Карл Циммер – Планета вирусов (страница 9)
Морские фаги играют такую заметную роль благодаря своей чрезвычайной контагиозности. Они поражают новые микробные клетки 100 млрд трлн раз в секунду и ежедневно убивают от 15 до 40 % всех бактерий в Мировом океане. Из погибших клеток-хозяев выходят новые морские фаги. В каждом литре морской воды ежедневно рождается до 100 млрд новых вирусных частиц.
Их убойная сила контролирует популяцию хозяев, и нам, людям, эта смертоносность часто служит на благо. Холеру, например, вызывает размножение обитающих в воде бактерий – вибрионов. Но на вибрионах паразитирует множество фагов. Когда происходит взрывообразный рост популяции вибрионов, запускающий эпидемию, размножаются и фаги. Популяция вирусов растет так быстро, что уничтожает вибрионы быстрее, чем они успевают размножаться. Бактериальный бум стихает, и эпидемия холеры идет на убыль.
Из погибшего микроба извергаются не только новые вирусы. Высвобождаются также органические соединения углерода и другие вещества. Ежегодно морские вирусы высвобождают миллиарды тонн углерода, и этот огромный приток оказывает воздействие планетарного масштаба. Он выполняет роль удобрения, стимулируя рост бесчисленных новых микроорганизмов, часть которых служит основой пищевой сети в океане. Эта пищевая сеть, вероятно, была бы беднее, если бы ее рост не стимулировали вирусы. Часть высвобождаемого углерода не поглощается микроорганизмами, а оседает на дно океана. Внутренности микроба липкие, и как только вирус разрывает хозяйскую клетку, клейкие молекулы выбираются наружу и захватывают находящиеся поблизости органические соединения, создавая мощную метель из подводного снега, падающего на морское дно.
Хозяева морских вирусов в ответ на эту угрозу защищаются на все лады. Но вирусы придумывают способы одолеть их. Поскольку у каждого вида собственный эволюционный путь спасения, эта гонка вооружений породила головокружительное разнообразие морских вирусов. В начале своих исследований Лита Проктор не представляла себе, сколько различных видов вирусов она открывает. Глядя в микроскоп, она могла пересчитать их, но видела лишь ограниченный набор форм – шары, цилиндры и т. п. Но в мире вирусов внешность обманчива. Риновирусы и вирус полиомиелита выглядят как почти одинаковые шарики, но первые вызывают легкую простуду, а вторые могут довести до паралича или смерти.
С начала 2000-х гг. вирусологи нашли способ различать их под масками, изучая непосредственно вирусные гены. Они принялись собирать образцы – морской воды, грязи или шмелиных внутренностей – и отфильтровывать из них все, кроме вирусов. Затем они извлекали из вирусов генетический материал и секвенировали его. Иногда прочитанные последовательности совпадали с какими-то известными видами или штаммами вирусов. Но гораздо чаще не совпадали. Куда бы ни заглядывали ученые, они находили ошеломляющее разнообразие вирусов. Даже в нашем собственном организме нас поджидали сюрпризы. В 2014 г. коллектив ученых под руководством Баса Дутила открыл в человеческих фекалиях новый тип фага, который назвали КрАсс-фагом (crAss – сокращенно от
А подлинный масштаб виросферы выявился именно в океанах. Мэтью Чапмен, вирусолог из Университета штата Огайо, совместно со своими коллегами анализировал генетический материал из морской воды, собранной в ходе кругосветной научной экспедиции. В 2016 г. они отчитались о более чем 15 000 новых видов вирусов. Для сравнения: число видов млекопитающих всего лишь около 6400. Чапмен и его сотрудники думали, что они достаточно точно оценили разнообразие вирусов в морях, но на всякий случай продолжали собирать образцы воды и изобретать новые способы выявления в ней вирусных генов. В 2019 г. они сообщили уже о 200 000 видов. Притом ими была обследована лишь малая часть океана. Всего же, по оценкам некоторых исследователей, на Земле могут обитать до 100 трлн видов вирусов – большинство из них в море.
Это разнообразие вирусов возникло благодаря их необычному способу размножения. Зараженные клетки синтезируют множество новых вирусных частиц, но делают это кое-как. Гены новых вирусов кишат ошибками копирования. Большинство этих мутаций делает вирусы нежизнеспособными, но некоторые из них дают вирусу эволюционное преимущество, позволяя более эффективно заражать хозяев. Если в клетку попадают одновременно два вида вирусов, они могут обменяться генами. Вирус способен даже прихватить с собой немного собственных генов хозяина, которые потом передаст новым хозяевам. По одной из оценок, ежегодно морские вирусы переносят между геномами своих хозяев триллион триллионов генов.
Благодаря горизонтальному переносу генов, возможно, именно вирусы обеспечили немалую долю мировых запасов кислорода. Значительная часть атмосферного кислорода вырабатывается фотосинтезирующими микроорганизмами в океанах. Некоторые вирусы, поражающие их, обладают собственными генами, отвечающими за фотосинтез. Внедрившись, вирусы берут на себя ответственность за добычу и преобразование света. По ориентировочным подсчетам, 10 % всего фотосинтеза на Земле осуществляется с помощью вирусных генов. Сделайте десять вдохов – каждым десятым вы обязаны вирусу.
Этот обмен генами не только оказывает огромное влияние на современную Землю, но и делал это на протяжении всей истории живого. В конце концов, именно в океанах зародилась жизнь. Древнейшие следы жизни – это окаменелости морских микроорганизмов возрастом почти в 3,5 млрд лет. Именно в океанах возникли многоклеточные организмы – их древнейшим остаткам около 2 млрд лет. Наши собственные предки выбрались на сушу всего лишь 400 млн лет назад. Вирусы не оставляют окаменелых отпечатков, зато они оставляют следы в геномах своих хозяев. Эти следы указывают на то, что вирусы существуют миллиарды лет.
Ученые умеют прослеживать историю генов, сравнивая геномы видов, отделившихся от древнего общего предка. Это сопоставление позволяет, в частности, обнаружить гены, доставленные нынешнему хозяину вирусом, который существовал в незапамятные времена. Наука установила, что у всех живых существ геномы мозаичные – они включают сотни, даже тысячи генов, привнесенных вирусами. Как бы далеко в прошлое ни заглядывали исследователи, к самому основанию эволюционного древа, – во все времена вирусы переносили гены. Дарвину история живого представлялась в виде древа. Но история генов, по крайней мере применительно к микроорганизмам в океане и их вирусам, больше напоминает оживленную сеть торговых путей, простирающуюся на миллиарды лет в прошлое.
Наши внутренние паразиты
Эндогенные ретровирусы и наш набитый вирусами геном
Идея, что хозяйские гены могут иметь вирусное происхождение, в силу своей причудливости звучит почти философически. Мы склонны думать о наших геномах как о нашем полном тождестве. Тот факт, что бактерии приобретают значительную долю своей ДНК от вирусов, вызывает неудобные вопросы. Есть ли у них свое лицо? Или они всего лишь гибридные чудища Франкенштейна со стертыми чертами идентичности?
Поначалу эту проблему можно было отделить от нашего собственного существования и рассматривать ее исключительно как проблему микробов. Наличие у них вирусных генов казалось всего лишь случайной удачей «низших» форм жизни. Но сегодня мы уже не можем на этом успокоиться. Теперь, заглядывая в человеческий геном, мы тоже наблюдаем вирусы. Тысячи вирусов.
Ученым понадобилось много десятилетий, чтобы распознать наши внутренние вирусы, а началась эта история с плимутрокской курицы Фрэнсиса Рауса. Та больная курица вдохновила Рауса на полувековое исследование вирусов, вызывающих рак. Раус и другие ученые обнаружили множество различных вирусов, способных вызвать опухоли. Изучая кроликов например, Раус проводил первые в своем роде исследования папилломавирусов. Его курица, как оказалось, была заражена уже другим видом вируса, получившим название в его честь – вирус саркомы Рауса.
Дальнейшие поколения ученых занялись вирусом саркомы Рауса, надеясь раскрыть некоторые тайны рака. В ходе исследований они обнаружили, что у вируса необычный способ репликации. Гены вируса саркомы закодированы в одноцепочечной РНК. Поражая клетку курицы, он создает копию своих генов в двуцепочечной ДНК, а затем эта вирусная ДНК встраивается в хозяйский геном. Ученые обнаружили, что, когда хозяйская клетка делится, наряду с собственной ДНК она копирует вирусную. При определенных условиях клетка производит новые вирусы – вместе с генами и белковой оболочкой, – которые могут затем выйти наружу и заразить новую клетку. Опухоли у кур возникают, когда гены вируса саркомы Рауса случайно внедряются в неподходящее место генома. Или, наоборот, они встраиваются в гены, кодирующие белки, мешающие клетке бесконтрольно делиться. Их выключение из-за вставки вируса снимает этот блок. В 1960-е гг. ученые поняли, что вирус саркомы Рауса далеко не уникален. Многие другие вирусы, известные как ретровирусы, внедряют свои гены в хозяйский геном таким же образом.