Вирусы для предсказания будущего?
Можем ли мы узнать что-либо от вирусов, фагов и их хозяина о продолжении жизни, будущем и конце существования человечества? Инфекционные заболевания являются основной причиной смерти на нашей планете. Во время Первой мировой войны было уничтожено и погибло от гриппа около 100 млн человек. От ВИЧ/СПИДа, главным образом в развивающихся странах, умерло около 37 млн человек. От инфекционных заболеваний в мире ежегодно умирает 15 млн человек, от рака – около 10 млн, из которых 1,5 млн случаев связаны с вирусами. Новая «эпидемия» ожирения охватила примерно 300 млн человек, и, по оценкам некоторых ученых, в скором времени ожирением будет страдать треть населения планеты – при этом «инфицирующий агент» неизвестен. Нет вируса, известного как причина, – а что насчет бактерий? В конце концов, животным дают антибиотики для увеличения массы тела. По имеющимся данным, дети к подростковому возрасту получают десять курсов антибиотиков, что приводит к изменению их кишечного микробиома. Является ли это объяснением совершенно необъяснимо быстрого увеличения числа людей с ожирением, которое, похоже, носит характер эпидемии? Такая возможность серьезно обсуждается. Было показано, что у лиц с ожирением повышается вероятность развития рака и изменения дифференциации стволовых клеток в кишечнике. Какие последствия это может иметь для состава бактерий в экосистеме человека в долгосрочной перспективе? Если на бактерии оказывается негативное воздействие, такому же неблагоприятному воздействию подвергаются вирусы и фаги, поскольку все они при стрессовых условиях лизируют бактерии. К стрессовым условиям относят и ожирение, и микробиом кишечника. А что насчет архей и дрожжей? Ответа на этот вопрос не знает никто.
Я уже отмечала, что микроорганизмы не становятся возбудителями заболеваний, если наш организм представляет собой хорошо сбалансированную экосистему. Однако подобные стабильные системы не могут существовать постоянно, в противном случае мы бы никогда не заболевали. Нам даже нужно время от времени болеть для тренировки иммунной системы, если мы не хотим, чтобы этим занимались гельминты.
Происходит нарушение баланса. Возможно, бывает трудно избежать недостатка пространства, кислорода, питательных веществ из-за близкого соседства людей и животных, и все это вызывает стресс. При стрессе вирусы могут активироваться. В развивающихся странах инфекционные заболевания являются одной из основных причин смертности. И все же микроорганизмы и инфекционные заболевания не приведут к исчезновению человечества. В рамках исследования, проводившегося НАСА, их даже не рассматривали как одну из угроз для человечества. Хотя они могут регулировать плотность популяции.
Безусловно, микроорганизмы и вирусы переживут нас – млекопитающих и эукариотов. Они существуют уже примерно 3,8 млрд лет и появились задолго до нас. Мы появились гораздо позже, например австралопитек Люси жила в Африке 3,2 млн лет назад. Выжили только те особи, которые оказались способны справляться с микроорганизмами, находящимися в окружающей среде. Мы даже нуждаемся в микроорганизмах и от них зависим. Это мы вторглись в мир бактерий и фагов, а не наоборот. Они помогают нам переваривать пищу, населяют наш организм и защищают от незнакомых микробов. Если мы перестанем существовать, жизнь на Земле сохранится в виде микроорганизмов. Бактерии и фаги существуют автономно, мы микробам не нужны, но сами нуждаемся в них. Наиболее изменчивыми являются вирусы, бактерии и, возможно, археи; последние по крайней мере дают возможность понять, в каких экстремальных условиях может сохраняться жизнь. Все они могут начать жить снова после опасной для жизни катастрофы. Однако человеку как виду потребовалось бы слишком долго ждать, чтобы стать экстремофилом, как, например, археи, и выжить при высоких температурах, повышенном уровне соли, в ядовитой атмосфере и прочих экстремальных условиях. Мы очень сложно организованы, слишком большие, слишком медленно эволюционируем и не можем быстро адаптироваться.
Люди могут оказаться достаточно умными и изобретательными, чтобы защититься от причин, вызывающих их гибель. Нам вполне хватит интеллекта, но мы слишком эгоистичны и не проявляем мутуализм в должной мере. Результаты поведенческих исследований свидетельствуют о том, что люди не демонстрируют мутуализм в группах, превышающих 150 человек, что соответствует числу родственников, друзей и соседей. Согласно прогнозам, большую часть населения Земли ожидает жизнь в мегаполисах, и встает вопрос: истребят ли в этом случае человечество микроорганизмы и вирусы? В качестве ответа на этот вопрос приведу пример: когда в Нью-Мексико вследствие изменений окружающей среды хантавирусы более не могли полагаться на мышей как на организм-хозяин, они быстро переключились на человека. И так может продолжаться до тех пор, пока они не найдут другого хозяина. Повышенная мобильность вирусов ускоряет процесс поиска нового хозяина, как это наблюдалось в случае с короновирусом атипичной пневмонии (SARS), когда он распространился от Гонконга до Ванкувера буквально за несколько часов. А что бы произошло, если бы не нашлось другого хозяина? Куда бы отправились эти микроорганизмы? Они бы изменили стратегию: если бы не оказалось нового хозяина, они перестали бы использовать и уничтожать своего хозяина и вместо этого нашли способ адаптироваться к нему и сосуществовать с ним. Так обычно и происходит. В качестве примера можно привести обезьян, устойчивых к вирусу иммунодефицита обезьян, и коал, резистентных к вирусу лейкоза гиббонов (GALV), которые эндогенизировали инфицирующие вирусы в свои гены, где они не только хорошо переносились, но и защищали организм хозяина от посторонних микроорганизмов. В качестве защиты от внешних вирусов вирусоподобные последовательности вводили в геномы эукариотов. Как показано на примере реконструированного вируса , который эндогенизировался и снова защищает нас от экзогенных вирусов, все они были экзогенными вирусами. После этого микроорганизмы уже не представляли бы смертельной опасности для человечества, они защищают нас с самого рождения. Можно ли экстраполировать на человека ситуацию, когда враги становятся друзьями? Может быть, это оптимальный и единственный способ выживания? Это хорошая новость, если мы боимся пандемий. Показатель смертности будет высоким, но он всегда имеет какие-то ограничения.
В анализе наших шансов на будущее прогнозируется, что современная цивилизация не сможет выжить. Одно из таких исследований, начавшееся в 2014 г., называется HANDY («Динамика развития человека и природы»). В нем предусматривается изучение вопросов, касающихся самых неблагоприятных вариантов развития событий, например повышение плотности населения, дефицит ресурсов (воды, пищи, энергии), природные катастрофы, в том числе изменение климата, и, наконец, политическая нестабильность, сопровождаемая экономическим неравенством, разрывом между богатыми и бедными. Считается, что эти факторы были основной причиной падения Римской империи, цивилизации майя и режима Пол Пота в Камбодже. Гибель человечества неизбежна – таков прогноз. Для целей исследования использовали дифференциальные уравнения для прогнозирования сценариев будущего. Прогноз оказался слишком пессимистичным даже для НАСА, и агентство от него отмежевалось.
Интересно отметить, что при проведении данного исследования микроорганизмы в расчет не принимались. Их не включили в перечень угроз для жизни на Земле. Заболевания, микроорганизмы и инфекционные агенты были исключены из вышеупомянутого перечня. Первый фактор в этом списке – плотность населения – будет серьезно влиять на инфекционные заболевания, но, возможно, это будет более выраженно проявляться в локальном, а не в глобальном масштабе.
А что насчет еды? Здесь тоже задействованы вирусы. За последние 100 лет технический прогресс помог вдвое увеличить производство продуктов питания. В первую очередь и главным образом это произошло благодаря Фрицу Габеру, который в 1915 г. разработал метод фиксации азота в качестве удобрения, что до сих пор позволяет человечеству обеспечивать себя продуктами питания. Нам нужны новые технологии, и, к счастью, мы вполне преуспели в разработке важных инноваций: генно-модифицированные продукты, безусловно, это один из основных способов, с помощью которых можно прокормить человечество. Нам повезло, что у нас есть такая возможность. Но нужно научиться надлежащим образом ее использовать. Вероятно, нам не придется переходить на подножный корм, о чем мы говорили с Дайсоном, снова отращивать шерсть и ограничить потребление тепла. А употреблять в пищу насекомых и водоросли не так уж плохо. Согласно некоторым прогнозам, максимальная численность населения Земли может составлять 12 млрд человек. Подобные прогнозы составляются без учета инноваций и поэтому ненадежны. Давайте вспомним: сто лет назад говорили, что из-за навоза лошадей будет невозможно перемещаться по берлинским улицам. Но потом появились автомобили, и никакой катастрофы с конским навозом не произошло! Автомобили, в свою очередь, дали повод для новых пугающих экстраполяций.
В космическом масштабе конец всему живому придет из-за Солнца. Оно станет слишком горячим сначала для нас, а потом и для микроорганизмов. Я, будучи физиком-ядерщиком, полагаю, что в конечном итоге Солнце взорвется в соответствии со стадией существования звезд (диаграмма Герцшпрунга–Рассела), но сначала оно превратится в «красного гиганта», а потом в «белого карлика». «Красный гигант» взорвет нашу планету. Половина срока жизни Солнца уже прошла, поэтому осталась еще половина, то есть вторые 4 млрд лет, и то при условии, что до этого Земля не погибнет вследствие иных космических явлений.
И все же что на это можно возразить? Мир микроорганизмов тоже может вселить в нас некоторые надежды, если заняться решением этого вопроса. Каждую осень «лужайки бактерий» и цветущие водоросли в океане уничтожаются вирусами, которые вносят свой вклад в развитие популяции и переработку питательных веществ. Часть бактерий и вирусов всегда выживает, и все начинается сначала, с небольшого количества в начале, а далее возрастает экспоненциально. На следующее лето при наличии достаточного объема питательных веществ водоросли снова зацветут. Можно ли это рассматривать как некоторую надежду? Даже в случае гибели большого числа особей субпопуляция с характерным для нее разнообразием видов избежит нижнего порога плотности популяции, так как возможна активизация транспозонов, что будет способствовать формированию новых свойств. Возможно, подобные явления уже пять раз происходили в истории нашей планеты. А в недавние время такие феномены зачастую носили локальный характер. Самый масштабный разлив нефти вследствие взрыва на нефтяной платформе Deepwater Horizon, к удивлению ученых, продемонстрировал рост бактерий, поглощение ими нефти, а после полного уничтожения нефти, когда пищи не осталось, их исчезновение. Аналогичным образом после аварии на Чернобыльской АЭС некоторые растения стали лучше расти на зараженной радиацией почве. Вполне возможно, впереди нас ждет много поводов удивиться. Мутации происходят постоянно. Мы научились пить молоко, мы едим разнообразную пищу, нижние конечности могут стать короче, а длина пальцев увеличивается в связи с работой на компьютере. Мы уже потеряли 6000 рецепторов, отвечавших за обоняние и вкусовые ощущения, их осталось 60, поскольку нам достаточно этого небольшого числа рецепторов, а без остальных мы вполне можем обойтись.
Мир характеризуется очень выраженной гетерогенностью, и в нем часто можно обнаружить ниши, где могут спрятаться и сохраниться разные формы жизни. Именно это произошло в мире водорослей, а явление, подобное «красному приливу», может наблюдаться и в социуме. Избыточный рост сопровождается вирус-индуцированным разрушением, а в новом сезоне все начинается сначала. На первом этапе формирования жизни всегда находится какая-нибудь ниша, «маленький теплый пруд», по определению Дарвина. Нечто подобное произошло на полуострове Юкатан. Полностью уничтожить жизнь не так-то просто.
Вирусы помогают нам выжить, обеспечивая нас новыми генами. Вирусы, включая мобильные элементы, отличаются инновативностью. Они и в будущем будут вносить вклад во все проявления жизни, обеспечивая адаптацию, выживание и биологическое разнообразие. Нам следует помнить, что мы можем влиять на вирусы, «прыжки» транспозируемых элементов с помощью факторов среды, которые усиливают или ослабляют эти «прыжки». Но мы несем за это ответственность. «Прыжки» ретротранспозонов отличаются большой вариабельностью.
Только в океане вирусы и их хозяева обмениваются 10 генов. Существует много новых для нас генов, а высокая скорость мутации вирусов и обмена генами помогает нам выживать. Вирусы, главным образом ретровирусы, а также родственные им ретроэлементы внесли свой вклад в эволюцию жизни и выживание всех видов на планете. Без вирусов мы не смогли бы добиться такого прогресса и видового разнообразия, и, по сути, нас бы не было. Тем не менее благодаря вирусам мы существуем.
А где же тогда Бог? Такой вопрос мне задали в конце одного интервью, посвященного вирусам, во время утреннего эфира на швейцарском телевидении. Этот вопрос вызвал у меня удивление. Мой спонтанный ответ был следующим (таким и остался): когда мы сталкиваемся с чем-то незнакомым, появляется желание поверить в Бога. Но чудеса можно объяснить и с помощью науки. При этом каждый ответ влечет за собой новые вопросы и новые чудеса. Чудеса будут возникать всегда, независимо от того, какой объем знаний мы накопили. При желании непонятное явление всегда можно объяснить действием высших сил или Бога. Я не могу в это поверить, тем же, кто верит, приходится легче, чем мне.
