Bakterie i wirusy

0
807

Bakterie i wirusy.

Historia stosunku człowieka do chorób zakaźnych pełna jest niewiadomych, niejasności, na wiele pytań wciąż nie potrafimy znaleźć odpowiedzi. Podobnie zresztą wciąż niewiele wiemy na temat początków wirusów i bakterii, które są z tymi chorobami związane. Ciągle, bowiem, unika z naszej świadomości wiedza o tym, że zarówno historia, jak i nauki biologiczne są stosunkowo młode – ich rozwój przypada dopiero na XIX wiek -, że nauki te w swych początkach popełniały bardzo wiele błędów i że wciąż wiele z ich teorii ma charakter wyłącznie hipotetyczny.

Współczesna biologia powstała wraz z dyskusjami na temat przebiegu ewolucji (lamarkizmdarwinizm), powstaniem chemii organicznej, oraz słynnym doświadczeniem Pasteura, w którym wykazał on, że wszystkie komórki powstają z innych komórek. Dotychczasowe badania wskazują, że życie na ziemi, na której do powstania skorupy ziemskiej doszło około 4,5 miliarda lat temu[1], zaczęło się prawdopodobnie około 3,8 miliarda lat temu. Dowodzą tego skamieniałości zachowane w południowo-zachodniej Grenlandii, badaniem, których naukowcy zajmują się przez ostatnie trzydzieści lat.

Jeszcze młodsza jest nasza wiedza (są nauki) na temat chorób zakaźnych, a także bakterii i wirusów, które przyczyniają się do ich powstania. Dlatego też postanowiłem, że zanim przejdę do zasadniczego tematu, przytoczę kilka podstawowych informacji na o ich początkach.

Wirusy

Nie wiemy dziś, kiedy doszło do powstania wirusów? Nie wiemy też od kiedy, są to struktury całkowicie pasożytnicze, których wielkość wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset nanometrów (nm). Obecnie nie wykazują żadnych funkcji życiowych poza komórkami gospodarza, dlatego dotąd nie są klasyfikowane jako organizmy. Pojedyncza kompletna postać wirusa to wirion, który składa się materiału genetycznego (DNA lub RNA) oraz otoczki białkowej (kapsydu). Wirusy wnikają do komórek gospodarza i w nich się namnażają. Atakują poprzez wszczepienie kwasu nukleinowego wirusa w DNA komórki, która zaczyna wytwarzać białka kapsydów oraz powielać DNA lub RNA wirusa, czyli elementy składowe nowych wirionów. Powstałe części są samorzutnie kompletowane, dzięki czemu powstają nowe wiriony, które mogą atakować kolejne komórki. Z powodu ogromnej różnorodności wirusów trudno też dokonać ich klasyfikacji. Wątpliwości budzi samo zakwalifikowanie ich do organizmów żywych gdyż nie wykazują struktury komórkowej, nie potrafią samodzielnie się reprodukować i poruszać. Według niektórych badaczy są one strukturami z pogranicza biocenozy i biotopu, zaś dla innych ich ożywiony charakter nie podlega dyskusji. Zdaniem biologów, by jakiś organizm został uznany za żywy wskazują przede wszystkim na możliwość przetwarzania energii, reagowanie na bodźce ze środowiska, zdolność do reprodukcji i ewoluowania.

Bazując na badaniach genetycznych oraz morfologii wirusów badacze z Carl R. Woese Institute for Genomic Biology stworzyli nowy system ich klasyfikacji. Stąd też podstawę nowego systemu stanowiły informacje ze świata białek. Korzystając z zaawansowanych metod inżynierii molekularnej, udało im się zidentyfikować 442 typy białkowych domen wspólnych dla wszystkich badanych organizmów, przy czym jedynie 66 okazała się być wysoce swoista dla wirusów. Dotychczas przypuszczano, że wirusy mogą być uproszczonymi fragmentami komórek, jednak przeprowadzona analiza ujawniła sekwencje genetyczne, które są niepodobne do tych widzianych we współczesnych organizmach komórkowych. Jest to sprzeczne z hipotezą, według której wirusy przechwyciły od nich materiał genetyczny. Wyniki sugerują, że wirusy pochodzą od pradawnych komórek, które współistniały razem z przodkami dzisiejszych eukariontów. Dane sugerują również, że w pewnym momencie w ich historii ewolucyjnej większość wirusów uzyskała możliwość otoczenia się w płaszczach białkowych tzw. kapsydach, które chroniły ich materiał genetyczny. Stworzyło to możliwość emigracji poza komórki gospodarza i rozprzestrzeniania. Obecność kapsydu pozwoliła na infekcje komórek, które wcześniej były odporne na działanie wirusów, co według badaczy przypomina dzisiejsze formy pasożytnictwa. Według naukowców konieczność obecności innych komórek do reprodukcji nie jest dowodem potwierdzającym o ich nieożywionym charakterze lecz wręcz przeciwnie – jest przykładem swego rodzaju międzygatunkowej interakcji, podobnej do tych spotykanych we współczesnej przyrodzie. Wiele organizmów potrzebuje innych organizmów do życia, np. bakterie żyjące wewnątrz komórek czy też pasożytnicze przywry, które wymagają specyficznych żywicieli do tego, by skończyć cykl życiowy. W świetle opinii naukowców wirusy nie odbiegają od tego schematu i są nietypowym przykładem pasożytnictwa.

Badacze wykorzystali nową metodę badawczą – nie porównywali sekwencji genetycznych, ale przyjrzeli się trójwymiarowej strukturze wirusowych protein. To jakby genetyczne „skamieniałości”, na podstawie ich kształtu, podobnie jak w przypadku pozostałości dawnych ludzi i zwierząt, można opowiedzieć nieco o ich historii. Zasada jest prosta: jeśli jakaś struktura występuje szeroko, musi być stara, ponieważ jej dziedzice zdążyli się podzielić na wiele grup, a to wymaga czasu. W najnowszych badaniach zbadano proteiny, które pojawiają się u ponad 1000 prostych organizmów: bakterii, mikrobów archarea oraz właśnie wirusów. Badacze włączyli do grupy organizmów wielkie wirusy z premedytacją. Wydało im się, że ich budowa jest na tyle skomplikowana, że spokojnie wytrzymuje porównanie z genomami najprostszych bakterii. Posiadają niezwykłą, podobną do komórkowej, maszynerię.

To skomplikowanie było na tyle zagadkowe, że naukowcy postanowili wyjaśnić jego przyczynę. Aby się rozmnażać, wirusy korzystają z komórek organizmu, na którym pasożytują. To gospodarz powiela ich proteiny i umożliwia im rozmnażanie się. Zwykłe organizmy robią to same. Badacze skupili się zatem na analizie protein z enzymów, które skłaniają komórki gospodarza do pracy na rzecz wirusa. Kiedy podsumowano analizę kształtu i pochodzenia protein, okazało się, że podzieliły się na cztery wyraźne grupy. Czwartą stanowiły wirusy. Najstarsze wersje protein, wspólne żywym organizmom, były także obecne u wielkich wirusów. To oznacza, że musiały się pojawić bardzo wcześnie, na samym początku ewolucji życia. Przypuszczalnie początkowo wirusy te musiały być dużo bardziej skomplikowane niż dzisiaj, a z czasem ich funkcje i budowa uległy dramatycznej redukcji. To wyjaśnia, dlaczego musiały stać się pasożytami. W ten sposób drzewo życia, do tej pory posiadające trzy gałęzie (bakterie, mikroby archaea i eukarioty), może uzyskać czwartą: wirusy.

Bakterie

Również nasza wiedza na temat powstawania organizmów jednokomórkowych wciąż jest niepewna i wciąż ulega weryfikacji. Spotykamy wcześniejsze informacje, że pojawiły się one około 3 miliardów lat temu, dalsze badania wskazywały na to, że pojawiły się znacznie wcześniej. Pierwsze kopalne dowody na istnienie organizmów jednokomórkowych pochodzą sprzed około 3,6 mld lat. Organizmy te przypominały dzisiejsze bakterie. Były otoczone błoną komórkową i zawierały cząsteczkę DNA.

Bakterie są już bez wątpienia organizmami. Są to jednokomórkowce lub zespoły komórek o budowie prokariotycznej. Cechą charakterystyczną budowy komórek bakteryjnych jest brak otoczonych błoną organelli, takich jak jądro komórkowe czy mitochondrium, które występują u wszystkich innych organizmów żywych – grzybówroślinprotistów i zwierząt. Wielkość komórek bakterii mieści się w zakresie od 0,2 μm dla nanobakterii do 750 μm u Thiomargarita namibiensis. Mogą mieć różne kształty, np. kulisty, pałeczkowaty lub spiralny. Niektóre bakterie potrafią łączyć się ze sobą, tworząc luźne, charakterystyczne układy przestrzenne (np. pakietowce, paciorkowce, trychomy).

Pierwsze organizmy wielokomórkowe

Proces powstawania kolejnych, już bardziej złożonych organizmów wielokomórkowych trwał przez kolejne setki milionów lat. Ślady pierwszych z nich znajdujemy w skamieniałościach datowanych na około 610/600 mln lat

Pierwsze organizmy wielokomórkowe to tak zwana fauna ediakarańska już dostosowana do obecności tlenu. Jej powstaniu sprzyjało ocieplenie klimatu, które doprowadziło do topnienia lodowców.  Były to organizmy niezwykle dla nas egzotyczne i naukowcy nie potrafią nawet zdecydować z jakiego królestwa (zwierząt, grzybów, czy protistów). Nie wytwarzały szkieletów ani muszli tylko tworzyły płachty. Dominowały absolutnie na planecie przez 80 milionów lat, by później zniknąć, nagle, w nieznany nam dziś sposób.

W ich miejsce, w ramach eksplozji kambryjskiej, która zaczęła się 530 milionów lat temu, pojawiły się inne organizmy wielokomórkowe, które wtedy powstały (ponownie ale najpewniej inaczej) z organizmów jednokomórkowych.

Ssaki

Wreszcie ssaki, których linia rozwojowa oddzieliła się od linii zauropsydów (większość gadów) w karbonie, między 320 a 315 milionami lat temu, były to najbardziej rozpowszechnione i największe gady permu. W środkowym triasie istniało wiele stworzeń przypominających ssaki. Ssaki właściwe pojawiły się jednak we wczesnym okresie jurajskim. Najstarszy znany torbacz, Sinodelphys, pojawił się 125 milionów lat temu, we wczesnej kredzie, w tym samym czasie żyła także Eomaia, pierwszy znany łożyskowiec. Z kolei najwcześniejszy znany stekowiec, Teinolophos, pojawił się 2 miliony lat później. Po sławnym wymieraniu kredowym, podczas którego zniknęła większość gadów mezozoiku (przetrwały wywodzące się od dinozaurów ptaki), ssaki zyskały możliwość rozwoju w kierunku wielu nowych form i zajęcia nowych dla nich nisz ekologicznych, zajmowanych wcześniej przez gady. Rozwój ten miał miejsce w trzeciorzędzie, pod koniec tego okresu istniały już wszystkie znane dzisiaj rzędy ssaków, wśród nich i człowiek.

Nie potrafimy dziś nawet szacunkowo określić czy, i jeśli tak to, jak wiele hominidów zamieszkiwało Ziemię w przededniu plejstocenu, nie potrafimy też z pełnym prawdopodobieństwem stwierdzić, czy do wyodrębnienia naszego gatunku (z Australopiteków) doszło przed, czy też już po nastąpieniu tego zlodowacenia. Badania archeologiczne w Ke-nii, Tanzanii i Południowej Afryce wykazały, że istoty praludzkie Homo habilis egzystowały paralelnie z australopitekami w okresie od 3.000.000 do 1.600.000 lat temu. Najbardziej na północny zachód wysunięte znalezisko australopiteckie (lub Homo habilis, nie mamy bowiem pewności, czy – a jeśli tak, to w jakiej skali – australopiteki korzystały z narzędzi) leży na wschód od jeziora Czad w miejscowości Koro-Toro. Jest on późniejsze od znalezisk w Etiopii i Tanzanii. Drugie skupisko australopiteków to Transwal w południowej Afryce. Homo habilis różnił się od australopiteków bardziej intensywnym korzystaniem z po-karmu mięsnego. Zdobywał go w znacznej części jako padlinożerca, wykorzystując mięso padłych dużych ssaków, najczęściej ofiar drapieżników, ewentualnie polując na małe zwierzęta. Homo habilis miał mózg znacznie większy od Australopiteka. Żył gromadnie, zamieszkując obozowiska, które już 2.200.000 lat temu charakteryzowała organizacja przestrzenna, a nawet konstruowanie ogrodzeń przeciwko drapieżnikom lub wiatrochronów z kamieni lub gałęzi. Pierwsze stadium rozwojowe kultur otoczakowych na terenie Afryki przypada na okres 2.600.000/2.400.000 – 2.000.000/1.900.000 lat temu. Nie miejsce tu, by pisać o ewolucji naszego agtunku aż do powstania Homo sapiens. Nie będę też szczegółowo opisywać wcześniejszych fal migracji naszych praprzodków z Afryki, jakie miały miejsce już między 1.850.000 a 1.780.000 lat temu, czy też fali migracji Homo sapiens z lat pomiędzy 100.000 (czasami przesuwa się datę początkową aż do 200.000 lat temu) a 50.000 lat temu.

Symbioza

Powyższe fakty przytoczyłem nie bez przyczyny. Śledząc procesy ewolucyjne powinno stać się dla nas oczywistym, że w tak złożonym organizmie jakim jest ciało człowieka muszą znajdować się również bakterie i wirusy.

W organizmie człowieka żyje ok. 2 kilogramów bakterii, wśród których wyodrębniono ok. 2 tys. gatunków! W większości są niegroźne, a nawet przydatne, choć są i takie grupy bakterii, które mogą mieć wpływ na ryzyko zachorowania na określone schorzenia, a także na skłonność do tycia. Podawane wielkości są wciąż hipotetyczne. Przez wiele lat badacze sądzili, że w ciele człowieka żyje tak dużo mikrobów, że w zasadzie więcej jest ich niż „nas” (czyli komórek ciała). Zaprzeczają temu najnowsze badania opublikowane w magazynie bioRxiv. Autorzy policzyli mikroorganizmy w ludzkim kale. Ich zdaniem bakterie w ludzkim organizmie nie są rozmieszczone równomiernie, ale koncentrują się w konkretnych obszarach. Ich największym skupiskiem jest okrężnica.  Naukowcy obliczyli, że przeciętny młody mężczyzna (w wieku 20-30 lat, mierzący ok. 1,7 m i ważący 70 kg) posiada ok. 30 bln własnych komórek, a jego ciało zasiedla ok. 39 bln komórek bakterii.

Podobnie każdy człowiek, (a nie niemal każdy, jak sądzą niektórzy badacze i piszą publicyści), ma w swoim ciele wirusy. Wśród nich  chorobotwórcze, które wcale nie muszą przyczyniać się do powstawania infekcji. Flora bakteryjna w naszych organizmach jest bardzo bogata i złożona.

Naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego (USA) pobrali od 102 osób w wieku 18-40 lat próbki pochodzące z 5 miejsc: nosa, ust, skóry, pochwy i stolca, a następnie przebadali je na obecność wirusów. Po przeprowadzeniu analiz okazało się, że przeciętny człowiek jest nosicielem 5 różnych wirusów. U 92 proc. badanych stwierdzono występowanie co najmniej jednego szczepu, a niektóre osoby posiadały ich nawet 10 lub 15. Od każdej osoby pobrano próbki co najwyżej z pięciu miejsc na ciele, więc gdyby przebadano całe ciało, wirusów przypuszczalnie byłoby dużo więcej. Wśród odnalezionych wirusów znajdowały się m.in. adenowirusy (odpowiedzialne za przeziębienia i zapalenia płuc); wirusy opryszczki HPV6 i HPV7, które rezydowały w ślinie 98 proc. badanych; a także papillomawirusy obecne w 75 proc. próbek naskórka i 50 proc. próbek wydzieliny nosowej. Okolice pochwy również były zdominowane przez papillomawirusy, które wykryto u 38 proc. kobiet. Niektóre panie posiadały niebezpieczne szczepy mogące prowadzić do rozwoju raka szyjki macicy. Owe szczepy występowały głównie u kobiet, które miały niski poziom bakterii Lactobacillus, a wysoki poziom bakterii Gardnerella (wywołujących bakteryjne zapalenie pochwy). Inne badania wykazały, że w płucach każdego z nas (zdrowego czy chorego) stale rezyduje ok. 174 gatunków wirusów.

Naukowcy nie potrafią stwierdzić, czy obecność flory wirusowej wywiera pozytywny, czy negatywny wpływ na organizm człowieka. Zakładają, że niektóre mikroorganizmy mogą trzymać system immunologiczny w stanie najwyższej gotowości, a inne zwiększać ryzyko zachorowania.

                                                                         Piotr Kotlarz

[1] W pierwszej wersji pisałem tu o powstaniu Ziemi, dopiero niedawno uświadomiłem sobie, że to nie tyle Ziemia, co jej skorupa została utworzona wskutek zderzenia z Theą. Sama Ziemia, przypuszczalnie w postaci plazmy istniała już – moim zdaniem – znacznie wcześniej.

Obraz WikiImages z Pixabay