Keista, kad žmoniją ant kelių parklupdė toks mažas patogenas, kuris palyginus su dauguma bakterijų yra nykštukinis. Dar labiau stebina tai, kad minėtas patogenas galbūt net nėra gyvas sutvėrimas.
Skirtingai nuo kitų ligų sukėlėjų – pavyzdžiui bakterijų, pirmuonių ir grybelių – virusai užima miglotą sritį tarp gyvybės ir negyvybės, o į kurią ribos pusę jie patenka, visiškai priklauso nuo to, ko paklausite.
Norėdami suprasti, ar virusai gyvi, ar ne, pirmiausia turime suprasti, kas yra virusas. Nors virusinės ligos – tokios kaip raupai, pasiutligė, poliomielitas ir gripas – mus lydi nuo pat žmonijos aušros, mokslininkai tik visai neseniai suprato, kokie ypatingi yra jas sukeliantys patogenai.
Nuo tada kai XIX a. viduryje Robertas Kochas, Louisas Pasteuras ir kiti sukūrė ligos užuomazgų teoriją, mokslininkai ėmėsi ieškoti kenkėjų, atsakingų už kiekvieną žinomą ligą. Tarp jų buvo tabako mozaikos virusas – liga, kuri stabdo tabako augalų augimą ir dėl to jų lapus nusėja į mozaikas panašūs dėmės.
1892 m. rusų botanikas Dmitrijus Ivanovskis sumalė užkrėstų tabako augalų lapus ir perleido sultis per porcelianinį filtrą, kurio skylutės buvo per mažos, kad praleistų net bakterijas. Tada jis filtruotas sultis užpurškė ant neužkrėstų augalų. Jo nuostabai, augalai vis tiek susirgo. D.Ivanovsky padarė išvadą, kad ligą sukėlė koks nors cheminis toksinas, kuris galėjo prasiskverbti pro filtrą, tačiau toliau šio klausimo nenagrinėjo.
Po šešerių metų olandų mikrobiologas Martinusas Beijerinckas pakartojo eksperimentą ir patvirtino jo mįslingus rezultatus. Tačiau jis eksperimentą pastūmėjo žingsniu toliau. Užkrėtęs vieną augalą, M.Beijerinckas sumalė jo lapus, nufiltravo sultis ir panaudojo jas užkrėsti kitą augalą, šį procesą mokslininkas kartojo kelis kartus. Jis samprotavo, kad jei infekcijos sukėlėjas būtų toksinas, jo stiprumas sumažėtų, nes jis su kiekvienu bandymu būtų praskiedžiamas. Bet nepaisant to, kiek kartų jis perdavė ligą, ji liko tokia pat užkrečiama kaip ir anksčiau.
Iš pradžių M.Beijerinckas manė, kad infekcijos sukėlėjas yra tiesiog neįtikėtinai maža bakterija, tačiau kad ir kaip jis stengėsi, jam nepavyko priversti jos augti maistinėje terpėje – tai standartinis bakterijų auginimo laboratorijoje metodas. Jis taip pat buvo atsparus alkoholiui, kuris sunaikino beveik visas žinomas bakterijas.
Dar keista, kad sukėlėjęs, kad ir kas jis būtų, augo ir dauginosi tik esant kitoms besidalijančioms ląstelėms. Nežinodamas, kas tai galėtų būti, M.Beijerinckas pavadino sukelėję contagium vivum fluidum, arba "užkrečiamuoju gyvuoju skysčiu", o vėliau – "filtruojamuoju virusu", pagal seną žodį, reiškiantį "toksiną".
Kai daktaras Wendellas Stanley iš Prinstono koledžo Rockefellerio instituto (JAV) iškristalizavo virusą, sukeliantį tabako mozaikos ligą, tarp biologų kilo didžiulis ginčas. Ar šie kristalai buvo gyvi? Matyt, ne daugiau nei deimantai, stiklas, smėlis ar kiti mums pažįstami kristalai. Tačiau kai ant tabako lapo buvo padėti viruso kristalai, mozaikinė liga kaip lėta ugnis išplito visame lape, tarsi jį būtų užkrėsta gyvomis bakterijomis.
W.Stanley atradimas, už kurį 1946 m. jam buvo paskirta Nobelio chemijos premija, tarsi sudavė mirtiną smūgį šimtmečius gyvavusiai vitalizmo doktrinai, teigiančiai, kad organizmuose yra tam tikra gyvybinė esmė arba dieviška kibirkštis, dėl kurios ji atgyja. Cheminė gyvybės hipotezė teigė priešingai: kad gyvybė yra tiesiog cheminis procesas, kaip ir bet kuris kitas, o W.Stanley atradimas, kad inertiška baltymo dalelė gali daugintis ir plisti kaip gyvas organizmas, tai patvirtino.
Tačiau liko daug paslapčių. Tais pačiais metais, kai W.Stenley padarė atradimą, elektroninio mikroskopo išradimas leido pirmą kartą tiesiogiai stebėti virusus – ir atskleidė, kodėl jie taip ilgai išvengė mikrobiologų. Dauguma viruso dalelių yra maždaug 100 nanometrų skersmens, 10–100 kartų mažesnės už vidutinę bakteriją ir per mažos, kad jas būtų galima pamatyti naudojant įprastą šviesos mikroskopą. Tačiau tai nepaaiškino, kaip paprasta baltymo dalelė gali elgtis taip, lyg būtų gyva, tačiau negalėtų augti laboratorijos aplinkoje.
1926 m. amerikiečių mikrobiologas Thomas Riversas Amerikos bakteriologų draugijai pasiūlė paaiškinimą: „Atrodo, kad virusai yra parazitai ta prasme, kad jų dauginimasis priklauso nuo gyvų ląstelių“.
Kitaip tariant, virusai nesidaugina patys per ląstelių dalijimąsi, kaip, pavyzdžiui, bakterijos, pirmuonys, grybai ir kiti mikroorganizmai, o užgrobia kitų gyvų ląstelių molekulinį mechanizmą, kad pagamintų daugiau viruso dalelių.
Bet kaip virusai įvykdo šį užgrobimą? Kaip paaiškėjo, pagrindinės dėlionės detalės vis dar trūko. Kaip atskleidė vėlesni Wendellio Stanley tyrimai, tabako mozaikos virusas iš tikrųjų nebuvo sudarytas tik iš baltymų, bet ir iš ribonukleino rūgšties (RNR).
1930-aisiais ir 1940-aisiais kilo didžiulės mokslinės diskusijos dėl paveldimumo veiksnio, leidžiančio genetinius bruožus perduoti iš vienos organizmų kartos į kitą. Nors paveldimumo dėsnius 1860-aisiais atrado čekų vienuolis Gregoras Mendelis, o XX a. 2-ajame dešimtmetyje juos patobulino amerikiečių biologai Thomas Huntas Morganas ir Hermannas Mulleris, konkreti molekulė, koduojanti ir perduodanti genetinę informaciją, liko nežinoma.
Nors kai kurie mokslininkai įtarė, kad nukleino rūgštys, pvz., RNR arba jos „pusseserė“ deoksiribonukleorūgštis (DNR), yra paveldimumo sukėlėjai, dauguma manė, kad greičiausiai kaltininkai yra baltymai, kurie yra daug sudėtingesni nei nukleino rūgštys ir todėl gali saugoti daugiau genetinės informacijos. Virusai vaidino pagrindinį vaidmenį nustatant, kuri hipotezė buvo teisinga.
1952 m. amerikiečių bakteriologai Alfredas Hershey ir Martha Chase atliko daugybę dabar jau klasika tapusių eksperimentų su T2 bakteriofagais - virusais, kurie užkrečia Escherichia coli bakteriją. Tuo metu jau buvo žinoma, kad virusai vieną savo dalį įterpia į ląstelę šeimininkę, o kitą dalį pasilieka.
Tačiau liko neišspręstas klausimas: ar buvo suleista nukleino rūgštis, ar baltymas? Norėdami tai išsiaiškinti, A.Hershey ir M.Chase pirmiausia išaugino virusų partiją ląstelių terpėje, pažymėtoje radioaktyviąja siera, kuri įsiterpia tik į viruso baltymą. Kita virusų partija buvo auginama radioaktyvaus fosforo terpėje, kuri būtų patekusi tik į nukleino rūgštį. Tada abiem virusų partijoms buvo leista užkrėsti švarias E. coli ląsteles.
Kai A.Hershey ir M.Chase išmatavo užkrėstų ląstelių radioaktyvumą, jie išsiaiškino, kad tos, kurios pažymėtos fosforu, buvo radioaktyvios, o pažymėtos siera – ne. Tai patvirtino, kad virusai į ląsteles įterpia nukleino rūgštis, o ne baltymus. Tolesni mokslininkų, tokių kaip Rosalindos Franklin, Jameso Watsono ir Franciso Cricko darbai atskleidė DNR ir RNR struktūrą bei funkcijas, pradėdami genetinę revoliuciją, kuri iki šiol formuoja pasaulį.
Šiandien suprantama, kad visi virusai susideda iš dviejų pagrindinių komponentų: nukleino rūgšties grandinės (DNR arba RNR), apgaubtos baltyminiu apvalkalu-kapside. Be baltymų apvalkalo, daugelis virusų taip pat turi lipidų apvalkalą, gautą iš jų nešiotojo ląstelės membranos.
Viruso gyvavimo ciklas prasideda, kai jis patenka į nešiotoją ir susiduria su jo ląstelės membrana. Jei ląstelė yra imli virusui, virusas prisitvirtina ir tarsi miniatiūrinis švirkštas įšvirkščia savo genetinę medžiagą kartu su daugybe fermentų į ląstelės citoplazmą, palikdamas kapsidę. Patekusi į ląstelę, genetinė medžiaga pradeda klastingą procesą, perimdama ląstelės medžiagų apykaitos mechanizmą ir paversdama ją iš nepriklausomo organizmo į mažytį biologinį fabriką, turintį vienintelį tikslą - gaminti daugiau viruso dalelių.
Virusai šį užgrobimą atlieka keliais skirtingais būdais. DNR virusų atveju viruso genetinė medžiaga pakeičia ląstelės DNR ir naudodamasis ląstelės fermentais, šį invazinį genomą transkribuoja į iRNR. Tada šią iRNR perskaito ląstelės organelės, vadinamos ribosomomis, kurios naudodamos genetines instrukcijas sujungia aminorūgštis į baltymus. Tik vietoj įprastų baltymų, kuriuos ląstelė paprastai naudoja savo veiklai palaikyti, ribosomos dabar gamina naujus viruso komponentus.
Kita vertus, RNR virusuose yra iRNR, kurią tiesiogiai nuskaito ribosomos, visiškai praleidžiant DNR transkripcijos etapą.
Trečioji virusų atmaina, vadinama retrovirusais, atlieka dar įdomesnį genetinį triuką. Retrovirusai, kuriems priklauso ir ŽIV, turi fermentą, vadinamą atvirkštine transkriptaze, kuris paima viruso RNR ir įterpia ją į ląstelės šeimininkės DNR. Šis įterptas viruso genomas, vadinamas provirusu, ilgą laiką gali išlikti neaktyvus nešiotojo genome, nematomas imuninei sistemai ir perduodamas iš ląstelės į ląstelę joms dalijantis ir dauginantis.
Vėliau jie gali spontaniškai atsinaujinti, todėl ląstelės vėl pradeda gaminti virusus. Dėl to kovoti su retrovirusų sukeltomis infekcijomis gali būti labai sunku. Tačiau retrovirusų svarba neapsiriboja vien žmogaus ligomis. Visus 8 proc. žmogaus genomo sudaro provirusai, įgyti per ilgą mūsų evoliucijos istoriją, ir kaip pamatysime, šie genetiniai pakeleiviai padarė didelę ir nepakankamai įvertintą įtaką gyvybės raidai Žemėje.
Susiformavus naujoms viruso dalelėms, jos turi ištrūkti iš ląstelės šeimininkės. Daugelio bakterijas ir kitus vienaląsčius organizmus infekuojančių virusų atveju tai įvyksta per lizinį ciklą, kurio metu ląstelės membrana plyšta arba yra suardoma, ląstelė šeimininkė žūsta ir į aplinką išsiskiria naujos kartos virusai. Tačiau, kadangi užmušus kiekvieną ląstelę, su kuria susiduria virusas, greitai žūtų nešiotojas ir kartu su juo esantys virusai, dauguma virusų ištrūksta iš ląstelės egzocitozės būdu, pereidami per ląstelės membraną jos nesuardydami. Bet kad ir koks būtų procesas, galutinis rezultatas yra tas pats: naujai susiformavę virusai patenka į aplinką, pasiruošę užkrėsti naujas ląsteles ir pradėti visą procesą iš naujo.
Dabar, kai žinome, kas yra virusai ir kaip jie dauginasi, grįžkime prie pradinio klausimo: ar virusai iš tikrųjų gyvi? Atsakymas, kaip ir daugelyje kitų biologijos dalykų, priklauso nuo to, kaip tiksliai apibrėžiama gyvybė.
Biologijoje nėra vieningos nuomonės dėl to, ką tiksliai biologai iš tikrųjų tiria. Nors iš pirmo žvilgsnio klausimas, ar kažkas yra gyvas, ar ne, gali atrodyti paprastas, per visą istoriją konkretaus gyvybės apibrėžimo nepavyko rasti net didžiausiems mokslininkams ir filosofams, o bendras sutarimas iš esmės susiveda į „mes tai žinosime, kai pamatysime“. Tačiau kadangi tokio apibrėžimo nebuvimas nesutrukdė biologams tęsti savo darbo, daugelį metų ši tema išliko tik filosofiniu smalsumu. Tačiau žmonijai pradėjus tyrinėti kosmosą ir ieškoti gyvybės kitose planetose, klausimas „kas yra gyvybė?“ staiga tapo svarbesnis.
Bėgant metams įvairūs mokslininkai bandė sudaryti unikalių gyvų organizmų savybių apibrėžimus. Pavyzdžiui, NASA svetainėje rašoma: "[Gyvieji organizmai] geba iš aplinkos pasisavinti energiją ir ją transformuoti augimui bei dauginimuisi. Organizmai linkę siekti homeostazės: jų vidinę aplinką apibrėžiančių parametrų pusiausvyros. Gyvosios būtybės reaguoja, o jų stimuliavimas skatina reakciją - judėjimą, atsitraukimą, o pažengusiose formose – mokymąsi. Gyvybė yra reprodukcinė, nes tam tikras dauginimasis yra būtinas, kad evoliucija vyktų per populiacijos mutacijas ir natūraliąją atranką. Kad augtų ir vystytųsi, gyvos būtybės visų pirma turi būti vartotojiškos, nes augimas apima biomasės kitimą, naujų individų kūrimą ir atliekų šalinimą".
Tačiau daugelį šių savybių demonstruoja ir negyvos sistemos. Pavyzdžiui, kristalai gali spontaniškai susiformuoti į neįtikėtinai sudėtingas ir tvarkingas formas, savaime atkartoti ir perkelti šią vidinę tvarką iš kristalo į kristalą ir netgi judėti reaguodami į išorinius dirgiklius. Panašiai ir tamsus akmuo gali Saulės energiją paversti šilumine energija, o paskui kinetine energija, kaitindamas jį supantį orą – o radioaktyvūs elementai branduolinę energiją gali savaime paversti šilumine energija.
Šis apibrėžimas netgi nėra tinkamas tam tikroms biologinėms sistemoms. Pavyzdžiui, prionai, sukeliantys galvijų spongiforminę encefalopatiją, dar žinomą kaip išprotėjusių karvių liga (angl mad cow disease) yra dar paprastesni nei virusai, sudaryti iš netaisyklingaai susiformavusių baltymų, neturinčių jokios genetinės informacijos. Nepaisant to, prionai gali mutuoti, plisti iš nešiotojo į nešiotoją ir daugintis, tačiau ne perduodami genetinę informaciją, o sukeldami gretimų baltymų susijungimą į mirtiną grandininę reakciją.
Sudėtingesnį gyviems organizmams būdingų savybių rinkinį pateikė austrų fizikas Erwinas Schrodingeris. Savo 1944 m. knygoje „Kas yra gyvenimas?“ E.Schrodingeris pastebėjo: „... stulbinanti organizmo dovana valdyti savyje „tvarkos srautą“ ir taip pabėgti nuo irimo į atominį chaosą“.
Kitaip tariant, gyvi organizmai, atrodo, nepaiso Antrojo termodinamikos dėsnio, teigiančio, kad uždaroje sistemoje entropija – apibrėžiama kaip netvarka arba energija, kurios negalima panaudoti naudingam darbui atlikti – visada didėja. Susidūrę su gamtos jėgomis, kurios nuolat linksta į didesnę netvarką, organizmai ne tik sugeba išlaikyti aukštą vidinės tvarkos ir sudėtingumo laipsnį, bet ir išlaikyti šią tvarką per kelias kartas, labai mažai prarandant tikslumą.
Žinoma, organizmai iš tikrųjų nepažeidžia Antrojo termodinamikos dėsnio, nes jie nėra uždaros sistemos. Veikiau tai pusiau ribotos sistemos, pakankamai izoliuotos nuo išorinio pasaulio, kad išlaikytų vidinę tvarką, bet pakankamai pralaidžios, kad tvarkos padidėjimą galėtų atsverti tvarkos sumažėjimas organizmo išorėje – pavyzdžiui, išleidžiant šilumą.
Nepaisant to, šie stebėjimai leido E.Schrodingeriui teigti, kad tokia pusiau ribota struktūra yra būtina gyvų organizmų funkcionavimui. Dar svarbiau, kad jis taip pat teigė, jog norint tiksliai perkelti savo vidinę tvarką ir sudėtingumą kitoms kartoms, organizmams reikia tam tikros formos „kodo scenarijaus“, kuriame būtų instrukcijos, kaip sukurti tą konkretų organizmą. Ši įžvalgi prognozė, žinoma, pasitvirtino mažiau nei po dešimtmečio, kai buvo atskleista DNR struktūra ir funkcija.
Po E.Schrodingerio mokslininkai – tokie kaip britų biologas Johnas Maynardas-Smithas – teigė, kad pagrindinė gyvybės savybė yra jos gebėjimas atlikti darvinišką natūralią atranką, kurios metu atrenkami paveldimi bruožai, didinantys organizmo reprodukcinį pajėgumą, ir pirmiausia perduodami kitoms kartoms, leidžiant rūšims laikui bėgant palaipsniui vystytis. Galiausiai ši sąvoka buvo sujungta su ankstesniais apibrėžimais, kad būtų sukurtas vadinamasis „NASA gyvybės apibrėžimas“, kuriame teigiama, kad „gyvybė yra savarankiška cheminė sistema, galinti išgyventi darvinišką evoliuciją“.
Iš pažiūros virusams tai tikrai tinka – kaip aiškiai rodo greita SARS-CoV-2 mutacija į kelis variantus. Tačiau argumentas, kad virusai nėra gyvi, slypi pirmoje apibrėžimo dalyje – nes skirtingai nei kiti organizmai, virusai negali daugintis, jei nėra kitų gyvų ląstelių. Be ląstelės-šeimininkės molekulinės „įrangos“, kurią galima užgrobti, virusas yra tik inertiška baltymo ir genetinės medžiagos dalis. Taigi, pasak Geraldo Joyce iš Salko instituto (JAV): „pagal darbinį apibrėžimą virusas nėra gyvas“.
Tačiau dėl to, kad virusai nėra gyvi, jie natūralioje aplinkoje atlieka didelį vaidmenį. Nors neįmanoma tiksliai žinoti, biologai apskaičiavo, kad pasaulyje yra apie 380 trilijonų virusų, o tai yra toks neįtikėtinai didelis skaičius, kad jei jie būtų išdėstyti į vieną eilę, ji tęstųsi apie 200 milijonų šviesmečių.
Virusai randami kiekvienoje Žemės aplinkoje ir užkrečia visus žinomus organizmus – nors didžioji dauguma jų yra gerybiniai ir nesukelia kenksmingų ligų. Nepaisant to, jie turėjo didžiulį poveikį gyvybės evoliucijai Žemėje – ypač per atvirkštinę viruso genų transkripciją į nešiotojo DNR.
Pavyzdžiui, raudonieji apelsinai egzistuoja dėl viruso geno, vadinamo Tcs2, kuris, reaguodamas į šaltą orą, įjungia geną, suteikiantį vaisiui išskirtinį sodriai raudoną atspalvį.
Kas liečia žmones, senovinis viruso genas, vadinamas ERVW-1, yra atsakingas už susiliejusių ląstelių struktūros vystymąsi žmogaus placentoje, vadinamą sincitiotrofoblastu, kuris yra gyvybiškai svarbus maistinių medžiagų perkėlimui į besivystantį embrioną. Taigi, mes visi esame skolingi virusui, kuris prieš milijonus metų užkrėtė afrikinę beždžionę.
Dėl šios ir kitų priežasčių kai kurie mokslininkai mano, kad NASA gyvybės apibrėžimas yra pernelyg siauras ir turėtų būti išplėstas įtraukiant ribinius atvejus, tokius kaip virusai.
