从“两界”到“五界”

瑞典博物学家和植物分类学家卡洛斯·林奈在1735年发表的大作《自然系统》中，将古希腊哲学家亚里士多德提出的基于感性认识的“两界”（植物界、动物界），进行了科学划分：生物界分成植物界和动物界。这种两界分类系统沿用得最广和最久—直到20世纪50年代。

随着荷兰显微镜学家列文虎克在1675年发现水滴中有生命的“小人国”之后，人们发现，将草履虫、变形虫和疟原虫等归入动物界，将藻类（例如裸藻和甲藻）等归入植物界的两界并不恰当—它们都是在结构上远比多细胞的动物和植物更为简单的单细胞生物。于是，德国生物学家恩斯特·海克尔于1866年在两界的基础上又增加了原生生物界，成为三界分类系统。

但是，人们发现将真菌类（例如食用的蘑菇和面包酵母等）归入植物界有些牵强—真菌细胞壁的化学组成是几丁质而不是纤维素，储存的是糖原而不是淀粉，虽为异养型，但主要为腐生或寄生，有别于动物或其他植物。于是，美国生物学家考柏兰于1938年又另立了一个真菌界，成为四界分类系统。

随着无细胞核单细胞生物—细菌、蓝藻、放线菌、支原体、衣原体、立克次氏体等（迄今至少发现4000多种）原核生物被发现，生物学家魏泰克在1969年加进了原核生物界，提出了目前使用较广的五界分类系统—虽然一些生物学家对此有异议。原核生物曾是地球上唯一的生命形式（独占地球长达20多亿年），它的细胞内没有任何带膜的细胞器，以分裂方式繁殖后代，没有性行为。

 

“剪不断，理还乱”的关系

科学界传统的观念认为，细菌和病毒是不尽相同的两个概念—前者是具有生命的生物（微生物）之一，后者是否属于具有某种生命特征的生物，至少有3种观点。

 

 

细菌的一般结构

 

第一种观点认为，病毒是一种个体极其微小、结构简单、外面包裹着蛋白质亚基（有的还包裹着磷脂膜），只含一种核酸（DNA或RNA），必须在活细胞内寄生并以复制方式增殖的“非细胞型生物”。19世纪下半叶，有研究者发现狂犬病或许不是细菌导致的疾病，而致病的分子似乎比细菌小得多。虽然如此，因为这种分子能够在人体内活动，并且还能和细菌一样导致人患病，所以人们当时还是认为病毒也是一种生命。

对“病毒个体极其微小”的说明是：大多数病毒的直径为10~300纳米，光学显微镜看不到；而已知的一般细菌，光学显微镜能看到。1884年，丹麦细菌学家汉斯·革兰因发明了沿用至今的“革兰氏染色法”（用来鉴定细菌的种类）而驰名。以他的姓氏命名的“革兰氏菌”，直径从零点几微米至几微米不等。革兰氏菌分为两类：阳性菌—例如链球菌、白喉杆菌，阴性菌—例如痢疾杆菌、大肠杆菌。区分病原菌是阳性菌还是阴性菌，在选择抗生素方面意义重大—大多数阳性菌对青霉素敏感，阴性菌对青霉素不敏感。

第二种观点认为，病毒只能归类到“化学分子”中，而不是生命。

 

染病的烟草花叶

 

1886年，在荷兰工作的德国科学家麦尔把患有烟草花叶病的烟草花叶，加水研碎后取汁液注射到健康烟草花叶的叶脉中，发现能引起烟草花叶病，证明这种病是可以传染的。但是，他认为该病是由细菌引起的。1892年，病毒学的开创者之一—俄国生物学家德米特里·伊万诺夫斯基，重复麦尔的实验之后进一步发现，上述汁液通过“细菌过滤器”之后，还是能引发健康的烟草花叶患病，这起码说明致病的病原不是细菌。但是，伊万诺夫斯基解释它是细菌产生的一种“液体毒素”，也没有及时公布这一发现，从而错失了一次获得重大发现的机会。直到1898年，病毒学的另一位开创者—荷兰微生物学家马丁努斯·拜耶林克，把上述汁液放在琼脂凝胶块的表面时，发现其可在凝胶中扩散，而细菌却仍旧滞留在琼脂表面。他由此指出，这种病的致病因子有3个特点：能通过细菌过滤器；仅能在感染的细胞内繁殖；在体外非生命物质中不能生长。因此，他认为这种致病因子不是细菌，而是一种新物质—“有感染性的活的流质”。次年，他把它命名为“生物病毒”。

拜耶林克的遗憾之一是，直到1931年去世时，也没有见过病毒的样子。不过，这或许就是科学的伟大之处—通过实验观察到现象，分析之后得出推论或理论；但是，做出这推理的科学家很可能在有生之年都无法见证这个推论被彻底地证实。

 

 

世界上首台电子显微镜

 

1931年，世界上首台电子显微镜诞生。美国科学家温德尔·斯坦利于1935年处理了将近1吨被染病的烟草花叶植株，才费力地提纯出一汤匙的白色粉末状的固体物质—几乎是纯净的烟草花叶病毒结晶的样品。今天，在加州大学斯坦利工作过的实验室里，仍然保留着一个标注有“Tob. Mos.”字样的瓶子，里面存放着这些样品。通过斯坦利和同事的后续研究，人类才在发现病毒接近半个世纪之后的1939年，第一次见到了病毒的“庐山真面目”。这种结晶中并没有细胞内用于代谢和生存所需的细胞器。这样看来，病毒似乎只能归类到“化学分子”。斯坦利的伟大成就—“病毒的纯化和结晶方面的工作”，使他成为1946年诺贝尔化学奖的3位得主之一。

 

 

1939年电子显微镜拍的首张病毒照片——烟草花叶病毒照片

 

不过，对病毒的研究并没有终止于斯坦利等人。当这种“化学分子”进入细胞时，又表现得完全不像普通的分子—病毒会被激活，利用细胞里的各种细胞器和生化原料来生产自己的核酸分子和蛋白质外壳。这样，病毒似乎就只能被放在介于生命和非生命的形式中。于是，就有了第三种观点—“病毒介于生命和非生命”。

其实，细菌与病毒有很多区别—结构不同、大小不一定相同、遗传物质不尽相同、是否能单独生存（细菌能，病毒不能—必须“寄生”于其他生物），等等。例如，细菌有细胞，有能量流动、物质代谢和信息流转的功能；病毒没有细胞，没有这三种功能。所以，有人把细菌和病毒分别比作“流动的生命之河”与“凝固的生命碎片”—流动的生命之河冻成一个大冰块之后，其中的一个小块冰就是病毒。

然而，探索还是没有完结。20世纪后期，来自法国斯特拉斯堡大学的病毒学家马克·雷根莫特尔及美国疾病预防和控制中心的病毒学家布赖恩·马赫指出，病毒更像一种“寄居”的生命—就像寄生虫那样，需要细胞宿主才能进行复制。

 

现代先进的电子显微镜拍摄的更清晰的烟草花叶病毒照片

 

其后，随着细胞中越来越多的细胞器结晶结构被发现，科学家已经确定生命离不开核糖体、线粒体和叶绿体等细胞器的帮助。这样，“病毒是生命”的声音也逐渐消失。发表在2015年《自然·通信》的一项研究，展示了一系列比常规的病毒体积还要小的“超级微小细菌”—只有9±2立方纳米。这一发现，让病毒与细菌的差异变得更小，甚至有相互重叠的区域，还由此衍生出“病毒-微生物连续体”的说法，让病毒和细菌的界限变得更加模糊。而且，极其微小的细菌被不断发现，许多体型巨大的病毒也被发现—一些病毒含有的基因甚至比大肠杆菌还要多。例如，美国能源部联合基因组研究所的弗雷德里克·舒尔茨，于2017年发现了包括名为“Klosneuvirus”在内的几种未知的病毒序列；其中“Klosneuvirus”含有的基因组数量，远远超过常见病毒，而且它在蛋白合成过程中几乎完全独立。

 

 

烟草花叶病毒的结构

 

此外，还有一类始终受到科学家关注的、以细菌为猎物的病毒—噬菌体。1907年，英国细菌学家弗雷德里克·图尔特意外发现，琼脂培养基上的部分细菌菌落变得透明，这样的菌落进一步培养时不能形成新的菌落，也就是细菌被杀死了。但是，他并未进行深入研究，也没有命名。1909年，加拿大细菌学家费利克斯·德赫雷尔培养了从痢疾患者的粪便中分离出的痢疾杆菌，也在培养皿上发现了一些不长细菌的圆点。于是，他猜测圆点里有某种颗粒杀死了细菌，就把这些圆点称为噬斑。1917年，德赫雷尔在论文中首次为噬菌体命名，并指出它只能寄生在活细菌中，其体积小到可以穿过细菌过滤器。不过，直到1942年，美国生物物理学家托马斯·安德森才使用高分辨率电子显微镜首次看到噬菌体。噬菌体是感染细菌、真菌、藻类、放线菌或螺旋体等微生物的病毒的总称。它们和病毒的结构类似。它们不但会各自感染和追捕特定类型的细菌种群（即一种噬菌体只能对付一种细菌）—进入细菌后劫持细菌的代谢工具用来自我复制，造成细菌裂解释放出下一代噬菌体，给环境中的微系统带来很大的影响；而且它可能会造成细菌基因突变，促进细菌产生耐药性。科学家在人的口腔、上呼吸道、肠道和阴道中，都检测到特定的噬菌体，表明它能影响人体的内部环境，并带来不可预期的后果。美国著名女微生物学家吉尔·班菲尔德就一直在追寻这些特殊病毒。在2020年1月22日在线发表于《自然》上的最新研究中，她就展示了一类特殊的、来源于30多种不同环境的大型噬菌体。一般的噬菌体的基因长度，大多在50kb（kb是“kilobase”—“千个碱基对”的缩写）左右；而班菲尔德搜寻出的351种噬菌体基因组的长度已经超过200kb，是普通噬菌体的4倍，其中的一种竟然长达735kb。她把这类噬菌体统称为“巨型噬菌体”。这些噬菌体不仅基因组庞大，而且更重要的是，其基因的构成也是五花八门，不仅能编码包装噬菌体的蛋白质外壳，还包括转运RNA、转运RNA合成、修饰酶、转录起始和延长因子。“是否具有核糖体和蛋白翻译功能，是判断其是否是生命的一项重要条件，噬菌体的这些发现让我们更难以判断它是不是生命了。”班菲尔德说，“通过提升基因组的长度是一种聪明的生存方式，现在我们发现病毒已经做到了。”

 

 

病毒和细菌的细胞比较

 

综上所述，从生物学的角度来说，自然界中的微生物可以分为真核微生物（例如菌物界的真菌、黏菌，植物界中的显微藻类和动物界中的原生、后生动物）、原核微生物（例如众所周知的各类细菌）和病毒三类。可见，在微生物界，同样存在类似动植物界的食物链关系，而病毒并不属于“五界”。

 

最终成果“六界分类系统”

鉴于病毒并不属于“五界”，奥地利生物学家特劳巴、中国昆虫学家陈世骧分别于1975年、1977年提出了“生物六界分类系统”：把病毒定为是“五界”之外的“第六界”。

由此可见，细菌与病毒那些“剪不断，理还乱”的观点，不止以上3种，而且研究并未终止。例如，英国《每日邮报》2020年3月13日报道，在日本深海的淤泥中发现的一种神秘微生物“食盐菌”，是古代细菌等简单“单细胞生物”与孕育人类的“多细胞生物”之间的缺失环节—细菌体与多细胞构成的动植物之间的过渡阶段。

有不完整的球形细胞的食盐菌，直径大约500纳米，长着细长的分枝状触手，具有“古生菌”的部分特征。古生菌是一种相对简单的单细胞生物，缺乏完整的细胞核等内部结构，是原核生物细胞群的一部分。

长期以来，科学家对简单类细菌细胞向复杂的真核细胞进化过渡感到迷惑不解。为了揭晓其中的谜团，日本研究小组花了10年时间收集了含有古生菌的泥浆，在实验室里培育出了食盐菌，并研究了它与一种伴生细菌的关系，确定它是否能在下一阶段进化成有更复杂细胞核的细胞……“人类是由真核细胞构成，其起源进化是一个至关重要的问题。”参加研究的日本筑波产业技术综合研究所的微生物学家政信伸说，“食盐菌的子群生活在寒冷的海底，靠近位于格陵兰岛和挪威之间叫作‘洛基城堡’的热液喷口系统，是最早的真菌生物的现存近亲物种。”

那么，还有多少更加“聪明”的病毒正等待人类发现呢？病毒是不是生命呢？这两个问题还没有最终的答案—科学研究将不断更新传统学说或观念。（陈仁政）