5043. Как вирусы формируют наш мир
Дэвид Куаммен
Фото: Кркйг Катлер
COVID-19 - напоминание о разрушительной силе вирусов, но без них жизнь в привычном нам виде была бы невозможна.
Представим себе нашу планету без вирусов.
Один взмах волшебной палочкой - и нет больше бешенства. Пропал вирус полиомиелита. Нет смертоносного вируса Эбола. Корь, свинка и всевозможные штаммы гриппа испарились. Исчез ВИЧ, и никогда не было эпидемии СПИДа. Исчезли вирусы Нипах, Хендра, Мачупо, Син Номбре - а заодно и ужасающая статистика вызываемых ими заболеваний. Нет больше лихорадки денге. Нет ретровирусов - великое благо для развивающих стран, где ежегодно от них гибнут сотни тысяч детей. Нет вируса Зика. Исчез вирус желтой лихорадки. Исчез зачастую фатальный для человека герпес B, который переносят некоторые виды обезьян. Никто больше не болеет ветрянкой, гепатитом, опоясывающим лишаем, даже обычной простудой. Нет вируса атипичной пневмонии SARS, чье появление в 2003 году, как мы теперь понимаем, было предвестием нынешней пандемии. И конечно, гнусный вирус SARS-CoV-2, возбудитель болезни COVID-19, обескураживающе разнообразной в своих проявлениях, такой коварной, опасной и заразной, полностью исчез.
Ну как, стало легче жить?
А вот и нет.
Последствия такого сценария менее очевидны, чем кажется. Ведь фактически мы живем в мире вирусов - непостижимо разнообразных, невероятно многочисленных. Только в океанах, возможно, содержится больше вирусных частиц, чем звезд в видимой части Вселенной. Млекопитающие являются носителями по меньшей мере 320 тысяч различных видов вирусов. За большими цифрами кроются большие последствия. Многие из этих вирусов приносят обитателям Земли, в том числе и человеку, не вред, а адаптивные преимущества в эволюционной гонке.
Мы без них никуда бы не продвинулись. Например, в геноме человека и других приматов есть два отрезка вирусной ДНК, без которых была бы невозможна беременность. Другая вирусная ДНК, угнездившаяся среди генов наземных животных, помогает упаковывать и хранить память в виде крохотных белковых пузырьков. До сих пор гены, скопированные у вирусов, отвечают за рост эмбрионов, регулируют работу иммунной системы, противостоят развитию рака. Мы только начинаем понимать эти функции. Вирусы играли важнейшую роль в инициировании основных эволюционных переходов. Если, как в нашем мысленном эксперименте, стереть из истории все вирусы, то колоссальное биологическое разнообразие, украшающее нашу планету, рухнет.
Крейг Катлер
Да, вирус - паразит, но иногда этот паразитизм больше похож на симбиоз, выгодный и пришельцу, и хозяину. Как огонь, вирусы - это феномен ни однозначно положительный, ни однозначно отрицательный. Вирусы - темные ангелы эволюции, великолепные и пугающие. Это и делает их столь интересными.
Начнем с основ и разберемся, чем вирусы являются, а чем - нет. Второй вопрос проще. Вирусы не являются живыми клетками. Клетки того типа, что в совокупности составляют наши с вами тела, или, скажем, органы растений, содержат сложный механизм для создания белков, накапливания энергии и выполнения других специализированных функций. Бактерия - тоже клетка, хотя и куда проще устроенная. Вирус ничем подобным не является.
Чем же он тогда является? За последние 120 лет определения не раз менялись. Мартин Бейеринк, голландский ботаник, изучавший вирус табачной мозаики, предположил в 1898 году, что эту болезнь растений вызывает некая заразная жидкость. Какое-то время вирус определяли преимущественно по размеру: объект намного меньше бактерии, однако способный, подобно ей, вызывать заболевание. Позже вирус стали считать ультрамикроскопическим возбудителем, содержащим лишь очень маленький геном, размножающийся только внутри живых клеток. Но это был лишь первый шаг к лучшему пониманию.
«Я выскажу парадоксальную точку зрения, а именно, что вирусы - это вирусы», - писал французский микробиолог Андре Львов в статье «Концепция вируса» (1957). Не слишком полезное определение, зато справедливое: вирусы уникальны.
Львов знал, что вирусы легче описать, нежели дать им определение. Каждая вирусная частица состоит из отрезка генетических инструкций (записанных в ДНК или другой хранящей информацию молекуле, РНК), которая упакована в белковую оболочку (капсид). Капсид может быть окружен мембраной, словно яблоко в карамели, которая защищает его и помогает прилепиться к клетке. Вирус может копировать себя только тогда, когда проникнет в клетку и захватит контроль над ее «3D принтером», который превращает генетическую информацию в белки.
Если клетке не повезет, в ней начинает производиться множество новых вирусных частиц. Они устремляются наружу, оставляя клетку в руинах. Такое разрушение, например, наносит SARS-CoV-2 эпителиальным клеткам дыхательных путей человека.
Однако если клетке повезет, вирус может просто обосноваться в своем новом уютном жилище, бездействуя или встраивая свой маленький геном в геном хозяина - и выжидает удобного случая. Этот вариант открывает множество возможностей для смешивания геномов, для эволюции и даже для нашего ощущения идентичности как людей. В популярной книге 1983 года британский биолог Питер Медавар и его жена Джин, редактор, заявили: «Ни один вирус добра не приносит: недаром говорят, что вирус - это комок неприятностей, завернутый в белок». Они ошибались (как и многие другие ученые того времени). Сегодня нам известны вирусы, которые приносят пользу. В белок завернута генетическая посылка, а неприятности там или хорошие новости, зависит от обстоятельств.
Крейг Катлер
Откуда взялись первые вирусы? Этот вопрос отсылает нас почти на четыре миллиарда лет назад, во времена, когда жизнь на Земле еще только зарождалась в бульоне, состоящем из длинных молекул, более простых органических соединений и энергии.
Допустим, некоторые из длинных молекул (скорее всего, РНК) научились самовоспроизводиться. Дарвиновский естественный отбор начался именно тогда, когда эти молекулы - первые геномы - стали размножаться, мутировать и развиваться. В поисках конкурентного преимущества некоторые из них могли отыскать или самостоятельно построить защиту в виде мембран и стенок, что привело к появлению первых клеток. Эти клетки давали потомство, разделяясь надвое. Разделились они и в более широком смысле, на бактерии и археи, два из трех доменов клеточной жизни. Третий, эукариоты (он включает и нас с вами, и все другие живые организмы - животных, растения, грибы и некоторые микроорганизмы, - чьи клетки обладают сложным внутренним строением), появился несколько позже. Таковы три огромных ветви древа жизни.
Но куда же деть вирусы? Можно ли считать их четвертой ветвью? Или они представляют собой этакую омелу, паразита, явившегося откуда-то со стороны? В большинстве версий древа жизни вирусами попросту пренебрегают.
Ряд специалистов предполагает, что вирусы не следует размещать на древе жизни, поскольку они не живые. Довольно спорный аргумент, зависящий исключительно от того, как мы определяем «живое». Куда интереснее признать, что вирусы - одни из обитателей большого шатра под названием «Жизнь», и задаться вопросом, как они туда попали.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕНе только корона: какие вирусы до сих пор не побеждены?
Существует три основных объяснения эволюционного происхождения вирусов, известные как гипотеза первичности вирусов, гипотеза бродяжничества и гипотеза вырождения. Гипотеза первичности вирусов - это предположение, что вирусы появились до клеток, каким-то образом собрав себя прямиком из первичного бульона. Гипотеза бродяжничества (ее еще называют гипотезой беглой ДНК) утверждает, что гены или участки геномов вытекали из клеток, оказывались упакованными в белковые капсиды и становились бродягами, которые в конце концов нашли себе новую экологическую нишу паразитов. Согласно гипотезе редукции, вирусы произошли от неких клеток, которые под давлением естественного отбора уменьшались в размерах (самовоспроизводиться легче, если ты маленький и несложно устроен), избавлялись от генов и в конце концов дошли до такой простоты, что могли выживать, только паразитируя на других клетках.
Есть и четвертое, относительно новое объяснение, известное как гипотеза химерного происхождения вирусов. Ее создателей вдохновила одна категория генетических элементов - транспозонов, которые иногда называют «прыгающими генами». Эти предприимчивые элементы добиваются эволюционного успеха, перескакивая из одной части генома в другую, реже - из одной клетки в другую. Они используют ресурсы клетки, чтобы снова и снова создавать копии самих себя. Так транспозоны защищаются от неожиданного вымирания. Они накапливаются в очень больших количествах. Например, около половины генома человека составляют транспозоны. Согласно гипотезе химерного происхождения, первые вирусы могли появиться, когда эти элементы позаимствовали у клеток белки, чтобы прикрыть свою наготу защитными капсидами.
У каждой их этих гипотез есть свои достоинства. Но в 2003 году еще более весомой стала гипотеза редукции: был открыт гигантский вирус. Он был найден внутри амеб - одноклеточных эукариотов. Этих амеб собрали из воды, взятой из градирни в Брэдфорде, Англия. Внутри некоторых находились загадочные комочки - достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп (а вирусы, как считалось, для этого слишком малы), и похожие на бактерии. Ученые пытались найти в них гены бактерий - безрезультатно.
Крейг КатлерИсточник https://nat-geo.ru/science/kak-virusy-formiruyut-nash-mir/
National Geographic Россия №206, февраль
Полная версия материала доступна подписчикам онлайн-версии журнала.
ОФОРМИТЬ ПОДПИСКУ
Фото: Кркйг Катлер
COVID-19 - напоминание о разрушительной силе вирусов, но без них жизнь в привычном нам виде была бы невозможна.
Представим себе нашу планету без вирусов.
Один взмах волшебной палочкой - и нет больше бешенства. Пропал вирус полиомиелита. Нет смертоносного вируса Эбола. Корь, свинка и всевозможные штаммы гриппа испарились. Исчез ВИЧ, и никогда не было эпидемии СПИДа. Исчезли вирусы Нипах, Хендра, Мачупо, Син Номбре - а заодно и ужасающая статистика вызываемых ими заболеваний. Нет больше лихорадки денге. Нет ретровирусов - великое благо для развивающих стран, где ежегодно от них гибнут сотни тысяч детей. Нет вируса Зика. Исчез вирус желтой лихорадки. Исчез зачастую фатальный для человека герпес B, который переносят некоторые виды обезьян. Никто больше не болеет ветрянкой, гепатитом, опоясывающим лишаем, даже обычной простудой. Нет вируса атипичной пневмонии SARS, чье появление в 2003 году, как мы теперь понимаем, было предвестием нынешней пандемии. И конечно, гнусный вирус SARS-CoV-2, возбудитель болезни COVID-19, обескураживающе разнообразной в своих проявлениях, такой коварной, опасной и заразной, полностью исчез.
Ну как, стало легче жить?
А вот и нет.
Последствия такого сценария менее очевидны, чем кажется. Ведь фактически мы живем в мире вирусов - непостижимо разнообразных, невероятно многочисленных. Только в океанах, возможно, содержится больше вирусных частиц, чем звезд в видимой части Вселенной. Млекопитающие являются носителями по меньшей мере 320 тысяч различных видов вирусов. За большими цифрами кроются большие последствия. Многие из этих вирусов приносят обитателям Земли, в том числе и человеку, не вред, а адаптивные преимущества в эволюционной гонке.
Мы без них никуда бы не продвинулись. Например, в геноме человека и других приматов есть два отрезка вирусной ДНК, без которых была бы невозможна беременность. Другая вирусная ДНК, угнездившаяся среди генов наземных животных, помогает упаковывать и хранить память в виде крохотных белковых пузырьков. До сих пор гены, скопированные у вирусов, отвечают за рост эмбрионов, регулируют работу иммунной системы, противостоят развитию рака. Мы только начинаем понимать эти функции. Вирусы играли важнейшую роль в инициировании основных эволюционных переходов. Если, как в нашем мысленном эксперименте, стереть из истории все вирусы, то колоссальное биологическое разнообразие, украшающее нашу планету, рухнет.
Крейг Катлер
Да, вирус - паразит, но иногда этот паразитизм больше похож на симбиоз, выгодный и пришельцу, и хозяину. Как огонь, вирусы - это феномен ни однозначно положительный, ни однозначно отрицательный. Вирусы - темные ангелы эволюции, великолепные и пугающие. Это и делает их столь интересными.
Начнем с основ и разберемся, чем вирусы являются, а чем - нет. Второй вопрос проще. Вирусы не являются живыми клетками. Клетки того типа, что в совокупности составляют наши с вами тела, или, скажем, органы растений, содержат сложный механизм для создания белков, накапливания энергии и выполнения других специализированных функций. Бактерия - тоже клетка, хотя и куда проще устроенная. Вирус ничем подобным не является.
Чем же он тогда является? За последние 120 лет определения не раз менялись. Мартин Бейеринк, голландский ботаник, изучавший вирус табачной мозаики, предположил в 1898 году, что эту болезнь растений вызывает некая заразная жидкость. Какое-то время вирус определяли преимущественно по размеру: объект намного меньше бактерии, однако способный, подобно ей, вызывать заболевание. Позже вирус стали считать ультрамикроскопическим возбудителем, содержащим лишь очень маленький геном, размножающийся только внутри живых клеток. Но это был лишь первый шаг к лучшему пониманию.
«Я выскажу парадоксальную точку зрения, а именно, что вирусы - это вирусы», - писал французский микробиолог Андре Львов в статье «Концепция вируса» (1957). Не слишком полезное определение, зато справедливое: вирусы уникальны.
Львов знал, что вирусы легче описать, нежели дать им определение. Каждая вирусная частица состоит из отрезка генетических инструкций (записанных в ДНК или другой хранящей информацию молекуле, РНК), которая упакована в белковую оболочку (капсид). Капсид может быть окружен мембраной, словно яблоко в карамели, которая защищает его и помогает прилепиться к клетке. Вирус может копировать себя только тогда, когда проникнет в клетку и захватит контроль над ее «3D принтером», который превращает генетическую информацию в белки.
Если клетке не повезет, в ней начинает производиться множество новых вирусных частиц. Они устремляются наружу, оставляя клетку в руинах. Такое разрушение, например, наносит SARS-CoV-2 эпителиальным клеткам дыхательных путей человека.
Однако если клетке повезет, вирус может просто обосноваться в своем новом уютном жилище, бездействуя или встраивая свой маленький геном в геном хозяина - и выжидает удобного случая. Этот вариант открывает множество возможностей для смешивания геномов, для эволюции и даже для нашего ощущения идентичности как людей. В популярной книге 1983 года британский биолог Питер Медавар и его жена Джин, редактор, заявили: «Ни один вирус добра не приносит: недаром говорят, что вирус - это комок неприятностей, завернутый в белок». Они ошибались (как и многие другие ученые того времени). Сегодня нам известны вирусы, которые приносят пользу. В белок завернута генетическая посылка, а неприятности там или хорошие новости, зависит от обстоятельств.
Крейг Катлер
Откуда взялись первые вирусы? Этот вопрос отсылает нас почти на четыре миллиарда лет назад, во времена, когда жизнь на Земле еще только зарождалась в бульоне, состоящем из длинных молекул, более простых органических соединений и энергии.
Допустим, некоторые из длинных молекул (скорее всего, РНК) научились самовоспроизводиться. Дарвиновский естественный отбор начался именно тогда, когда эти молекулы - первые геномы - стали размножаться, мутировать и развиваться. В поисках конкурентного преимущества некоторые из них могли отыскать или самостоятельно построить защиту в виде мембран и стенок, что привело к появлению первых клеток. Эти клетки давали потомство, разделяясь надвое. Разделились они и в более широком смысле, на бактерии и археи, два из трех доменов клеточной жизни. Третий, эукариоты (он включает и нас с вами, и все другие живые организмы - животных, растения, грибы и некоторые микроорганизмы, - чьи клетки обладают сложным внутренним строением), появился несколько позже. Таковы три огромных ветви древа жизни.
Но куда же деть вирусы? Можно ли считать их четвертой ветвью? Или они представляют собой этакую омелу, паразита, явившегося откуда-то со стороны? В большинстве версий древа жизни вирусами попросту пренебрегают.
Ряд специалистов предполагает, что вирусы не следует размещать на древе жизни, поскольку они не живые. Довольно спорный аргумент, зависящий исключительно от того, как мы определяем «живое». Куда интереснее признать, что вирусы - одни из обитателей большого шатра под названием «Жизнь», и задаться вопросом, как они туда попали.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕНе только корона: какие вирусы до сих пор не побеждены?
Существует три основных объяснения эволюционного происхождения вирусов, известные как гипотеза первичности вирусов, гипотеза бродяжничества и гипотеза вырождения. Гипотеза первичности вирусов - это предположение, что вирусы появились до клеток, каким-то образом собрав себя прямиком из первичного бульона. Гипотеза бродяжничества (ее еще называют гипотезой беглой ДНК) утверждает, что гены или участки геномов вытекали из клеток, оказывались упакованными в белковые капсиды и становились бродягами, которые в конце концов нашли себе новую экологическую нишу паразитов. Согласно гипотезе редукции, вирусы произошли от неких клеток, которые под давлением естественного отбора уменьшались в размерах (самовоспроизводиться легче, если ты маленький и несложно устроен), избавлялись от генов и в конце концов дошли до такой простоты, что могли выживать, только паразитируя на других клетках.
Есть и четвертое, относительно новое объяснение, известное как гипотеза химерного происхождения вирусов. Ее создателей вдохновила одна категория генетических элементов - транспозонов, которые иногда называют «прыгающими генами». Эти предприимчивые элементы добиваются эволюционного успеха, перескакивая из одной части генома в другую, реже - из одной клетки в другую. Они используют ресурсы клетки, чтобы снова и снова создавать копии самих себя. Так транспозоны защищаются от неожиданного вымирания. Они накапливаются в очень больших количествах. Например, около половины генома человека составляют транспозоны. Согласно гипотезе химерного происхождения, первые вирусы могли появиться, когда эти элементы позаимствовали у клеток белки, чтобы прикрыть свою наготу защитными капсидами.
У каждой их этих гипотез есть свои достоинства. Но в 2003 году еще более весомой стала гипотеза редукции: был открыт гигантский вирус. Он был найден внутри амеб - одноклеточных эукариотов. Этих амеб собрали из воды, взятой из градирни в Брэдфорде, Англия. Внутри некоторых находились загадочные комочки - достаточно большие, чтобы их можно было увидеть в оптический микроскоп (а вирусы, как считалось, для этого слишком малы), и похожие на бактерии. Ученые пытались найти в них гены бактерий - безрезультатно.
Крейг КатлерИсточник https://nat-geo.ru/science/kak-virusy-formiruyut-nash-mir/
National Geographic Россия №206, февраль
Полная версия материала доступна подписчикам онлайн-версии журнала.
ОФОРМИТЬ ПОДПИСКУ