В мире интересного.
Сергей Панков.
О поведении вирусов с точки зрения науки
«Вирус нельзя убить. Он не питается, не дышит, не умеет самостоятельно передвигаться и размножаться. Он не живет. И поэтому не может умереть. Его можно только сломать или разрушить, как вещь. Биологически вирус – не существо, а, скорее, вещество. Но вещество вряд ли может общаться. А вирусы могут.
Социальная жизнь вирусов
Ученые открыли это всего три года назад. Как часто бывает, случайно. Цель исследования заключалась в том, чтобы проверить, могут ли бактерии сенной палочки предупреждать друг друга об атаке бактериофагов — особого класса вирусов, избирательно поражающих бактерии. После добавления бактериофагов в пробирки с сенной палочкой исследователи зафиксировали сигналы на неизвестном молекулярном языке. Но «переговоры» на нем вели совсем не бактерии, а вирусы.
Оказалось, что после проникновения в бактерии вирусы заставляли их синтезировать и рассылать по соседним клеткам специальные пептиды. Эти короткие белковые молекулы сигнализировали остальным вирусам об очередном удачном захвате. Когда число сигнальных пептидов (а значит, и захваченных клеток) достигло критического уровня, все вирусы, как по команде, прекратили активное деление и притаились. Если бы не этот обманный маневр, бактерии могли бы организовать коллективный отпор или полностью погибнуть, лишив вирусы возможности паразитировать на них дальше. Вирусы явно решили усыпить бдительность своих жертв и дать им время для восстановления. Пептид, который помог им это сделать, назвали – «арбитриум» («решение»).
Дальнейшие исследования показали, что вирусы способны принимать и более сложные решения. Они могут жертвовать собой во время атаки на иммунную защиту клетки, чтобы обеспечить успех второй или третьей волны наступления. Они способны скоординированно передвигаться от клетки к клетке в транспортных пузырьках (везикулах), обмениваться генным материалом, помогать друг другу маскироваться от иммунитета, кооперироваться с другими штаммами, чтобы пользоваться их эволюционными преимуществами.
Велика вероятность, что даже эти удивительные примеры – лишь вершина айсберга, считает Ланьинь Цзэн, биофизик из Техасского университета. Изучить скрытую социальную жизнь вирусов должна новая наука – социовирусология. Речь не идет о том, что вирусы обладают сознанием, оговаривается один из ее создателей микробиолог Сэм Диас-Муньос. Но социальные связи, язык коммуникации, коллективные решения, координация действий, взаимопомощь и планирование – это признаки разумной жизни.
Разумны ли вирусы?
Может ли обладать разумом или сознанием то, что даже не является живым организмом? Есть математическая модель, которая допускает такую возможность. Это теория интегрированной информации, разработанная итальянским нейробиологом Джулио Тонони. Он рассматривает сознание как соотношение количества и качества информации, которое определяется специальной единицей измерения – φ (фи). Идея в том, что между совершенно бессознательной материей (0 φ) и сознательным человеческим мозгом (максимум φ) протянулся восходящий ряд переходных состояний. Минимальный уровень φ есть у любого объекта, способного принимать, обрабатывать и генерировать информацию. В том числе у таких безусловно неживых, как термометр или светодиод. Раз они умеют преобразовывать температуру и свет в данные, значит, «информационность» для них такое же фундаментальное свойство, как масса и заряд для элементарной частицы. В этом смысле вирус явно превосходит многие неживые объекты, поскольку сам является носителем (генетической) информации.
Сознание – более высокий уровень переработки информации. Тонони называет это интеграцией. Интегрированная информация – нечто, качественно превосходящее простую сумму собранных данных: не набор отдельных характеристик предмета типа желтого цвета, округлой формы и теплоты, а составленный из них образ горящей лампы.
Принято считать, что на такую интеграцию способны только биологические организмы. Чтобы проверить, могут ли адаптироваться и набираться опыта неживые объекты, Тонони вместе с группой нейробиологов разработал компьютерную модель, напоминающую аркадную игру для ретро-консоли. Роль подопытных выполняли 300 «аниматов» – 12-битные юниты с базовым искусственным интеллектом, симуляцией органов чувств и двигательного аппарата. Каждому задали произвольно сгенерированные инструкции работы частей тела и запустили всех в виртуальный лабиринт. Раз за разом исследователи отбирали и копировали аниматов, которые демонстрировали лучшую координацию. Следующее поколение наследовало от «родителей» тот же код. Его размер не менялся, но в него вносились случайные цифровые «мутации», которые могли укрепить, ослабить или дополнить связи между «мозгом» и «конечностями». В результате такого естественного отбора через 60 тысяч поколений эффективность прохождения лабиринта у аниматов возросла с 6 до 95%.
У аниматов одно преимущество перед вирусами: они умеют самостоятельно передвигаться. Вирусам приходится перемещаться от носителя к носителю на пассажирских местах в слюне и других физиологических выделениях. Но шансов повысить уровень φ у них больше. Хотя бы потому что вирусные поколения сменяются быстрее. Оказавшись в живой клетке, вирус заставляет ее штамповать до 10 тысяч своих генетических копий в час. Правда, есть еще одно условие: чтобы интегрировать информацию до уровня сознания, нужна сложная система.
Насколько сложной системой можно назвать вирус? Посмотрим на примере нового коронавируса SARS-CoV-2 – виновника нынешней пандемии. По форме он похож на рогатую морскую мину. Снаружи – сферическая оболочка из липидов. Это жиры и жироподобные вещества, которые должны защищать его от механических, физических и химических повреждений; именно они разрушаются от мыла или санитайзера. На оболочке – давшая ему название корона, то есть шиповидные отростки из S-белков, с помощью которых вирус проникает в клетку. Под оболочкой – молекула РНК: короткая цепочка с 29 903 нуклеотидами. (Для сравнения: в нашей ДНК их больше трех миллиардов.) Довольно простая конструкция. Но вирусу и не нужно быть сложным. Главное – стать ключевым компонентом сложной системы.
Научный блогер Филип Бушар сравнивает вирусы с сомалийскими пиратами, захватывающими на крошечной лодке огромный танкер. Но по сути вирус ближе к легковесной компьютерной программе, сжатой архиватором. Вирусу не требуется весь алгоритм управления захваченной клеткой. Достаточно короткого кода, который заставляет работать на него всю операционную систему клетки. Для этой задачи его код идеально оптимизирован в процессе эволюции. Можно предположить, что внутри клетки вирус «оживает» ровно настолько, насколько позволяют ресурсы системы. В простой системе – он способен делиться и контролировать обменные процессы. В сложной (как наш организм) – может задействовать дополнительные опции, например, достичь такого уровня обработки информации, который по модели Тонони граничит с разумной жизнью.
Чего хотят вирусы?
Но зачем вообще вирусам это надо: жертвовать собой, помогать друг другу, совершенствовать процесс коммуникации? Какова их цель, если они не живые существа?
Как ни странно, ответ имеет прямое отношением к нам. По большому счету вирус – это ген. Первостепенная задача любого гена – максимально копировать себя, чтобы распространиться в пространстве и времени. Но в этом смысле вирус мало чем отличается от наших генов, которые тоже озабочены прежде всего сохранением и тиражированием записанной в них информации. На самом деле сходство даже больше. Мы сами немного вирусы. Примерно на 8%. Столько вирусных генов в составе нашего генома. Откуда они там взялись?
Есть вирусы, для которых внедрение в ДНК клетки-носителя является необходимой частью «жизненного цикла». Это ретровирусы, к которым относится, например, ВИЧ. Генетическая информация у ретровируса зашифрована в молекуле РНК. Внутри клетки вирус запускает процесс создания ДНК-копии этой молекулы, а затем встраивает ее в наш геном, превращая его в конвейер по сборке своих РНК на основе этого шаблона. Но бывает так, что клетка подавляет синтез вирусных РНК. И вирус, встроившись в ее ДНК, теряет способность делиться. В таком случае вирусный геном может стать генетическим балластом, передающимся новым клеткам. Возраст самых старых ретровирусов, чьи «ископаемые останки» сохранились в нашем геноме, – от 10 до 50 миллионов лет. За годы эволюции мы накопили около 98 тысяч ретровирусных элементов, которыми когда-то заражались наши предки. Сейчас они составляют 30-50 семейств, которые подразделяются почти на двести групп и подгрупп. По подсчетам генетиков, последний ретровирус, сумевший стать частью нашей ДНК, инфицировал человеческую популяцию около 150 тысяч лет назад. Тогда наши предки пережили пандемию.
Что реликтовые вирусы делают сейчас? Одни никак себя не проявляют. Или нам так кажется. Другие работают: защищают человеческий эмбрион от инфекций; стимулируют синтез антител в ответ на появление в организме чужеродных молекул. Но в общем миссия вирусов гораздо значительнее.
Как вирусы общаются с нами
С появлением новых научных данных о влиянии микробиома на наше здоровье, мы стали осознавать, что бактерии не только вредны, но и полезны, а во многих случаях жизненно необходимы. Следующим шагом, пишет в «Истории инфекций» Джошуа Ледерберг, должен стать отказ от привычки демонизировать вирусы. Они действительно часто несут нам болезнь и смерть, но цель их существования – не уничтожение жизни, а эволюция.
Как в примере с бактериофагами, гибель всех клеток организма-носителя обычно означает для вируса поражение. Гиперагрессивные штаммы, которые слишком быстро убивают или лишают подвижности своих хозяев, теряют возможность свободно распространяться и становятся тупиковыми ветвями эволюции. Вместо них шанс размножить свои гены получают более «дружелюбные» штаммы. «По мере развития в новой среде вирусы, как правило, перестают вызывать тяжелые осложнения. Это хорошо и для организма носителя, и для самого вируса», — говорит нью-йоркский эпидемиолог Джонатан Эпстейн.
Новый коронавирус так агрессивен, потому что он лишь недавно преодолел межвидовой барьер. По словам иммунобиолога Акико Ивасаки из Йельского университета, «когда вирусы впервые попадают в человеческий организм, они не понимают, что происходит». Они – как аниматы первого поколения в виртуальном лабиринте. Но и мы не лучше. При столкновении с неизвестным вирусом наша иммунная система тоже может выйти из-под контроля и ответить на угрозу «цитокиновым штормом» – неоправданно мощным воспалением, разрушающим собственные ткани организма. (Именно в такой гиперреакции иммунитета причина многих смертей во время пандемии испанского гриппа 1918 года.) Чтобы жить в любви и согласии с четырьмя человеческими коронавирусами, вызывающими у нас безобидную «простуду» (OC43, HKU1, NL63 и HCoV-229E), нам пришлось адаптироваться к ним, а им – к нам.
Мы оказываем друг на друга эволюционное влияние не просто как факторы среды. Наши клетки непосредственно участвуют в сборке и модификации вирусных РНК. А вирусы напрямую контактируют с генами своих носителей, внедряя свой генетический код в их клетки. Вирус – это один из способов общения наших генов с миром. Иногда этот диалог дает неожиданные результаты.
Появление плаценты – структуры, соединяющей плод с материнским организмом, – стало ключевым моментом в эволюции млекопитающих. Трудно представить, что необходимый для ее формирования белок синтицин кодируется геном, представляющим собой не что иное, как «одомашненный» ретровирус. В древности синтицин использовался вирусом для уничтожения клеток живых организмов.
История нашей жизни с вирусами рисуется бесконечной войной или гонкой вооружений, пишет антрополог Шарлотта Биве. Этот эпос строится по одной схеме: зарождение инфекции, ее распространения через глобальную сеть контактов и в итоге ее сдерживание или искоренение. Все его сюжеты связаны со смертями, страданиями и страхами. Но есть и другая история.
Например, история о том, как у нас появился нейронный ген Arc. Он необходим для синаптической пластичности — способности нервных клеток формировать и закреплять новые нервные связи. Мышь, у которой отключен этот ген, не способна к обучению и формированию долговременной памяти: отыскав сыр в лабиринте, она уже на следующий день забудет к нему дорогу.
Чтобы изучить происхождение этого гена, ученые выделили белки, которые он производит. Оказалось, что их молекулы самопроизвольно собираются в структуры, напоминающие вирусные капсиды ВИЧ: белковые оболочки, защищающие РНК вируса. Затем выделяются из нейрона в транспортных мембранных пузырьках, сливаются с другим нейроном и выпускают свое содержимое. Воспоминания передаются как вирусная инфекция.
350-400 миллионов лет назад в организм млекопитающего попал ретровирус, контакт с которым привел к формированию Arc. А теперь этот вирусоподобный ген помогает нашим нейронам осуществлять высшие мыслительные функции. Может, вирусы и не обретают сознание благодаря контакту с нашими клетками. Но в обратную сторону это работает. По крайней мере, сработало один раз.»
