1.病毒生命形式的两重性?
(1)病毒的生命活动很特殊,对宿主细胞有绝对的依存性病毒,它寄生的宿体,决定了其存在形式只能有二个:一个是细胞外形式,一个是细胞内形式。存在于寄主细胞之外的环境时,则不显示出任何复制活性,但却保持住了感染活性,它是病毒以病毒体或病毒颗粒存在的一种形式。当病毒体进入宿主细胞内后,则解体释放出核酸分子(DNA或RNA),借细胞内环境的合适条件,以它顽强独特的生命活动体系进行遗传物质的复制,此时,它是病毒以核酸分子形式存在的。
(2)病毒的结晶性与非结晶性
病毒可提纯为规则的细小结晶体。我们知道,结晶体是一个理化概念,是很多无机物和有机大分子存在的一种形式。我们可以认为,自然界里的病毒有化学结晶型和生命活动型的两种形式。
(3)颗粒形式与基因形式
若病毒以核衣壳包着蛋白颗粒的形式,游离在其他生物细胞之外,此时,它只具感染性,而不显示任何生命特征。一旦游离态的病毒感染寄主细胞,而在细胞内释放出核酸基因组,它就要开始进行遗传物质的复制和增殖等生命活动,并陆续产生无数新的子代病毒。有的病毒基因组,还会和寄主细胞的基因组融合为一体,就会随寄主细胞的繁殖而增殖,此时细胞内的病毒即以基因形式进行增殖,而不是以颗粒形式进行增殖,这是“狡猾”的病毒潜伏感染的一种方式。
2.病毒结构和功能的两重性
(1)标准病毒与缺陷病毒
在病毒的世世代代增殖过程中,由于它的基因组会受到某种微环境因素的影响,或在转录过程中出现错误,而发生基因突变,以致有装配不全的子代病毒颗粒产生,这种病毒称为缺陷病毒。产生这些缺陷病毒的原亲代病毒,则称为标准病毒,而缺陷病毒颗粒,有干扰标准病繁殖的作用。
(2)假病毒与真病毒
这是一种寄主细胞受到两种病毒同时感染的情况。在病毒增殖过程中,一种病毒的核酸可以穿上本身的蛋白质外壳或囊膜,这种病毒叫作真病毒,是这种病毒本来就应有的“面目”。如果一种病毒的核酸,披上另一种病毒编码的蛋白质外壳或囊膜,那么它就被称为假病毒,此时一种病毒的本来“面目”,被另一种病毒的“假象”所掩盖。
(3)杂种病毒和纯种病毒
当两种病毒混合感染同一个宿主细胞时,除了会出现假病毒外,还有可能出现病毒核酸重组的情况,即一种病毒颗粒的蛋白质外壳或囊膜之中,可能同时含有两种病毒的遗传物质,这样的病毒就称为杂种病毒。而那些一种病毒颗粒的蛋白质外壳或囊膜之中只含有一种病毒的遗传物质,这样的病毒才是纯种病毒。
3.病毒病理学的两重性
(1)病毒的致病性和非致病性
关于病毒的致病性和非致病性问题,是相对于宿主细胞的健康水平而言的。在分子水平、细胞水平和机体水平的三种不同层次上,可能有不同的含义。在细胞水平上,病毒有细胞病变作用,但在机体水平上,病毒可能并不显示临床症状,此种情况可称之为亚临床感染或隐性感染。
(2)病毒感染的急性和慢性
病毒感染寄主细胞所致的临床症状,有急性、慢性之分。有的病毒,一般只表现为急性感染,而很少表现为慢性感染;有的则既有急性感染过程,也有慢性感染过程。
综合上述关于病毒的几点讨论,我们大致可以推断出以下几种结论:
病毒,是在新陈代谢上无活性,有感染性,而对寄主不一定有致病性的生物因子。它们普遍小于细胞,但大于大多数大分子。它们无一例外地在其他生物细胞内进行繁殖,它们含有一个蛋白质外壳和一种核酸(DNA或RNA),有的病毒甚至只含有核酸而没有蛋白质外壳,或只有蛋白质外壳而没有核酸。它们作为一种大分子物质,似乎显得太复杂,而作为一种生物体,它们的生理和复制方式,虽然简单,但又千姿百态。
4.病毒大家族
我们知道,自从1898年荷兰细菌学家贝杰林克首次提出了“病毒”的这个概念以来,一晃已经过去100多年的时间了。而人类发现的病毒种类,也由最初的几十种、几百种,发展到现在的4000多种,为了让这么多的病毒,能够得到科学的命名和分类,国际病毒分类委员会,已经提出和多次修订了病毒的命名和分类原则,并且建立了由目、科(亚科)、属和种分类构成的病毒分类系统。目前,病毒分类学这一门重要的基础学科,已逐步走向完善,并逐渐成熟起来。
按照病毒的寄主生物不同类别来划分,病毒这个大家族可以大致分为“细菌病毒”、“真菌病毒”、“植物病毒”和“动物病毒”。此外,还有更加专业的分法,是根据病毒的基因组成和遗传物质复制方式,把病毒划分为DNA病毒、DNA与RNA逆转录病毒、RNA病毒和亚病毒四大类。植物病毒和动物病毒前面已经介绍过了,这里补充介绍一下细菌病毒和真菌病毒。
(1)细菌病毒
细菌病毒,是以细菌类生物为宿主的病毒,又称噬菌体,它是由特沃特于1915年和德埃雷尔于1917年分别发现。
只有在电子显微镜下,才可发现大多数细菌病毒,与动植物病毒有许多不同。它们具有头和尾结构的复合形态。按照尾部的不同,又可分为长、短和具有能收缩的尾鞘3种类型。
另外,有两类十分特别的小二十面体细菌病毒,它是没有尾的:一类病毒是在12个角顶上,各有1个结节,外观呈桑葚状;另一类则没有这种结构。
也有少数细菌病毒的形状为760×6~1950×6纳米的长丝或等轴的多面体,各角顶有刺突或刷状刺突。
那种有头有尾复合形态的细菌病毒,头部为1个立体对称的多面体结构,这个头部一般直径50~60纳米,有的甚至达130纳米以上。
(2)真菌病毒
真菌病毒——蘑菇病毒
真菌病毒,是一种以真菌为宿主的病毒。在真菌的各大类群中,都发现过病毒寄生,约有100种真菌可以被病毒寄生感染,包括一种病毒侵染几种真菌情况,和一种真菌同感染几种病毒的情况。
真菌病毒是不能以常规的摩擦或混合接种方法侵染的菌体。病毒无明显传染致病力。
在自然条件下,真菌病毒不是以细胞广泛裂解的方式释放,而是随着菌体胞质割裂,产生有性或无性孢子的方式,传到后代——纵向传播。
或者由于病毒、健康的可亲的菌丝、孢子之间发生融合,发生胞质交换,病毒趁机随之传播——横向传播。因而,自然界中寄主生物中异核体的形成,是病毒自感病细胞传入健康细胞的一种重要方式。种内和种间的不可亲和性,导致传染途径受限,这也是真菌病毒天然寄主范围狭窄、传播速度慢的原因。
(3)植物病毒
植物病毒是一种能感染高等植物、藻类等真核生物的病毒。
病毒想要入侵植物细胞是不太容易的,因为植物细胞最外层有以纤维素为材料构成的细胞壁,这足以抵抗住所有病毒的侵入,因而植物病毒必须等待时机,趁植物受伤时,通过寄主的伤口方能侵入植物体内。实验室内常用摩擦叶面造成轻微伤口来接种某些植物病毒。农田操作、人口移植、摘心、整枝、打杈时手沾染含病毒的汁液,均可造成病毒传染。病毒也可通过嫁接或植物根在土壤砂砾中伸长时所造成的伤口而传染。但在自然界中,植物病毒最重要的传播媒介是节肢动物门中的昆虫和螨类。某些昆虫传播植物病毒的一个重要特点是:病毒既能在植物体内也能在昆虫体内繁殖。传播介体除昆虫外,还有真菌、线虫、兔丝子等。
植物体内没有像高等动物那样的有完善的体液免疫和细胞免疫系统,机体受到感染后病毒能在植物体内无限期地存活,直到可怜的寄主死亡的那一天为止,或通过营养繁殖体和块茎、块根、蔓藤、枝条等继续传播。除个别的可通过花粉传染(如大麦条纹花叶病毒)外,一般植物病毒很难进入受到严密保护的植物茎尖的分生组织,也不能通过植物的种子传播。
绝大多数植物病毒是由核酸构成的核心与蛋白质构成的外壳组成的,极少数还含有脂肪和非核酸的碳水化合物。植物病毒核酸类型有单链RNA、双链RNA、单链DNA和双链DNA四种。但绝大多数植物病毒只含单链RNA,也没有囊膜,其外壳蛋白亚基或呈二十面体对称,或呈螺旋式对称排列,形成球状或棒状颗粒。大多数植物病毒是由单一种外壳蛋白组成形态大小相同的亚基,再由这些亚基进一步组成外壳。外壳内含有携带其全部基因的病毒核酸。有的植物病毒的核酸分成1~4段,分别装在外壳相同的颗粒中,如烟草脆裂病毒的RNA分成两段,分别装在两种颗粒中,分子量大的一段装在长棒状颗粒中,小的一段装在短棒中,故称二分体基因病毒;又如雀麦花叶病毒的RNA分成4段,RNA1、RNA2、RNA3和RNA4分别装在外形大小相同的3种球形颗粒中,故称三分体基因组病毒。二分或三分总称为多分体基因组病毒。
(4)脊椎动物病毒
脊椎动物病毒是一种以脊椎动物(包括人类)为宿主的病毒。由于脊椎动物独特的特异性抗体和细胞免疫系统的进化,免疫系统发展得比无脊椎动物完善,因此,被病毒感染后脊椎动物机体的反应十分显著,这种机体的强烈反应对病毒遗传变异的影响也比较突出。脊椎动物受病毒感染后,多数表现为短期的急性或隐性的感染,如流行性乙型脑炎病毒和森林脑炎病毒,在人体所引起的显性或隐性感染都是短期的。但在其媒介(蚊或蜱)体内由于这些媒介没有特异性免疫,病毒可以在它们体内长期繁殖存在。脊椎动物病毒在漫长的进化过程中与其宿主和周围环境进行复杂的相互影响,病毒的结构功能也发生复杂的变化,出现了不同的传播途径的病毒。有的通过媒介昆虫的叮咬而进入机体,有的通过呼吸道或肠道传播。
在不同的环境中,很多病毒产生了不同毒力的毒株,如流行性乙型脑炎、脊髓灰质炎、鸡新城疫病毒等,而且由于抗原性变异,多种病毒变异出了不同的血清型别,如鼻病毒有100多个型。最引人注目的是流感病毒、口蹄疫病毒、蓝舌病毒等的变异不断且迅速地出现。有许多病毒在感染过程中,由于基因的缺失而产生或多或少的缺损病毒,如正粘病毒科的病毒;有的可引起慢性感染,如:有的病毒长期存在于淋巴细胞中,可能在血脑屏障受损的虚弱时刻侵入中枢神经系统而引起脑炎,如麻疹病毒引起的亚急性硬化性全脑炎;有的病毒基因全部或部分地与受感染的细胞染色体整合,引起细胞性质的转化,如单纯疱疹病毒和EB病毒。有的还导至产生肿瘤,如牛白血病病毒、鸡的马赖克氏病病毒及劳氏肉瘤病毒。
脊椎动物的病毒性疾病很多,有的引起大流行及人畜大量死亡,有的危害健康并造成巨大的悲剧,如人类的天花、肝炎、流行性出血热、脊髓灰质炎、麻疹、流感、狂犬病和各种脑炎等都能危害人类的健康甚至死亡,以及畜禽的牛瘟、猪瘟、鸡新城疫、口蹄疫、马传染性贫血病等都会传染给人而让人类的健康受到威胁。
减毒活疫苗和灭活疫苗的研制成功与广泛应用,使全世界消灭了可怕的天花,有些国家也消灭了牛瘟、口蹄疫和猪瘟,还使许多疾病(如人的脊髓灰质炎、病毒性脑炎、病毒性心肌炎、麻疹、鸡新城疫等)的流行得到了很好的控制。通过病毒流行病学和生态学的研究,改善了环境卫生,使其他疾病的流行也得到了控制。对脊椎动物病毒的基础研究有助于从微观上研究生命现象。
5.病毒为什么要寄“人”篱下
我们知道,病毒是一种必须在细胞内寄生的生物,过着寄“人”篱下的生活,没有病毒可以离开寄主细胞,独立复制和增殖。那么,我们不禁要问,病毒为什么只能寄“人”篱下呢?
病毒之所以要寄“人”篱下,那是因为病毒的结构太简单了,它没有完整的细胞结构,不具备代谢所需的完整系统,也不能正常产生能量,所以病毒无法独立完成各种生命过程,使他们必须寄“人”篱下,从寄主细胞取得它们所需要的物质,才能产生新的病毒,才能繁衍生息。
6.病毒为什么会如此善变
由于病毒没有细胞结构,它的遗传物质极易受到外界环境及细胞内分子环境的影响而发生变化,因此与其他生物相比,病毒就具有更迅速、强大的变异能力。
病毒如此强的变异,主要源于他的基因组的突变和重组。这种突变一般可分为自发突变和诱发突变。自发突变,是在没有任何已知诱变剂的条件下,病毒的子代出现高比例的基因突变体,导致病毒表型变异;诱导突变,则是利用各种物理、化学诱变剂,处理病毒,提高病毒群体的突变率,诱导病毒子代,出现特定方向的突变。
另外,病毒基因的意外重组,也会给病毒的变异提供机会,一般通过分子内重组、拷贝选择和基因重配三种机制完成。此外,还有一些非遗传因素,可能导致病毒基因的变异,如无囊膜病毒的转壳、表型混杂,有囊膜病毒的伪病毒。
7.病毒到底有多毒
其实病毒的“毒”,都是相对寄主细胞而言的。在分子水平、细胞水平和机体水平的不同层次上,也可能有不同的含义。而且在许多情况下,病毒也可以与寄主共生存,不引起明显的疾病。
此外,病毒对敏感细胞的感染,也不一定都能产生带感染性的病毒,因为病毒进入敏感细胞的某一阶段后,它们的复制活动就可能受阻,从而导致病毒感染的链条不完全循环,不产生有感染性的病毒子代。
8.病毒是如何增殖的
我们知道,通常病毒通过侵袭细胞而增殖,下面我们就来看看它是如何来侵入细胞的。
第一步 吸附
病毒凭借其表面的特异性的吸附蛋白,与敏感的细胞表面病毒受体相结合。
大多数噬菌体的病毒受体,为细菌细胞壁上的磷壁酸分子、脂多糖分子以及糖蛋白的复合物,也有的位于菌毛、鞭毛或荚膜上。
大部分动物病毒的病毒受体,是那些镶嵌在细胞膜脂质双分子层中的多糖蛋白,少数的动物病毒的受体是糖脂或唾液酸寡糖苷。
迄今为止,人类尚未发现植物细胞上有特异性植物病毒受体,病毒进入植物细胞的机制,是通过伤口或媒介传播。
病毒的细胞受体,具有种系和组织特异性,从而决定了病毒复杂的宿主谱。一方面,许多不同种属的病毒,其各自的细胞受体不同;另一方面,也有些不同种属的病毒,却有相同的细胞受体,这种病毒对细胞的吸附和感染,可以干扰其他病毒对这同一细胞的感染。
病毒吸附宿主细胞的时间很短,可在几分钟到几十分钟的时间内完成任务。
第二步 侵入
病毒通过吸附作用侵入寄主细胞。
根据寄主的不同,不同的病毒,可以通过不同的方式,入侵细胞,比如注射式侵入、细胞内吞、膜融合以及其他特殊的侵入方式。
注射式侵入,是有尾噬菌体通常的侵入细菌细胞的方式。通过尾部收缩,将衣壳内的DNA基因组,注入宿主细胞内。
细胞内吞,是动物病毒的常见侵入细胞方式。经细胞膜内陷,形成吞噬泡,使病毒粒子进入细胞质中。
膜融合,是有囊膜病毒侵入细胞过程中,病毒囊膜与细胞膜融合为一体的一种侵入方式。
直接侵入,是部分病毒粒子,直接侵入宿主细胞的入侵方式,其机理如下:病毒与细胞膜表面受体结合后,由细胞表面的酶类受体,帮助病毒粒体释放核酸,进入细胞质中,病毒衣壳仍然留在细胞膜外。
其他特殊方式。植物病毒,通过存在于植物细胞壁上的一些小伤口,或天然的外壁孔侵入,或植物细胞之间的胞间连丝,侵入植物细胞,也可通过介质的口器、吸器等,侵入植物细胞。
第三步 脱壳
脱壳,是指病毒将感染性核酸,从病毒的衣壳内释放出来的过程。有囊膜病毒脱壳,包括脱囊膜和脱衣壳两个步骤,而无囊膜病毒,只需脱衣壳,方式随不同结构的病毒而异。
一般来说,那些注射式侵入的噬菌体和某些直接侵入的病毒,可以直接在细胞膜或细胞壁表面,同步完成侵入和脱壳两种步骤。病毒粒子,以内吞方式或直接进入细胞后,经蛋白酶的降解,先后脱去囊膜和衣壳。直接侵入的病毒,则以膜融合方式,侵入的病毒,其囊膜在与细胞膜融合时,即已脱掉,核衣壳被移至脱壳部位,并在酶的作用下,进一步脱壳,病毒核酸游离在细胞质里,并进至细胞的一定部位,进行生物复制与合成。病毒脱壳,必须有酶的参与,脱壳酶来自宿主细胞,有的来自病毒基因编码。
第四步 生物合成
病毒,借助宿主细胞提供的丰富的原料、能量和适合的场所,合成核酸和蛋白质。这期间病毒所需的多数酶,也来自这个被寄宿的宿主细胞。在病毒进入宿主细胞后的生物合成阶段,细胞质中,无病毒颗粒的时期,称为隐蔽期。
第五步 装配
病毒复杂的结构成分核酸与蛋白质分别在细胞里合成后,在宿主细胞核内或细胞质内,组装成核衣壳。绝大多数DNA病毒,在细胞核内组装核衣壳,RNA病毒与痘病毒类,则在细胞质内组装核衣壳。无囊膜病毒组装成核衣壳,即为成熟的病毒体。病毒的早期蛋白,即非病毒必须的结构成分,不组被装入子代病毒,而残留在感染细胞中。
第六步 释放
绝大多数无囊膜病毒释放子代病毒时,被感染的细胞崩解,释放出子代病毒颗粒。宿主细胞膜同时破坏,寄主细胞迅即宣告死亡。绝大多数有囊膜病毒,通过细胞内的内质网、空泡,或包上细胞核膜或细胞膜,以出芽方式释放到细胞之外,而成为成熟病毒。这个过程是在一段时间内逐个释出成熟子代病毒,对细胞膜的破坏较轻,宿主细胞死亡速度就慢。
从单个病毒吸附开始,至所有病毒释放出细胞,此过程称为感染周期或复制周期。一个感染细胞一般释放的病毒子代数为1001000个。
9.病毒是怎样传播的?
众所周知,无孔不入的病毒在生物群体间的传播、蔓延和流行,危害着人类健康,限制动物生产,降低农作物产量。
动物病毒,会直接侵入动物暴露在空气中的黏膜组织,例如呼吸道黏膜、消化道黏膜、眼睛黏膜等。因此,打喷嚏或咳嗽排出的飞沫中携带的病毒通过空气直接从各种黏膜,侵入人机体内;粪便中的病毒通过污染水源等方式,都能直接从各种黏膜,侵入人的机体。此外,还有不少病毒如登革热、脑炎、黄热病等,是由节肢动物,特别是蚊和蜱类传播的。尽管这类病毒在形态、物理性质上不同,但习惯上都归入一类,叫节肢媒介病毒。这些病毒可以在节肢动物体内增殖,甚至可以进行垂直传递。目前约有300多种节肢媒介病毒,其中约有100种能侵染人体,约20种能对人造成严重病害。动物病毒,还可通过血液、交配等方式传播,如在世界范围流行的艾滋病。
植物病毒的传播途径很特别,它是通过植物的伤口、昆虫、螨类、线虫、土壤真菌、种子以及农事操作等传播。其中在自然界中,植物病毒的最重要的传播媒介,应属昆虫和螨类,已知有400多种昆虫交错着传播200多种植物病毒。仅桃蚜一种蚜虫,就能传播70多种病毒,桃蚜可能是最重要的一种植物病毒传播媒介了。这些昆虫传播植物病毒的一个重要特点,是病毒既能在植物中,又能在昆虫中繁殖。这种病毒的寄主范围,横跨动、植物两大界,是非常独特的,因而人们对它十分感兴趣。可是并非所有昆虫传播的植物病毒,都能在昆虫体内繁殖,这些病毒只是能存在于昆虫的口器上。蚜虫传播的许多植物病毒,通过它的口器取食植物而把病毒传播给植物。
大多数通过节肢动物为媒介传播的植物病毒,是能同时在介体中繁殖的,所以像脑炎这类病毒,实际上不仅通过蚊虫或蜱类,在人与人之间,或鸟、羊、猪、啮齿动物与人之间传播,而且能在脊椎动物和原节肢动物之间,交替繁殖。大洋洲有一条著名的河流莫瑞,每逢特大洪水来临,驱使大量带毒的水鸟和蚊虫移栖,而造成人类脑炎的流行。这就是植物病毒通过水鸟和蚊虫传染给人类的病例。