Что первично: вирусы или бактерии?

Зарождение жизни на Земле – одна из самых интригующих загадок науки. Ученые сходятся во мнении, что первые биологические структуры появились более 4 миллиардов лет назад, в период, известный как архей. Представления о том, как это произошло, варьируются, но преобладающая гипотеза говорит о "первичном бульоне" – древнем океане, насыщенном органическими молекулами. Эти молекулы, предшественники РНК и ДНК, представляли собой углеродсодержащие соединения, способные к самоорганизации и образованию сложных структур. 

По словам вычислительного биолога из Университета Висконсин-Мэдисон (США) Картика Анантарамана, именно эти невероятно медленные и сложные процессы привели к появлению первых биологических реакций. Ученые во всех лабораториях мира пытаются повторить их с помощью компьютерного моделирования и лабораторных экспериментов, например, экспериментов Миллера-Юри, демонстрирующих возможность абиогенного синтеза аминокислот из неорганических веществ.

Белое пятно эволюции в архее

Но даже с развитием современных технологий, мы можем лишь строить гипотезы, опираясь на косвенные данные. Самые древние окаменелости бактерий, одноклеточных организмов, способных к самостоятельному размножению и существованию, датируются примерно 3,5 миллиардами лет. Эти бактерии, вероятно, представляли собой уже достаточно развитые формы жизни, приспособленные к существовавшим условиям окружающей среды. Тем не менее, генетические данные свидетельствуют о том, что первые клетки могли появиться значительно раньше – около 4,2 миллиардов лет назад. Это открывает огромный временной промежуток, о котором мы почти ничего не знаем. Стоит отметить, что архейская эра характеризуется крайне нестабильной геологической и климатической обстановкой, включая частые извержения вулканов, интенсивную бомбардировку астероидами и колебаниями температуры и уровня моря. Эти факторы сильно осложняют изучение самых ранних этапов жизни.

Теория первичности вирусов

Но, пожалуй, еще более сложным вопросом является вопрос о том, что появилось раньше: вирусы или бактерии? Генетические исследования указывают на то, что первые клетки уже существовали в среде, богатой вирусами. Эта “вирусная экосистема” вероятно сыграла значительную роль в эволюции первых клеток, как посредством горизонтального переноса генов, так и посредством селективного давления. Вирусы, не являясь самостоятельно живыми организмами, являются высокоэффективными переносчиками генетической информации.

Однако, исследование вирусов осложняется их высокой скоростью мутации и отсутствием надежных окаменелостей. Вирусы намного легче разрушаются, чем бактерии, поэтому физических окаменелостей вирусов практически не существует. Попытки датировать вирусы на основе анализа изменений в их генетической последовательности также встречаются с проблемой "насыщения" – за миллиарды лет эволюции последовательность претерпевает настолько значительные изменения, что становится невозможно проследить ее эволюционное развитие, поясняет биоинформатик из Медицинского колледжа Карла Иллинойса (США) Густаво Каэтано-Анольес.

Но гипотеза о вирусном происхождении жизни, долгое время считавшаяся доминирующей в эволюционной биологии, сегодня переживает период серьезного переосмысления. Традиционная точка зрения предполагала, что вирусы эволюционировали из более сложных клеточных форм, постепенно теряя генетический материал и функциональные возможности, становясь облигатными паразитами. Однако эта модель сталкивается с растущим количеством противоречий, подпитываемых новыми открытиями в области вирусологии и геномики.

Теория «сначала бактерии»

Революционным событием стало открытие в 2003 году гигантского вируса мимивируса (Mimivirus) в английской водонапорной башне. Его размеры, сопоставимые с некоторыми бактериями, и наличие генов, кодирующих белковый синтез, заставили учёных пересмотреть традиционные представления о границе между вирусами и клетками. Мимивирус, а также последующие открытия подобных гигантских вирусов (например, Megavirus chilensis и Pandoravirus salinus), обладают сложной структурой и геномом, включающим гены, ранее считавшиеся эксклюзивными для клеточных организмов. Это открытие подтолкнуло к развитию альтернативной гипотезы, известной как «сначала бактерии» или редукционистская гипотеза.

Согласно этой гипотезе, вирусы возникли в результате редукции, упрощения древних клеточных организмов. Предполагается, что эти предковые клетки, возможно, были археями или бактериями, которые в процессе эволюции потеряли множество генов и функций, став полностью зависимыми от клеток-хозяев для репликации. Однако, как отмечают Анантараман и Каэтано-Анольес, эта гипотеза страдает излишней общностью и часто основывается на недостаточно убедительных частных примерах. Более того, редукция такого масштаба, приводящая к полной потере способности к самостоятельному существованию, представляет собой значительный эволюционный вызов, механизмы которого до конца не ясны. Как произошла такая глубокая деградация генома, и какие селективные давления её обусловили? Остаётся много вопросов без ответов.

Коэволюция

Альтернативная точка зрения, поддерживаемая Каэтано-Анольесом, предполагает коэволюцию вирусов и клеток от общего предка. Эта гипотеза предполагает, что вирусы были неотъемлемой частью клеточной жизни с самого её зарождения, играя важную роль в её эволюции. Возможно, вирусы и клетки представляют собой две стороны одной медали, взаимозависимые элементы единой системы. Такой подход предполагает существование древнего "вирусно-клеточного" мира, где границы между вирусами и клетками были гораздо более размыты, чем в современном мире. В этой модели вирусы не являются просто паразитами, а скорее интегральными компонентами клеточного метаболизма и эволюции, перенося генетическую информацию между клетками и способствуя горизонтальному переносу генов.

В поддержку этой гипотезы говорят обнаружения вирусоподобных частиц в самых древних формах жизни, а также обнаружение генов вирусного происхождения в геномах многих современных организмов. Эти "вирусные следы" в геномах могут свидетельствовать о длительной и тесной коэволюции вирусов и клеток, приводящей к постоянному обмену генетическим материалом и интеграции вирусных элементов в клеточные геномы. Эта интеграция могла играть ключевую роль в эволюции ключевых клеточных функций, таких как регуляция транскрипции, репарация ДНК, и защита от других вирусов.