תוכן עניינים:
וִידֵאוֹ: האם נגיפים חיים?
2023 מְחַבֵּר: Peter Bradberry | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-05-21 22:33
למרות שווירוסים מערערים על התפיסה שלנו מה המשמעות של "חיים", הם חברים חיוניים ברשת החיים.
הערת עורך: סיפור זה פורסם במקור בגיליון דצמבר 2004 של סיינטיפיק אמריקן.
בפרק של קומדיית הטלוויזיה הקלאסית "ירח הדבש" משנות החמישים, נהג האוטובוס בברוקלין, ראלף קרמדן, מסביר בקול רם לאשתו אליס, "אתה יודע שאני יודע כמה קל לך לנגיף." לפני חצי מאה אפילו אנשים רגילים כמו Kramdens ידעו קצת על נגיפים - כמביאים מיקרוסקופיים של מחלות. עם זאת, כמעט בטוח שהם לא ידעו בדיוק מהו נגיף. הם היו, והם, לא לבד.
במשך כמאה שנה, הקהילה המדעית שינתה שוב ושוב את דעתה הקולקטיבית ביחס לווירוסים. נתפס תחילה כרעלים, אחר כך כצורות חיים, ואז כימיקלים ביולוגיים, נגיפים כיום נחשבים לאזור שבין חיים ללא חיים: הם אינם יכולים להעתיק בעצמם אלא יכולים לעשות זאת בתאים חיים באמת ויכולים להשפיע גם על התנהגות המארחים שלהם עמוקות. לסיווג הנגיפים כלא-חיים בחלק גדול מהעידן המודרני של המדע הביולוגי הייתה תוצאה לא מכוונת: היא הביאה את מרבית החוקרים להתעלם מווירוסים בחקר האבולוציה. אולם לבסוף, מדענים מתחילים להעריך את הנגיפים כשחקנים בסיסיים בתולדות החיים.
מגיע לתנאים
קל להבין מדוע נגיפים היו שונים בינונית. נראה שהם משתנים עם כל עדשה שמופעלת כדי לבחון אותם. העניין הראשוני בנגיפים נובע מהקשר שלהם למחלות - המילה "וירוס" שורשיה במונח הלטיני "רעל". בסוף המאה ה -19 חוקרים הבינו כי מחלות מסוימות, כולל כלבת ופה ובפה, נגרמות על ידי חלקיקים שנראו כמתנהגים כמו חיידקים אך הם קטנים בהרבה. מכיוון שהם היו עצמם ביולוגיים באופן ברור ויכולים להתפשט מקורבן אחד לאחר עם השפעות ביולוגיות ברורות, נחשבו אז נגיפים הם הפשוטים ביותר מכל צורות החיים החיים, הנושאים גנים.
הורדתם לכימיקלים אינרטיים הגיעה לאחר 1935, כאשר וונדל מ 'סטנלי ועמיתיו, כיום אוניברסיטת רוקפלר בניו יורק, התגבשו בפעם הראשונה נגיף וירוס פסיפס טבק. הם ראו שהוא מורכב מחבילה של ביוכימיה מורכבת. אך חסרות לה מערכות חיוניות הדרושות לתפקודים מטבוליים, לפעילות הביוכימית של החיים. סטנלי שותף בפרס נובל לשנת 1946 - בכימיה, לא בפיזיולוגיה או ברפואה - על עבודה זו.
מחקר נוסף שנערך על ידי סטנלי ואחרים קבע כי נגיף מורכב מחומצות גרעין (DNA או RNA) הסגור במעטה חלבון שעשוי גם להגן על חלבונים נגיפיים המעורבים בזיהום. לפי תיאור זה, נגיף נראה יותר כמו מערכת כימיה מאשר אורגניזם. אך כאשר וירוס נכנס לתא (נקרא מארח לאחר ההדבקה), הוא רחוק מלהיות פעיל. הוא משיל את מעילו, חושף את הגנים שלו ומניע את מכונות השכפול של התא עצמו להעתיק את ה- DNA או ה- RNA של הפורץ ולייצר יותר חלבון נגיפי על פי ההוראות בחומצת הגרעין הנגיפית. החלקים הוויראליים שזה עתה נוצרו מתאספים וכאילו נוצר נגיף נוסף, העלול להדביק תאים אחרים.
התנהגויות אלה הם שהביאו רבים לחשוב על וירוסים כקיימים בגבול בין כימיה לחיים. מבחינה פואטית יותר, הווירולוגים מארק ה 'ואן רגנמורטל מאוניברסיטת שטרסבורג בצרפת ובריאן וו. ג'יי מאי מהמרכזים לבקרת מחלות ומניעתן אמרו לאחרונה כי עם תלותם בתאי מארח, נגיפים מוליכים "סוג של חיים שאולים". מעניין, למרות שביולוגים העדיפו זה מכבר את הדעה כי נגיפים הם רק קופסאות של כימיקלים, הם ניצלו את הפעילות הנגיפית בתאי המארח כדי לקבוע כיצד חומצות גרעין מקודדות חלבונים: אכן, ביולוגיה מולקולרית מודרנית נשענת על בסיס מידע שנצבר באמצעות וירוסים.
ביולוגים מולקולריים המשיכו להתגבש ברוב המרכיבים החיוניים של התאים וכיום רגילים לחשוב על מרכיבים תאיים - למשל ריבוזומים, מיטוכונדריה, ממברנות, DNA וחלבונים - כמכונות כימיות או על הדברים שהמכונה משתמשת או מייצרת. חשיפה זו למספר מבנים כימיים מורכבים המבצעים את תהליכי החיים היא ככל הנראה סיבה שרוב הביולוגים המולקולריים אינם מקדישים זמן רב לתהות האם נגיפים חיים. מבחינתם, תרגיל זה עשוי להיראות שווה ערך להרהר האם אותם מרכיבים תת-תאיים בודדים חיים בכוחות עצמם. השקפה קוצר ראייה זו מאפשרת להם לראות רק כיצד נגיפים משתפים בתאים או גורמים למחלות. השאלה הגורפת יותר של תרומות ויראליות להיסטוריה של החיים על פני האדמה, עליה אתייחס בקרוב, נותרה ברובה ללא מענה ואף ללא מענה.
להיות או לא להיות
השאלה הפשוטה לכאורה האם וירוסים חיים או לא, שתלמידי שואלים לעתים קרובות או לא, כנראה הגדירה תשובה פשוטה כל השנים מכיוון שהיא מעלה סוגיה מהותית: מה בדיוק מגדיר "חיים"? הגדרה מדעית מדויקת של החיים היא דבר חמקמק, אך רוב הצופים היו מסכימים שהחיים כוללים תכונות מסוימות בנוסף ליכולת שכפול. לדוגמא, ישות חיה נמצאת במצב מוגבל בלידה ומוות. אורגניזמים חיים חושבים גם כי הם דורשים מידה של אוטונומיה ביוכימית, המפעילה את הפעילויות המטבוליות המייצרות את המולקולות ואת האנרגיה הדרושה לקיום האורגניזם. רמה זו של אוטונומיה חיונית לרוב ההגדרות.
וירוסים, לעומת זאת, מטפילים למעשה את כל ההיבטים הביו-מולקולריים של החיים. כלומר, הם תלויים בתא המארח עבור חומרי הגלם והאנרגיה הדרושים לסינתזת חומצות גרעין, סינתזת חלבונים, עיבוד והובלה, וכל פעילויות ביוכימיות אחרות המאפשרות לריבוי התפשטות הנגיף. לאחר מכן אפשר להסיק שלמרות שתהליכים אלה מגיעים לכיוון ויראלי, נגיפים הם פשוט טפילים שאינם חיים של מערכות מטבוליות חיות. אך ייתכן שקיים ספקטרום בין מה שבוודאי חי למה שלא.
סלע אינו חי. שק פעיל מטבולית, נטול חומר גנטי ופוטנציאל התפשטות, אינו גם חי. חיידק, לעומת זאת, חי. למרות שזה תא בודד, הוא יכול לייצר אנרגיה ואת המולקולות הדרושות לקיום עצמו, והוא יכול להתרבות. אבל מה עם זרע? זרע עשוי לא להיחשב חי. עם זאת יש לו פוטנציאל לחיים, והוא עלול להיהרס. בהקשר זה, נגיפים דומים לזרעים יותר מאשר לתאים חיים. יש להם פוטנציאל מסוים, שאותו ניתן להרחיק, אך הם אינם משיגים את המצב האוטונומי יותר של החיים.
דרך נוספת לחשוב על החיים היא כרכוש מתחיל של אוסף של דברים מסוימים שאינם חיים. גם החיים וגם התודעה הם דוגמאות למערכות מורכבות המתהוות. כל אחד מהם דורש רמה קריטית של מורכבות או אינטראקציה כדי להשיג את מצביו. נוירון בפני עצמו, או אפילו ברשת עצבים, אינו נחוץ למורכבות מוחית שלמה. עם זאת, אפילו מוח אנושי שלם יכול להיות חי ביולוגית אך אינו מסוגל להכרה, או "מת מוחי". באופן דומה, גם גנים או חלבונים אישיים תאיים ולא נגיפיים אינם כשלעצמם חיים. התא הגרוע משול למצב של ראש מוח, בכך שהוא חסר מורכבות קריטית מלאה. גם וירוס לא מצליח להגיע למורכבות קריטית. כך שהחיים עצמם הם מצב מתחיל ומורכב, אך הם עשויים מאותם אבני יסוד פיזיות המהוות וירוס. בהתייחס לנקודת מבט זו, וירוסים, אם כי אינם חיים במלואם, עשויים להיחשב כחומר אינרטי יותר: הם מסתערים על החיים.
למעשה, באוקטובר, חוקרים צרפתים הודיעו על ממצאים שממחישים עד כמה מתקרבים וירוסים מסוימים. דידייה ראולט ועמיתיו מאוניברסיטת הים התיכון במרסיי הודיעו כי הם רצפו את הגנום של הנגיף הידוע הגדול ביותר, Mimivirus, שהתגלה בשנת 1992. הנגיף, בגודל זהה לחיידק קטן, מדביק אמבות. ניתוח רצפים של הנגיף גילה מספר רב של גנים שנחשבו בעבר רק באורגניזמים תאיים. חלק מהגנים הללו מעורבים בהפקת החלבונים המקודדים על ידי ה- DNA הנגיפי ועשויים להקל על Mimivirus לשתף מערכות שכפול תאי מארח. כפי שציין צוות המחקר בדו"ח בכתב העת Science, המורכבות העצומה של ההשלמה הגנטית של Mimivirus "מאתגרת את הגבול הקבוע בין נגיפים לאורגניזמים תאיים טפיליים.".
השפעה על האבולוציה
דיונים בשאלה האם לסמן וירוסים כחיים מובילים באופן טבעי לשאלה אחרת: האם ההרהר על מעמד הנגיפים כחי או כלא חי הוא יותר מתרגיל פילוסופי, בסיס לדיון רטורי ער וסוער אך עם תוצאה ממשית מועטה? אני חושב שהנושא חשוב, מכיוון שאופן שבו מדענים רואים בשאלה זו משפיע על חשיבתם לגבי מנגנוני האבולוציה.
לנגיפים יש היסטוריה אבולוציונית עתיקה משלהם, המתוארכים למקור החיים הסלולריים. לדוגמא, כמה אנזימים לתיקון נגיפי - שמכריעים ומנתזים מחדש DNA פגום, מתקנים נזקים רדיקליים לחמצן וכן הלאה - הם ייחודיים לנגיפים מסוימים והיו קיימים כמעט ללא שינוי כנראה במשך מיליארדי שנים.
עם זאת, רוב הביולוגים האבולוציוניים גורסים כי מכיוון שנגיפים אינם חיים, הם אינם ראויים לשיקול רציני כשמנסים להבין את האבולוציה. הם גם מסתכלים על נגיפים שמקורם בגנים מארחים שאיכשהו ברחו מהמארח ורכשו מעיל חלבון. בראייה זו, נגיפים הם גנים מארחים נמלטים שהתדרדרו לטפילים. ועם וירוסים המפוטרים כך מרשת החיים, ייתכן שתרומות חשובות שהם תרמו למקורם של המינים ושמירת החיים עשויה להיות בלתי מוכרת. (ואכן, רק ארבעה מתוך 1, 205 העמודים של הכרך 2002 האנציקלופדיה של האבולוציה מוקדשים לווירוסים.).
כמובן, ביולוגים אבולוציוניים אינם מכחישים כי לנגיפים היה תפקיד כלשהו באבולוציה. אך בכך שהם רואים בווירוסים דוממים חוקרים אלה מציבים אותם באותה קטגוריה של השפעות כמו, למשל, שינויי אקלים. השפעות חיצוניות כאלה נבחרות בקרב אנשים בעלי תכונות מגוונות ומבוקרות גנטית; אותם אנשים המסוגלים ביותר לשרוד ולשגשג כאשר הם מתמודדים עם אתגרים אלה ממשיכים להתרבות בצורה המוצלחת ביותר ומכאן להפיץ את הגנים שלהם לדורות הבאים.
אך וירוסים מחליפים ישירות מידע גנטי עם אורגניזמים חיים, כלומר ברשת החיים עצמם. הפתעה אפשרית לרוב הרופאים, ואולי גם לרוב הביולוגים האבולוציוניים, היא שרוב הנגיפים הידועים הם מתמידים ותמימים, ולא פתוגניים. הם מתגוררים בתאים, שם הם עלולים להישאר רדומים לתקופות ארוכות או לנצל את מכשיר השכפול של התאים כדי להתרבות בקצב איטי ויציב. נגיפים אלה פיתחו דרכים חכמות רבות להימנע מגילוי על ידי מערכת החיסון המארחת - למעשה כל שלב בתהליך החיסוני יכול להיות שונה או נשלט על ידי גנים שונים שנמצאים בנגיף כזה או אחר.
יתר על כן, גנום של נגיף (כל המשלים של ה- DNA או ה- RNA) יכול להתיישב לצמיתות אצל המארח שלו, ולהוסיף גנים ויראליים לשושלות מארחות ובסופו של דבר להפוך לחלק קריטי בגנום של המין המארח. לפיכך לווירוסים יש השפעות מהירות וישירות יותר מאלה של כוחות חיצוניים שבוחרים פשוט בין וריאציות גנטיות פנימיות שנוצרות לאט יותר. אוכלוסיית הנגיפים הענקית, בשילוב עם שיעורי ההעתקה והמוטציה המהירים שלהם, הופכים אותם למקור המוביל בעולם לחדשנות גנטית: הם כל הזמן "ממציאים" גנים חדשים. וגנים ייחודיים ממוצא נגיפי עשויים לנסוע, למצוא את דרכם לאורגניזמים אחרים ולתרום לשינוי אבולוציוני.
נתונים שפורסמו על ידי הקונסורציום הבינלאומי לרצף הגנום האנושי מצביעים על כך שבין 113-223 גנים הקיימים בחיידקים ובגנום האנושי נעדרים באורגניזמים שנחקרו היטב - כגון שמרים Saccharomyces cerevisiae, זבוב הפירות דרוזופילה מלנוגסטר ונמטודה Caenorhabditis elegans. שנמצאים בין שני הקצוות האבולוציוניים האלה. יש חוקרים שחשבו כי אורגניזמים אלה, שנוצרו לאחר חיידקים אך לפני חולייתנים, פשוט איבדו את הגנים המדוברים בשלב כלשהו בהיסטוריה האבולוציונית שלהם. אחרים העלו כי גנים אלה הועברו ישירות לשושלת האדם על ידי חיידקים פולשים.
חברי ויקטור דפיליפיס מהמכון לחיסונים וגנים באוניברסיטת אורגון לבריאות ומדע, והצעתי חלופה שלישית: נגיפים עשויים להיווצר בגנים ואז ליישב שתי שושלות שונות, למשל, חיידקים וחולייתנים. גן שניתן ככל הנראה לחיידקים לאנושות על ידי שניהם על ידי וירוס.
למעשה, יחד עם חוקרים אחרים, פיליפ בל מאוניברסיטת מקווארי בסידני, אוסטרליה, ואני טוענים כי גרעין התא עצמו הוא ממקור ויראלי. את הופעתו של הגרעין - המבדיל בין אוקריוטים (אורגניזמים שתאיהם מכילים גרעין אמיתי), כולל בני אדם, לבין פרוקריוטים, כגון חיידקים - לא ניתן להסביר באופן מספק אך ורק על ידי הסתגלות הדרגתית של תאים פרוקריוטיים עד שהם הפכו לאוקריוטים. במקום זאת ייתכן שהגרעין התפתח מנגיף DNA גדול ומתמשך שהפך לבית קבוע בתוך פרוקריוטים. תמיכה מסוימת ברעיון זה מגיעה מנתוני רצף המראים כי הגן לפולימראז DNA (אנזים להעתקת DNA) בנגיף המכונה T4, המדביק חיידקים, קשור קשר הדוק לגנים אחרים של פולימראז DNA ב- שני האיקריוטים ובנגיפים המדביקים אותם. פטריק פורטר מאוניברסיטת פריז-סוד ניתח גם אנזימים האחראים לשכפול דנ"א והגיע למסקנה כי הגנים של אנזימים כאלה באאוקריוטים מקורם כנראה בנגיף.
מאורגניזמים חד תאיים ועד אוכלוסיות אנושיות, נגיפים משפיעים על כל החיים על פני כדור הארץ, ולעתים קרובות קובעים מה ישרוד. אך גם נגיפים עצמם מתפתחים. נגיפים חדשים, כמו ה- HIV-1 הגורם לאיידס, עשויים להיות הגופים הביולוגיים היחידים שחוקרים יכולים להיות עדים להיווצרותם, ומספקים דוגמה בזמן אמת להתפתחות בפעולה.
וירוסים חשובים לחיים. הם הגבול המשתנה ללא הרף בין עולמות הביולוגיה והביוכימיה. כאשר אנו ממשיכים לפרום את הגנום של יותר ויותר אורגניזמים, התרומות ממאגר הגנים הדינמי והעתיק הזה צריכות להתברר. חתן פרס נובל סלבדור לוריה מהרהר על ההשפעה הוויראלית על האבולוציה בשנת 1959. "שלא נרגיש", כתב, "שבנגיף, בהתמזגותם עם הגנום הסלולרי ונשקפים מהם, אנו מתבוננים ביחידות ובתהליך שבו, במהלך האבולוציה, יצרו את הדפוסים הגנטיים המוצלחים שעומדים בבסיס כל התאים החיים? " לא משנה אם אנו רואים בווירוסים חיים או לא, הגיע הזמן להכיר וללמוד אותם בהקשר הטבעי שלהם בתוך רשת החיים.