源调查中心提供)

网站编辑:宫莉

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