病毒概論

發現

1884年法國微生物學家查理斯·尚柏朗發明了一種過濾器（現稱作尚柏朗過濾器或尚柏朗-巴斯德過濾器），它的孔徑比細菌還小。他想用這種過濾器過濾含有細菌的溶液，以完全去除裡面的細菌。1890年代初，俄國生物學家德米特里·伊凡諾夫斯基在研究現在我們所說的菸草花葉病毒時就用到了這種過濾器。當時，他從染病的菸草植株那裏剪取了一些菸草葉並將它們碾碎。隨後，他發現，這些碎葉的提取液在通過尚柏朗過濾器後仍然具有感染性。
與此同時，其他幾位科學家證實，這些後來被稱為病毒的媒介雖然與細菌不同，但仍可致病。它們的大小大概是細菌的百分之一。1899年荷蘭微生物學家馬丁努斯·拜耶林克觀察到這種媒介只在分裂細胞中繁殖。他不能確定這種媒介到底是什麼，所以就稱之為「contagium vivum fluidum」（意爲「可溶性活菌」）。 20世紀初英國細菌學家弗雷德里克·圖爾特發現了能感染細菌的病毒。法裔加拿大籍微生物學家費利克斯·迪海萊亦在該階段發現，如果把一種病毒加到培養有細菌的瓊脂培養基上，那麼這個培養基中的細菌就會成片死亡。通過數出出現細菌大規模死亡的區域數，他就能算出培養基中的病毒數量。
藉助德國工程師恩斯特·魯斯卡和馬克斯·克諾爾於1931年發明的電子顯微鏡，人們第一次看到了病毒的影像。 1935年美國生物化學家兼病毒學家溫德爾·梅雷迪思·斯坦利通過對菸草花葉病毒的研究，確認了其主要成分爲蛋白質。 不久之後，這種病毒就被分離成蛋白質和RNA兩部分。 起初，科學家面臨的問題是不知道如何不依靠活動物來培養病毒。1931年美國病理學家歐內斯特·古德帕斯徹在雞胚中培養了包括流感病毒在內的幾種病毒，成功在這個問題上取得了突破。然而，有些病毒卻無法用雞胚培養。不過，在1949年約翰·富蘭克林·恩德斯、托馬斯·哈克爾·韋勒和弗雷德里克·查普曼·羅賓斯利用培養有活的動物細胞的培養基成功培養出了脊髓灰質炎病毒之後，這一難題也就迎刃而解。 現已發現超過5000種病毒。

結構

病毒粒子，亦稱爲「病毒體」（viron），由化學本質爲DNA或RNA的基因和包裹著基因的蛋白質外殼構成。這個外殼叫做「衣殼」（capsid），由許多更小的相同蛋白質分子（即殼粒）組成。由殼粒堆砌而成的衣殼可以呈二十面體，螺旋形，也可以呈現出更加複雜的形狀。另外，病毒還擁有一個稱爲「核殼體」（nucleocapsid）的結構。它位於衣殼內部，包裹著病毒的核酸，化學本質爲蛋白質。另外，一些病毒在衣殼外還擁有脂質（脂肪）構成的包膜。

大小

病毒是最小的感染源之一，光學顯微鏡觀察不到大部分的病毒，因此病毒屬於亞顯微結構。大部分病毒只能用電子顯微鏡觀察。病毒的大小從20到300奈米不等，把30,000到750,000個病毒一個個緊靠著排列起來才能達到1厘米的長度。 相比之下，細菌的直徑通常在1微米（合1000奈米）左右，高等生物的細胞直徑為幾十微米。有些病毒比較大，如分別於2003年和2013年發現的能感染變形蟲的巨大病毒和潘多拉病毒，直徑可達1 微米，大約比流感病毒大一千倍。這些「龐大」的病毒的發現令科學家們相當驚訝。

基因

基因的化學本質通常爲DNA（脫氧核糖核酸），不過也有不少病毒的基因的化學本質爲RNA（核糖核酸）。基因編碼了生物體所含的生物信息。多數生物的遺傳物質是DNA，但RNA病毒的遺傳物質是RNA。病毒的DNA或RNA由單鏈或雙螺旋組成。
病毒繁殖非常迅速，因為它只有幾個基因。 例如，流感病毒只有8個基因，輪狀病毒只有11個。相比之下，人類有2萬到2萬5千個基因。這些基因編碼了構成病毒顆粒的結構蛋白和只在宿主細胞中合成的非結構蛋白。
像所有細胞一樣，很多病毒會產生用以複製DNA和RNA的蛋白質，分別稱為DNA聚合酶和RNA複製酶。病毒的這些酶合成DNA和RNA的效率通常比宿主細胞的這些酶更高。 不過RNA聚合酶經常出錯，這就是RNA病毒常會突變成新的類型的原因之一。
有些RNA病毒的基因並不是一個連續的RNA分子，而是分開的幾段，例如流感病毒的基因由八段RNA組成。當兩種不同的流感病毒感染同一細胞時，這些基因可能會相互混合，並重配成新類型的病毒。

蛋白質合成

蛋白質對生物體來說不可或缺。在DNA中遺傳信息指導下，細胞利用一個個胺基酸作爲結構單元合成蛋白質。蛋白質具有專一性，通常只具有一種功能。所以，一個細胞如果想要進行一種新的生命活動的話，它就必須合成一種新的蛋白質。病毒會迫使宿主細胞合成宿主不需要但病毒在複製過程中要用到的蛋白質。蛋白質合成分爲兩步：轉錄和轉譯。
轉錄是把DNA上的遺傳信息複製到信使RNA（mRNA）上的過程。在完成了轉錄之後，信使RNA會通過核孔穿過核膜（多數信使RNA在離開細胞核之前還會經過進一步的加工和修飾），與細胞質中的核糖體結合，並用它所攜帶的遺傳信息合成蛋白質。其中核糖體讀取信使RNA攜帶的遺傳信息，並合成蛋白質的過程稱爲「轉譯」。轉譯使mRNA上的遺傳信息以胺基酸排序的方式流入合成的多肽鏈中。
有些RNA病毒的核酸可不經進一步加工直接發揮mRNA的作用，這些病毒因此稱為正義RNA病毒。另一些RNA病毒的RNA與mRNA互補，這些病毒需要宿主細胞或它們自己的酶合成mRNA，它們稱為反義RNA病毒。DNA病毒合成mRNA的方式和細胞相似。逆轉錄病毒的行爲較爲特殊：它們攜帶RNA，但它們在感染宿主細胞後會利用逆轉錄酶把它們的RNA逆轉錄爲一段DNA。隨後，這段DNA會被整合到宿主細胞的DNA中。之後，宿主細胞會「渾然無知」地將這段DNA上攜帶的遺傳信息轉錄到信使RNA中，就像轉錄其他的DNA片段一樣。

對宿主細胞的影響

病毒對宿主細胞的結構和生化成分會產生廣泛的影響， 這些影響稱為「細胞病變效應」。 多數病毒感染最終會導致宿主細胞死亡。死亡的方式有裂解、細胞膜病變和凋亡（即「自殺」）等。通常宿主細胞死亡是因為病毒合成的蛋白質終止了它們的正常生命活動，這些蛋白質不一定是組成病毒顆粒的蛋白質。
有些病毒不會使宿主細胞發生明顯變化。這些病毒潛伏在細胞里，活動並不活躍。在該階段，細胞通常功能正常，且基本不會出現感染跡象。病毒會潛伏數月乃至數年，這會引起長期感染，皰疹病毒就往往表現如此。
有些病毒，如人類皰疹病毒第四型（EB病毒）常會導致細胞增生，但卻不會造成惡性腫瘤。不過，已證實人類乳頭瘤病毒等病毒確有致癌作用。
當病毒將宿主細胞的DNA破壞到該細胞無法自我修復時，這個細胞就會凋亡。細胞發生凋亡時，它會徹底破壞受損的DNA。有些病毒擁有限制細胞凋亡的機制，使宿主細胞在完成子代病毒的合成之前不會死亡。HIV（愛滋病病毒）就有這樣的機制。

病毒引起的疾病

由病毒引起的普通人類疾病有普通感冒、流感、水痘和唇瘡，較為嚴重的有伊波拉和愛滋病。很多病毒不致病或幾乎不致病，稱為「良性病毒」。對人類有害的病毒具有「病毒性」。不同細胞被不同病毒感染後引起的病症也不同。有些病毒會導致慢性甚至終身性的病症，宿主染上這類病毒之後，其防禦系統也無法將病毒清除，病毒會一直在其體內繁殖。被B肝病毒或C肝病毒感染的人就常常如此。受病毒慢性感染的人稱為病毒攜帶者。他們是病毒主要的藏身處之一。如果某地某種病毒的攜帶者佔總人口比率高的話，我們就說這種病毒在該地區發生了地方性流行。
病毒在宿主間的傳播方式有很多，但每種病毒只會利用其中的一兩種。很多植物病毒通過稱為病媒的載體傳播。有些感染動物（包括人類）的病毒也由病媒（通常是吸血昆蟲）傳播，不過直接傳播更為常見。有些病毒（如諾如病毒和輪狀病毒）通過食物、水、手和公用物品傳播，人在與其他受感染者密切接觸之後也可能會染上這類病毒。還有一些病毒（如流感病毒）通過空氣傳播。愛滋病、B肝、C肝等病毒則通常通過不安全的性接觸或受污染的注射器針頭傳播。了解各種病毒的傳播途徑對預防病毒感染和流行至關重要。

植物疾病

植物病毒有很多種，但通常它們只會影響作物產量。對植物病毒進行防控也不經濟。植物病毒常由病媒生物在植物間傳播。這種病媒通常是昆蟲，但一些真菌、線蟲門動物和單細胞生物亦可能成爲病媒。有時候，對植物病毒進行防控也比較經濟（比如作物是多年生的產水果植株的時候），不過防控的重點通常是撲殺病媒以及清除相關植物病毒的其他宿主（比如雜草）。 植物病毒只能在植物細胞中繁殖，因而對人類和動物無害。

噬菌體

噬菌體是以細菌和古菌作爲宿主的病毒。國際病毒分類委員會將噬菌體分成11科28屬。噬菌體對海洋生態學來說很重要，因為受感染的細菌破裂後，含碳化合物會釋放迴環境中，刺激新生物的生長。噬菌體在科學研究中很有用，因為它們對人類無害，研究起來很方便。但在食品、製藥等行業，噬菌體可能會帶來一些麻煩，因為發酵需要健康的細菌。有些細菌感染用抗生素難以對付，因而用噬菌體治療細菌感染已成爲一個越來越熱門的課題。

動物的先天免疫

包括人類在內的動物先天就有很多抵禦病毒的方式。其中，一些方式是非特異性的。也就是說，它們能對所有的病毒起防禦作用。先天免疫不會在多次接觸病毒後增強，對病毒感染也沒有「記憶力」。動物的皮膚，尤其是由死細胞構成的皮膚表層，能將多種病毒拒之門外。胃酸亦能消滅很多被吞入消化道的病毒。即使病毒突破這些屏障，進入了宿主體內，也還有其他的先天免疫途徑能阻止病毒在體內擴散。比如，宿主會產生一種叫干擾素的激素來殺死被病毒感染的細胞和與之相鄰的細胞以阻止病毒繁殖。細胞內部也有能破壞病毒RNA的酶。該過程被稱爲RNA干擾。此外，有些血細胞能吞噬受病毒感染的細胞並將之「摧毀」。

動物的後天免疫

對病毒的特異性免疫是逐步發展出來的，其中叫做淋巴細胞的白血球起了重要的作用。淋巴細胞對病毒感染有「記憶力」，並且能合成許多特別的分子，稱為抗體。這些抗體能附著在病毒上，阻止它感染細胞。抗體有很強的針對性，只能攻擊一種病毒。宿主能產生多種抗體，特別是剛剛受到感染時。感染消退後，宿主仍能繼續產生抗體，體內留存的抗體通常能使宿主對病毒擁有終身免疫力。

植物的抵抗力

植物對病毒擁有複雜而有效的防禦機制，其中最有效的是所謂的抗性（R）基因。每個R基因會使受感染細胞周圍的局部細胞死亡，產生肉眼可見的大斑塊，從而使植物對特定病毒有抵抗力。這樣病毒感染就無法傳播了。RNA干擾也是植物抵禦病毒感染的有效方式。植物受感染時也會產生天然抗感染物質摧毀病毒，如水楊酸、一氧化氮和活性氧等。

細菌對噬菌體的抵抗力

細菌能合成一種叫做限制性核酸內切酶的酶作爲它們防禦噬菌體的主要手段。這種酶能破壞外來的DNA。噬菌體注入細菌體內的DNA可被這種酶破壞。

接種疫苗

預防病毒性疾病的方法之一是接種疫苗。疫苗能在不致病的情況下模擬自然感染，並激發相應的免疫應答。通過普及疫苗接種，人類已消滅了天花。此外，脊髓灰質炎、麻疹、風疹和腮腺炎的發病率和死亡率也顯著降低。超過十三種由病毒引起的人類疾病已有相應的疫苗，能預防其他動物感染病毒的疫苗則更多。疫苗可用生活病毒或已殺滅的病毒製作。活病毒疫苗中含有經過減毒的病毒，但給免疫缺陷的人群接種這類病毒很危險。這些人接種減毒疫苗會染上相應的疾病。通過生物技術和基因工程技術能製造「特製」的疫苗，它只含有病毒的蛋白質衣殼。B肝疫苗就屬於這種類型的疫苗。 這些疫苗更安全，因為從理論上講它們決不可能致病。

抗病毒藥

近二十年來，愛滋病的流行使抗病毒藥發展迅速。抗病毒藥的有效成分通常是核苷類似物這樣的核苷類似物有抗皰疹病毒感染的阿昔洛韋和抗HIV和B肝病毒的拉米夫定。阿昔洛韋是最早的抗病毒藥之一，也是最常使用的抗病毒藥之一（2008年數據）。
其他的抗病毒藥針對病毒生命周期的其他階段。HIV需要HIV-1蛋白酶才具有傳染性。有一類稱為蛋白酶抑制劑的藥物，能與這種酶結合，使它失效。
C肝由RNA病毒引起。80%的感染者的C肝都會變成慢性的，若不接受治療，終身都有傳染性。聯合使用利巴韋林和干擾素能有效治療C肝。與此類似，使用拉米夫定等抗病毒藥對慢性B肝患者進行治療的方法也在開發中。。在上述兩種情形中，抗病毒藥能阻止病毒複製，而干擾素則會殺滅剩下的受感染細胞。
HIV病毒感染通常用幾種抗病毒藥聯合治療，該療法中的每一種藥物都會在病毒生命周期的不同階段起效。其中，有藥物能阻止病毒附著在細胞上，有藥物爲核苷類似物，還有的藥物能抑制病毒繁殖所必須的酶。

病毒在生態學中的角色

在水生生物生活的環境中，病毒是數量最多的生物體——光是一茶匙的海水中就含有100萬個病毒。它們在海洋生態系統和淡水生態系統的調節過程中扮演著重要角色。水中的病毒大都是對動植物無害的噬菌體。它們能夠感染並殺滅水生生物群落中的細菌——這一過程對海洋生態系統的碳循環過程至關重要。因噬菌體的感染而裂解的細菌會釋放出有機分子。這些有機分子能促進細菌的新生以及藻類的生長。
微生物構成了海洋中的90%的生物質。據估計每天病毒就能殺滅約20%的生物質，海洋中的病毒數量是細菌和古菌數目總和的十五倍。病毒能是使藻華快速消滅的主力軍。藻華是一類能在短時間內導致水生生物大量死亡的藻類集群海洋中，離海岸越遠、深度越深的區域，病毒宿主數目和病毒數目越少。。
在海洋生態系統中，病毒扮演著重要角色。它們能增強海洋生物的呼吸作用，每年可使大氣中的二氧化碳含量減少約110億噸。
海洋哺乳動物也會受病毒感染。1988年和2002年，海豹瘟熱病毒在歐洲殺死了數以千計的海豹。杯狀病毒、皰疹病毒、腺病毒和細小病毒等亦在海洋哺乳動物中流行。