La pandemia del nuovo coronavirus continua per due mesi. Tutti si considerano già esperti in questo argomento. Sapevi che un virus non può essere ucciso? Non vive, quindi può solo essere spezzato, distrutto. Il virus non è un essere, ma piuttosto una sostanza. Ma allo stesso tempo, i virus sono in grado di comunicare, cooperare e camuffarsi.
La vita sociale dei virus
Gli scienziati l'hanno scoperto solo tre anni fa. Come spesso accade, per caso. Lo scopo dello studio era testare se i batteri del fieno possono avvisarsi a vicenda di un attacco da parte di batteriofagi, una classe speciale di virus che attaccano selettivamente i batteri. Dopo aver aggiunto i batteriofagi ai tubi dei bacilli di fieno, i ricercatori hanno registrato i segnali in un linguaggio molecolare sconosciuto. Ma i "negoziati" su di esso non erano affatto batteri, ma virus.
Si è scoperto che dopo aver penetrato i batteri, i virus li hanno costretti a sintetizzare e inviare peptidi speciali alle cellule vicine. Queste brevi molecole proteiche segnalarono al resto dei virus la prossima cattura riuscita. Quando il numero di peptidi segnale (e quindi di cellule catturate) ha raggiunto un livello critico, tutti i virus, come se fossero a comando, hanno smesso di dividersi attivamente e si sono nascosti. Se non fosse per questa manovra ingannevole, i batteri potrebbero organizzare un rifiuto collettivo o morire completamente, privando i virus dell'opportunità di parassitarli ulteriormente. I virus hanno chiaramente deciso di addormentare le loro vittime e dare loro il tempo di riprendersi. Il peptide che li ha aiutati a fare questo è stato chiamato "arbitrium" ("decisione").
Ulteriori ricerche hanno dimostrato che i virus sono in grado di prendere decisioni più complesse. Possono sacrificarsi durante un attacco alle difese immunitarie di una cellula per garantire il successo della seconda o terza ondata dell'offensiva. Sono in grado di muoversi in modo coordinato da cellula a cellula nelle vescicole di trasporto (vescicole), scambiare materiale genico, aiutarsi a vicenda a mascherarsi dall'immunità, cooperare con altri ceppi per sfruttare i loro vantaggi evolutivi.
È probabile che anche questi straordinari esempi siano solo la punta dell'iceberg, afferma Lan'in Zeng, biofisico dell'Università del Texas. Una nuova scienza - la sociovirologia - dovrebbe studiare la vita sociale latente dei virus. Non stiamo parlando del fatto che i virus siano coscienti, dice uno dei suoi creatori, il microbiologo Sam Diaz-Muñoz. Ma le connessioni sociali, il linguaggio della comunicazione, le decisioni collettive, il coordinamento delle azioni, l'assistenza reciproca e la pianificazione sono segni di vita intelligente.
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I virus sono sani?
Può qualcosa che non è nemmeno un organismo vivente avere una mente o una coscienza? Esiste un modello matematico che consente questa possibilità. Si tratta di una teoria dell'informazione integrata sviluppata dal neuroscienziato italiano Giulio Tononi. Considera la coscienza come il rapporto tra la quantità e la qualità dell'informazione, che è determinata da una speciale unità di misura - φ (phi). L'idea è che tra la materia completamente inconscia (0 φ) e il cervello umano cosciente (massimo φ) esiste una serie ascendente di stati di transizione. Qualsiasi oggetto in grado di ricevere, elaborare e generare informazioni ha un livello minimo φ. Compresi quelli sicuramente inanimati, come un termometro o LED. Poiché sanno come convertire la temperatura e la luce in dati, significa che il "contenuto informativo" è per loro la stessa proprietà fondamentale,come massa e carica per una particella elementare. In questo senso, il virus è chiaramente superiore a molti oggetti inanimati, poiché esso stesso è portatore di informazioni (genetiche).
La coscienza è un livello più alto di elaborazione delle informazioni. Tononi chiama questa integrazione. L'informazione integrata è qualcosa che supera qualitativamente la semplice somma dei dati raccolti: non un insieme di caratteristiche individuali di un oggetto come il giallo, la forma rotonda e il calore, ma l'immagine di una lampada accesa composta da essi.
È generalmente accettato che solo gli organismi biologici siano in grado di tale integrazione. Per verificare se gli oggetti inanimati possono adattarsi e acquisire esperienza, Tononi, insieme a un team di neuroscienziati, ha sviluppato un modello di computer simile a un gioco arcade per una console retrò. I soggetti erano 300 "animat" - unità a 12 bit con intelligenza artificiale di base, simulazione dei sensi e apparato locomotore. A ciascuno di loro sono state fornite istruzioni generate in modo casuale per lavorare parti del corpo e tutti sono stati lanciati in un labirinto virtuale. Di volta in volta, i ricercatori hanno selezionato e copiato gli animat che mostravano la migliore coordinazione. La generazione successiva ha ereditato lo stesso codice dai "genitori". Le sue dimensioni non sono cambiate, ma sono state introdotte "mutazioni" digitali casuali, che potrebbero rafforzare, indebolire o integrare le connessioni tra il "cervello" e gli "arti". Come risultato di questa selezione naturale, dopo 60mila generazioni, l'efficienza di passaggio del labirinto tra gli animat è aumentata dal 6 al 95%.
Gli animat hanno un vantaggio sui virus: possono muoversi indipendentemente. I virus devono spostarsi da vettore a vettore nei sedili dei passeggeri nella saliva e in altre secrezioni fisiologiche. Ma hanno più possibilità di aumentare il livello di φ. Se non altro perché le generazioni virali vengono sostituite più velocemente. Una volta in una cellula vivente, il virus la costringe a sfornare fino a 10.000 delle sue copie genetiche all'ora. Tuttavia, c'è un'altra condizione: per integrare le informazioni al livello di coscienza, è necessario un sistema complesso.
Quanto è complesso un virus? Vediamo l'esempio del nuovo coronavirus SARS-CoV-2, il colpevole dell'attuale pandemia. In forma, sembra una mina marina con le corna. Fuori - un guscio lipidico sferico. Si tratta di grassi e sostanze grasse che devono proteggerlo dai danni meccanici, fisici e chimici; sono loro che vengono distrutti dal sapone o dal disinfettante. Sulla busta c'è la corona che gli ha dato il nome, cioè i processi simili a spine delle proteine S, con l'aiuto del quale il virus entra nella cellula. Sotto l'involucro c'è una molecola di RNA: una catena corta con 29.903 nucleotidi. (Per confronto: ce ne sono più di tre miliardi nel nostro DNA.) Una costruzione piuttosto semplice. Ma un virus non deve essere complesso. L'importante è diventare una componente chiave di un sistema complesso.
Il blogger scientifico Philip Bouchard paragona i virus ai pirati somali che dirottano un'enorme petroliera su una piccola barca. Ma in sostanza, il virus è più vicino a un programma per computer leggero compresso da un archiviatore. Il virus non necessita dell'intero algoritmo di controllo per la cellula catturata. Un codice breve è sufficiente per far funzionare l'intero sistema operativo della cella. Per questo compito, il suo codice è idealmente ottimizzato nel processo di evoluzione. Si può presumere che il virus "rianima" all'interno della cellula solo nella misura in cui le risorse di sistema lo consentono. In un sistema semplice, è in grado di condividere e controllare i processi metabolici. In un complesso (come il nostro corpo), può utilizzare opzioni aggiuntive, ad esempio, per raggiungere un livello di elaborazione delle informazioni che, secondo il modello di Tononi, rasenta la vita intelligente.
Cosa vogliono i virus?
Ma perché i virus ne hanno bisogno: sacrificarsi, aiutarsi a vicenda, migliorare il processo di comunicazione? Qual è il loro scopo se non sono esseri viventi?
Stranamente, la risposta è direttamente correlata a noi. In generale, un virus è un gene. Il compito principale di ogni gene è copiare se stesso il più possibile per diffondersi nello spazio e nel tempo. Ma in questo senso, il virus non è molto diverso dai nostri geni, che si occupano anche principalmente della conservazione e della replicazione delle informazioni registrate in essi. In effetti, le somiglianze sono ancora maggiori. Siamo un po 'un virus noi stessi. Di circa l'8%. Ci sono così tanti geni virali nel nostro genoma. Da dove vengono?
Ci sono virus per i quali l'introduzione di una cellula ospite nel DNA è una parte necessaria del "ciclo di vita". Questi sono retrovirus, che includono, ad esempio, l'HIV. L'informazione genetica in un retrovirus è codificata in una molecola di RNA. All'interno della cellula, il virus avvia il processo di creazione di una copia del DNA di questa molecola, quindi la inserisce nel nostro genoma, trasformandolo in un trasportatore per l'assemblaggio dei suoi RNA sulla base di questo modello. Ma accade che la cellula sopprima la sintesi dell'RNA virale. E il virus, incorporato nel suo DNA, perde la capacità di dividersi. In questo caso, il genoma virale può diventare un ballast genetico che viene trasmesso a nuove cellule. L'età dei retrovirus più antichi, i cui “resti fossili” sono stati conservati nel nostro genoma, va dai 10 ai 50 milioni di anni. Negli anni dell'evoluzione, abbiamo accumulato circa 98mila elementi retrovirali che un tempo infettavano i nostri antenati. Ora costituiscono 30-50 famiglie, suddivise in quasi 200 gruppi e sottogruppi. Secondo i calcoli dei genetisti, l'ultimo retrovirus che è riuscito a entrare a far parte del nostro DNA ha infettato la popolazione umana circa 150mila anni fa. Poi i nostri antenati sono sopravvissuti a una pandemia.
Cosa stanno facendo i virus reliquia ora? Alcuni non si mostrano in alcun modo. O almeno così ci sembra. Altri lavorano: proteggono l'embrione umano dalle infezioni; stimolare la sintesi di anticorpi in risposta alla comparsa di molecole estranee nel corpo. Ma in generale, la missione dei virus è molto più significativa.
Come i virus comunicano con noi
Con l'emergere di nuovi dati scientifici sull'influenza del microbioma sulla nostra salute, abbiamo iniziato a renderci conto che i batteri non sono solo dannosi, ma anche utili e in molti casi sono vitali. Il prossimo passo, scrive Joshua Lederberg in The History of Infections, dovrebbe essere quello di rompere l'abitudine di demonizzare i virus. In realtà spesso ci portano malattia e morte, ma lo scopo della loro esistenza non è la distruzione della vita, ma l'evoluzione.
Come nell'esempio con i batteriofagi, la morte di tutte le cellule dell'organismo ospite di solito significa sconfitta per il virus. I ceppi iperaggressivi che uccidono o immobilizzano i loro ospiti troppo rapidamente perdono la capacità di diffondersi liberamente e diventare rami dell'evoluzione senza uscita. Invece, le varietà più "amichevoli" hanno la possibilità di moltiplicare i loro geni. “Man mano che i virus si evolvono in un nuovo ambiente, di solito smettono di causare gravi complicazioni. Questo è positivo per l'organismo ospite e per il virus stesso ", afferma l'epidemiologo di New York Jonathan Epstein.
Il nuovo coronavirus è così aggressivo perché solo di recente ha infranto la barriera interspecie. Secondo l'immunobiologo Akiko Iwasaki dell'Università di Yale, "Quando i virus entrano per la prima volta nel corpo umano, non capiscono cosa sta succedendo". Sono come gli animat di prima generazione in un labirinto virtuale. Ma non siamo migliori. Di fronte a un virus sconosciuto, il nostro sistema immunitario può anche sfuggire al controllo e rispondere alla minaccia con una "tempesta di citochine" - un'infiammazione inutilmente potente che distrugge i tessuti del corpo. (È questa reazione eccessiva dell'immunità che causa molti decessi durante la pandemia di influenza spagnola del 1918). Per vivere in amore e armonia con i quattro coronavirus umani che ci causano "raffreddori" innocui (OC43, HKU1, NL63 e HCoV-229E), dovevamo adattarsi a loro, e a loro - a noi.
Esercitiamo un'influenza evolutiva l'uno sull'altro non solo come fattori ambientali. Le nostre cellule sono direttamente coinvolte nell'assemblaggio e nella modifica degli RNA virali. E i virus sono in contatto diretto con i geni dei loro portatori, introducendo il loro codice genetico nelle loro cellule. Il virus è uno dei modi in cui i nostri geni comunicano con il mondo. A volte questo dialogo dà risultati inaspettati.
L'emergere della placenta - la struttura che collega il feto al corpo della madre - è diventata un momento chiave nell'evoluzione dei mammiferi. È difficile immaginare che la proteina sinticina necessaria per la sua formazione sia codificata da un gene che altro non è che un retrovirus "addomesticato". Nei tempi antichi, la synticina era usata da un virus per distruggere le cellule degli organismi viventi.
La storia della nostra vita con i virus è disegnata da una guerra senza fine o da una corsa agli armamenti, scrive l'antropologa Charlotte Bivet. Questa epopea è costruita secondo uno schema: l'origine dell'infezione, la sua diffusione attraverso una rete globale di contatti e, di conseguenza, il suo contenimento o eradicazione. Tutte le sue trame sono associate alla morte, alla sofferenza e alla paura. Ma c'è un'altra storia.
Ad esempio, la storia di come abbiamo ottenuto il gene neurale Arc. È necessario per la plasticità sinaptica, la capacità delle cellule nervose di formare e fissare nuove connessioni nervose. Un topo in cui questo gene è disabilitato non è in grado di apprendere e formare una memoria a lungo termine: avendo trovato il formaggio nel labirinto, il giorno successivo dimenticherà la strada per raggiungerlo.
Per studiare le origini di questo gene, gli scienziati hanno isolato le proteine che produce. Si è scoperto che le loro molecole si assemblano spontaneamente in strutture che assomigliano ai capsidi virali dell'HIV: involucri proteici che proteggono l'RNA del virus. Quindi vengono rilasciati dal neurone nelle vescicole della membrana di trasporto, si fondono con un altro neurone e rilasciano il loro contenuto. I ricordi si trasmettono come un'infezione virale.
350-400 milioni di anni fa, un retrovirus entrò nell'organismo dei mammiferi, il cui contatto portò alla formazione di Arc. Ora, questo gene simile a un virus sta aiutando i nostri neuroni a svolgere funzioni mentali superiori. È possibile che i virus non acquisiscano coscienza tramite il contatto con le nostre cellule. Ma nella direzione opposta, funziona. Almeno una volta ha funzionato.
Autore: Sergey Pankov
