时间:2020-02-28 09:56
教科书上病毒的定义很简单。它是由一种核酸(DNA或RNA)和一个蛋白质外壳组成。这么简单的一句成果,却是科学家经过多次实验得出。
病毒学是一门非常年轻的学科。几千年来,我们对病毒的全部了解只是它们会让人得病,甚至取人性命。直到现在,我们尽管看到了病毒对人类社会的影响,能采取的方法就是隔离和疫苗。
直到19世纪晚期,“病毒(Virus)”这个词才比较接近我们现在采用的意思,而这一转变还要归功于一次农业的大灾难。荷兰的烟草农场上的作物遭一种疾病洗劫,它们在曾经鲜活的叶片上留下一片片死去的组织,所有植株的发育全都受到影响,农场收成全无。
(上图为被病毒侵害的烟草叶)
1879年,可怜的荷兰农民向年轻的农业化学家阿道夫•迈耶(Adolph Mayer)求助。迈耶把摧毁烟草农场的疾病称为烟草花叶病。
这些植物生长的环境,包括土地、温度及日照,都是迈耶的研究对象,但迈耶根本没有发现染病的植株和健康的植株究竟有什么不同。他推测,或许这些植物被一些不可见的病原体感染了。
之前,植物学家发现真菌可能感染土豆等植物,因此迈耶也在烟草上寻找有没有真菌感染,却一无所获。他还查看了寄生虫,仍然什么也没有发现。
最后,迈耶从得病的植株里提取出汁液并注射到健康植株上,健康植株被感染了。迈耶意识到,一定有一些微小的病原体在植物体内繁殖。
(上图为细菌)
他再取了一些染病植株的汁液,放在实验室里培养。结果真的长出一些细菌菌落来。这些菌落越长越大,到最后迈耶可以不借助显微设备直接看到它们。迈耶用这些生病组织培养出细菌,把它们涂抹到健康植株上,并没有让健康植株出现相同的症状,他只好作罢。
病毒世界继续沉寂。
由上可以观察到在1879年的研究一中:烟草花叶首先排除掉植物的生长环境致病,然后再排除掉细菌致病。
几年后,另一位名叫马丁努斯•拜耶林克(Martinus Beijerinck)的荷兰科学家从迈耶止步的地方再次启动了病原体寻找之旅。他想,会不会是什么比细菌小得多的病原体让烟草染上了花叶病?
他把染病植株磨碎,把得到的汁液用精细的过滤器过滤,去掉植物细胞和细菌,然后把得到的澄清液体注射到健康植株体内。健康植株得病了。
拜耶林克把新染病的植株再次磨碎,汁液过滤,得到的液体能继续感染更多的健康植株。在染病植株的研磨液里一定有什么比细菌还小的东西,它们能自我复制,能传染疾病。
1898年,拜耶林克把它们称为“有传染性的活液”。这些液体里含有的物质,是到那时为止所有生物学家前所未见的生命形式。
这些物质不仅极其微小,也非常坚韧。酒精没能让滤出液失去传染性,甚至把液体加热到快沸腾了,这些物质似乎仍然毫发无伤。
拜耶林克把滤纸泡在滤出液里,让液体蒸发,直到滤纸彻底干燥。
三个月后,他再把滤纸浸入水里,再用浸过滤纸的水去感染烟草,仍然能让烟草染病。
拜耶林克将他的“有传染性的活液”里的神奇物质称为病毒,这是它第一次以我们如今熟悉的意义使用。然而,拜耶林克只是用这个词来和之前人们所知的物质做出区分,从而标示这种物质不是动物、植物、真菌或细菌。它们究竟是什么,拜耶林克也没有结论。
不久人们就发现,拜耶林克发现的,只是众多病毒中的一种。20世纪初,其他科学家用类似的过滤后感染的方法,找到了其他疾病的致病病毒。他们甚至最终掌握了一种让病毒增殖的方法,这种方法不依赖活体动植物,而只靠在培养皿或者烧瓶里培养的一些细胞。
研究二中拜耶林克将他的“有传染性的活液”里的神奇物质称为病毒,第一次他开始有名字了,他的属性是比细菌还小,能繁殖,能传染疾病,酒精和沸腾的液体也未能失去它的传染性。
20世纪20年代,斯坦利还是一个学生,他在学校里学到了结晶的手段:分子可以聚合成重复的结构,从而形成晶体。晶体能够展现出物质在一般情况下不会表现出的性质。比如,科学家用X射线照射晶体,通过观察射线的反射方向,就能推断晶体中分子的排布规律。
20世纪初,晶体帮助解决了生物学领域最大的谜团之一,酶到底是什么。科学家早就知道动物和其他生物会合成酶,酶能行使不同的功能,例如分解我们吃下去的食物。科学家想办法让酶结晶,从而发现了酶的本质是蛋白质。
病毒会不会也是一种蛋白质?他选择了人们熟悉的烟草花叶病毒,开始尝试让病毒结晶。斯坦利效仿了拜耶林克四十年前的做法,从受感染的烟草植株中获得汁液,用精细的过滤器过滤。
为了让病毒结晶尽量没有杂质,斯坦利从“有传染性的活液”里尽力去除了蛋白质以外的所有化合物。在经过重重净化的液体里,斯坦利观察到微小的细针形晶体开始生长。
它们又慢慢长成乳白色的薄片。这是人类历史上第一次有人不借助任何工具,仅用肉眼观察到了病毒。
上图为(烟草花叶病毒)
病毒晶体立马变得如同矿物一样坚硬,却也像微生物一样鲜活了。斯坦利把这些病毒晶体像厨房里的食盐一样储存起来,数月不理。等再取一些溶进水里时,这些晶体仍然能恢复成不可见的病毒,再次感染烟草,其凶猛程度丝毫不减从前。
斯坦利于1935年发表了自己的实验结果,他的发现震惊了世界。
由研究三我们可以发现病毒是一种可以结晶的蛋白质。结合研究二酒精没能让滤出液失去传染性,甚至把液体加热到快沸腾了,这些物质似乎仍然毫发无伤,蛋白质在70度的温度下会失活。猜想病毒里面可能会有异于蛋白质的其他物质。
1936年,英国科学家诺曼•皮里(Norman Pirie)和弗雷德•鲍登(Fred Bawden)发现病毒并不仅仅是由蛋白质构成的,事实上,蛋白质占了病毒组成的95%,另外5%是另一种神奇的长条状分子,也就是核酸。
(上图为病毒)
后续:斯坦利结晶出烟草花叶病毒之后的四年,一个德国科研团队终于成功看到了单个病毒。
20世纪30年代有工程师发明了新一代显微镜,在新技术的帮助下,人们可以观察比之前小得多的对象。
古斯塔夫•考舍(Gustav Kausche),埃德加•普凡库赫(Edgar Pfannkuch)和赫尔穆特•鲁斯卡(Helmut Ruska)三位科学家把烟草花叶病毒晶体滴到纯净水里,放到新仪器下观察。
1939年,他们发表了观察结果,描述了他们在显微镜下看到的一些300纳米长的微小杆状结构。在此之前,没有人看到过如此微小的活物。
“病毒”的组成、结构、外形、存活机制、都通过以上三个重要实验浮出水面,我们得以了解病毒。得以发现病毒是由一种核酸(DNA或RNA)和一个蛋白质外壳组成。核酸是遗传物质,蛋白质质外壳保护遗传物质,并参与感染宿主细胞的过程。
通过上面的三个实验,也许我们可以学到最基本的工作处事思维。
1、要找到植物生病的元凶,在研究中,首先就先排除了生长环境(土地、温度及日照)这一简单的因素。感染植物的可能是细菌肉眼看不见的生物,他就做实验,首先排除掉细菌感染。不是细菌,那就是比细菌更小的生物,当时没有这个物质存在就命名为“病毒”。
如果把病毒的发现历程当做研发一种新产品:从以上的实验我们学到什么?
首先,产品的研发,一般是先解决那些答案显而易见的大问题。
命名,出生在哪里。
2、如何使“病毒”产品有这么大的威力,风靡全球?
在几种因素的共同作用下会产生真正的大效应。它能复制,能传染,体积小,数量多,在酒精和沸腾的液体下还能生存。
3、在发现病毒这个产品中,用到逆向思维方法。病毒的组成如果完全都是蛋白质,那结论不成立,因为蛋白质高温会失活。如果不完全是蛋白质,结论成立。
4、在发现病毒这个产品,需要用到的数学方法。比如研究一,二,三这些简单的数学排序,和实验中的实验步骤和方法。
5、发现这件完美的病毒产品,需要掌握多个学科的思维方式。
在研究一二三中分别是化学、生物(显微镜、基因)等不同领域的科学家通过多次的研究发现的。
如果我们能掌握并灵活运用以上五种思维方式来创造产品,那么这种产品会风靡全球。