Є такий відомий питання: що з'явилося раніше - курка чи яйце? Можна точно так же запитати: що з'явилося раніше - вірус або імунітет? І, як і в питанні про курку і яйце, ні той ні інший відповідь не може бути вірним. Правильна відповідь полягає в тому, що вони виникають одночасно, в постійній взаємодії, з більш простих форм. Як тільки з'явилися віруси або вірусоподібні паразити - а вони з'явилися, судячи з усього, одночасно із зародженням життя, - тут же з'явилася і захист від них.
Історія вивчення вірусів
Захист, точніше, вакцини від вірусів з'явилися ще до того, як люди зрозуміли, що таке вірус. Вони розуміли, що існують інфекційні захворювання, але не бачили ніякої різниці між бактеріями, вірусами і навіть якимись амебами. Мабуть, першою з'явилася вакцина проти натуральної віспи, яку англійський лікар Едвард Дженнер створив в кінці XVIII століття.
У всякому разі, це перший документований випадок дослідження і використання вакцини. Потім, вже в 1870-і роки, сталося інше знаменита подія - створення Луї Пастером вакцини проти сказу. Це прекрасно працювало і виглядало як справжнє диво: зовсім невиліковна хвороба, яку можна запобігти і навіть вилікувати, якщо вчасно почати лікування за допомогою цих вакцин.
Але при цьому вакцини створювалися наосліп. Ніяких ідей про те, що є якийсь особливий тип агента, який викликає ці хвороби, не було. Такі ідеї стали з'являтися в самому кінці XIX століття. У 1890-і роки був такий російський вчений, Дмитро Йосипович Іванівський, молодий тоді ще чоловік, який готувався захищати дисертацію, нічим особливо не примітний.
Він досліджував хвороби тютюну і був першим, хто приділив увагу тій обставині, що ця хвороба передавалася з соком хворих рослин. Тобто збудник цієї хвороби якось проходив через фільтри, які не пропускають бактерії. Іванівський насправді не розумів, живий це організм чи ні, він швидше за думав, що це токсин, хоча і підозрював, що це початок якимось чином репродукується себе.
Але, як би там не було, першим описав такий об'єкт, привернув увагу наукового співтовариства і став, по суті, засновником вірусології. А далі досить за короткий час було зроблено ще ряд важливих відкриттів: було показано, що багато хвороб викликаються вірусами - ящур, жовта лихоманка, поліомієліт, саркома птахів.
Англійська бактеріолог Фредерік Туерто в 1915 році описав у своїй статті групу вірусів, що інфікують бактерії, а французько-канадський мікробіолог Фелікс Д'Ерелль в 1917 році описав ці віруси докладно і дав їм назву бактеріофаги. тобто «пожирачі бактерій», оскільки при додаванні до бактерій в живильному середовищі ці віруси створюють зону з мертвими бактеріями. Таким чином, до кінця Першої світової війни стало зрозуміло, що існують якісь дрібні агенти, які складають абсолютно особливий клас паразитів.
Віруси проти імунітету
Говорячи про протистояння вірусів і бактерій, можна згадати таке поняття, абсолютно офіційно визнане в біологічній науці і грає величезну роль, - це гонка озброєнь. Звучить антропоморфно, але це офіційно прийнятий термін. Вся історія життя - це гонка озброєнь між господарями і паразитами. Справа в тому, що будь-який імунітет заснований на розпізнаванні свого і чужого. Процес боротьби вірусів та імунітету можна проілюструвати відомою фразою Червоної королеви з «Аліси в Країні чудес», яка говорила, що, щоб залишатися на місці, потрібно бігти якомога швидше.
Наприклад, що робить знаменита нині система CRISPR. Вона запозичує геном паразита - не весь, звичайно, а шматок, досить довгий, щоб його точно (ну, майже-майже точно) не було в геномі самої бактерії або археї, і це дає чудовий результат. Вірусна ДНК, вбудована в геном господаря, використовується для синтезу спеціальної молекули РНК, комплементарної вірусного геному, яка і служить, власне, вакциною. Спеціальні ферменти розрізають вірусний геном в місці приєднання цієї РНК і тим самим вбивають вірус.
Такий імунітет виключно ефективний. Однак включається горезвісна гонка: як тільки вірус змінюється у відповідній частині генома, він стає стійким проти вакцини. І щоб відновити імунітет, господар повинен запозичувати нові фрагменти зміненого вірусного генома. Так що це така фундаментальна (оскільки заснована на центральному принципі в біології - комплементарності нуклеїнових кислот) форма цієї гонки озброєнь.
Є й інші способи боротьби. Багато віруси розробляють спеціальні, так би мовити, протівозащітние кошти. Зокрема, у вірусів дуже часто є якісь білки, які адаптуються до системи імунітету і заважають їй. Дуже часто відбувається так, що вірус захоплює компонент хазяйської захисної системи і його ж використовує проти неї. Цей компонент змінюється і перестає працювати, але сприймається як працює. І таким чином вірус ніби ставить господареві палиці в колеса. Це дуже поширене явище. Така гонка озброєнь веде до різноманітності як вірусів, так і хазяйської системи захисту. Це найважливіший фактор генерації різноманітності в процесі еволюції.
Очевидно, що якісь віруси підлаштовуються під імунну систему і продовжують боротьбу, а якісь виявляються переможеними. Але ми нічого не знаємо про ці види, які існували мільйони років тому, але так і не пройшли за шляху еволюції. Правда, ми можемо реконструювати якісь предкові форми, які залишили потомство, яке дійшло до наших днів.
Стратегії виживання вірусів
Дуже важливо розуміти, що, коли ми говоримо про віруси, ми говоримо про речі, неминучих для будь-якої еволюціонує системи, про спільну еволюції господарів і паразитів. І тут потрібно розуміти, що кінцевою метою вірусів і взагалі паразитів аж ніяк не є смерть господаря. Та пристосованість, яка оптимізується в ході еволюції, не має нічого спільного з вбивством господаря.
Вірус всього лише прагне розмножитися максимально швидко і ефективно, і саме ця здатність вдосконалюється в ході його еволюції. Насправді для нього ж краще взагалі ніколи не вбивати господарів, для вірусу найкраще б було, щоб його господарі були щасливі, щоб він сам міг розмножуватися особливо ефективно. Але ось біда для вірусу в тому, що ці цілі - ефективне розмноження і збереження життя господаря - часто приходять до суперечності. І насправді багато вірусів ведуть «помірний» спосіб життя і ніколи не вбивають господарів. Для цього їм доводиться знижувати інтенсивність розмноження.
Інша стратегія полягає в тому, щоб максимально розмножитися, а коли господар помре, перейти до іншого. Перевага тієї чи іншої стратегії залежить від стабільності навколишнього середовища. Якщо паразит може «передбачити», що популяція господаря буде стабільна і буде існувати мільйони років, то вбивати його ні в якому разі не треба.
Якщо ж висока ймовірність якихось катастроф, які в будь-якому випадку зведуть популяцію хазяїна до нуля, то його потрібно використовувати якомога швидше і пересуватися до іншої популяції. Треба сказати, що деякі віруси еволюціонують таким чином, щоб поєднувати обидві ці стратегії.
В ході еволюції у вірусів з'явилися і інші способи виживання.
Вони можуть вбудувати свій геном в клітку господаря і таким чином жити. Однак коли щось погане загрожує його існуванню, вірус активується, виходить зі свого напівсонного стану, вбиває господаря і переходить до іншого. Взагалі кажучи, в ході еволюції перемогли саме ті паразити, які вміють поєднувати названі дві стратегії. Це як вміння правильно розподіляти свої ставки в казино. І дуже важливо розуміти, що загибель господаря або його важкий стан ні в якому разі не є чимось вигідним для паразита. Це побічний ефект його діяльності.
Віруси і еволюція
Розмноження вірусів, як правило, не обіцяє нічого хорошого індивідуальним організмам. Хоча, з іншого боку, віруси можуть стимулювати імунітет. Були навіть спроби вилікувати рак за допомогою зараження вірусами. Але в цілому в ході еволюції паразити і віруси відіграють величезну роль, без них не було, немає і не буде ніякого життя. І вся історія життя - це історія спільної еволюції взаємодії паразитів з господарем.
І збільшення складності захисту господарів, вдосконалення імунної системи було б неможливо без постійної взаємодії з паразитами. Зокрема, можна математично показати, що виникнення багатоклітинних організмів стимулюється багато в чому саме захистом від вірусів. Многоклеточность стає вигідною тоді, коли клітини атакують вірусом: вигідно, коли одна клітина приймає на себе удар і за допомогою механізмів програмованої клітинної смерті може себе вбити і позбавити інших від вірусу.
І багато інших пристосування, які існують у клітинних організмів, пов'язані або з захистом від вірусів, або з генетичним матеріалом, який господар отримує від вірусу.
Можна навести такий приклад. Є досить знаменитий фермент під назвою теломераза - це той фермент, який забезпечує стабілізацію наших хромосом, як би стежить за тим, щоб вони не ставали коротше. Це абсолютно необхідно для виживання організму, і активність цього ферменту пов'язана як зі старінням, так і з раком.
І спочатку, на зорі становлення еукаріот, ця сама теломераза була не чим іншим, як зворотній транскриптазой, яка у ранніх еукаріот входила до складу одного з мобільних генетичних елементів. І потрібно завжди пам'ятати, що наш власний геном десь на дві третини або трохи менше складається із залишків мобільних генетичних елементів. Більшість людей вважають, що це непотрібне сміття, але їх так багато, що багато хто з них використовуються для всяких потреб. Таким чином, еволюція господарів ніколи не вільна від паразитів і дуже багато від них бере.
Еволюція і класифікація вірусів
У 1971 році великий американський вчений Девід Балтімор запропонував класифікувати віруси в залежності від типу геномної нуклеїнової кислоти - ДНК або РНК. Тип вірусу, згідно цієї класифікації, визначає цикл його розмноження. Але в природі ці класи розподілені дуже нерівномірно. Якщо ми подивимося, які види вірусів заражають різні організми, вийде цікава картина. У бактерій і архей переважна більшість - це віруси, що містять двуцепочечную ДНК.
А у еукаріот істотно переважають РНК-віруси, яких існує просто фантастичне різноманіття. Причини цих відмінностей дуже цікаві, але добре зрозумілі тільки в небагатьох випадках. Наприклад, великі ДНК-віруси не можуть поширюватися в рослинах, вони там не виживають і присутні тільки в водоростях. У вищих рослин їх місце займають РНК-віруси. Ось це поняття ніші якраз і визначає, по-видимому, відмінності в поширенні вірусів. Але це не завжди можна точно зрозуміти.
еволюція імунітету
Говорити про еволюцію імунітету можна дуже довго, але важливо розуміти деякі дуже важливі речі. Всі знають, що реплікація генетичного матеріалу заснована на комплементарності нуклеїнових кислот. І, відповідно, важливі системи імунітету теж засновані на цьому принципі. Зокрема, можна взяти шматок РНК, і він годиться для розпізнавання.
Це могутня зброя проти чужого, паразита, зокрема вірусних геномів. Але де взяти цю унікальну захисну нуклеїнових кислот? З генома самого паразита. Це можна зробити різними шляхами. Наприклад, у еукаріот, як правило, відбувається нарізування генома РНК-вірусу на дрібні шматочки, і потім частину цих шматочків використовується для того, щоб дізнатися унікальне місце в геномі паразита і зруйнувати його за допомогою ферменту нуклеази, який входить в цей комплекс. Це простий і елегантний принцип.
Однак, коли інфекція проходить, цей процес припиняється, а вакцинації не відбувається. І наступний крок полягає в тому, щоб забезпечити вакцинацію. Саме це робить система CRISPR. Вона платить за це досить великою складністю і можливістю аутоімунних реакцій. Але тим не менше вона добре пристосована до того, щоб запам'ятовувати інформацію про паразит.
Вона включає елементи чужого геному в власну ДНК - це і є основний принцип функціонування системи CRISPR. І цей потужний принцип полягає в тому, щоб використовувати компліментарність нуклеїнових кислот, той же принцип реплікації, для того щоб відокремлювати чуже від свого і руйнувати його. Це спосіб, який використовується усіма організмами.
Другий спосіб полягає в тому, що здійснюється впізнавання свого і чужого за допомогою специфічних білків - це те, що робить наша імунна система, застосовуючи рецептори на клітинах, які дізнаються вірус, і розчинні антитіла. Загалом, весь шлях імунітету в глобальному сенсі - це впізнавання свого і чужого, захист свого і знищення чужого. І в процесі еволюції це здійснюється величезною кількістю різних способів.
У перспективі повне знищення вірусів не є ні необхідним, ні можливим. Але ось знищення людських хвороб, які ними викликаються, таких як натуральна віспа та поліомієліт, - це вже існуюча реальність і зрозуміла мета. Це віруси, які є тупиком еволюції і в той же час вбивають господаря - їх дійсно можна і потрібно усунути. Проти основних вірусних хвороб є хороші вакцини, за винятком швидкозмінних вірусів, таких як грип або ВІЛ. В інших випадках вакцини працюють цілком добре.
Багато досліджень ведеться в області таких швидко і непередбачувано мінливих вірусів. Вчені намагаються зрозуміти, як передбачити еволюцію цих вірусів в микромасштабах і отримати ефективні вакцини. Закінчення цих робіт чекати ще рано. Велика проблема полягає не стільки у знову виникаючих віруси, скільки у прибуваючих з різних далеких місць, таких як вірус Зика.