Czy wirusy są rzeczywiście niezbędne dla naszego istnienia?
3 listopad 2015
Ten artykuł został opublikowany we współpracy z The Conversation. Publikacja nie oznacza poparcia poglądów przez Światowe Forum Ekonomiczne.
Słowo “wirus” wywołuje przerażenie w sercach większości ludzi. Wywołuje obrazy grypy, HIV, żółtej febry lub wirusa Ebola. Oczywiście martwimy się o te wirusy – przynoszą nam choroby, a czasem potwornie bolesną śmierć.
Ale 21 typów wirusów, które sieją spustoszenie w ludzkim ciele, stanowi niewielki ułamek ze 100 milionów typów wirusów na Ziemi. Większość wirusów jest w rzeczywistości niezbędna dla naszego istnienia. Wydaje się, że nikt nie broni tych dobrych, które utrzymują ekosystemy w różnorodności i równowadze (choć ja to ostatnio zrobiłem podczas wykładu TEDx w Noosa).
Microbes and the Missing Carbon Dioxide | Peter Pollard | TEDxNoosa
„Dziesięć nowych genomów mykobakteriofagów przedstawionych w badaniu pokazuje, że większość różnorodności fagów pozostaje niescharakteryzowana. Ekstrapolacja sugeruje, że pobrano próbki z mniej niż 0,0002% globalnego metagenomu faga. Nowe genomy zawierają także szereg potencjalnych czynników zjadliwości, które mogą mieć znaczenie w patogenezie.” – Źródło: Cell. 2003 Apr 18;113(2):141; Global phage diversity https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/12705861/
Sama liczba tych dobrych wirusów jest zdumiewająca. Ich stężenie w produktywnym jeziorze lub rzece wynosi często 100 milionów na mililitr – to ponad czterokrotność populacji Australii wciśniętej do ¼ łyżeczki wody.
Globalnie oceany zawierają 1030 wirusów. Gdyby ustawić je wszystkie w rzędzie, rozciągałyby się na 10 milionów lat świetlnych, czyli 100 razy dalej niż nasza galaktyka. Łącznie ważyłyby tyle, co 75 milionów płetwali błękitnych.
Krótko mówiąc, jest ich bardzo dużo.
Czym są wirusy?
Wirusy nie są żywymi organizmami. Są to po prostu fragmenty materiału genetycznego (DNA lub RNA) pokryte białkiem, które zachowują się jak pasożyty. Przyczepiają się do komórki docelowej (gospodarza), wstrzykują swój materiał genetyczny i replikują się, wykorzystując szlaki metaboliczne komórek gospodarza, jak widać na poniższej rycinie. Następnie nowe wirusy wydostają się z komórki – komórka eksploduje (ulega lizie), uwalniając setki wirusów.
Wirusy są bardzo wybredne, jeśli chodzi o to, kogo chcą zarazić. Każdy typ wirusa ewoluował tak, by infekować tylko jeden gatunek żywiciela. Wirusy infekujące bakterie dominują w naszym świecie. Wirus, który infekuje jeden gatunek bakterii, nie zainfekuje innego gatunku bakterii, a już na pewno nie może zainfekować ciebie. Mamy własny zestaw kilkudziesięciu typów wirusów, które powodują choroby i śmierć.
Śmiertelny taniec
Glony i rośliny są pierwotnymi producentami, podstawą światowych ekosystemów. Wykorzystując światło słoneczne, przekształcają surowe pierwiastki, takie jak dwutlenek węgla, azot i fosfor, w materię organiczną. Z kolei są one zjadane przez zwierzęta roślinożerne, które z kolei są zjadane przez inne zwierzęta i tak dalej. Energia i składniki odżywcze są przekazywane w górę łańcucha pokarmowego, aż do śmierci zwierząt. Ale co gwarantuje, że producenci pierwotni otrzymują surowe elementy, których potrzebują, aby zacząć ten proces?
Odpowiedź zależy od relacji wirusów z bakteriami.
Wirus nie poluje na swoją ofiarę. Polega na przypadkowym napotkaniu żywiciela – to gra liczbowa. Gdy gospodarz, taki jak komórka bakteryjna, szybko rośnie, liczba ta wzrasta. Im więcej gatunków bakterii, tym większe prawdopodobieństwo, że wejdą one w kontakt ze swoją wirusową nemezis – “zabijając zwycięzcę“. Oznacza to, że żaden pojedynczy gatunek bakterii nie dominuje w ekosystemie przez bardzo długi czas.
Na przykład w wodach słodkich obserwuje się bardzo wysokie tempo wzrostu bakterii. Można by pomyśleć, że ta wysoka produkcja bakteryjna stanie się częścią łańcucha pokarmowego i skończy jako pokarm dla ryb. Jednak rzadko tak się dzieje.
Obecnie zdajemy sobie sprawę, że bakterie faktycznie znikają z tych ekosystemów. Gdzie więc trafiają bakterie?
Odpowiedź leży w interakcji bakterii i wirusów. Kiedy wirus rozrywa komórkę bakteryjną, jej “wnętrzności” są wyrzucane z powrotem do wody wraz ze wszystkimi nowymi wirusami. Zawartość komórki staje się pokarmem dla sąsiednich bakterii, stymulując ich wzrost. Liczba tych bakterii wzrasta, a po zetknięciu się z ich wirusowym nemezis, one również zostają zainfekowane i obumierają.
Wirusy sprawiają, że świat się kręci
Ten proces infekcji wirusowej, lizy i uwalniania składników odżywczych zachodzi w kółko. W efekcie bakterie kanibalizują się nawzajem przy pomocy powiązanych z nimi wirusów. Bardzo szybko elementy, które wspierają sieć pokarmową, są ponownie wprowadzane do obiegu za pomocą wirusów, jak widać na poniższej rycinie.
Dzięki tej interakcji nieorganiczne składniki odżywcze są łatwo dostępne dla glonów i roślin, od których zależą ekosystemy. To właśnie połączenie wysokiego wzrostu bakterii i infekcji wirusowej zapewnia funkcjonowanie ekosystemów. To wyjaśnia, dlaczego nie widzimy bakterii w sieciach pokarmowych. Wirusy spowalniają produkcję bakterii przechodzących wyżej w łańcuchu pokarmowym, więc nie stają się one pokarmem dla ryb w ekosystemach słodkowodnych.
Większość pożywienia (rozpuszczony węgiel organiczny), które napędza bardzo wysoki wzrost bakterii w wodach słodkich, pochodzi ze środowiska lądowego. Rzeczywiście, słodkowodne interakcje wirusowo-bakteryjne wydają się być krytycznym ogniwem w obiegu węgla między lądem a atmosferą.
Badania ekologii wirusów glebowych pozostają daleko w tyle za badaniami wody. Dynamika wirusów w ekosystemach lądowych jest skomplikowana, ponieważ gleby mogą wiązać i inaktywować wirusy, aby ograniczyć ich zdolność do infekowania innych organizmów. Możemy polegać na procesach słodkowodnych, aby zakończyć globalny obieg węgla, jak pokazano na powyższej grafice.
W wodach słodkich wirusy zwiększają tempo rozkładu bakteryjnego, dzięki czemu złożona materia organiczna jest szybko i skutecznie mineralizowana do prostych składników nieorganicznych, takich jak dwutlenek węgla, azot i fosfor.
Wirusy są zatem kluczowym elementem recyklingu nieorganicznych składników odżywczych. Tak więc, chociaż są małe i wydają się nieistotne, wirusy w rzeczywistości odgrywają istotną globalną rolę w recyklingu składników odżywczych w sieciach pokarmowych. Dopiero teraz zaczynamy doceniać zakres ich pozytywnego wpływu na nasze przetrwanie.
Jedno jest pewne, wirusy są naszymi najmniejszymi, niedocenianymi bohaterami.
Źródło: Are viruses actually vital for our existence?
Zobacz na: Całe życie na Ziemi, na jednym wykresie. Ile waży całe życie na Ziemi.
Ostrzeżenie naukowców dla ludzkości: mikroorganizmy i zmiany klimatu
Karta Ziemi jako zastępstwo dla Dziesięciu Przykazań
Ludzki wirom – Wirom człowieka
Szczepionki popychają patogeny do ewolucji – presja ewolucyjna