Виролюция. Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза

Райан Фрэнк

Придя к такому выводу, я начал задавать вопросы:

— Предположим, что некий вирус уже долгое время обитает в животном и оба достигли в развитии той стадии, когда сосуществование с вирусом не приносит вреда животному. И вот некий сходный вид животных приходит в контакт с данным видом. Кажется весьма вероятным, что вирус, перекочевав от одного носителя к другому, начнет себя вести до крайности агрессивно. Возможно ли, что это есть проявление эволюционного механизма? А вдруг это симбиотическое проявление эволюции, развитие сосуществования между вирусом и носителем? Но что тогда получает животное-носитель от сосуществования? На ум немедленно приходит вывод: польза хотя бы оттого, что животное близкого конкурирующего вида, захотевшее занять экологическую нишу нашего животного, погибнет от заболевания, вызываемого поменявшим хозяина вирусом.

— Да, вполне логичная гипотеза, — согласился Эссекс. — Я мыслил сходным образом и пришел к похожим выводам. Они отражены в моих публикациях — например, в статье, опубликованной в «Сайнтифик Америкэн». Там я сопоставил данные о поведении вируса обезьяньего иммунодефицита, заражающего различные виды обезьян, с данным Франка Феннера об эпидемии миксоматоза в Австралии. Когда первые европейцы привезли домашних кроликов в Австралию,

те удрали и, поскольку в Австралии нет хищников, способных эффективно контролировать популяцию кроликов, нет ни лис, ни хорьков, кролики чрезвычайно размножились и принялись уничтожать посевы. Австралийцы решили уничтожить кроликов и заразили их миксоматозом — заболеванием для кроликов новым. Эпизоотия распространялась быстро и эффективно, истребив 99,8 процента популяции. Но затем случились две непредвиденные вещи. Первая: за четыре года выжившие размножились и новая популяция оказалась устойчива к миксоматозу — их не убьешь даже новыми его штаммами. Вторая: сожительствующий с кроликами вирус стал для них менее опасным. Думается мне, это бесспорное и ясное доказательство приспособления и носителя, и вируса к оптимальному выживанию обоих. Теперь, если привезти новых кроликов, их положение окажется незавидным. Пережившие эпидемию кролики носят в себе вирус, но могут с ним жить, могут оставаться совершенно нормальными и здоровыми, а носимый ими вирус остается в достаточной степени опасным и заразным, чтобы истребить новоприбывших кроликов-конкурентов.

Я сделал следующий шаг:

— Некоторые вирусы герпеса становятся в особенности болезнетворными, когда переходят от одного вида обезьян к другому. Не кажется ли вам, что и в случае ВИЧ мы наблюдаем то же самое?

— Конечно! — подтвердил профессор. — Думаю, самые яркие примеры этого — вирусы Herpesvirus simiri и Herpesvirus anteles. Они сосуществуют мирно, не вызывая болезни, с какой-нибудь одной разновидностью обезьян, скажем паукообразными обезьянами или беличьими саймири, но при переходе к другим разновидностям эти вирусы вызывают тяжелые, зачастую смертельные заболевания.

— То есть вы согласны, что в данном случае наблюдается пример индуцированного симбиозом эволюционного изменения?

— Думаю, можно даже доказать наблюдениями, что наиболее подверженные болезни обезьяны-конкуренты способны занять ту же экологическую нишу, что и носители вируса, и едят ту же пищу. В то же время обитающие на этой же территории обезьяны, занимающие другую нишу и едящие другую пищу, гораздо менее восприимчивы к вирусу.

Когда два или более партнера вступают во взаимовыгодный симбиоз, всякий партнер привносит качества, каких не хватает остальным. Роль носителя вируса в симбиозе очевидна: он предоставляет вирусу жилище и свой генетический механизм, позволяющий вирусу размножаться. Без носителя вирус не выживет. Польза от вируса не столь очевидна, но ведь ключевая особенность вирусов — то есть его эволюционная «черта» — это способность представлять собой смертельное оружие. Именно это вирус может дать носителю. На примере морского слизня Elysia chlorotica мы видели, как ретровирусы, спокойно обитающие в тканях и ядрах клеток, вдруг становятся агрессивными и убивают носителя в конце его жизненного цикла. В книге «Вирус X» я впервые выдвинул эволюционную концепцию «агрессивного симбиоза» как важного механизма (отнюдь не объявляя его единственным!) эволюции во многих естественных ситуациях, и прежде всего при взаимодействии болезнетворных вирусов и их носителей. Но определение и описание этого механизма было лишь первым шагом создаваемой мною теории. Оставалось еще выяснить, как именно, в эволюционном смысле, механизм работает, как развивается партнерство вирусов и их носителей в природе.

Начал я с пары разумных и логичных предположений. Первым делом я решил в общем и целом согласиться с концептуальной подоплекой эволюционных исследований в вирусологии. Также я принял, что дарвинизм и симбиогенез не являются взаимно исключающими. Есть убедительнейшие доказательства того, что в природе работают оба этих эволюционных механизма. А это значило, что каждый случай взаимодействия вируса с носителем нужно, во-первых, рассматривать как отдельное самостоятельное явление, а во-вторых, рассматривать его как с традиционно дарвиновской, так и с симбиогенетической точки зрения, а не порознь с той либо другой. Иногда доминирующим механизмом эволюции может оказаться дарвиновский, то есть выгода отдельного организма, селекция на уровне отдельных, «эгоистичных» генов. Иногда же доминирующим механизмом эволюции может оказаться нечто весьма близкое к симбиогенезу, то есть отбор будет работать в сторону улучшения взаимодействия вируса и носителя. И я не вижу причин, почему в определенных ситуациях не работать обоим механизмам одновременно: скажем, в начале может работать «эгоистический» отбор, но затем во главе угла окажется взаимовыгодное сосуществование. Такой подход вполне согласуется с оригинальной точкой зрения де Бари. Более того, он согласуется и с математическим моделированием, проведенным двумя оксфордскими исследователями, профессорами Андерсоном и Мэем, посвятившим в начале 90-х годов XX века немало времени исследованию динамики взаимодействия вируса с носителем, их коэволюции — дарвиновской теории, концептуально весьма близкой симбиотической точке зрения на сосуществование видов.

В последующие годы я продолжал работать над изучением болезней, вызываемых вирусами, их зарождения и развития, и обнаружил, что агрессивный симбиоз проходит в развитии через серию весьма специфических и отчетливых стадий. Предварительная стадия сводится к тому, что вирус находит нового для себя партнера. Образ взаимодействия вируса с этим партнером сильно зависит от того, насколько близок новому носителю вид, изначально носивший вирус. Если близок, то вирус может использовать прежние, уже хорошо развитые, отработанные стратегии размножения, если нет — должен искать новые, и потому сперва его способность передаваться от одного нового носителя к другому может быть невысокой. «Безымянный» («Sin Nombre») хантавирус перешел к людям от грызуна и, хотя убивал большой процент заразившихся, между людьми практически не передавался. Вызвавшие печально знаменитые эпидемии геморрагических лихорадок последнего времени африканские вирусы Марбург, Ласса, Эбола, южноамериканские Мачупо и Хунин вели себя так же. Ласса, Мачупо и Хунин перешли от грызунов и практически не могли распространяться между людьми. Еще не установлены с достоверностью

природные носители Марбурга и Эболы, но их неспособность передаваться от человека к человеку тоже предполагает природного носителя, биологически весьма далекого от человека. В этих случаях генетическое различие между новым и старым носителями делает невозможной эволюционное развитие нового симбиоза. Но если вирус переходит от генетически родственного вида — например, вирус кроличьего миксоматоза, симбиотичный бразильскому лесному кролику, или вирусы ВИЧ и HTLV, перепрыгнувшие от мартышек и шимпанзе к близкородственному им человеку, — генетическое сходство носителей открывает путь эволюционной динамике. Поскольку механизм иммунитета и ткани нового носителя уже «знакомы» вирусу, прежние стратегии размножения вируса будут работать с новым хозяином почти так же, как и со старым. Более того, все такие «родственно-кочующие» вирусы обладают важным общим свойством: единожды попавши в нового индивида либо биологический вид, они уже никогда и никуда не уходят, ни из отдельного индивида, ни из пораженной популяции, ни из вида в целом. Это свойство в биологии называется «персистентностью», а такие вирусы называются «персистентными вирусами». Очевидно, столь долгое и по необходимости весьма тесное сосуществование влечет за собой значительные эволюционные последствия и для вируса, и для носителя.

Чтобы вирус мог долгое время сосуществовать с носителем, очевидно, носитель должен оставаться в живых достаточно долгое время. В некоторых случаях такое сосуществование может и не приводить к заметным болезненным проявлениям. Я даже осмелюсь предположить, что, скорее всего, довольно большое число вирусов вступают во взаимодействие с новыми носителями, не приводя к замечаемым нами болезням, и такое взаимодействие, естественно, чаще всего ускользает от нашего внимания. Но в случае миксоматоза и ВИЧ новый хозяин, будь то австралийский кролик или человек, не способен мирно сосуществовать с вирусом. Весьма устрашающий процент, 99,8 процента австралийских кроликов и около 98 процентов людей не могут пережить первый контакт с вирусами соответственно миксоматоза и ВИЧ-1. Вот это и есть первая стадия агрессивного симбиоза: вторгшийся вирус убивает всех, не способных вынести его присутствие. Я обозначил это ужасающее явление как «выбраковка болезнью». Так оно было с миксоматозом и кроликами и, надо думать, со СПИДом и нашими человеческими либо дочеловеческими предками, заселившими протяженную и непрерывную область африканских тропических лесов. Нетрудно представить, что «выбраковка болезнью» оставит от популяции новых носителей лишь часть, способную перенести присутствие вируса и потому генетически отличающуюся от остальных, вымерших членов популяции — и от прочих особей этого вида. Хотя выжившие могут и не быть целиком здоровыми и жить в среднем меньше, но главное в эволюционной перспективе то, что они способны долгое время сосуществовать с вирусом. Наступает время второй стадии агрессивного симбиоза: долговременное взаимодействие вируса и носителя, коэволюция, потенциально способная привести к выгоде для обоих.

Такова моя теория. Некоторые, возможно, не согласятся с нею — но таким скептикам замечу: теория вполне устойчива к критике. Если я прав и агрессивный симбиоз, развившийся во взаимовыгодное партнерство, обычен в природе, то этот можно подтвердить нахождением патогномоничного признака данного партнерства: естественного отбора, работающего именно на уровне партнерства.

Один из важнейших подарков молекулярной генетики эволюционной биологии — это возможность прослеживать изменения в последовательностях ДНК с течением времени и определять таким образом, какие последовательности сохранены естественным отбором, а какие нет. Вирусы, как мы знаем, эволюционируют с ошеломляющей скоростью. Поэтому если при изучении вируса, сосуществующего с носителем, обнаружатся устойчивые в течение долгого времени вирусные геномы — это окажется веским аргументом в пользу естественного отбора, работающего на уровне партнерства. Если же удастся сделать следующий шаг и показать, что именно этот сохраняющийся вирусный генетический код способствует выживанию носителя — или, говоря в терминах симбиоза, способствует выживанию на уровне голобионта, — это будет бесспорным доказательством справедливости симбиотической эволюционной парадигмы вируса и носителя.

В сущности, найти в природе доказательства естественного отбора на уровне партнерства не так уж и сложно.

Наверняка многие мои читатели, биологи либо нет, знакомы с довольно-таки жестоко устроенным жизненным циклом ос-паразитов. Около двадцати пяти тысяч видов этих насекомых живут в агрессивном симбиозе с двадцатью тысячами видов полиднавирусов. Симбиоз стал настолько глубоким, что многие полиднавирусы активно участвуют в процессе размножения ос и сформировавшиеся, готовые к размножению вирусы уже присутствуют в откладываемых осой яйцах. Вирусы могут обитать вблизи яичников осы либо просто синтезироваться клетками осы к моменту откладывания яиц; вместе с яйцами вирусы неизбежно попадают в гусеницу-жертву. В нормальных условиях яйца осы не выжили бы в гусенице — ее иммунная система заметила бы и уничтожила их. Но вирусная инфекция парализует иммунную систему гусеницы, а затем изменяет ключевые жизненные процессы организма гусеницы, превращая ее в живые консервы для личинок ос. Биологи не устают удивляться изощренной сложности этого превращения: вирусы заставляют гусеницу производить сахара для питания личинок и даже нарушают работу гормональной системы гусеницы, не позволяя совершиться естественному метаморфозу гусеницы в бабочку либо мотылька.

Несомненно, в данном случае мы видим именно пример естественного отбора, работающего на уровне партнерства, — ведь эти осы, по сути, обязаны жизнью сосуществованию с полиднавирусами. А когда биологи исследовали сосуществование вирусов с осами-паразитами, то выяснили, что оно насчитывает как минимум семьдесят четыре миллиона лет и, значит, оно существовало уже во времена динозавров [24] . В свете теории симбиогенеза неудивительна и другая находка этих биологов: важнейшие группы вирусных генов остались неизменными в течение столь огромного промежутка времени, естественный отбор их не затронул. Именно того и следует ожидать при взаимно выгодном симбиозе.

24

Whitfield J. В. Parasitoids, polydnaviruses and endosymbiosis. Parasitology 1990; 6: 381–384. Whitfield J. B. Estimating the age of the polydnavirus / braconid wasp symbiosis. Proceedings of the National Academy of Sciences 2002; 99: 7508–13.