Потребителски вход

Запомни ме | Регистрация
Постинг
07.06.2023 19:43 - Бозайници в свят на микроби
Автор: vesonai Категория: Технологии   
Прочетен: 1101 Коментари: 0 Гласове:
0


Постингът е бил сред най-популярни в категория в Blog.bg Постингът е бил сред най-популярни в Blog.bg
Кайл Харпър
  1.  Най-могъщите живи същества.
През 1877 г. негов колега изпраща на Чарлз Дарвин академично списание с необичаен набор от снимки. Направени от немския учен Робърт Кох, те са първите публикувани снимки на бактерии. Важността на това, което вижда, не убягна на кореспондента на Дарвин. Те били „най-малките живи същества, но може би и най-могъщите“. Дори Дарвин признава стойността на тези изображения:

Добре си спомням как си казах преди двадесет или тридесет години, че ако някога произходът на някаква инфекциозна болест бъде доказан, това ще бъде най-големият триумф на науката; сега се радвам, че видях този триумф1.


През 1882 г., няколко седмици след смъртта на Дарвин, Кох оповестява публично своето сензационно откритие за бактерията, причиняваща туберкулоза. Идеята, че може да съществуват форми на живот от микроскопични частици, способни да причинят болести, дълго време витаеше в периферията на установената наука. В течение на 19-ти век обаче приливът се обърна. Различни учени, някои от които посветени на слава, като Кох и Луи Пастьор, и други, малко запомнени, като Агостино Баси и Казимир Давайн, неопровержимо разработиха това, което по-късно ще бъде наречено "теория за микробите". Тъй като доказателствата продължаваха да се трупат, старият консенсус, че болестта се причинява от мръсотия или смъртоносни изпарения в атмосферата, известни като миазма, в крайна сметка се разпадна. Откриването на Mycobacterium tuberculosis от Кох беше особено тежък момент от значение и разкри противоречащата на интуицията истина, че такава малка форма на живот може да донесе такова нещастие на хората. Идеята, че микроскопични агенти с точни мотиви причиняват инфекциозни заболявания, е започнала да се налага едва в последните дни от живота на Дарвин, въпреки че неговата теория за еволюцията, великото обединяващо обяснение на целия живот, е предложила основата за разбиране на патогените, причиняващи болести при хората 2.
  1. Дефиниция на основните термини.
Ние преживяваме болестта като медицински феномен и, разбира се, мислим за микробите като за нещо, което ни разболява. От гледна точка на природата обаче ние сме гости, а не болни хора, а те са паразити, които могат да бъдат възнаградени или наказани според по-голямата или по-малката си способност да предадат гените си на бъдещите поколения. Паразитите, които ни засягат, са се развили, възприемайки стратегии и използвайки изключително различни способности. Някои прибягват до отрова, други са се научили да се маскират; някои са агресивни, други гениално подли. И все пак всеки от тях е продукт на естествен подбор. По известните думи на биолога Теодосий Добжански, „нищо в биологията няма смисъл освен в светлината на еволюцията“. В крайна сметка движещата логика в историята на заразните болести се основава на свирепа и безмилостна дарвинистка селекция4.

Теорията на Дарвин предоставя структурната рамка за отговор на въпроси относно моделите на човешките заболявания, миналото и настоящето. Защо някои болести, особено много от по-старите, са се развили само в тропиците? Защо хората страдат от толкова много диарийни заболявания? Защо едрата шарка и морбилите се появяват заедно с великите империи и защо същите тези вируси не успяват да се разпространят в малки общества, като тези на отдалечени острови? Какво направи бубонната чума толкова смъртоносна? Как грипният вирус толкова често надхитря нашите ваксини? Защо ХИВ е толкова коварен? Никой отговор няма смисъл освен в светлината на еволюцията.

Нашите микроби нямат нито намерения, нито съзнание. Можем да ги антропоморфизираме за простота, да кажем, че се „опитват“ да правят неща като избягване на нашата имунна система или адаптиране към нови условия. Това дори може да е добре, стига да не забравяме, че еволюцията е сляп физически процес, който възнаграждава индивидите с най-ефективните характеристики за предаване на гени на следващите поколения. Патогените, които изглеждат изящно проектирани да експлоатират нашето тяло и да победят неговите защити, са просто победители в минали състезания. И както при портфейла от акции, миналото не е гаранция за успех в бъдещето.

Първо, нека се запознаем с враговете на човечеството. Еволюцията ни предоставя логиката на таксономията или биологичната класификация на организмите. През последното поколение инструментите на таксономията се промениха радикално, особено в случая с микробите. Трябва да мислим, че преди широкото разпространение на геномни данни, генеалогичните дървета на микробите трябваше да бъдат реконструирани чрез наблюдение на техните характеристики. По очевидни причини е трудно да се наблюдават директно микробни организми, така че в резултат на това бяха разработени цяла поредица от химични критерии и тестове като помощ при класификацията. Оцветяването по Грам е може би най-известният метод; тази техника използва багрило, което се абсорбира от клетъчните стени на някои бактерии и ги оцветява в лилаво. Оцветяването по Грам ни казва нещо фундаментално за бактериалната физиология (т.е. дали клетъчните стени използват или не определен вид захар – въпрос от голям интерес и за нашата имунна система). В сравнение със секвенирането на генома обаче, такива тестове са ограничени и бавни, по-скоро като сметало в сравнение със суперкомпютър5.

Секвенирането на генома революционизира микробната таксономия, като също така подчертава, че биоразнообразието в света е предимно микробно. Вече е възможно да се разграничи по-ясно местоположението на микробите на дървото на живота, които причиняват нашите болести, и да ги видим на фона на един много по-голям невидим свят. Микробите, които обитават планетата, са предимно безразлични към нас, а много от тях дори са полезни и играят съществена роля както в екосистемите, така и в нашите тела. Микробите са навсякъде, около, върху и вътре в нас. Ние сме много по-порести и пропускливи, отколкото някога сме смятали за възможно, и дори малка част от микробите на Земята биха или биха могли да ни причинят сериозна вреда. Разпознаването на това разнообразие може да ни помогне да прецизираме някои основни въпроси, например: "Какво е патоген?" и „Какво е паразит?“6.

Съвременната дума „патоген“ произлиза от два древногръцки корена, означаващи съответно „болест“ и „причина“. Просто казано, патогенът е организъм, който причинява заболяване. Терминът е практичен и полезен при описание на определени явления в природата. Патогените формират категория, подобна на тази на „летящите същества“, която включва птици, пчели, прилепи, пеперуди и една или две редки риби. Следователно тези организми се определят повече от това, което правят, отколкото от генетичен афинитет. За разлика от съществата с крила обаче, това, което правят патогените, по дефиниция е да влияят на други организми по определен начин. Освен това, за същества с крила, летенето е нормално действие, докато много патогени, напротив, са опортюнисти от нисък клас и причиняват заболяване само при определени специфични обстоятелства. Следователно би било по-добре да се каже, че патогенът е организъм, способен да причини заболяване в друг организъм7.

Думата паразит също идва от старогръцки и се отнася за човек, който яде на чужда маса. Паразитът е организъм, който живее от друг, като отнема енергия от своя гостоприемник и причинява поне някакво ниво на увреждане. В народен английски терминът паразит често е запазен за груби паразити като червеи. Бактериите и протозоите, които ни експлоатират, напълно отговарят на класическото определение за паразит, дори ако английският език никога не го е използвал в този смисъл. Ами вирусите? Идеята, че вирусите са паразити, се сблъсква със самата етимология на думата, тъй като вирусите не се „хранят“ (т.е. нямат метаболизъм). Докато вирусите приличат повече на похитители, отколкото на крадци, в повечето други значения те отговарят на определението за паразит. Терминът микропаразит понякога се използва за разграничаване на микробните паразити от червеите. В това отношение английският език не демонстрира напълно последователна употреба, отчасти защото концепциите зад думите са неуловими. Ще използвам термина патоген, за да означава всеки организъм, способен да причини заболяване и паразит на всеки организъм, макроскопичен или микроскопичен, който експлоатира гостоприемник8.

Терминът патоген принадлежи на медицината; паразитен за екологията, тоест изразява нещо фундаментално за мястото, заемано от организмите в потока от енергия, който пресича околната среда. В природата организмите могат сами да произвеждат храна или да я получават от други. Тези, които го произвеждат, се наричат ​​автотрофи, като растенията и някои бактерии, които използват енергия от слънцето или химикали, за да направят своя собствена храна. Всички останали са хетеротрофи и получават енергията си от производители или от други потребители, които първи са я получили. Функционално, паразитизмът е подобен на хищничеството, тъй като гостоприемникът става вид плячка. Както каза Едуард Озбърн Уилсън, "паразитите, казано с едно изречение, са хищници, които ядат плячка на единици, по-малки от единица." По-просто казано, паразитизмът е стратегия, насочена към присвояване на основните елементи от живота на друг организъм. Паразитите не са нищо повече от хетеротрофи като нас, в търсене на енергия и материал, за да завършат работата по възпроизвеждане на своите гени. Ако го формулираме по този начин, можем да видим себе си малко по-ясно от тяхна гледна точка: ние сме организиран пакет от рафинирана енергия, основни градивни елементи и механизми за производство на протеини – цел, на която е невъзможно да се устои9.

Паразитизмът като стратегия се е появявал безброй пъти по време на различните еволюционни пътища от 3,5 милиарда години, през които животът е съществувал на земята. Точно защото стратегията е еволюирала многократно, нашите паразити образуват група от непокорни и биологично разнообразни характери. Като цяло нашите паразити приличат повече на това, което еколозите наричат ​​корпорация, група от несвързани видове, които споделят екологичен ресурс или територия. Гилдията на човешките паразити наброява множество видове сред членовете си, но дори няма съгласие колко организми могат да причинят заболяване при хората. Стандартен и често цитиран списък на човешки патогени включва 1415 вида. По-скорошно и систематично проучване идентифицира 1611. Колкото и да е странно, само около шестдесет процента от патогените се припокриват в тези списъци, с което броят на идентифицираните и по своята същност уникални патогени достига 2017 г. И все пак Глобалната онлайн мрежа за инфекциозни болести и епидемиология (Gideon), стандартна база данни за инфекциозни заболявания, създадена за лекари, изброява само 1988 бактерии сред тези, които могат да заразят хората. Повече от хиляда от последните не фигурират в нито един от другите списъци, така че общият им брой надхвърля три хиляди и говорим за едно със сигурност подценено изчисление на организмите, които могат да заразят хората10.

Какви са причините за тази несигурност относно броя на организмите, които причиняват болести при хората? Най-простата причина е, че повечето от изчислените видове, които току-що обсъдихме, са основно неуместни като патогени за хората. Повечето организми, способни да причинят заболяване при хората, рядко го правят. Въпреки че заразяват хората само инцидентно и временно, с нарастването на популациите и все по-разпространеното секвениране на генома, дори тези редки и ефимерни инфекции се откриват, каталогизират и преброяват. Помислете за пример от рода Mycobacterium. Едно проучване преброи шестдесет и четири вида като човешки патогени. Друго търсене откри двадесет и осем от тях. Ако попитаме световен здравен експерт, който се занимава с човешкото здраве, той вероятно ще ни каже, че има пет медицински важни вида Mycobacterium (включително бактериите, които причиняват туберкулоза, проказа и язва на Бурули). Други видове могат да заразят хората и да причинят заболяване, така че те могат, строго погледнато, да се считат за патогени. Въпреки това е сравнително незначително да се включват другите видове в изчислението на патогените, които засягат хората11.

Това, което наистина бихме искали да знаем, е колко важни и ясно идентифицирани видове човешки патогени има. Очевидно всеки от тези термини изглежда сложен; ако дори има дебат за това какво точно представлява един вид, можем да си представим дебат за това какво прави един патоген човешки патоген. Освен това, къде трябва да начертаем линията, която определя какво представлява патоген с ясно значение за хората? Има огромна разлика между вид, който заразява само шепа хора всяка година, и вид като бактерията, причиняваща туберкулоза, която е отговорна за около десет милиона нови случая всяка година. Въпреки че начертаването на линия, която определя действителното значение на даден вид, е едновременно трудно и произволно, несъмнено е полезно да се прави разлика между организми, които са бреме за човешките популации, и тези, които могат да ни заразят, но го правят само спорадично. Ако приложим много прост и груб филтър - тоест, броим само видовете, за които е известно, че причиняват най-малко петдесет хиляди смъртни случая за една година или за които се изчислява, че създават пет милиона или повече случая за една година - тогава ще имаме около 236 вида, които бихме могли да считаме за основни човешки патогени12.

Дефиницията за това какво прави даден вид човешки патоген също е по-двусмислена и интересна, отколкото може да изглежда на пръв поглед. Някои микроби са специализирани именно в експлоатацията на човешкия организъм. Те са инвестирали всичко в изключително човешка стратегия, поверявайки своето еволюционно оцеляване на непрекъснатото движение сред човешките домакини. Други микроби са по-безразборни и могат да експлоатират по-широк кръг от гостоприемници. Тези общи стратегии са често срещани по природа, тъй като често е разумно за паразитите да държат отворени множество опции. Когато дадено заболяване е причинено от патоген, чийто основен резервоар е нечовешко животно, то се определя като зооноза, т.е. буквално "болест по животните". Често за паразита тези инфекции водят до безизходни атаки, тъй като човешкото същество умира и се превръща в гробище на микроба и всички негови преки потомци. Някои зоонози, като вируса Ебола, могат да се предават от човек на човек и да предизвикат епидемии. За да направим нещата още по-сложни, знаем също, че някои по същество човешки патогени са способни да причинят инфекции и в животински популации. Проказата е отличен пример за това: тя се причинява от бактерия, която се е адаптирала перфектно към хората, но която също има свои собствени резервоари в животински видове като червени катерици, броненосци и нечовекоподобни примати. Следователно паразитите, както специализирани, така и общи, попадат в доста широк спектър, с различни степени между тях. Както ще видим, една от основните теми в историята на инфекциозните болести е необичайният брой патогени, които са стеснили кръга на своите гостоприемници, за да се съсредоточат върху и експлоатират само нас, хората13.

Нашите патогени попадат в пет таксономични класификации или еволюционни групи: вируси, бактерии, протозои, хелминти и гъбички (фиг. 2). С цялото ми уважение към микологията, гъбите не са силно представени в останалата част от тази книга. Вярно е, че голям брой гъбички (повече от четиристотин различни вида) могат да заразят хората, но те са склонни да причиняват досадни заболявания (като тези на краката на спортиста) или опортюнистични инфекции след други инфекции, които компрометират имунната система. Въпреки че резистентните към лекарства или високопатогенните гъбички представляват потенциална заплаха, те все още не са оказали особено влияние върху хода на човешката история (освен, косвено, като болести по растенията, които ще обсъдим в единадесета глава). Прионите също са вид инфекциозен агент, който заслужава необходимото внимание. Те са малки инфекциозни частици, които причиняват неврологични заболявания (като куру от Нова Гвинея или вариант на болестта на Кройцфелд-Якоб). Прионите са протеини с необичайна форма, които карат други протеини да приемат същата деформация. Натрупването на тези частици може да прогресира бързо и да доведе до сериозно заболяване, обикновено фатално. Въпреки това, патологиите, причинени от приони, са изключително редки и тяхното историческо значение, доколкото знаем, е незначително. Затова ще ги оставим настрана. Обратно, вирусите, бактериите, протозоите и хелминтите са играли решаваща роля в нашето минало. Постепенно ще разгледаме биологичната основа на всяка от тези четири групи14.

image




Опростявайки нещата възможно най-трудно, вирусите са обекти, които експлоатират хоста. Те са малко повече от нишки от престъпни генетични кодове, затворени в органична броня (фиг. 3). Вирусът, според известното определение на Питър и Жан Медавар, не е нищо друго освен „лоши новини, увити в протеини“. Вирусите не крадат енергия или хранителни вещества, тъй като нямат метаболизъм. Те не правят нищо сами. Те проникват в клетките ни и използват нашата машина за репликация. Следователно човечеството не успя да постигне консенсус по фундаменталния въпрос дали вирусите трябва да се считат за живи организми. Вярно е, че те проявяват някои свойства на живота. Те са видове нуклеинови киселини, които се репликират и еволюират въз основа на Дарвиновата селекция. Вирусите обаче могат да се репликират, въпреки че имат минимален брой компоненти15.

image

В исторически план някои от най-лошите врагове на човечеството (едра шарка, морбили, жълта треска) идват от редиците на вирусите, причината за някои от най-старите ни болести (херпес) и някои от най-новите (СПИН, COVID-19), за някои от нашите най-страшните патологии (Ебола) и врагове, които все още са твърде подценявани (ротавирус). Техният огромен еволюционен капацитет личи от тяхното разнообразие. Те са най-разпространените същества в цялата биосфера. Те заразяват всяка сфера на живота. Вирусите, които заразяват бактериите, са известни като бактериофаги (или просто фаги) и на основно ниво молекулярната битка между вируси и бактерии продължава през цялото време около нас. Вирусите на висшите организми са по-малко на брой, като същевременно остават количествено извън всяко човешко разбиране. Разнообразието сред вирусите на бозайниците може само да се оцени, а броят на видовете вероятно надхвърля четиридесет хиляди. Осемдесет и седемте вируса, които представляват значително патологично бреме за хората, представляват безкрайно малка част от цялото вирусно разнообразие16.

Простотата на вируса е очарователна. Вирусът на морбили, например, успява да бъде сред най-заразните патогени, познати ни, но въпреки това е в състояние да кодира само осем протеина. Протеиновата обвивка, която защитава вирусния геном (известна като капсид), често се състои само от един или два различни вида протеини, повтарящи се в елегантни симетрични модели. Тези структури успяват да защитят вирусния геном, да се прикрепят към рецепторите на клетката гостоприемник, да транспортират генома през клетъчната мембрана до цитоплазмата (лепкавата течност, която изпълва вътрешността на клетката) и в подходящия момент да се разпаднат, за да освободят вируса нуклеинова киселина. След това геномът на вируса трябва да се вмъкне в процеса на репликация на клетката, така че машината на гостоприемника за синтезиране на протеини и нуклеинови киселини вместо това да генерира нови копия на вирусните части. След това тези копия трябва да бъдат сглобени, да напуснат клетката и да повторят същия процес17.

Подобно на неканени хора, които отиват на парти с празни ръце, вирусите трябва да експлоатират своите гости. Бактериите, напротив, са по-загадъчни (фиг. 4), съставени от недвусмислено живи едноклетъчни организми. В сравнение с вирусите (в по-голямата си част), те са огромни, със сложни, подобни на юрган клетъчни стени. Вътре в тях няма ядро, което да държи ДНК, но вместо това тя се носи свободно в цитоплазмата, като нишка, заплетена във воден балон. Един бактериален геном може да кодира средно няколко хиляди протеина; за разлика от вирусите, бактериите синтезират протеини, така че имат постоянна нужда от енергия и хранителни вещества. Бактериите заемат всяка възможна ниша на планетата и живеят предимно свободни в околната среда. Само няколко са паразити и много малко от тях са патогенни за хората, въпреки че именно на тях се обръща най-голямо внимание. Около седемдесет и три бактерии, от може би един трилион вида на земята, са сред основните патогени за хората. Мисленето за бактериите предимно като патогени е еквивалентно на мисленето за повечето хора като за серийни убийци18.

image


В момента, ако сте със средно телосложение, имате може би 3,8 Ч 1013 бактерии, живеещи върху и във вас (въпреки че броят им варира в зависимост от чревния цикъл, тъй като изпражненията са пълни с микробни пътници). Ние сме направени от човешки клетки и бактериални клетки в приблизително равни количества. Бактериите колонизират кожата, устата, носната лигавица, подмишниците, червата и долните части на тялото. Тези бактериални спътници, известни като човешки микробиом, са неразделна част от нашето здраве. Храносмилателната ни система разчита най-вече на тях. Те играят важна роля в нашата цялостна имунна стратегия, тъй като имат интерес да държат потенциалните конкуренти на разстояние. В моменти на добро здраве има пълна хармония между нас и нашия микробиом. Но това е крехък мир. Някои от нашите помощници се нуждаят само от най-малкия химически сигнал, за да се превърнат в дива враждебност, а много от тях са опасни, ако посегнат на грешната тъкан. Когато най-накрая се отървем от тази спирала на смъртта и спрем да доставяме енергия и хранителни вещества, те започват безцеремонно да използват всичко, което могат да получат от нас. Границата между приятел и паразит е много тънка19.

Бактериите причиняват някои от най-страховитите болести на човека, като холера, дифтерия, коремен тиф, коремен тиф, скарлатина, проказа, фрамбезия и сифилис. Две от абсолютно най-лошите болести в човешката история, бубонната чума и туберкулозата, са с бактериален произход. Въпреки това, разликите между тези два убийци подчертават голямото разнообразие, което съществува между бактериите. Бубонната чума се причинява от Yersinia pestis, голяма бактерия с редица вирулентни фактори, които я правят страхотен и многостранен патоген. Той обаче всъщност е паразит от гризачи, неспособен за продължително предаване между хората. В неговата еволюционна траектория ние всъщност сме почти непостоянни (поне като гости, като се има предвид, че нашето въздействие върху екологията на гризачите е съвсем различен въпрос). Обратно, както ще видим, туберкулозната бактерия е перфектно подготвена да се възползва от нас и е развила забележителни способности да манипулира и използва своето естествено местообитание, което е човешкото тяло. Туберкулозата вероятно е най-голямата болест на човека20.

Поради уникалната си история, хората са придобили необичаен брой патогенни бактерии и вируси. Тези организми, подложени на Дарвинова хиперпропулсия, реагираха с нетърпение на възможностите, предлагани от нашата експанзия на планетата. При протозоите и хелминтите, напротив, еволюцията протича по-бавно. Те всъщност са много по-сложни организми. Нашите врагове протозои и хелминти действат в дълбините на еволюционните епохи. От количествена гледна точка, броят на тези организми, с които се сблъсква човечеството, не е съвсем различен от този, с който се сблъскват шимпанзетата, дори ако дори в случая на тези таксономични класове, хората изглежда имат увеличен брой патогени и страдат от необичайно тежък болестен товар от тях21.





Фигура 5.
Протозоите, като плазмодия, показан тук, са едноклетъчни организми с ядро. Паразитните протозои често имат особено сложен жизнен цикъл.

Протозоите са едноклетъчни организми (фиг. 5), които се различават от бактериите по наличието на ядро, съдържащо техния генетичен материал. В дървото на живота те са най-близо до сложните организми като животните. Повечето протозои живеят свободно; те са мирни същества, въпреки че някои са развили паразитен начин на живот. Понякога обаче тази линия се размива. Амебата, отговорна за форма на дизентерия, е например паразит, който генерира чревна киста и обикновено остава асимптоматичен носител; с правилния тригер обаче може да се превърне в неприятен патоген. Въпреки че е установено, че само двадесет и един протозои са важни патогени за хората, те все още успяват да причинят непропорционална тежест на човешкото страдание.

Инфекциите, причинени от най-опустошителните протозои, се предават чрез ухапвания от насекоми. Различните форми на лайшманиоза, които се крият в тропическия климат, имат протозои като вектори. Тежката сънна болест, широко разпространена в Африка, се пренася от мухата це-це. Протозоите също причиняват малария, която принадлежи към тясно свързана група болести, чието влияние върху човешката история практически не е имало равно на себе си. Сложните жизнени цикли на тези организми ги правят различни от никое друго създание във вирусния или бактериалния свят. Маларийните паразити преминават през множество жизнени етапи, докато преминават от комара в човешкото тяло. Протозоите, които причиняват малария при хората, са тясно свързани с паразитите на голямата маймуна и, както ще видим, са започнали да засягат хората в сравнително близкото минало. Следователно те са патогени от примати, които са се адаптирали към хората през цялата ни история22.

И накрая, хората се заразяват с множество хелминтни паразити. Терминът хелминт е само гръцката дума за "червей" и всъщност категорията е толкова всеобхватна, че включва кръгли червеи, тении и метили (фиг. 6). Хелминтите са безгръбначни същества, макропаразити, видими с просто око. Въпреки че някои фази от техния жизнен цикъл протичат във външна среда, в крайна сметка човешките червеи трябва да експлоатират човешкото същество, за да завършат хода на живота си. Хелминтите имат големи геноми и относително дълги репродуктивни времена. В резултат на това те се развиват много по-бавно от микроскопичните паразити. Не се отбелязва появата на нови инфекциозни заболявания, причинени от червеи. Нашите хелминти са древни същества и техните най-близки роднини живеят в нашите най-близки роднини, а именно шимпанзетата и горилите. Човешките червеи са нашите паразити като примати, голям проблем с маймуните, който усложнихме, като слезехме от дърветата и след това се обърнахме към земеделието, което ни свързва толкова тясно със земята. За хората в богатите страни е лесно да се подценява значението на паразитните червеи като тежест за човешкото здраве. Хелминтите са силно представени в списъка на пренебрегваните заболявания на Световната здравна организация и повече от един милиард хора в момента страдат от тези инвалидизиращи и стигматизиращи инфекции23.


Фигура 6.
Хелминтите, като анкилостомите, показани тук, са животни, които често се виждат с просто око. Те са едни от най-старите ни паразити.

В крайна сметка човекът е жертва на паразити, включени в същите таксономични класове като всеки друг бозайник. Въпреки това, както ще видим в следващите глави, нашите врагове се отличават с брой, дребност и злоба. С други думи, ние сме атакувани от много микроби, много от които са идеално приспособени да ни експлоатират и плашещ брой от които причиняват сериозни заболявания. В тази книга ще се опитам да обясня тази ситуация в резултат на нашия внезапен и драматичен успех като вид. Историята на човека грубо и неочаквано се вписва в непрекъснатата и непрестанна еволюционна конкуренция между гостоприемник и паразит.   За щастие, ние сме еволюционни наследници на някои древни и изключително гениални биологични механизми за отблъскване на нашите безскрупулни микробни врагове.

Еволюция, вирулентност и имунитет.

Развивайки теорията си за естествения подбор, Дарвин си представя, че еволюцията се е случила в геоложки времеви мащаби: както ледник издълбава долина или елементите се блъскат в скала, така времето трансформира един вид в друг. Това беше конвенционалният критерий за един век. В края на 1900 г. обаче нашето разбиране за еволюцията започна да се променя до голяма степен благодарение на продължаващите изследвания на галапагоските чинки, които самият Дарвин беше наблюдавал по време на пътуването си с кораба „Бийгъл“. Всъщност беше открито, че еволюцията протича много по-бързо, отколкото Дарвин си е представял. Галапагоските чинки всъщност се развиват във времеви мащаби, които можем да наблюдаваме. През 1983 г. например, година с обилни валежи, вид лоза с малки семена нахлува във флората на остров Дафни. Птиците с по-малки, по-заострени човки веднага взеха ясното предимство и гените им се разпространиха бързо. Изборът на определени характеристики може да се извърши в продължение на години или десетилетия, а не само векове. И чинките на Дарвин са пример, а не изключение. Те са привилегирован случай на тази парадигма, която биологът Джон Томпсън нарече „безмилостна еволюция“24.

Това, което е вярно за толкова големи и сложни видове като чинките на Дарвин – че еволюцията е безмилостна – е още по-уместно за микробите. Тъй като всяко ново поколение микроорганизми предлага шанс за еволюция - тоест възможност за мутация на гени или разпространение на конкретен вариант - микроорганизмите играят своята игра във времева скала с бясна скорост. Сред различните таксономични класове паразити, които експлоатират хората, преди всичко вирусите са тези, които диктуват времената на еволюцията. Те знаят как да се развиват с ненадмината способност и имат както най-бързите цикли на репликация, така и най-високите нива на мутация от всякакъв вид организми, което означава, че природата е постоянно в търсене на нови генетични корекции. Една клетка гостоприемник, заразена с полиомиелитния вирус, е в състояние да произведе десет хиляди нови вирусни частици за осем часа. Процентът на грешки варира от вирус до вирус, но някои малки вируси имат грешка за всеки хиляда базови двойки („буквите“, които изграждат генетичния код). Повечето организми имат геноми с коригиращи механизми, които, подобно на добър редактор за копиране, предотвратяват възникването на грешки. Въпреки това, много вируси нямат такъв контрол, което всъщност увеличава скоростта на тяхната мутация. В това тяхно безумие има ясен еволюционен метод. Пренебрегването придобива стратегическа стойност, като се има предвид, че фактът на честата промяна на формата може да помогне на вирусите да избягат от имунното разпознаване. Много вируси се подвизават толкова близо до фатално пренебрегване, че някои антивирусни терапии действат чрез обливане на клетките с химикал, който леко ускорява скоростта на мутация. Малко натискане е достатъчно и процесите на вирусна репликация започват да изплюват истински молекулярен боклук25.

Като се имат предвид такива нива на грешки, може да има нов генетичен вариант във всяка отделна реплика на вируса или, по-вероятно, един мутант на всеки сто или хиляди копия. Помислете например за риновирусите, които са основните патогени на настинката. Геномът на риновируса има приблизително 7200 базови двойки. Изчислено е, че процентът на грешка при всяко копиране на генома е равен на една мутация на хиляда или десет хиляди базови двойки, така че повечето от тях са мутанти. По време на риновирусна инфекция имаме милиарди от тях в тялото си. Вероятно вирусът, който може да сме прихванали от нашето смъркащо дете, и този, който случайно предадем на колега, като кашляме няколко дни по-късно, са малко по-различни генетично. Този рояк от тясно свързани, но малко по-различни варианти е наречен "мутантен облак" или "квазивид". Разнообразието, което се появява дори в хода на една единствена инфекция, следователно обърква нашите категории и принуждава езика ни към известна еластичност26.   Ето защо не е чудно, че вирусологът Винсент Ракианело определи вирусите като „прости дарвинови машини“. По време на вирусна инфекция всеки вариант на един вид вирус се конкурира с всички останали, за да предаде своите гени на бъдещите поколения. Повечето мутации могат или да не променят нищо, или да причинят окаян провал. В редки случаи обаче малка промяна във вирусния геном може да промени формата на протеин, така че внезапно потомството на тази мутация да е по-ефективно при прикрепването си към рецептор в клетките ни или да проникне в ядрото хост или за извършване на някакво друго вирусно действие. След това потомството на тази мутация ще има предимство пред своите братя и сестри и безмилостно ще го използва, за да изпрати своите гени в бъдещи гостоприемници. Следователно вирусите изпитват бърза и яростна версия на оцеляването на най-силните27.

Подобно на вирусите, бактериите също могат да еволюират чрез произволни мутации, дори ако са по-малко небрежни в копирането на своите геноми. Техните мутации са по-бързи от нашите, главно защото времето им за размножаване е по-кратко и се измерва в часове, а не в години. Бактериите обаче знаят и други еволюционни трикове. Те редовно влизат в контакт един с друг и обменят части от ДНК в процес, наречен "бактериална конюгация". Често считано за вид "секс за микроби", бактериалната конюгация всъщност не е форма на сексуално размножаване; по-скоро това е обмен на гени, който пряко засяга реципиента. Понякога бактериите заемат сегменти от преносим генен материал, известен като плазмиди, от други бактерии. Може също да се случи вирусите да доставят полезен товар от гени от една бактерия на друга. Тези механизми, известни като „хоризонтален генен трансфер“, успешно заобикалят случайността на генетичните мутации. Ако една мутация е като маймуна с пишеща машина, която от време на време случайно създава хубаво изречение, хоризонталният генен трансфер е като изрязване и поставяне от страхотни книги. Този поток от генетична информация е неразделна част от историята на инфекциозните болести, тъй като изглежда, че гените, които се обменят най-често между организмите, са тези, които влияят най-много на вирулентността. Съществува нещо като обществена библиотека от вирулентни гени, изключително полезна за водене на типичния начин на живот на паразит28.

На страниците на тази книга заемам израза „безмилостна еволюция“, за да подчертая нейната всеобхватност, постоянство и скорост. Има също така голям залог в еволюцията на микробите, с плашещи предизвикателства за преодоляване и без лесни компромиси. Никога не трябва да забравяме, че нашите патогени, колкото и зли да изглеждат, не се опитват да ни разболеят. Ще разберем по-добре тяхната гледна точка, ако сме наясно с двете основни предизвикателства, пред които трябва да се изправи всеки микропаразит, а именно оцеляването на имунната система на гостоприемника и преминаването от една клетка в друга. За да бъде успешен – тоест, за да предаде гените си на бъдещите поколения – паразитът трябва да намери своя път до следващия гостоприемник, като същевременно успява да оцелее при неизбежната атака на този, който вече е.   Дори ако за един паразит ние не сме нищо друго освен обвивка от енергия, химични елементи и клетъчни механизми, които трябва да бъдат експлоатирани, тези автентични биологични съкровища се пазят много добре. Телата ни са бронирани със сложна система от естествени защити – т.е. имунната система – която се стреми да регулира всяко навлизане и колонизация. Докато нашата необикновена история като вид подхранва бързата и скорошна еволюция на нашите микробни врагове, имунната система, от която зависят нашите основни биологични защити, е наследство от нашето гръбначно наследство, споделено с морските риби, небесните птици и четириногите на земята. Архитектурата на човешката имунна система е невероятно древна и остава изключително гъвкава и ефективна29.   Имунната система е трипластова защитна мрежа, която включва физически бариери, вродени реакции и механизми за справяне. Някои от метафорите, които обикновено използваме, когато говорим за имунния отговор – като активиране, зареждане, възпламеняване – до голяма степен подценяват степента, до която имунитетът винаги работи. Той регулира нашите взаимоотношения с микробния свят по всяко време. Въпреки че аларми, сирени и изстрели може да прозвучат само в момента на истински банков обир, има стоманени трезори, камери за наблюдение и въоръжени охранители, които гарантират денонощна защита. По същия начин имунната система никога не изоставя задължението си да защитава нашите ценни ресурси. А паразитите безкрайно превъзхождат банковите обирджии, търсещи плячка.

Нашата първа защитна линия се състои от бариерите, които отделят телата ни от опасностите около нас. Нашите повърхности са покрити с кожа и лигавици, които действат като буфер между стерилната тъкан и всяко замърсяване. Докато здравият слой от мъртви, кератинизирани клетки, който образува външния слой на нашата кожа, е от очевидно значение за имунитета, лигавиците са още по-важни. Всеки човек има 400 квадратни метра лигавица, обърната към външния свят. Слузта е пълна с антитела и ензими, които разграждат обичайните микробни компоненти. От първия момент, когато чужда клетка достигне този периметър, следователно тя е наводнена с генерични антимикробни съединения. Химическата война по протежение на уязвимия интерфейс между нашите тела и външната среда никога не спира30.   Ако патогенът наруши нашия първи бастион на защитата, той трябва да очаква незабавна атака от вродената имунна система. Вроденият имунитет е набор от протеини и клетки, които образуват единица за бърз отговор на микробна инвазия. Основните принципи на вродения имунитет се споделят дори при безгръбначните (безгръбначни същества, като насекоми). С течение на времето организмите, които могат да разпознават нарушителите бързо и ефикасно, са спечелили огромно биологично предимство. Много патогени имат дълготрайни елементи, биохимични компоненти, които техните предци и предците на техните предци са използвали за изпълнение на основни задачи, необходими на микроба, като изграждане на клетъчна стена или протеинова обвивка. Вродената имунна система бързо разпознава мазнини или въглехидрати на клетъчната повърхност, които не са на мястото си в човешката кръв или тъкан. Вроденият имунитет, в известен смисъл, представлява еволюционната памет на стотици милиони години на битки между гостоприемници и паразити31.

Основното достойнство на вродената система е нейната скорост на действие. Като се имат предвид границите на играта, скоростта е всичко. Битката между инфекцията и имунитета често се решава от количеството и времето. Патогените търсят малки тактически предимства – недостатък, прикриване или маскировка, която създава граница на възможността – което им позволява да се репликират, преди имунната система да стигне до тях. Обратно, стратегията на вродения имунитет цели повече задържане, отколкото пълно елиминиране. Протеините и клетките, разгърнати от вродената система, се надяват да държат заплахата под контрол, като същевременно призовават за по-бавните, но по-сложни оръжия на адаптивен или специфичен имунитет. Вроденият имунитет е едновременно система за предупреждение и контраатака, а неговите химически сирени извикват тежката артилерия на адаптивната имунна система.   Адаптивната имунна система е на почти петстотин милиона години и представлява един от крайъгълните камъни на успеха на гръбначните животни, едно от великите изобретения в еволюционната история. Адаптивният имунитет е отговорът на гръбначните животни към необозримото разнообразие от микробен живот. Тъй като не е биологично възможно да се поддържат милиарди клетки, готови да реагират на всеки възможен патоген, гръбначните животни са разработили гениално решение. По същество нашата адаптивна имунна система е способна да изгражда протеини и клетки, специално проектирани да реагират на определен нашественик. Използвайки принципите на модулния дизайн, адаптивната имунна система е в състояние да персонализира протеини и клетъчни рецептори в почти безкрайно разнообразие, за да бъде в крак с разнообразието и еволюционната скорост на микробния свят32.

Протеините, произведени от адаптивната имунна система, са известни като антитела. Това са специално създадени молекули, прецизно проектирани да се прикрепят към определени патогенни молекули. Антителата се произвеждат и секретират от В-лимфоцити (така наречени от английското костен мозък, т.е. костният мозък, в който узряват). Адаптивната имунна система също използва модулни критерии за конструиране на високо специфични Т лимфоцити (така наречени, защото узряват в тимуса). Тъй като всички вируси, заедно с някои бактерии и протозои, прекарват по-голямата част от времето си вътре в нашите клетки, имунната система трябва да знае отвън дали нещо странно се случва извън собствените ни клетъчни стени, така че нашите клетки да имат способността да комуникират на имунната система, ако са били компрометирани; те вземат разградени протеинови фрагменти от патогена и ги пренасят на повърхността, където се показват на рецептори, които се свързват с лимфоцитите Т. Последните разчитат сигнала за бедствие и унищожават нашите компрометирани клетки33.   Тъй като притежава разрушителни способности и представлява опасност дори за самите нас, адаптивната имунна система се контролира от сложен режим на проверки и баланси. Всъщност В и Т лимфоцитите изискват стимулация и проверка, нещо като система с двоен ключ. В сравнение с вродената система, адаптивният имунитет отнема повече време, за да набере скорост, но ако механизмите на вродения имунитет са в състояние да поддържат контрол върху ситуацията достатъчно дълго, за да може адаптивната система да реагира на инфекцията, има голям шанс, че патогенът се елиминира. Когато инфекцията се отдалечи, настъпва общо лющене. Въпреки това, адаптивната система има забележителната способност да "запаметява" инфекция и винаги разполага с В и Т лимфоцити, които са се доказали в борбата с патогена под ръка. Тази имунна памет позволява на адаптивния отговор да се активира още по-бързо, ако натрапникът се появи отново на хоризонта. Имунологичната памет работи като ваксинация, предоставяйки на тялото печеливши комбинации по същия начин, по който комарджиите обменят трикове, за да спечелят. Тъй като запомнените кодове винаги се поддържат готови, в случай на повторна инфекция имунната система е в състояние бързо да се отърве от нашествениците, освен ако патогенът по някакъв начин не е успял да промени външния си вид.
 



Гласувай:
0



Следващ постинг
Предишен постинг

Няма коментари
Търсене

За този блог
Автор: vesonai
Категория: Политика
Прочетен: 86008
Постинги: 85
Коментари: 43
Гласове: 58
Архив
Календар
«  Март, 2024  
ПВСЧПСН
123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031