Вирусы в астробиологии
Астробиология - это научная дисциплина, занимающаяся вопросами происхождения, эволюции, распространения и будущего жизни во Вселенной.
Использование термина "жизнь" применительно к объекту изучения астробиологии может вызвать сомнения в том, следует ли включать вирусы в область ее исследований. Некоторые трудности в решении этого вопроса обусловлены отсутствием универсального определения жизни, что отчасти связано с тем, что единственный известный нам пример жизни - это жизнь на Земле. То, что все живые существа на нашей планете имеют одного предка, затрудняет определение фундаментальных свойств жизни. То, что мы считаем важным из-за его присутствия во всех формах известной жизни, может просто представлять собой характеристику, унаследованную от общего прародителя.
NASA определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную к дарвиновской эволюции. Хотя вирусы являются химическими системами, состоящими из тех же молекул, что и живые организмы, они не могут использовать материю и энергию из внешней среды для создания внутреннего порядка так же, как это делают живые организмы. Таким образом, если рассматривать концепцию самоподдерживающейся системы, вирусы не следует считать живыми существами. Тем не менее, тот факт, что вирусы содержат геном, который кодирует белки по тем же правилам, что и клетки - наряду с тем, что они могут размножаться и развиваться - является достаточным аргументом для других ученых, чтобы считать их жизнью. Что еще больше усложняет вопрос, некоторые недавно открытые вирусы имеют геномы и размеры, сравнимые с некоторыми клеточными микроорганизмами, и даже могут быть инфицированы другими вирусными образованиями, называемыми вирофагами.
Если вернуться к тем временам, когда жизнь делала свои первые шаги, границы между жизнью и нежизнью были более размытыми, чем сегодня. Хотя большинство определений жизни содержат как термодинамический, так и наследственный аспекты, легко представить, что в первобытные времена существовали организмы, в которых эти два свойства не были представлены так, как в современной жизни. Примером таких серых зон могут служить автокаталитические сети, в которых все молекулы могут синтезироваться посредством реакций, катализируемых внутри данного множества, создавая самоподдерживающуюся систему. В этих сетях информация не хранится в гомополимерах, таких как ДНК или РНК, и поэтому эволюция будет заключаться в изменениях межмолекулярных взаимодействий или в механизмах получения энергии из окружающей среды.
Вирусы - еще один пример серой зоны, которая может существовать как в инертной форме (вирион), так и в активной форме, вирус, размножающийся внутри клетки. В активной форме вирусы представляют собой самоорганизованные системы, которые хранят и передают информацию и способны сохранять свою организацию, несмотря на изменения в окружающей среде. Хотя для размножения вирусам всегда необходимо инфицировать клетку, вся информация, необходимая для манипулирования метаболизмом клетки и получения вирусного потомства, содержится в геноме самого вируса, что приближает их к определению жизни. Фортерр ввел понятие вироклетки (Forterre, 2011) как живой системы, соответствующей любой клетке, инфицированной вирусом, основная функция которой заключается в производстве новых вирионов, действующих как семена или споры.
Независимо от того, считаются ли вирусы живыми существами или нет, несомненно, обнаружение вирусов на планете, отличной от Земли, сразу же заставит нас задуматься о возможности существования на ней жизни. Эта жизнь может быть уже устоявшейся, делающей первые шаги, или даже вымершей, оставив вирусы как последние следы своего существования. Вирусы - неотъемлемые спутники жизни, какой мы ее знаем. Вирусы, вероятно, очень древние и присутствовали в пуле генетических элементов, давших начало жизни и с тех пор они влияли и продолжают влиять на эволюцию и распространение жизни. И нет сомнений в их значимости для соответствия свойствам жизни, которая будет населять нашу планету в будущем.
Традиционно вирусы рассматривались как возбудители заболеваний, однако в последние годы эта точка зрения радикально изменилась. Патогенные вирусы - это лишь малая часть всего многообразия существующих вирусов. Многие из них мирно сосуществуют со своими хозяевами, иногда даже принося пользу. Часто преимущества, предоставляемые вирусами, обусловлены их высокой способностью изменять и обмениваться частями своего генома, что превращает их в великих изобретателей генов, которые, благодаря горизонтальному переносу генов, могут быть впоследствии перенесены в клеточный мир, давая начало многим запутанным связям между различными ветвями филогенетического древа жизни.
Вирусы существуют практически везде на нашей планете, включая экстремальные среды, которые в некоторых случаях имеют физико-химические условия, напоминающие некоторые из тех, что присутствуют во внеземных средах. Они являются наиболее распространенными биологическими образованиями на Земле, и считается, что все клеточные организмы могут быть инфицированы каким-либо вирусом, что ставит вопрос о том, являются ли они неизбежным следствием возникновения живых систем и должны ли они присутствовать в любой потенциальной биосфере. Вирусы, в форме вириона, могут выдерживать более экстремальные условия, чем большинство клеточных организмов. По этой причине иногда их даже рассматривали как возможные контейнеры для переноса генетического материала между планетами.
Наконец, быстрота вирусной эволюции используется во многих лабораториях для проведения исследований, посвященных изучению биологической эволюции в реальном времени, что позволяет установить некоторые общие принципы, управляющие этим процессом. Значение в эволюции величины коэффициента ошибок, интенсивность селективного давления, размер популяции или постоянное генетическое разнообразие - вот лишь некоторые примеры вопросов, которые можно изучать, используя вирусы в качестве экспериментальной системы.
Вывод, который следует из всех вышеизложенных соображений, заключается в том, что, хотя вирусы не считаются жизнью sensu stricto, как нынешняя, так и прошлая жизнь на нашей планете сформировалась благодаря их деятельности. По мере развития знаний вирусы прошли путь от считавшихся врагами жизни до признания их значимости в таких различных областях, как молекулярная экология, эволюционная биология, структурная биология или геомикробиология. То же самое происходит и с астробиологией, которая все больше осознает, что для понимания жизни в широком смысле слова совершенно необходимо включить вирусы в свой сценарий.
Впервые в истории человечества в последние десятилетия мы достигли технологического уровня, позволяющего исследовать возможное существование жизни на других планетах. Это огромный вызов, который, если он будет решен, поможет нам понять смысл жизни и то, какие из ее свойств являются основными и должны присутствовать в любом ее проявлении, будь то земное или внеземное. Поиск жизни за пределами Земли неизбежно обусловлен свойствами известной нам жизни. Хотя этот факт накладывает ограничения, он также дает отправную точку, которая может направлять нас при условии, что мы сможем перестать думать о конкретных проявлениях жизни на Земле и начать думать в терминах процессов, которые осуществляет жизнь. В этом смысле жизнь можно понимать как процесс, который преобразует энергию, используя генетический субстрат для хранения инструкций о том, как это сделать. Вирусы сами по себе не преобразуют энергию, но они содержат в своем геноме все необходимые инструкции для манипулирования метаболизмом клеток, которые они инфицируют, так что им удается размножаться и передаваться между клетками и организмами.
В конечном итоге, идея метаболической автономии - не более чем иллюзия, поскольку в большей или меньшей степени большинство живых существ на Земле зависят от других.
Переход между живой и инертной материей, вероятно, был непрерывным процессом, в котором неясно, в каком месте провести разделительную линию. Помимо вирусов, на Земле существует множество биологических молекул - вироиды, транспозоны, плазмиды, прионы, - которые способны перемещаться между клетками и организмами, производить копии самих себя с определенной независимостью, и которые взаимодействуют с жизнью множеством способов, ускоряя ее эволюцию и способствуя ее формированию. Если мы хотим понять жизнь в самом широком смысле, все эти сущности должны быть включены в область изучения астробиологии.
Мы не знаем, возможно ли существование биосферы без вирусов или подобных патогенов, но если бы это было так, то почти наверняка она была бы менее богатой и разнообразной, чем та, которую мы знаем. Вирусы могут помочь понять происхождение, эволюцию, распространение и будущее жизни, поэтому мы призываем астробиологическое сообщество и финансирующие организации оказывать большую поддержку исследованиям этих удивительных образований, а также продвигаться в разработке методов, позволяющих включить вирусы в качестве сигнатур существования жизни.
