Wirusy, przybysze z międzyświatów. Jest ich 10 mln razy więcej niż gwiazd

Nie wiadomo, czy są żywe czy martwe. Ani skąd dokładnie się wzięły. Jedno jest jednak pewne – odniosły gigantyczny sukces w ewolucyjnym wyścigu. Dlatego Ziemia to planeta wirusów.

Wirus – słowo, które nie wywołuje dobrych skojarzeń, bo niemal zawsze występuje w parze z „chorobą” lub złowieszczo brzmiącą „epidemią”. Inne najczęstsze skojarzenia to: przeziębienie, hiszpanka, HIV, ebola, no i teraz SARS-CoV-2. Niewidoczne, tajemnicze, bardzo groźne – wirusy mają wyjątkowo kiepski PR. Po części zasłużony. Ale tylko po części, bo są ogromnie fascynującymi tworami przyrody, stanowiącymi ważny elementem życia na Ziemi. W dodatku przez długi czas niedoceniany przez naukę.

Na lekcjach biologii wielu spośród nas nie uczono, jak bardzo wirusy oddziałują np. na ziemski klimat i wygląd naszej planety oraz kształtują ewolucję wszystkich występujących na niej organizmów. Że są tak liczne i wszechobecne, iż można by się wręcz zastanawiać, czy Ziemia to przypadkiem nie przede wszystkim ich planeta. W dodatku mogą być świadkami najdawniejszych czasów, gdy przed ok. 4 mld lat życie dopiero na niej kiełkowało. No i że są nadal wielką zagadką dla nauki, która nie jest w stanie dać jasnej odpowiedzi na pozornie proste pytanie: czy to żywe istoty, czy tylko złożona chemicznie, ale martwa materia? Oto historia i tajemnice jednych z najbardziej fascynujących i zabójczych tworów, jakie wydała na świat ewolucja.

Trucizna i nasienie

Dowiedzieliśmy się o ich istnieniu stosunkowo niedawno, bo dopiero pod koniec XIX w. Dmitrij Iwanowski, rosyjski botanik i mikrobiolog pracujący m.in. na Uniwersytecie Warszawskim, zainteresował się wówczas dziwną chorobą tytoniu przyprawiającą o ból głowy plantatorów tej rośliny, a nazywaną mozaikowatością. Jej objawem bowiem są liczne małe kropki pojawiające się na liściach i przypominające drobne fragmenty mozaiki.

Nauka była wówczas zafascynowana odkrywaniem niewidocznego dla nieuzbrojonego oka mikroświata bakterii oraz ich związków z chorobami. Iwanowski podejrzewał więc, że jakieś nieznane jeszcze bakteryjne mikroby atakują tytoń. Jednak przeprowadzone w 1892 r. eksperymenty, polegające na przepuszczaniu wyciągów z liści przez filtry wyłapujące bakterie, wykazały jednoznacznie, że czynnik wywołujący plamy na tytoniu bez problemu przez taką przeszkodę przechodzi. Iwanowski zinterpretował to błędnie – uznał, że mozaika na liściach pojawia się na skutek działania bakteryjnej toksyny przedostającej się przez filtr.

Badania rosyjskiego naukowca powtórzył w 1898 r. inny mikrobiolog i botanik, Martinus Beijerinck z Holandii. Z identycznym wynikiem, tyle że zauważył, iż tajemniczy czynnik chorobotwórczy nie namnaża się na pożywce dla bakterii, ale w komórkach liści tytoniu. To właśnie Beijerinck użył po raz pierwszy pochodzącego z łaciny słowa wirus, które w starożytnym Rzymie oznaczało zarówno jad węża, jak i męskie nasienie. Był to – jak sto lat później wykaże nauka – bardzo trafny wybór. Wirusy są bowiem zarówno czynnikami niosącymi choroby i śmierć, jak i wielkimi kreatorami życia.

Holenderski uczony miał także świetną intuicję, uznając chorobę tytoniu za wywoływaną przez coś innego niż bakterie. Jednak niewiele więcej potrafił na ten temat powiedzieć. Dopiero skonstruowanie w latach 30. ubiegłego wieku mikroskopu elektronowego pozwoliło po raz pierwszy zobaczyć wirusy, a rozwój genetyki, biochemii i wirusologii umożliwił poznanie ich chemicznej budowy. Okazało się, że pod tym względem to bardzo proste i zarazem dziwne twory. Składają się z mniejszych lub większych cząsteczek DNA albo RNA (materiału genetycznego), zawierających wirusowe geny (SARS-CoV-2 jest właśnie wirusem zbudowanym z RNA). Owe cząsteczki otoczone są zbudowanymi z białek tzw. kapsydami. Niektóre wirusy posiadają jeszcze dodatkową lipidową osłonkę.

Taka konstrukcja to bardzo niewiele (można by nawet powiedzieć: prawie nic) w porównaniu z nawet najprostszymi jednokomórkowymi organizmami, które posiadają całą maszynerię pozwalającą powielać się i dostarczać energię niezbędną m.in. do wzrostu i rozmnażania. Wirusy tego nie umieją, gdyż są pasożytami totalnie zależnymi od swoich gospodarzy. Do wytworzenia własnych kopii wykorzystują maszynerię komórek żywicieli, do których wnętrza w różny sprytny sposób wnikają. Kiedy są poza komórkami gospodarza, trwają w całkowitej bezczynności, właściwie martwe, bo same nie są w stanie nic poza owym biernym trwaniem zrobić.

To był główny powód, dla którego wyrzucono wirusy poza zbiór istot żywych, uznając je za skomplikowane cząsteczki chemiczne. Dlatego w naukach ewolucyjnych traktowano je jako czynniki w stosunku do życia zewnętrzne, coś w rodzaju trzęsienia ziemi czy wybuchu wulkanu.

Powyższy pogląd do dziś pozostaje przedmiotem gorącej naukowej debaty (m.in. z powodu braku jednej, powszechnie uznanej definicji życia). I choć większość uczonych zgadza się, że raczej nie należy tych dziwnych tworów uznawać za żywe istoty, to z drugiej strony nie można ich wrzucać do tego samego worka co np. skał czy wody. Bo wprawdzie nie są w stanie same się rozmnażać, nie wykazują metabolizmu (przemiany materii), ale noszą w sobie materiał genetyczny, w którym informacja zakodowana jest dokładnie w ten sam sposób, jak u bakterii, roślin, grzybów czy zwierząt (w tym ludzi). Przede wszystkim zaś skala oddziaływania wirusów na wszystkie istoty żywe i procesy ewolucji okazuje się gigantyczna i bezprecedensowa, z czego jeszcze nie tak dawno nie zdawano sobie sprawy. Dlatego naukowcy, opisując wirusy, używają ciekawych, nieraz brzmiących wręcz literacko określeń. Mówią mianowicie o tworach prowadzących rodzaj „zapożyczonego życia”. O istotach znajdujących się w szarej strefie pomiędzy materią nieożywioną a żywą, czyli bytujących gdzieś w międzyświatach.

Stwórcy DNA

W tym momencie nasuwa się pytanie, skąd w takim razie takie dziwne istoty się wzięły i kiedy pojawiły się na Ziemi. Wiele wskazuje na to, że nastąpiło to zaraz po tym, gdy zakwitło na niej życie. Są więc świadkami (a ślady tego noszą w swoim materiale genetycznym) zdarzeń sprzed ok. 4 mld lat. Ich dokładna geneza stanowi nadal zagadkę – teorii powstania wirusów jest kilka, ale żadna do dziś nie zgromadziła dowodów rozstrzygających tę kwestię. Jedna z hipotez mówi np., że są one oderwanym kawałkiem materiału genetycznego pochodzącym z większego organizmu. Ów fragment „nauczył się” pasożytować na innych komórkach, wykorzystując do tworzenia swoich kopii ich maszynerię.

Inna teoria zakłada, że wirusy były kiedyś jednokomórkowymi organizmami, które „wpadły na pomysł”, iż można pozbyć się całego zbędnego komórkowego bagażu i przestać troszczyć się np. o pokarm i przemianę materii, a i tak odnieść ewolucyjny sukces – czyli skutecznie powielać swoje geny. Historia ewolucji zna przykłady takich zakończonych sukcesem „cofnięć w rozwoju”. Niektóre bakterie – m.in. chlamydie – są małe i potrafią rozmnażać się wyłącznie wewnątrz obcych komórek, korzystając z ich zasobów. Inny spektakularny przykład to samce ryb głębinowych z rodziny matronicowatych – wgryzają się w ciało samicy, stając się małą pasożytniczą naroślą pozbawioną wszystkiego prócz układu oddechowego i narządów płciowych.

Niezależnie od tego, jaka jest geneza wirusów, okazuje się (a przynajmniej tak sądzą niektórzy naukowcy), że mogły one bardzo mocno namieszać już na bardzo wczesnych etapach ewolucji. Materiał genetyczny z zapisanym w nim planem budowy organizmów żywych (jeśli wyłączymy z tej grupy wirusy) to dziś wyłącznie DNA, ale u zarania dziejów świat opierał się na siostrzanym i mniej stabilnym RNA. Skąd ta zmiana? Okazuje się, że słynną podwójną helisę DNA (którą nosimy w niemal każdej komórce ciała) mogły „wynaleźć”... niektóre wirusy. Po to – w dużym uproszczeniu – by lepiej chronić swój materiał genetyczny przed mechanizmami obronnymi gospodarzy, które niszczyły pasożytnicze RNA wirusów.

Odróżnia nas (i inne zwierzęta, rośliny czy grzyby) od bakterii obecność w komórkach pewnej wyjątkowej struktury: jądra (a w nim DNA ciasno upakowanego w chromosomach). Otóż według jednej z hipotez wyodrębnione jądro to nic innego niż wirus, który wniknął do jakiegoś jednokomórkowego organizmu i tak już pozostał.

Wreszcie płeć. Sporo wskazuje na to, że płciowe rozmnażanie powstało jako odpowiedź na ataki pasożytów, przede wszystkim wirusów. Podział na płcie służy bowiem zwiększaniu zmienności genetycznej potomstwa. Ta zaś jest potrzebne – mówiąc w ogromnym skrócie – by intruzom uniemożliwić atak na komórki naszego ciała.

Tyle hipotezy. Niezaprzeczalnym jest natomiast ogromny wpływ wirusów na ewolucję i procesy zachodzące na Ziemi. Są one pasożytami żerującymi na wszystkich znanych żywych organizmach – do najmniejszych po największe. Część z nich potrafi wbudowywać swój materiał genetyczny w DNA gospodarzy. Szacuje się, że nawet 8–10 proc. ludzkiego DNA może pochodzić właśnie od nich. Tak, w jednej dziesiątej bylibyśmy wirusami.

Kąpiel w wirusach

Wirusy zabijają dziś biliony mikroorganizmów, uwalniając w ten sposób do atmosfery gazy odbijające promieniowanie słoneczne. Pośrednio wpływają więc na ziemski klimat. Zabite przez wirusy mikroby uwalniają także węgiel, który służy jako pożywka dla innych żywych organizmów. Ta rzeź dokonuje się głównie w oceanach, które kiedyś przez naukowców były uważane za niemal pozbawione wirusów. Tymczasem jeden litr wody morskiej może zawierać ich aż ok. 100 mld. Masa morskich wirusów równa jest wadze 75 mln płetwali błękitnych, czyli największych zwierząt, jakie kiedykolwiek pojawiły się na Ziemi (masa ciała tych wielorybów dochodzi do 190 ton).

W ogromnej większości są to bakteriofagi, czyli wyspecjalizowane w pasożytowaniu na bakteriach. Jak pisze Carl Zimmer, jeden z najlepszych amerykańskich popularyzatorów nauki i autor książki „Planeta wirusów”, bakteriofagi w ciągu jednej sekundy dokonują ok. 10 bln ataków na jakiś mikroorganizm. Każdego dnia zabijają od 20 do 50 proc. bakterii żyjących w światowych oceanach. I dzięki temu utrzymują je w ryzach. Co więcej, bakteriofagi potrafią wygasić epidemię cholery wywoływaną przez żyjące w wodzie przecinkowce cholery. Tak więc wejście do morza oznacza kąpiel w wirusowej zupie, ale nie należy się jej specjalnie obawiać. Większość znajdujących się w niej wirusów jest bowiem dla nas niegroźna.

Jeśli ktoś chciałby zobaczyć namacalny dowód działalności morskich wirusów, niech spojrzy na zdjęcia (lub obejrzy w naturze) słynnych białych klifów w angielskim Dover. Powstały one na skutek odkładania się wapiennych skorupek jednokomórkowych glonów. W dużej części zabitych przez wirusy.

Warto jeszcze na chwilę wrócić do liczb przywoływanych przez Carla Zimmera, by uświadomić sobie, kto tak naprawdę zasiedlił naszą planetę. Kiedy chorujemy na grypę, jedna zarażona wirusem komórka naszych dróg oddechowych zostaje zmuszona do wyprodukowania ok. 10 tys. nowych wirusów. W ciągu kilku dni liczba wirusów grypy w naszym ciele wzrasta do ok. 10 bln. W 2009 r. Dana Willner z San Diego State University pobrała próbki flegmy ludzi. Okazało się, że w płucach każdego z nas (zdrowego czy chorego) stale rezyduje ok. 174 gatunków wirusów.

A ile w ogóle jest ich na Ziemi? Najczęściej w literaturze naukowej pojawia się liczba 10³¹ (czy 1 z 31 zerami), choć należy pamiętać, że to wyłącznie przybliżone szacunki. Oznacza to, że wirusów jest 10 mln razy więcej niż gwiazd w znanym nam Wszechświecie. Gdyby ustawić wszystkie ziemskie wirusy jeden na drugim, utworzyłyby wieżę sięgającą w kosmos na odległość 200 mln lat świetlnych (jeden rok świetlny to ok. 9,5 bln dm). Ocenia się, że wirusy mogą stanowić ok. 5 proc. biomasy (czyli masy wszystkich organizmów żywych). Natomiast liczba ich gatunków pozostaje nieznana. Samych wirusów pasożytujących na ssakach może być aż 320 tys.

Nie taka ebola straszna

Wszystko to dowodzi, że wirusy odniosły spektakularny ewolucyjny sukces. Osiągnięty m.in. dzięki ogromnej zmienności genetycznej. Nie posiadają bowiem mechanizmów (które mamy m.in. my) naprawiających uszkodzenia materiału genetycznego. Ale dzięki temu mogą cały czas – za sprawą przypadkowych mutacji – prowadzić wyścig z gospodarzami, na których pasożytują. Z tego powodu różnorodność wirusów jest tak ogromna (niektóre, jak bakteriofagi T4, przypominają z wyglądu niezwykłe nanoroboty; inne zaś przybierają bardzo proste formy), a efekty działania – w postaci objawów obecności w naszych organizmach – tak odmienne. Wywołują bowiem zakażenia ostre, przewlekłe, lekkie i bardzo ciężkie, przenosząc się pomiędzy organizmami w najróżniejszy sposób. Niektóre mogą powodować również nowotwory, ingerując w DNA gospodarzy (jak wirus brodawczaka odpowiedzialny za raka szyjki macicy u ludzi). Jeszcze inne zamieszkać na zawsze i czaić się w komórkach – jak wirus opryszczki – by tylko od czasu do czasu dawać o sobie znać.

Ta zmienność sprawia również, że niezwykle trudno jest nam z wirusami walczyć. Najskuteczniejsza broń, jaką obecnie posiadamy (choć przeciw nielicznym wirusom), to szczepionki. Dzięki nim odnieśliśmy naprawdę spektakularne zwycięstwa nad polio czy ospą prawdziwą, praktycznie eliminując ze środowiska wywołujące je patogeny.

W tym kontekście warto też spojrzeć na budzące lęk epidemie eboli. Choć skutki zakażenia wywołującym ją wirusem są naprawdę straszne, to panika bardziej ma wymiar medialny niż rzeczywisty. Pandemia eboli światu raczej nie grozi, gdyż wywołujący chorobę wirus nie jest specjalnie skutecznym pasożytem. W interesie pasożytów nie leży zabijanie swoich gospodarzy, a tymczasem wirus gorączki krwotocznej szybko uśmierca nawet do 90 proc. swoich ofiar. Jest pod tym względem zbyt skuteczny, działając na własną niekorzyść. Dlatego epidemie eboli dość szybko wygasały. Ponadto chorujący zaczynają zarażać innych dopiero wówczas, gdy wystąpią u nich widoczne objawy. Więc przy sprawnej służbie zdrowia – której, niestety, w wielu regionach Afryki brakuje – można dość szybko i skutecznie takie osoby odizolować.

Prawdziwymi mistrzami wywoływania epidemii są inne wirusy, przede wszystkim grypy (i grypopodobne) czy szalejący obecnie koronawirus SARS-CoV-2. Przenoszą się drogą kropelkową, zakażając kolejne ofiary, jeszcze zanim pojawią się u nich pierwsze objawy. W trakcie słynnej epidemii hiszpanki z 1918 r. zachorowała na grypę aż jedna trzecia światowej populacji. Ale śmiertelność wyniosła „tylko” ok. 5 proc. Dlatego to właśnie wirusy grypy czy koronawirusy, wywołujące nietypowe zapalenie płuc, mogą nam poważnie zagrozić, czego potwierdzeniem jest obecna pandemia. Gęsto zaludnione miasta i międzykontynentalny transport lotniczy to dla nich wymarzone środowisko do działania.

Dziękuję prof. Ewie Krawczyk z Georgetown University w Waszyngtonie za konsultacje merytoryczne.

NANO i MIKRO

W wielu podręcznikach biologii można przeczytać, że najmniejsze wirusy liczą jedynie 20 nm (czyli milionowych części milimetra), zaś największe – kilkaset nanometrów. Jednak ta wiedza szybko się zmienia. W 2014 r. naukowcy ogłosili, że znaleźli pandorawirusy, których wielkość dochodzi do jednego mikrometra (to już naprawdę coś, bo komórki najmniejszych bakterii liczą ok. 0,2 mikrometra). W dodatku posiadają one najbardziej bogaty zestaw genów – aż 2,5 tys. Dla porównania: wirus grypy (wielkość 100 nm) nosi w sobie tylko 13 genów, zaś SARS-CoV-2 (80–90 nm) ma w swoim RNA jedynie 15 genów (człowiek ma ich ok. 23 tys., ale – co ciekawe – nie jest pod tym względem rekordzistą, gdyż pewne pierwotniaki noszą w sobie ok. 60 tys.).

W 2015 r. odkryto zaś prawdziwego wirusowego giganta, nazwanego Pithovirus sibericum. Jego rozmiary dochodzą do 1,5 mikrometra, a liczba genów wynosi 467. Wirus gigant został zidentyfikowany przez francusko-rosyjski zespół w próbce syberyjskiej wiecznej zmarzliny, w której – dzięki niskiej temperaturze – czas „zatrzymał się” ok. 30 tys. lat temu. Zarówno gigantyczne pithowirusy, jak i trochę mniejsze pandorawirusy nie są groźne dla ludzi, gdyż cel ich ataków stanowią wyłącznie ameby.