肆虐全球的新冠肺炎影響甚鉅,在病毒橫行的幾年間,多次出現變異的病毒株。對於我們來說,每一次病毒的突變可能加劇其傳染性及抗藥性,進而拉長疫情對社會的影響時程。但古人常說「禍福相依」,病毒並非全然百害而無一利。病毒的突變亦是生物演化的一部份,我們能夠更深入了解生命的適應與演化過程,不僅對於預防和治療疾病有重大意義,也揭示了生命進化的神秘與多樣性。
遺傳物質發生變異的情形被稱為「突變」,突變雖然在自然界會自行發生,但機率相當低。對於生物個體來說,突變雖然大部分都是不好的異常情形,像是導致細胞運作失常、細胞致死、引發腫瘤等等;但突變若發生在生殖細胞,便有機會遺傳給後代並改變後代的特徵,也可能因為創造出新的特性而推進演化的進行。
在微生物的世界中,突變是家常便飯,經常可以創造細菌的抗藥性這類新的適應能力。對某些侵襲動物的病毒來說,在動物身上突變並演化,往往能成為潛在危險性更高的變異病毒,甚至可以跨越原先傳染的宿主範圍,這種情形曾見於禽流感病毒與冠狀病毒。
相較於動物細胞,病毒的基因組簡單許多,但它們的能耐可不簡單,一旦入侵宿主的細胞,就能進入細胞核,並插入宿主的基因組,利用宿主的基因組來生產更多病毒。於是遭受病毒感染的宿主細胞,就會淪為病毒製造工廠,這樣的過程也就會導致疾病的產生。某些病毒還與癌症(惡性腫瘤)有密切的關係:有的病毒自身的遺傳物質就可以直接損害DNA並造成突變;有的病毒可以透過自己的遺傳訊息去干擾細胞的正常調節;有的病毒甚至還會攜帶從過去宿主細胞那邊所獲取的變異基因複製本,這些變異基因不再具備原先的正常功能,當它們被插入新的宿主細胞中就可能導致調節混亂,甚至促進惡性腫瘤的產生。目前已知與促進惡性腫瘤形成有密切關係的病毒包括:人類乳突病毒(與子宮頸癌有關)、B型肝炎病毒(與肝癌有關)、人類疱疹病毒第四型(與侵入型乳癌有關)等。
然而,由於病毒的變異速度極快,能夠進行大量的基因創新,因此在每一次的感染過程中,也可以讓創新的基因被其他生物加以採納。當病毒的遺傳物質插入宿主的細胞基因組並劫持它們做為自己的工廠時,如果這種情況剛好發生在生殖細胞中,病毒代碼便有機會傳遞給宿主的下一代,並成為宿主下一代基因組的創新片段。所以病毒造成的疾病雖然可怕,但被病毒侵襲的生物體卻也有機會吸收病毒基因,加以利用成為自己的優勢特性,這種因為病毒感染而傳承的基因,也推進了演化的腳步。
在哺乳動物的基因組中,大約分布了10萬個源自病毒的殘留基因,而這類基因在人體的基因組中占了8%左右。雖然病毒代碼經常表現為惰性的DNA片段,但有時它們也能夠賦予具有建設性的重要功能,像是人類胎盤當中「合胞素」的起源,就有可能是源自於某種「反轉錄病毒」。現今在人類胎盤中的合胞素,可以有助於細胞的融合,並調控胎兒細胞與母體之間的物質傳輸,以及保護承繼父系遺傳物質的胎兒細胞,免於受到母體免疫排斥的影響。科學家推估,在距今約2500萬年前,曾經有一種反轉錄病毒侵襲了人類祖先的基因組,這個病毒含有一種特定的合胞素,但因為某些緣故使得這種病毒失去了感染能力,反而讓病毒的基因被宿主加以收編、運用。於是人類的基因組將病毒中原先負責感染的部位加以刪除,只留下有益於鞏固胎盤生長所需的合胞素。
事實上,人類擁有極為發達的腦部,也可能和病毒有著千絲萬縷的關係。近幾年科學家發現,反轉錄病毒在我們腦部的基本功能運作上可能具有至關重要的角色,也就是說,病毒在人類的演化發展過程中,參與了我們腦部的演進。科學家還發現,有一種內源性反轉錄病毒的基因序列叫做「反轉錄髓鞘」,這種基因序列可在有頜脊椎動物的體內找到,包括鳥類、魚類、兩棲類、爬蟲類以及哺乳類等;但是在無頜脊椎動物與無脊椎動物體內,則沒有這種基因序列。
科學家認為,這組基因序列進入並影響這些生物的起始時間,大約與有頜脊椎動物的出現時間相吻合,也就是古生代的泥盆紀(距今約4.2億~3.6億年),當時出現可動上下頜的魚類不僅掠食能力大幅增強,還因為口腔的形成而讓腦部有了進一步發展的空間,並由此揭開了魚類時代的序幕。在微觀上,正是因為這組基因序列而有助於髓鞘的形成。在脊椎動物的演化過程中,神經纖維能否更快傳導電脈衝是很重要的關鍵,當神經傳導加快時,無論是攻擊、閃躲、逃跑等各種行動能力,都將提高速用度;而髓鞘能讓神經細胞不需要擴大直徑,就能依靠緊密排列來實現脈衝快速傳遞,還能夠支撐細胞結構,有助於脊椎動物發展出更長的肢體。
所以,病毒對於整個大自然而言是一把雙面刃,雖然它們是基因突變的原因之一,還經常引起各種疾病;但也可能為大型生命體創造新功能或構造奠定重要的基礎,並且做為演化的重要推手。