为啥病毒没有细胞结构，为啥生物大都是细胞结构？

这个问题很有意思，它触及到了生命最根本的构成方式以及病毒存在的独特性。咱们一点点来聊聊。

为什么病毒没有细胞结构？

要理解这个问题，我们得先明白“细胞”到底是什么。细胞是生物体最基本、最小的结构和功能单位，它具备以下几个核心特征：

完整的边界： 有细胞膜，这是一个半透性的膜，控制着物质进出细胞。
遗传物质： DNA或RNA，承载着生物体的遗传信息，决定了生物体的性状和功能。
代谢能力： 细胞内有细胞质，包含各种酶和细胞器，能够进行新陈代谢，比如能量的产生和物质的合成。
自我复制能力： 在适宜的环境下，细胞能够独立地进行生长和分裂，繁衍后代。

再来看看病毒。病毒最大的特点就是，它们不具备上述细胞的任何一个核心特征（除了携带遗传物质）。

没有细胞膜： 它们外面包裹的只是蛋白质外壳（衣壳），有些病毒可能还有一层脂质包膜（来源于宿主细胞膜），但这和细胞膜的功能与结构是完全不同的。
没有细胞质和细胞器： 病毒内部非常简单，基本上就是遗传物质（DNA或RNA）和一些必需的蛋白质。它们没有核糖体、线粒体等能够进行能量代谢和蛋白质合成的细胞器。
没有独立的代谢能力： 病毒无法自己产生能量，也无法自己合成蛋白质。它们就像一个“空壳”，里面只有蓝图，但没有工厂和工人。
不能独立自我复制： 这是最关键的！病毒的复制完全依赖于宿主细胞。它们会“劫持”宿主细胞的代谢机器，利用宿主细胞的原材料、能量和酶来复制自己的遗传物质，合成新的病毒蛋白，最终组装成新的病毒颗粒。没有宿主细胞，病毒就是一堆无生命力的分子组合。

那么，为什么它们会是这样“简陋”的结构呢？科学界普遍认为，病毒是高度简化的生命形式，它们可能是在漫长的演化过程中，为了能够寄生在细胞内部而不断剥离自身结构的结果。你可以想象一下，如果一个生物想要在另一个生物的细胞里生存，并且利用那个细胞的资源，最“经济”的方式就是保留最核心的功能——遗传信息和感染能力，然后把其他不必要的、甚至可能与寄生冲突的系统都丢掉。比如，自己制造能量的机器在别人家里是多余的，自己制造蛋白质的机器也是多余的，只要有对方的就行。这样一来，病毒就变成了一个极其高效的“信息包”，能够最大程度地利用宿主细胞。

从另一个角度看，病毒的这种结构也赋予了它们极强的适应性和变异能力。因为结构简单，它们在演化中更容易发生基因突变，这使得它们能够快速适应宿主的变化，或者逃避宿主的免疫系统。

为什么生物大都是细胞结构？

与病毒的“极简”形成鲜明对比的是，地球上绝大多数的生物，从最简单的细菌到复杂的人类，都以细胞为基本单位。这背后有着深刻的演化原因：

1. 独立性和自主性： 细胞拥有独立的代谢系统和自我复制能力。这意味着它们可以在外界环境中独立生存、生长和繁殖，不受其他生物的直接控制（当然，生态系统内的相互影响是存在的）。这种独立性是生物体能够自主演化和繁荣的基础。想象一下，如果所有的生命形式都像病毒一样需要寄生，那么生命的起源和演化过程将会复杂得多，甚至可能难以形成多样的生命体系。

2. 功能的高效性和复杂性： 细胞通过分化出不同的细胞器，能够高效地执行各种生命活动。比如：
能量生产： 线粒体负责细胞呼吸，提供生命活动所需的能量。
蛋白质合成： 核糖体是蛋白质工厂，根据DNA的指令合成生命必需的蛋白质。
物质运输和加工： 内质网、高尔基体等构成了细胞内的“物流和加工中心”。
遗传信息的存储和传递： 细胞核（真核细胞）或拟核（原核细胞）集中了DNA，确保遗传信息的稳定和有序传递。
这种高度组织化的内部结构，使得细胞能够完成更复杂的化学反应和生理功能，是复杂生命活动的基础。

3. 多细胞生物的基石： 大多数生物都是多细胞的。细胞作为基本单位，能够通过分化和协作，形成高度特化的组织、器官和系统，从而构成宏观的、复杂的生物体。从一片叶子到一只大象，都是由无数个协同工作的细胞组成的。如果生命没有细胞这个“模块”，就无法实现这种复杂的功能整合和宏观结构的形成。

4. 演化的稳定性和可塑性： 细胞结构虽然相对稳定，但其内部的分子机制也允许适度的变异和重组。这使得生物在面对环境变化时，既能保持基本的生命延续，又能在漫长的演化过程中逐渐适应和改变。例如，基因突变可能影响蛋白质的结构和功能，进而影响细胞的代谢或形态，这些变化如果是有利的，就会被自然选择保留下来。

5. 生物起源的推测： 目前主流的生命起源假说认为，生命最开始可能是一些能够自我复制的有机分子（如RNA），这些分子在漫长的化学演化过程中，逐渐被一个脂质膜包裹起来，形成了原始的细胞。这种“膜内”的结构，为分子提供了一个相对稳定和受控的环境，有利于提高复制效率、保护遗传物质免受外界干扰，并逐步发展出完整的细胞代谢和复制机制。因此，细胞结构被认为是生命从无机物走向自主生存和演化的一个关键的、也是非常成功的“设计”。

总结一下：

病毒之所以没有细胞结构，是因为它们是高度退化的、专门化的寄生者，为了最大化地利用宿主细胞而剥离了自身绝大部分的生命功能。它们的生存完全依赖于宿主细胞，所以更像是“活的分子机器”的组合，而非独立的生命体。

而生物大都具有细胞结构，是因为细胞是独立、自主、高效且可组合的生命单位。它提供了生物体赖以生存和繁衍所需的完整功能（代谢、复制、信息存储），并且是形成复杂多细胞生物的基础。细胞结构是生命在演化道路上，从简单到复杂，从无机到有机，从独立生存到生态协作的必然选择和杰出创造。病毒更像是演化路径上的一个“分支”，一个专注于寄生策略的特化物，而细胞则是生命演化至今的主流和成功的范式。

网友意见

大部分病毒的体积过于小，无法装下人类传统上所称的细胞结构。生物学家们在“病毒算不算生物”这个问题上还没有达成共识。道金斯的生物定义^[1]允许我们将病毒视为非细胞生物，而许多教科书倾向于“病毒不是生物也不是非生物”。

病毒在自然界里^[2]不进入宿主细胞就不表现出生命活动，在宿主细胞内劫持宿主的细胞功能来进行增殖。但是，“依赖其它生物才能复制”不是个拒绝接受病毒为生物的好理由：立克次体、植原体^[3]、衣原体等细菌在自然界里也必须在宿主细胞内才能分裂。

“病毒寄生生活造成结构越简单越好”的说法是想当然的：

• 许多病毒的衣壳作为纳米机械的功能非常复杂。当年噬菌体对发现它们的科学家造成的震撼就不用说了，要知道今年才发现HIV衣壳在复制过程中竟然在发挥作用^[4]。

• 21世纪初发现的拟菌病毒科更让人挠头：其基因组规模与不少细菌相当甚至更大，有指导核苷酸和氨基酸合成的基因（这是一些小型专性寄生细菌不具有的），可以独立完成一些mRNA的转录子、在病毒基因不表达的情况下翻译一些蛋白质，有复杂的行为去与宿主和噬病毒体互动。
• 拟菌病毒没有核糖体蛋白质，仍然依靠宿主细胞的蛋白转运和能量代谢。
• 潘多拉病毒Pandoravirus salinus的基因组规模可达约247万个碱基对、2556个蛋白质编码基因，是已知基因组规模最大、基因数量最多的病毒——作为对照，甲型流感病毒有7个基因，艾滋病毒有9个基因，遍在远洋杆菌有1354个基因。

从起源上说，大部分病毒可能是细菌质粒或缺损部分基因的细菌所变成，还可能有一部分病毒是原始地球上的自组织大分子的直系产物。少数巨大的病毒看起来是由细菌或古菌丢弃了细胞结构而成，让其被分类成病毒的正是这个结构特征。

现存的细胞生物继承了最后共同祖先的结构特征，这些特征很可能包括代代相传的原核细胞结构；一部分细胞生物经历多次独立发生或连续发生的内共生事件，转化至真核细胞。

但这归根结底是个本末倒置问题：

• “细胞结构”是人类对观察到的事物进行归纳总结，所提出的概念。
• 人类的观测能力决定了历史上人们先发现结构尺寸较大的生物的组织构造，总结出这些生物有和外界明确区分、彼此也被构造分隔的若干小型结构单元，将其命名为“细胞”并描述了内部构造；
• 在那之后发现的、不符合人们给细胞总结出的结构特征但具有生命特征的东西，才被人们命名为病毒，并称之没有细胞结构。
• 历史上将病毒长期排斥在生物定义之外的根本就不是它没有细胞结构这件事，而是我们上面谈到过的病毒不能独立繁殖这个并不准确的问题。为此，一些学者给出了新的界限来排斥病毒，下面将会讲到。

病毒的数量和物种数保守估计也压倒性地多于细胞生物。如果你认为病毒是生物，那么大部分生物物种和大部分生物个体是没有细胞结构的。

物种数量：

• 在不计算病毒的情况下，地球上现存的生物物种数保守估计超过一万亿^[5]，大概有三万亿种。绝大部分物种数来自原核生物，现代技术难以有效地对这样多的原核生物进行发现和分类^[6]。

个体数量：

• 在不计算病毒的情况下，地球上现存的原核生物的个体数量估计约1E31个，这是一千万亿亿亿个。在数量级的暴力下，真核生物的数量对总数的影响可以忽略，地球上现存的生物的个体数量估计就是约1E31个。
• 地球上现存的动物大部分是线虫：约有1E22只，约占动物总数的百分之八十^[7]。
• 地球上现存的植物的总生物量比动物大得多。植物占地球上总生物量的82%，细菌13%，动物仅有0.4%，原生生物和真菌占据了其它部分。但植物巨大的总重量是靠许许多多大树堆起来的，平均个体重量显著高于动物，以至于植物的总数没有动物多。地球动植物的总数就在“数百万亿亿”这个数量级。
• 陆生节肢动物的总数估计约1E19只，这是一千亿亿只。
• 尘螨和蚯蚓各自约有1E17只，这是十亿亿只。
• 脊椎动物的数量断崖式地少于它们。

为什么要强调病毒：

• 虽然在网络上可以看到大量吹胡子瞪眼睛说病毒是生物的人，但在很长时间里，有许多学者是拒绝的。他们为地球碳基生物设置了“区分生命与非生命的关键是拥有核糖体以及进行翻译的能力”这样平时你不会遇到的标准，将病毒排斥在生命之外^[8]。
• 2020年2月以来，科学家已经发现很多大型噬菌体拥有这种翻译机制——是真的很多^[9]。再加上核质巨DNA病毒目的多种病毒能独立表达一部分蛋白质，显然这个标准是不能用下去了。
• “生命与非生命的界限”又模糊了。
• 目前生物学并未对绝大部分病毒尝试进行细致的分类。目前看来，地球上病毒的物种数远远多于其它生命的物种数，光是针对已经有细致分类的174万种细胞生物的病毒就有约1亿种。病毒的数量保守估计在2E31个以上，其中DNA病毒和RNA病毒大概各占一半。稍微激进一点的估计就会得到将原核生物远远抛在后面的数值。

历史上有一些微弱的声音认为：长远来看，更简单的方法是摈弃旧的细胞结构说法，将病毒的构造也描述为一种细胞。

但是，承认病毒是生物会带来的问题不止是堆积如山的分类工作，你还必须考虑各种亚病毒因子：类病毒、拟病毒、缺损干扰RNA、朊毒体算不算生物。这些都是不具备完整的复制机构的感染性因子，而到了朊毒体这一步，有序性的扩增已经和结晶、热带风暴之类在一个水准了。一步步推移这个界限会导致生物和非生物的界限变得极其模糊，对人类认识世界可能并没有益处。

参考

1. ^ 生物是自然选择塑造的信息
2. ^ 人类可以在实验室里用无细胞体系让病毒发挥功能。
3. ^ Phytoplasma。缺损包括ATP合成酶基因在内的大量基因、只能在宿主细胞内复制，调控其感染的分子机制完全依赖宿主，在植物和昆虫的细胞内有不同份量的材料来合成不同的转录因子。
4. ^ HIV研究迎来重要进展！《科学》揭示衣壳的重要作用 - 药明康德的文章 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/264132931
5. ^ https://www.pnas.org/content/113/21/5970
6. ^ 简单感受一下： 2016年，美国科学家在科罗拉多州发现了新的庞大地下微生物种群，并对这些微生物进行了基因测序，报告发表在《自然通讯》杂志网络版上。 研究人员在科罗拉多州赖夫尔镇附近一个地下蓄水层采集了沉积物和地下水样本，对从中发现的2500多种微生物进行基因组重建。这些微生物基因组涵盖了近80%的已知细菌门类，还有47个新的门级细菌种群，加上2015年发现的35个，使当时已知的细菌门类数量又增加了一倍。
7. ^ https://www.nature.com/articles/s41586-019-1418-6
8. ^ RNA：怎么，你DNA牛了半天，又回来找老子撑腰？
9. ^ https://www.nature.com/articles/s41586-020-2007-4

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