Ewolucja z perspektywy wirusów
Grudzień 2007
Nowa choroba rozprzestrzeniająca się tej zimy jest przedstawiana jak film Stevena Spielberga: wirus przeziębienia, który rozprzestrzenia się poprzez przypadkowy kontakt, mutuje w zjadliwą formę, która doprowadza do hospitalizacji, a czasem zabija swoje ofiary. Reklamowany w zeszłym miesiącu jako „zabójcze przeziębienie”, Adenovirus-14 jest daleki od tej fantazji, ale nie jest też wystarczająco przerażający, aby stworzyć przebój kinowy. W ciągu ostatnich 18 miesięcy wirus spowodował zaledwie 10 zgonów – to niewielka liczba w porównaniu z 36.000* zgonów spowodowanych grypą w przeciętnym roku. Dlaczego Adenovirus-14 nie sprostał zagrożeniu reklamowanemu w nagłówkach? Ewolucja pomaga wyjaśnić, dlaczego niektóre patogeny są zabójcze, a inne nie, i jakie szanse ma zmutowany wirus przeziębienia na osiągnięcie rozmiarów epidemii.
* P: „Rok po roku, 10.000 do 30.000 osób w samych Niemczech umiera z powodu grypy. W zachodnim świecie, grypa jest najbardziej śmiertelną chorobą zakaźną.”
O: „Poczekaj! Te liczby to tylko oszacowania. Musisz odróżnić chorobę podobną do grypy od faktycznej grypy. Obie mogą mieć takie same objawy… ale prawdziwa grypa powodowana jest tylko wirusem grypy podczas gdy istnieje ponad 200 różnych wirusów, które powodują choroby podobne do grypy. Jeśli chodzi o liczby związane z tak zwanymi zgonami z powodu grypy, zawsze dodają i mieszają je ze zgonami związanymi z innymi podobnymi wirusami. Około 7% chorób diagnozowanych jako podobne do grypy, wywołuje rzeczywisty wirus grypy. Wiem, że statystyki dotyczące grypy są systematycznie zawyżane.” – Dr Tom Jefferson, epidemiolog w wywiadzie dla Der Spiegel (Niemcy) 7/21/09
Gdzie jest ewolucja?
Aby zrozumieć, dlaczego niektóre patogeny są zjadliwe, musimy spojrzeć na świat z ich punktu widzenia. Dla nas wirusy i bakterie wywołujące choroby mogą być złoczyńcami – najeźdźcami naszych ciał – którzy, jeśli w ogóle można powiedzieć, że mają jakiś cel, to jest nim wyrządzenie nam krzywdy. Ale przeniesienie naszej perspektywy na ich skalę ujawnia, że te patogeny są ewoluującymi populacjami organizmów, jak każde inne, których siedliskiem jest po prostu ludzkie ciało. Podobnie jak inne organizmy, patogeny te zostały ukształtowane przez dobór naturalny, aby żyć i skutecznie się rozmnażać. Postrzegamy je jednak jako patogeny, ponieważ zasobami, których używają do tego celu (i które niszczą w tym procesie), są komórki naszego własnego ciała. Wiele cech, które sprawiają, że czujemy się chorzy podczas infekcji, to w rzeczywistości adaptacje chorobotwórcze – cechy faworyzowane przez dobór naturalny, które pomagają tym patogenom rozmnażać się i rozprzestrzeniać.
Jako przykład rozważmy wyjątkowe wyzwanie ekologiczne, przed którym stoi wiele patogenów: odpowiednie siedliska mogą być nieliczne i niepokojąco odległe. Postaw się w sytuacji wirusa w jego naturalnym środowisku – ludzkim gospodarzu. Zainfekowałeś kilka komórek i udało ci się rozmnożyć, ale układ odpornościowy gospodarza jest już na ciebie gotowy i podkręca temperaturę. To środowisko nie jest już tak gościnne. Jak możesz przenieść swoich potomków do bardziej przyjaznego środowiska (tj. nowego, nieeksploatowanego ludzkiego ciała)? Bez nóg, skrzydeł, płetw lub innych zwykłych środków lokomocji, szanse potomków na dotarcie do nowego żywiciela o własnych siłach są zerowe. Jednak dobór naturalny zapewnił patogenom szereg podstępnych strategii umożliwiających przeskok do nowego żywiciela, w tym:
— Przenoszenie drogą kropelkową – na przykład, gdy jeden nosiciel przypadkowo kichnie na drugiego. W ten sposób przenoszona jest np. grypa.
— Przenoszenie drogą powietrzną – na przykład wydychanie [aerosolu] przez jednego nosiciela i wdychanie [aerosolu] przez drugiego. W ten sposób przenoszona jest gruźlica.
— Transmisja wektorowa – złapanie patogenu przez nosiciela (wektor – np. komara) i przeniesienie na nowego żywiciela. W ten sposób przenoszona jest malaria.
— Przenoszenie drogą wodną – opuszczenie jednego żywiciela (np. w kale), zakażenie wody i pobranie (np. w wodzie pitnej) przez nowego żywiciela. Cholera jest przenoszona w ten sposób.
— Przenoszenie w trybie „siedź i czekaj” – możliwość życia poza żywicielem przez długi czas, aż do momentu kontaktu z nowym żywicielem. Ospa prawdziwa może przetrwać latami poza żywicielem!
Linie patogenów, które nie sprostają temu wyzwaniu i nigdy nie zainfekują nowego żywiciela, są skazane na zagładę. Wyginą, gdy ich ludzki gospodarz umrze lub gdy układ odpornościowy zniszczy infekcję.
Ponieważ transmisja jest kwestią życia lub śmierci dla linii patogenów, niektórzy biolodzy ewolucyjni skupili się na tym jako kluczu do zrozumienia, dlaczego niektóre ewoluowały w zabójców, a inne nie powodują nic gorszego niż katar. Chodzi o to, że może istnieć ewolucyjny kompromis między zjadliwością a przenoszeniem [zarażaniem]. Weźmy pod uwagę wirusa, który wykorzystuje swojego ludzkiego żywiciela bardziej niż większość i dlatego produkuje więcej potomstwa niż większość. Wirus ten wyrządza wiele szkód gospodarzowi – innymi słowy, jest wysoce zjadliwy. Z perspektywy wirusa początkowo wydaje się to dobrą rzeczą; dodatkowe zasoby oznaczają dodatkowe potomstwo, co ogólnie oznacza wysoką sprawność ewolucyjną. Jeśli jednak reprodukcja wirusa całkowicie obezwładni żywiciela, cała strategia może przynieść odwrotny skutek: choroba może uniemożliwić żywicielowi wyjście z domu na zewnątrz i kontakt z nowymi żywicielami, na których wirus mógłby przeskoczyć. Stając się ofiarą własnego sukcesu, linia wirusów może wyginąć i stać się ewolucyjnym ślepym zaułkiem. Taki poziom zjadliwości nie jest oczywiście dobrą rzeczą z punktu widzenia wirusa.
Dobór naturalny równoważy ten kompromis, wybierając patogeny wystarczająco zjadliwe, aby wyprodukować wiele potomstwa (które prawdopodobnie będą w stanie zainfekować nowego gospodarza, jeśli nadarzy się okazja), ale nie tak zjadliwe, aby uniemożliwić obecnemu gospodarzowi prezentowanie im możliwości przenoszenia. Równowaga ta zależy częściowo od sposobu przenoszenia wirusa. Na przykład patogeny przenoszone drogą płciową będą selekcjonowane, jeśli unieruchomią swojego żywiciela zbyt wcześnie, zanim ten będzie miał okazję znaleźć nowego partnera seksualnego i nieświadomie przekazać patogen. Niektórzy biolodzy stawiają hipotezę, że ten kompromis pomaga wyjaśnić, dlaczego infekcje przenoszone drogą płciową są zwykle długotrwałe. Nawet jeśli takie infekcje ostatecznie zabijają żywiciela, robią to dopiero po wielu latach, podczas których patogen może być w stanie zainfekować nowego żywiciela.
Z drugiej strony, choroby takie jak cholera (która powoduje skrajną biegunkę) w wielu sytuacjach mogą ewoluować do wysokiego poziomu zjadliwości. Ofiary cholery są szybko unieruchamiane przez chorobę, ale opiekują się nimi inni, którzy wynoszą ich odpady, czyszczą zabrudzone ubrania, a tym samym przenoszą bakterię do źródła wody, gdzie może zostać połknięta przez nowych żywicieli. W ten sposób nawet zjadliwe szczepy cholery, które natychmiast atakują żywiciela, mogą być łatwo przenoszone na nowego żywiciela. W związku z tym cholera rozwinęła wysoki poziom zjadliwości i może zabić swojego żywiciela zaledwie kilka godzin po wystąpieniu objawów.
Chociaż tryb transmisji nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na ewolucję zjadliwości – znaczenie ma również poziom odporności populacji żywiciela, rozmieszczenie żywicieli i to, czy żywiciel ma na przykład inne infekcje – ten kluczowy element ekologii patogenu pomaga wyjaśnić, dlaczego niektóre choroby są zabójcze. Co ważniejsze, sugeruje, w jaki sposób możemy wpłynąć na ewolucję patogenów w kierunku mniej zjadliwych szczepów. W sytuacjach, w których wysoka zjadliwość jest związana z wysokimi wskaźnikami transmisji (np. cholera), zmniejszenie wskaźników transmisji (np. poprzez zapewnienie lepszych warunków sanitarnych) może sprzyjać mniej zjadliwym formom. Pomysł polega na stworzeniu sytuacji, w której hiper zjadliwe szczepy, które szybko zabijają lub unieruchamiają swoich żywicieli, nigdy nie mają szansy zainfekować nowych żywicieli i stają się ewolucyjnymi ślepymi zaułkami. W rzeczywistości biolodzy zaobserwowali to zjawisko w Ameryce Południowej: kiedy cholera zaatakowała kraje o słabych warunkach sanitarnych, szczepy ewoluowały, aby być bardziej zjadliwe, podczas gdy linie, które zaatakowały obszary o lepszych warunkach sanitarnych, ewoluowały, aby być mniej szkodliwe.
I to prowadzi nas z powrotem do Adenowirusa-14. Adenowirusy są przenoszone drogą powietrzną lub kontaktową. Moglibyśmy oczekiwać, że ten rodzaj transmisji będzie wymagał dość zdrowego gospodarza (takiego, który wychodzi i wchodzi w kontakt z innymi), a tym samym selekcji przeciwko zjadliwym szczepom. Rzeczywiście, adenowirusy rzadko są zabójcze, ale w bliskim sąsiedztwie – na przykład w koszarach wojskowych, gdzie Adenovirus-14 był szczególnym problemem – bariery dla transmisji mogą zostać obniżone. Może to otworzyć drzwi dla ewolucji bardziej zjadliwych szczepów. Personel wojskowy jest jednak w trakcie ponownego zamykania tych drzwi. W Bazie Sił Powietrznych Lackland, która była świadkiem najpoważniejszego wybuchu Adenowirusa-14, szersze testy, więcej miejsc do mycia rąk, zwiększona dbałość o dezynfekcję i izolacja pacjentów pomagają ograniczyć przenoszenie choroby, a tym samym mogą sprzyjać ewolucji mniej zjadliwych szczepów wirusa.
Źródło: Evolution from a virus’s view
Zobacz na: Dlaczego pozwolić gorączce spełniać swoje funkcje – dr Paul Offit
2 metry czy 20 metrów, dystans nie ma większego znaczenia dla Covid-19 – prof. Martin Bazant i prof. John Bush z MIT
Szczepionki popychają patogeny do ewolucji – presja ewolucyjna
Niedożywienie jest przyczyną ponad połowy wszystkich zgonów dzieci