病毒宇宙：探寻最小生命形式的物理边界

作者：张馨予

本文整理自巴塞罗那庞培法布拉大学教授和复杂系统实验室的负责人Ricard Solé，西班牙国家研究委员会（CSIC）教授和进化系统病毒学实验室的负责人Santiago F. Elena合著的复杂系统理论著作《Viruses as Complex Adaptive Systems》，来自微信公众号：，作者：徐鸿鹄，头图来自：视觉中国

病毒宇宙

很少有例子能像病毒那样让人着迷地描述自然界（及其以外）的复杂性。

病毒强烈地影响了复杂生态系统中的能量流动。它们与宿主保持着各种各样的关系——从互惠到纯粹的寄生，也带来了一些最致命的流行病。病毒研究在我们理解和操纵生命的研究领域发挥了重要作用，它也吸引了生物学家、物理学家和计算机科学家的兴趣。

在思考病毒的性质和相关性时，会引申出许多重要的问题：它们到底是什么？它们是活的实体吗？为什么会有这么多新出现的病毒？它们是如何产生的？它们会变得多复杂？它们在塑造复杂生物体进化过程中的作用是什么？他们在社会发展中发挥了什么作用？可以将它们与主机内运行的软件程序进行比较吗？计算机病毒与生物毒有多相似？

病毒是一个复杂的系统，其大小跨越了多个数量级（比如小到几百个核苷酸折叠RNA链的类病毒，大到如细菌的拟菌病毒、虹彩病毒、皮托病毒、潘多拉病毒等），生命周期和栖息环境也千差万别。但对它们的行为和结构的研究，特别是跨学科框架的研究，揭示了一些普遍的组织模式。

正如20世纪70年代的理论发展所预测的那样，基于RNA的病毒显示出了高突变率——病毒生活在无序的边缘，在那里有高度的不稳定性，但也有适应性。这一边缘的存在与相变现象有关，其存在与种群的遗传性质有关，通常被称为准种（quasi-species）。其他的病毒，比如巨病毒的拟菌病毒，其体积很大（多达一百万个碱基对），大到比我们所知的一些最小的细胞还要大，它们的生命周期显示出惊人的特性。

我们将讨论病毒形态空间的潜在边界及其重要性，以及病毒种群动力学和自组装的理论模型。模型和理论近似在这一领域发挥了关键作用，特别是适应性景观（fitness landscapes）的概念——这在定义遗传复杂群体的动力学方面具有重要意义。

病毒塑造了细胞、生物体、生态系统甚至生物圈的进化。这种影响跨越了从基因组到地球尺度下的所有生物组织。它们的动力学涉及到了非线性现象、临界点和自组织过程，这与其他生物和非生物系统有许多共同点。

更重要的是，病毒为了解复杂系统的起源提供了一个独特的窗口。此外，我们还将关注其它的非生物系统，例如计算机病毒，它们之间具有意想不到的相似性。

已故物理学家约翰·惠勒John Wheeler谈到科学时说：

“我们生活在一个被无知之海包围的岛屿上。随着我们的岛屿不断扩大，我们无知的海岸也在不断扩大。”

这也适用于定义当今对病毒理解的特定岛屿。很多时候，新的发现深刻地改变了我们的视角，扩展了我们对病毒宇宙的理解，同时海岸线扩大了，新的问题也随之出现了。但我们仍然希望自己能够安全地穿越大陆和未知水域之间错综复杂的边界。

病毒中心说

就像我们宇宙中的暗物质一样，生物圈中也有隐藏的部分。隐秘性就包括了病毒的多样性的存在，及其重要的作用，而这一隐秘部分对于真正了解生物圈的运作方式至关重要。

尤其是宏基因组学的兴起，逐渐揭示了海洋中病毒的一种完全出乎意料的、近乎天文尺度的多样性——荧光显微照相技术发现，即便一滴海水中的一小片区域，也蕴含了一个完整的生命体宇宙，包含了天文图景一般的大量的微生物，人们甚至可以在海洋生物细胞上轻易地发现10-102种不同的病毒。

微小结构，高突变率，引发人类恐惧的能力，使得病毒不仅在我们人类的进化史上，而且在我们的近代史上都发挥了重要作用。它们可能是致命的，也可能是有益的，它们变化如此之快，它们以惊人的方式塑造了我们的基因组和生理特征。越来越多的证据表明，病毒实体为进化提供了源源不断的驱动力。

病毒的重要性如此之大，以至于我们开始思考有关进化的“病毒中心论”观点。尽管流感病毒一样的病毒已经杀死了数百万人（及其许多其他物种），成为对我们生存的极大威胁。但从另一个角度来看，如果没有它们，许多重大的进化事件将永远不会发生。