Lietuvių

Tyrinėkite paslėptą virusų ekosistemų pasaulį. Sužinokite, kaip virusai formuoja mūsų planetą – nuo vandenynų sveikatos ir žmogaus evoliucijos iki medicinos ateities ir pandemijų.

Virusų ekosistemų supratimas: nematomi mūsų pasaulio architektai

Didžiuliame gyvybės teatre gausiausi, įvairiausi ir, ko gero, įtakingiausi veikėjai išlieka beveik nematomi. Tai ne augalai, ne gyvūnai ir net ne bakterijos. Tai virusai. Didžiąją žmonijos istorijos dalį mūsų santykį su šiais mikroskopiniais dariniais apibrėžė vienas žodis: liga. Mes galvojame apie gripą, ŽIV, Ebolą ir, pastaruoju metu, SARS-CoV-2. Šis požiūris, nors ir suprantamas, yra labai nepilnas. Tai tarsi vertinti visą vandenyną vien pagal ryklius.

Už siauro patologijos objektyvo slypi stulbinančio sudėtingumo ir svarbos pasaulis: virusų ekosistema. Tai ne tik patogenų rinkinys, laukiantis šeimininko; tai dinamiškas, tarpusavyje susijęs virusų, jų šeimininkų ir aplinkos, kurioje jie gyvena, tinklas. Šios ekosistemos yra nematomi varikliai, skatinantys evoliuciją, formuojantys pasaulinius biogeocheminius ciklus ir reguliuojantys populiacijas visose gyvybės medžio šakose. Norėdami iš tiesų suprasti biologiją XXI amžiuje, turime žvelgti ne tik į pavienį virusą, bet ir pradėti vertinti virosferą – visų Žemėje esančių virusų visumą – kaip pagrindinį mūsų planetos komponentą.

Šis straipsnis padės jums susipažinti su šiuo paslėptu pasauliu. Išskaidysime virusų ekosistemos sąvoką, išnagrinėsime pagrindinius jos veikėjus bei sudėtingą dinamiką ir išanalizuosime jos gilų poveikį viskam – nuo vandenyno gelmių iki ląstelių mūsų pačių kūnuose. Pasiruoškite pamatyti produktyviausius pasaulio biologinius darinius visiškai naujoje šviesoje.

Kas yra virusas? Trumpas priminimas

Prieš pasinerdami į ekosistemą, trumpai perkalibruokime savo supratimą apie patį virusą. Iš esmės virusas yra biologinio minimalizmo šedevras. Tai obligatinis viduląstelinis parazitas, o tai reiškia, kad jis negali daugintis savarankiškai. Tai iš esmės genetinės informacijos – DNR arba RNR – paketas, įvilktas į apsauginį baltymo apvalkalą, vadinamą kapside. Kai kurie virusai taip pat turi išorinį lipidinį apvalkalą, pavogtą iš šeimininko ląstelės.

Visa viruso egzistencija skirta vienam tikslui: patekti į gyvą šeimininko ląstelę ir užgrobti jos molekulinę mašineriją, kad pagamintų daugiau savo kopijų. Šis procesas, žinomas kaip replikacija, dažnai baigiasi šeimininko ląstelės sprogimu (procesas vadinamas lize), išleidžiant naują virusinių dalelių kartą.

Tačiau šis paprastas apibrėžimas slepia neįtikėtiną įvairovę. Virusai labai skiriasi dydžiu, forma, genetiniu sudėtingumu ir šeimininkais, į kuriuos jie nusitaiko. Svarbiausia, kad jų poveikis nėra visuotinai neigiamas. Didžioji dauguma Žemėje esančių virusų žmonėmis nesidomi. Jie užsiėmę bakterijų, archėjų, grybų, dumblių ir augalų infekavimu. Kaip pamatysime, daugelis šių sąveikų yra ne tik gerybinės, bet ir būtinos planetos sveikatai.

Virusų ekosistemos išskaidymas: pagrindiniai veikėjai

Ekosistema apibrėžiama kaip organizmų ir jų fizinės aplinkos sąveika. Virusų ekosistema niekuo nesiskiria, nors jos komponentai yra mikroskopiniai. Susipažinkime su veikėjais.

Virosfera: virusų pasaulis

Virosfera – tai bendras terminas, apibūdinantis visus Žemėje esančius virusus. Jos mastą sunku suvokti. Mokslininkai apskaičiavo, kad mūsų planetoje yra 1031 virusinių dalelių – tai 1 su 31 nuliu. Jei jas visas išrikiuotumėte į eilę, jos nusidriektų 100 milijonų šviesmečių. Litre jūros vandens yra daugiau virusų nei žmonių Žemėje. Dėl šios didžiulės gausos virusai pagal skaičių yra dominuojanti gyvybės forma (arba biologinis darinys, nes jų, kaip „gyvų“, statusas yra diskutuotinas) planetoje.

Šeimininkai: replikacijos teatrai

Virusas yra niekas be šeimininko. Kiekvienas žinomas gyvas organizmas, nuo mažiausios bakterijos iki didžiausio mėlynojo banginio, yra jautrus virusinei infekcijai. Šeimininkas nėra pasyvi auka, o dinamiška ir esminė ekosistemos dalis. Jis suteikia žaliavas ir mechanizmus viruso replikacijai ir, tai darydamas, koevoliucionuoja kartu su savo virusiniais parazitais.

Šeimininko imuninė sistema sukuria galingą atrankos spaudimą, verčiantį virusus nuolat evoliucionuoti ir ieškoti naujų būdų, kaip išvengti aptikimo ir patekti į ląsteles. Šis amžinas katės ir pelės žaidimas yra pagrindinis evoliucijos variklis tiek virusui, tiek šeimininkui.

Vektoriai: perdavimo kanalai

Kad virusų ekosistema funkcionuotų, virusai turi gebėti judėti tarp šeimininkų. Šį judėjimą palengvina vektoriai. Vektoriai gali būti biologiniai arba aplinkos.

Aplinka: sąveikos scena

Fizinės ir cheminės aplinkos sąlygos paruošia sceną visai virusinei veiklai. Tokie veiksniai kaip temperatūra, pH, ultravioletinė (UV) spinduliuotė ir maistinių medžiagų prieinamumas turi didelį poveikį:

Sąveikos dinamika: kaip veikia virusų ekosistemos

Kai veikėjai išeina į sceną, prasideda sudėtingas virusų ekosistemos šokis. Šios sąveikos yra daug sudėtingesnės nei paprastas grobuonies ir aukos santykis.

Evoliucinės ginklavimosi varžybos: „Raudonosios karalienės“ pasaulis

Viruso ir jo šeimininko santykis dažnai apibūdinamas Raudonosios karalienės hipoteze, pavadinta pagal Lewiso Carrollio knygos „Alisa veidrodžio karalystėje“ veikėją, kuri sako: „reikia bėgti iš visų jėgų vien tam, kad liktum toje pačioje vietoje“.

Šeimininkai išvysto sudėtingas imunines sistemas (pavyzdžiui, antikūnus stuburiniuose arba CRISPR-Cas sistemas bakterijose), kad atpažintų ir sunaikintų virusus. Atsakydami į tai, virusai išvysto mechanizmus, kaip išvengti šių gynybos priemonių – jie gali greitai mutuoti savo paviršiaus baltymus, kad išvengtų atpažinimo, arba gaminti baltymus, kurie aktyviai slopina šeimininko imuninį atsaką. Šis negailestingas tiražas skatina greitą abiejų šalių evoliuciją. Šeimininkas bėga, kad išgyventų, o virusas bėga, kad toliau daugintųsi. Nė vienas negali sau leisti sustoti.

Tylioji dauguma: lizogenija ir latencija

Ne visos virusinės infekcijos yra smurtinės ir destruktyvios. Daugelis virusų gali pereiti į ramybės būseną šeimininko ląstelėje. Bakterijose tai vadinama lizogenija, kai viruso genomas integruojasi į šeimininko chromosomą ir yra kopijuojamas kartu su ja, iš kartos į kartą, nesukeldamas žalos. Tai šiek tiek panašu į miegantį agentą. Tik tada, kai šeimininko ląstelė patiria stresą (pvz., dėl UV spinduliuotės ar bado), virusas aktyvuojasi, dauginasi ir susprogdina ląstelę.

Gyvūnuose panaši būsena vadinama latencija. Herpesvirusai yra šios strategijos meistrai. Virusas, sukeliantis vėjaraupius (Varicella-zoster virusas), gali dešimtmečius išlikti latentinis nervų ląstelėse ir vėliau gyvenime vėl pasireikšti kaip juostinė pūslelinė. Iš viruso perspektyvos tai yra puiki strategija: ji užtikrina jo išlikimą, iš karto nenužudydama šeimininko, ir leidžia ilgalaikiam išlikimui populiacijoje.

Virusai kaip genetiniai pernešėjai: horizontalus genų pernešimas

Galbūt pats giliausias virusų vaidmuo bet kurioje ekosistemoje yra horizontalaus genų pernešimo (HGP) agentų vaidmuo. Tai genetinės medžiagos judėjimas tarp organizmų, išskyrus tradicinį paveldėjimą iš tėvų palikuonims. Virusai tai daro ypač gerai. Kai virusas surenka naujas daleles šeimininko ląstelėje, jis gali netyčia supakuoti šeimininko DNR dalelę. Kai šis virusas užkrečia naują ląstelę, net ir kitos rūšies, jis gali įšvirkšti tą šeimininko DNR gabalėlį, taip efektyviai perkeldamas geną.

Šis procesas turėjo pasaulį keičiančių pasekmių. Stulbinantis pavyzdys randamas mūsų pačių DNR. Genas, atsakingas už placentos formavimąsi žinduoliuose, vadinamas sincitinu, iš pradžių nėra žinduolių kilmės. Jis yra kilęs iš seno retroviruso, kuris užkrėtė mūsų protėvius prieš milijonus metų. Genas koduoja baltymą, kuris verčia ląsteles susilieti – savybę, kurią virusas naudojo norėdamas užkrėsti daugiau ląstelių. Žinduoliuose ši ląstelių susiliejimo savybė buvo pritaikyta sukurti sincitiotrofoblastą – kritinį placentos sluoksnį, kuris leidžia keistis maistinėmis medžiagomis tarp motinos ir vaisiaus. Be virusinio geno žinduolių, įskaitant ir mūsų pačių, evoliucija būtų pasukusi visai kita kryptimi.

Veikiančios virusų ekosistemos: atvejo studijos iš viso pasaulio

Kad iš tikrųjų suvoktume sąvoką, išnagrinėkime keletą specifinių virusų ekosistemų.

Jūros virusų ekosistema: vandenyno sergėtojai

Vandenynai yra didžiausias planetos virusų rezervuaras. Viename mililitre paviršinio jūros vandens gali būti iki 10 milijonų virusų, daugiausia bakteriofagų. Šie jūros virusai nėra grėsmė; jie yra esminiai planetos inžinieriai. Jie daugiausia infekuoja gausiausią fotosintetinantį organizmą Žemėje: cianobakterijas.

Kiekvieną dieną jūros virusai nužudo maždaug 20–40 % visų vandenyno bakterijų. Kai virusas liziškai suskaido mikrobinę ląstelę, visas jos ląstelinis turinys – turtingas anglies, azoto ir fosforo – išsiskiria į vandenį. Šis procesas vadinamas „virusiniu šuntu“. Jis neleidžia šioms gyvybiškai svarbioms maistinėms medžiagoms būti užrakintoms didesniuose organizmuose, o nukreipia jas atgal į mikrobinį mitybos tinklą, maitindamas kitą planktono kartą. Šis procesas yra pasaulinių biogeocheminių ciklų kertinis akmuo. Reguliuodamos mikrobų populiacijas ir perdirbdamos maistines medžiagas, jūros virusų ekosistemos iš esmės veikia pasaulinį klimatą ir jūrų produktyvumą.

Dirvožemio viromas: nematomi Žemės pamato inžinieriai

Kaip ir vandenynai, dirvožemis knibžda stulbinančios virusų įvairovės. Dirvožemio virusų ekosistema (arba viromas) yra kritinis, tačiau menkai suprastas sausumos gyvybės reguliatorius. Dirvožemio mikrobai yra atsakingi už organinių medžiagų skaidymą, maistinių medžiagų ciklą ir augalų augimo skatinimą. Virusai, infekuodami šiuos mikrobus, moduliuoja šių bendruomenių sudėtį ir aktyvumą.

Tai turi tiesioginių pasekmių žemės ūkiui ir ekosistemų sveikatai. Pavyzdžiui, virusai gali kontroliuoti azoto fiksuojančių bakterijų ar patogeninių grybų populiacijas dirvožemyje. Formuodamas mikrobinę bendruomenę, dirvožemio viromas netiesiogiai veikia dirvožemio derlingumą, augalų sveikatą ir anglies kiekį, saugomą žemėje.

Žmogaus viromas: daugiau nei tik gripas

Mes dažnai galvojame apie savo kūnus kaip apie sterilias tvirtoves, nuolat puolamas išorinių virusų. Realybė yra tokia, kad mūsų kūnai yra savarankiškos ekosistemos ir turi savo nuolatinę virusų bendruomenę: žmogaus viromą. Nors kai kurie iš jų yra latentiniai patogeniniai virusai, pavyzdžiui, Herpeso ar Epstein-Barr, daugelis yra bakteriofagai, gyvenantys mūsų žarnyne, ant odos ir plaučiuose.

Šio nuolatinio viromo vaidmuo yra intensyvių tyrimų tema. Duomenys rodo, kad tai dviašmenis kardas. Viena vertus, nuolatinės virusinės infekcijos gali prisidėti prie lėtinių ligų. Kita vertus, fagai mūsų žarnyno mikrobiome gali būti labai svarbūs palaikant sveiką bakterijų pusiausvyrą. Jie gali selektyviai nusitaikyti ir sunaikinti įsiveržusius bakterinius patogenus, veikdami kaip personalizuotas, gyvas antibiotikas. Žmogaus viromas yra neatsiejama mūsų „hologenomo“ dalis – mūsų pačių genų ir visų mūsų simbiotinių mikrobų genų visuma.

Augalų virusų ekosistemos: grėsmė ir pažadas žemės ūkiui

Žemės ūkiui virusai dažnai laikomi pražūtingais patogenais. Tokie virusai kaip maniokų mozaikos virusas Afrikoje ar pomidorų dėmėtosios vytuligės virusas visame pasaulyje gali sunaikinti ištisus pasėlius, keldami grėsmę maisto saugumui. Paprastai juos platina vabzdžių vektoriai, pavyzdžiui, amarai ir baltasparniai, sukurdami sudėtingą trišalę viruso, augalo ir vabzdžio sąveiką.

Tačiau naujausi atradimai atskleidė niuansuotą istoriją. Kai kuriais atvejais virusinė infekcija gali būti naudinga. Jeloustouno nacionaliniame parke buvo rasta panikos žolė, auganti geoterminiame dirvožemyje esant temperatūrai, kuri turėtų ją nužudyti. Paslaptis buvo simbiotinis ryšys: žolė buvo užkrėsta grybu, kuris savo ruožtu buvo užkrėstas virusu. Ši trijų dalių ekosistema – augalas, grybas, virusas – suteikė žolei ypatingą atsparumą karščiui. Tai atveria įdomias galimybes naudoti gerybinius virusus, siekiant padėti pasėliams prisitaikyti prie klimato kaitos sukelto streso, pavyzdžiui, sausros ir karščio.

Žmogaus veiklos poveikis virusų ekosistemoms

Tūkstantmečius virusų ekosistemos egzistavo dinamiškos pusiausvyros būsenoje. Per pastarąjį šimtmetį žmogaus veikla pradėjo smarkiai trikdyti šias pusiausvyras, dažnai sukeldama pavojingas pasekmes.

Miškų naikinimas ir buveinių praradimas: Kai kertame miškus, naikiname sudėtingas ekosistemas, kurios palaiko virusų ir jų natūralių šeimininkų pusiausvyrą. Tai priverčia laukinius gyvūnus telktis mažesniuose plotuose ir artimiau kontaktuoti su žmonėmis bei gyvuliais. Ši padidėjusi sąveika sukuria puikią galimybę zoonoziniam peršokimui – momentui, kai virusas peršoka nuo gyvūno šeimininko žmogui. Daugelis pastarųjų epidemijų, įskaitant Nipah, Ebolą ir, tikėtina, SARS-CoV-2, yra susijusios su tokiais sutrikdymais.

Klimato kaita: Šylanti planeta keičia virusų ekosistemas pasauliniu mastu. Kaip minėta, ligų vektorių, pavyzdžiui, uodų ir erkių, arealai plečiasi, atnešdami tokius virusus kaip Dengės karštligė ir Laimo liga į naujas populiacijas. Arktyje tirpstantis amžinasis įšalas kelia nerimą keliančią galimybę išlaisvinti senovinius, ilgai miegojusius virusus, kuriems šiuolaikinė gyvybė neturi imuniteto.

Globalizacija ir kelionės: Peršokimo įvykis, kuris prieš šimtmetį galėjo likti lokalizuotu protrūkiu, dabar per kelias savaites gali tapti pasauline pandemija. Mūsų tarpusavyje susijęs pasaulis yra didžiausias vektorius, leidžiantis virusams keliauti reaktyvinio lėktuvo greičiu.

Virusų ekosistemų tyrimas: šiuolaikinės virusologijos įrankiai

Mūsų augantis supratimas apie virusų ekosistemas tapo įmanomas dėl revoliucinių technologijų. Didžiąją istorijos dalį galėjome tirti tik tuos virusus, kuriuos buvo galima auginti laboratorijoje, o tai sudaro tik mažą dalį tikrosios virusų įvairovės.

Žaidimą pakeitė metagenomika (dar vadinama viromika, kai dėmesys skiriamas virusams). Šis metodas leidžia išvengti auginimo kultūrose. Mokslininkai gali paimti aplinkos mėginį – dirvožemio kaušelį, litrą vandens, žmogaus išmatų mėginį – ir nustatyti visos jame esančios genetinės medžiagos seką. Sudėtingos bioinformatikos programos sudeda šią skaitmeninę dėlionę, vienu kartu identifikuodamos tūkstančių naujų virusų genomus. Tai tarsi galimybė vienu metu perskaityti visas bibliotekos knygas, o ne tik tas, kurias galima pasiimti. Tai suteikė mums pirmąjį tikrą žvilgsnį į stulbinantį virosferos mastą ir įvairovę.

Ateitis priklauso virusams: kodėl svarbu suprasti šias ekosistemas

Požiūrio keitimas nuo individualių patogenų į ištisas virusų ekosistemas nėra tik akademinis pratimas. Tai būtina mūsų ateities sveikatai, ekonomikai ir planetos stabilumui.

Visuomenės sveikata ir pasirengimas pandemijoms

Modelis „vienas patogenas, viena liga“ jau nebepakankamas. Norėdami išvengti kitos pandemijos, turime vykdyti virusų stebėseną ekosistemos lygmeniu. Stebėdami laukinių gyvūnų populiacijų, ypač šikšnosparnių ir graužikų, viromus biologinės įvairovės židiniuose, galime nustatyti potencialiai pavojingus virusus dar prieš jiems peršokant į žmones. Tokia ekologinė stebėsena suteikia išankstinio įspėjimo sistemą, duodančią laiko sukurti diagnostiką, vakcinas ir gydymo būdus.

Biotechnologija ir medicina

Virosfera yra didžiausia ir įvairiausia genetinė biblioteka Žemėje, o mes tik pradėjome ją skaityti. Potencialios taikymo sritys yra milžiniškos:

Aplinkos valdymas ir žemės ūkis

Virusų vaidmens maistinių medžiagų cikle supratimas yra labai svarbus kuriant tikslius klimato modelius. Žemės ūkyje, pasitelkus naudingus virusus, galima pasiekti naują žaliąją revoliuciją, padedančią mums sukurti pasėlius, atsparesnius ligoms ir aplinkos stresui, taip sumažinant priklausomybę nuo cheminių pesticidų ir trąšų.

Praktinės įžvalgos pasaulinei auditorijai

Kaip galime pritaikyti šias žinias? Atsakymas priklauso nuo jūsų vaidmens.

Išvada: priimkime virusų pasaulį

Virusai nėra piktybiški įsibrovėliai. Jie yra senoviniai, atkaklūs ir pamatiniai mūsų pasaulio elementai. Jie yra mikrobų bendruomenių lėlininkai, evoliucijos varikliai ir tylūs planetos sveikatos reguliatoriai. Per ilgai mes juos laikėme tik savo priešais, matydami tik mažą dalelę, kuri mums kenkia.

Pažvelgę iš ekosistemos lygio, pradedame matyti platesnį vaizdą. Matome pasaulį, kurį formuoja nenumaldomas, kūrybiškas ir dinamiškas šokis tarp virusų ir jų šeimininkų – šokis, kuris leido evoliucionuoti placentai, kuris maitina vandenyno mitybos tinklą ir kuriame slypi galimi sprendimai didžiausiems žmonijos iššūkiams. Virosfera nėra pasaulis, kurio reikia bijoti, o pasaulis, kurį reikia suprasti. Jos tyrinėjimas yra viena iš įdomiausių ir svarbiausių mūsų laikų mokslinių kelionių.

Virusų ekosistemų supratimas: nematomi mūsų pasaulio architektai | MLOG