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病毒杀死寄主是为了更有效的传播自己么?

头图

这是一个很好的问题,在这里抛砖引玉和大家聊一聊病毒转播学说的一些理论。

首先需要明确的是,病毒没有所谓的「思考能力」和「主观能动性」。他们的演化可能会导致宿主死亡率增加,但是这个并不是贪杀,而是演化车轮下的产物。同理,如果一个病毒致死率下降,也和它们变得仁慈没有关系。理解这一点,能够避开很多弯路,更快的抓住问题的本质。

了解了这一点之后,让我们打开上帝视角。

如果我们定义病毒世界中的成功,是传播自己到更多宿主,尽可能传播自己的遗传物质的话。那么实际上病毒的 「成功」可以定义为以下的这个公式

通过这个公式,我们可以非常明显的看出,在其他条件不变的情况下,传播速率越快的病毒,越成功。同理,感染病毒死亡率越低,恢复率越低,那么宿主携带病毒的时间就会延长,相应的,病毒也越容易传播给其他的宿主,也就越成功。

所以早年间很多科学家就提出,病毒的的演化方向,会是逐渐提高传染性,降低致死性。这个就是非常出名的无致病性理论(Avirulence hypothesis)。

这个理论看似非常有道理,但是很多后续研究发现观测结果与这个理论不符,很多伴随人类发展史的病毒,实际上这么多年来致死率没什么变化,一些寄生虫(也可以套用这个公式)致死率还在增加。这个 bug 是怎么来的呢?

科学家发现,对于很多病毒来说,传播速率,宿主死亡率,和宿主恢复率存在一个动态平衡的关系。一般来说,传播速率和致死率呈正相关,和宿主恢复率呈负相关

掌握了这个『权衡法则』之后,我们来做一个假设,如果现在存在两种病毒:

A 病毒,0%致死率,低传播速率

B 病毒,100%致死率,高传播速率

在普通情况下,A 病毒的 0%致死率使得 A 病毒的宿主能够存活更长时间。这样一来,虽然 A 病毒的传播速率不高,但是好歹患者活得长,能帮助 A 病毒传播,最后 A 病毒理论上也会比较成功。但是,如果这两个病毒同时感染了一个宿主,A 病毒的低致死率策略就会彻底失败,因为 B 病毒会毫无悬念的把宿主杀死。这样一来,低传播速率的 A 病毒也就很难再传播下去了。

在这样多重感染的情况下,低致死率的病毒并不会占到什么便宜。相反,对病毒而言,可能存在一个『最优解』(Optimal virulence), 一个致死率和传播速率更加平衡的病毒,更容易在自然选择下成功。所以回到题主的问题,在一定程度上,病毒杀死宿主,是为了更好的传播自己。

横轴是死亡率,纵轴是传染速率,切线交点对应的是对应某病毒,最『成功』的死亡率和感染速率

当然这个致死率和传播性的最优解对于不同的病毒种类并不一致。我们可以笼统的把病毒分为可以通过宿主直接传播的,和需要媒介(比如蚊虫)来传播的两种。通过宿主直接传播的病毒,往往需要相对低的致死率。如果宿主死的太快,或者病的不行家门都出不了,这种病毒也就无从传播了。

另一方面,通过媒介来传播的病毒,往往可以有比较高的致死率。因为即使宿主危在旦夕瘫痪在家,蚊子还是可以带着宿主体内的病毒,感染其他潜在的宿主。这样的病毒即使致死率高一些,因为媒介的存在也不会有特别大的问题。

总体来说,能够越轻易在宿主中间传播的病毒,传播速度和致死率就越高。这个权衡理论在一定程度上能解释一些实际环境中出现的例子,比如高传染性高死亡率的天花,禽流感 H5N2,鼠疫。但是这个所谓的权衡理论也不是放之四海而皆准。在考虑病毒演化方向的时候,实际上要考虑的因素非常多。笔者才疏学浅,希望能抛砖引玉,见到本专业大牛的更多详细解答。

Reference:

Alizon, S., et al. “Virulence Evolution and the Trade-off Hypothesis: History, Current State of Affairs and the Future.” Journal of Evolutionary Biology, vol. 22, no. 2, 2008, pp. 245–259., doi:10.1111/j.1420-9101.2008.01658.x.

Bull, James J., and Adam S. Lauring. “Theory and Empiricism in Virulence Evolution.” PLoS Pathogens, vol. 10, no. 10, 2014, doi:10.1371/journal.ppat.1004387.

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