سفر به امپراتوری ویروس‌ها

ما در مورد ویروس‌ها نسبت به هر شکل دیگری از حیات کمتر می‌دانیم اما دانش ما در موردشان به‌سرعت تغییر می‌کند. بااین‌حال، ویروس‌ها خیلی فراتر از ماشین‌هایی با کُشتار بی‌هدف هستند.

یک موجود بیگانه معلق در فضا را در نظر بگیرید. این موجود رشد نمی‌کند، به‌هیچ‌وجه ارتباط و تحرکی تحت انرژی خودش ندارد و بدون یک منزلگاه بی‌اثر است. ما درباره‌اش خیلی کم می‌دانیم جز اینکه وقتی وارد جو سیاره‌ای که مناسب باشد می‌شود، شروع به تولیدمثل می‌کند. آیا این موجود، زنده است؟ آیا خطرناک است؟

به گزارش مجله خبری نگار، روزنامه شرق در گزارشی به نقل از نیوساینس نوشت: این موجود ممکن است شبیه به یک موجود باورکردنی به نظر نرسد، اما به‌طور تقریبی ویروس تعریف می‌شود، که کمی بیشتر از یک ذره از ماده ژنتیکی است و فقط هنگامی که درون یک میزبان قرار بگیرد، قادر است تولیدمثل کند. ممکن است ویروس‌ها بیگانه به نظر برسند، اما آنها فراوان‌ترین و به احتمال قوی مهم‌ترین ارگانیسم‌ها بر روی زمین هستند.

ویروس‌ها تقریبا همه‌جا یافت می‌شوند؛ از اقیانوس‌ها و جنگل‌ها گرفته تا افراد اطرافتان و البته درون و روی بدنتان. این دنیای عجیبِ شبه‌زنده، «قلمروِ ویروسی» نامیده شده است که به معناي واقعي یک دنياي اسرارآمیز محسوب مي‌شود.

ما در مورد ویروس‌ها نسبت به هر شکل دیگری از حیات کمتر می‌دانیم. اما دانش ما در موردشان به‌سرعت تغییر می‌کند. عموم مردم معمولا ویروس‌ها را با عفونت مترادف می‌دانند و شکی هم وجود ندارد که آنها باعث برخی از خطرناک‌ترین بیماری‌ها ازجمله آبله، ایدز، ابولا و آنفلوانزا هستند. بااین‌حال، ویروس‌ها خیلی فراتر از ماشین‌هایی با کُشتار بی‌هدف هستند. توانایی ما در بررسی مواد ژنتیکی‌ای که آنها را ساخته به‌صورت نمایی بهبود یافته است و در پنج سال گذشته، انواع ویروس‌های شناسایی‌شده ۲۰ برابر افزایش یافته است. به علاوه، این مسئله بیش‌ازپیش روشن شده است که این ارگانیسم‌های عجیب‌وغریب و متنوع، نقشی کلیدی در تکامل بازی کرده و ممکن است برای سرچشمه زندگی بسیار حیاتی بوده باشند.

از نظر فراوانی، هیچ گروه دیگری از ارگانیسم‌ها به پای ویروس‌ها نمی‌رسند. یک مطالعه تخمین زده است که جمعیت آنها در اقیانوس‌ها به تنهایی به بزرگی ۱۰ به توان ۳۰ است. تحقیق دیگری می‌گوید که کل جمعیت ویروس‌ها بر روی کره زمین یک درجه بزرگ‌تر از آن یعنی ۱۰ به توان ۳۱، یا یک میلیون برابر بیشتر از تعداد ستارگان تخمین زده‌شده در گیتی است.

طبق پژوهشی که سال گذشته منتشر شد، هرروز ۸۰۰ میلیون ویروس متصل به ذرات گردوغبار روی هر مترمربع از سطح زمین سقوط می‌کنند که ما تقریبا هیچ چیزی در مورد بیشترشان نمی‌دانیم. حتی پرسش همیشگی در مورد اینکه ویروس‌ها زنده هستند یا نه، اهمیتی ندارد.

«ماریلین روسینک» از دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «شما به من توضیح بدهید که معنای زندگی چیست آن وقت من به شما می‌گویم که یک ویروس زنده است یا نه. یک ویروس هیچ‌چیز به حساب نمی‌آید مگر اینکه درون یک میزبان قرار گیرد. این پرسش که آیا این موجودات زنده هستند یا نه، سؤال مهمی نیست».

بااین‌حال ما می‌دانیم که مدت زمانی که ویروس‌ها بیرون از میزبان‌شان می‌توانند زنده بمانند، خیلی متغیر است. برخی فقط یک ثانیه، درحالی‌که برخی دیگر می‌توانند برای دهه‌ها دوام بیاورند. در این مورد دما یک عامل برجسته است. در محیط‌های خیلی داغ، ویروس‌ها به‌سرعت نابود می‌شوند، که این مسئله نشان می‌دهد که چرا گرم کردن، روشی مؤثر برای از بین بردن آنهاست. حتی مشخص می‌کند که چرا مردم توانایی گسترش تب در پاسخ به عفونت‌ها را نتیجه‌بخش می‌دانند.

در دماهای سردتر، ویروس‌ها می‌توانند ماه‌ها و یا حتی سال‌ها قبل از اینکه به‌طور موفقیت‌آمیزی یک میزبان را آلوده کنند، زنده بمانند. ویروس واریولا، که به آبله مشهور است، می‌تواند برای دهه‌ها در دماهای بین ۴ و ۵ درجه سانتی‌گراد دوام بیاورد.

عوامل دیگری که بقای ویروس‌ها را تضعیف می‌کند شامل نور خورشید و مجاورت آنها با مواد خاص و ارگانیسم‌ها به‌ویژه باکتری‌ها می‌شود. ویروس‌ها مخصوصا به مواد ضدعفونی‌کننده‌ای مانند مس حساس هستند. بهارِ فعالیت ویروس‌ها وقتی است که درون یک میزبان قرار گیرند. میزبان‌ها می‌توانند هر موجود زنده‌ای یا حتی ویروس دیگری باشند.

این مسئله یک دهه پیش با کشف ویروسی به نام اسپوتنیک که درون ویروس غول‌پیکر و پیچیده‌ای به نام ماما ویروس (ویروس مادر) زندگی می‌کرد، روشن شد. درون یک سلول، ویروس ماشین‌آلات زیستی‌ای را که کم دارد، برای کپی کردن مواد ژنی آنها ربوده و مورد استفاده قرار می‌دهد. اسپوتنیک برای سوخت‌وساز، با ماما ویروس به رقابت پرداخته و به‌سرعت تکثیر می‌شود. این روند می‌تواند در ساعات کمی پس از عفونت آغاز شود. ظرف چند روز، ویروس‌های تکثیرشده ممکن است در همه سلول‌های میزبان حضور داشته باشند.

برخلاف تصورات پیشینمان، تعاملات بین ویروس و میزبان، تماما یک‌طرفه نیست: ویروس‌ها می‌توانند هم مفید و هم مضر باشند. قارچ Pseudogymnoascus destructans را در نظر بگیرید که باعث یک بیماری به نام سندروم White nose (بینی سفید) بوده و به‌شدت جمعیت خفاش‌های آمریکای شمالی را کم کرده است. وقتی این قارچ به ویروس آلوده می‌شود، در جهت تکثیر پرشمار هاگ بسیار موفق عمل می‌کند.

انسان‌ها نیز از برخی از ویروس‌ها سود می‌برند. گروهی به نام باکتریوفاژها با از بین بردن باکتری‌های بیماری‌زا به‌خوبی به حفاظت ما کمک می‌کنند. پژوهشگران برای درمان عفونت‌های باکتریایی، استفاده از این فاژها را آغاز کرده‌اند. حتی ویروس‌ها می‌توانند جهت تأمین ژن‌های مورد نیاز برای بقا، بخش مهمی از کدهای ژنتیکی میزبان شوند. یک حوزه جدید مطالعاتی به نام بوم‌شناسی ویروسی، تعاملات مابین ویروس‌ها و میزبان‌هایشان را روشن می‌کند. برای مثال، میکروبیوم انسان را که مجموعه گسترده‌ای از میکروارگانیسم‌هایی است که درون و بر روی هر یک از ما زندگی می‌کنند، در نظر بگیرید.

بدن ما شامل صدها نوع از سلول‌های مختلف است. ازجمله این سلول‌ها آنهایی هستند که سیستم ایمنی پیچیده ما را ساخته و مرتبا در تلاش‌اند که با ارگانیسم‌های بیگانه مبارزه کنند. همه سلول‌های ما با هزاران یا حتی میلیون‌ها نوع از ویروس‌ها و باکتری‌ها در میکروبیوم‌مان برهم‌کنش دارند. این واقعیت را اضافه کنید که این میکروب‌ها می‌توانند هم به یکدیگر کمک کرده و هم باهم به رقابت پرداخته و تعداد برهم‌کنش‌ها ممکن است بی‌شمار باشد (نگاه کنید به «زندگی اجتماعی ویروس‌ها»). بااین‌وجود، ما شروع به دیدن تصویر بزرگ‌تری از بوم‌شناسی ویروسی کردیم.

یک مطالعه در سال ۲۰۱۷، اولین نقشه از شبکه‌های میزبان و ویروس را که حاوی همه گونه‌های ویروسی شناخته‌شده تا آن زمان بود، ارائه داد. نویسندگان به توزیع ویروس‌ها در محیط‌های مختلف و تحرکاتشان در آن محیط‌ها نگاهی انداختند (نگاه کنید به «ویروس اینجا، ویروس آنجا، ویروس همه‌جا»). همچنین این مطالعه نشان داد که اکثر ویروس‌ها محدوده باریکی جهت سکنی گزیدن داشته و فقط یک یا دو نوع میزبان را آلوده می‌کنند. مطالعه دیگری در سال ۲۰۱۷ بر روی بخش مبهمی از قلمرو ویروسی پرتو افکند؛ جهانِ کاملِ دیگری از ویروس‌ها که دامنه‌ای از ارگانیسم‌های تک‌سلولی به نام آرکی را آلوده می‌کنند.

انواع بی‌شمار

بااین‌حال، این تنها نوک کوه یخ است. مدت‌ها شک داشتیم که آیا ویروس‌ها، متنوع‌ترین گروه از ارگانیسم‌های روی زمین هستند یا نه، اما اکنون تنها مبهم‌ترین ایده‌ها را در مورد اینکه چند نوع از آنها وجود دارد در اختیار داریم. در دو دهه گذشته، انواعشان نسبت به قبل بیشتر شناسایی شد. تا سال ۲۰۰۳، حتی نمی‌دانستیم که ویروس‌های غول‌پیکری وجود دارند که بیش از ۱۰۰۰ ژن دارند. این مقدار را با تعدادِ کمِ ۱۰ ژن در ویروس‌های کوچک مقایسه کنید.

از آوریل سال گذشته تاکنون، پژوهشگران ۱۹۵۰۰۰ گونه از ویروس‌ها را شناسایی کرده‌اند که تقریبا ۲۰ برابر بیشتر از انواع شناخته‌شده در سال 2015 است. با توجه به اینکه ویروس‌ها تمایل دارند فقط به چند میزبان اختصاص یابند، احتمالا تنوعشان خیلی بیشتر از همه گونه‌های گردآوری‌شده دیگر است. پیشرفت‌های اخیر در شناخت تنوع ویروس‌ها به‌وسیله ظهور متاژنومیک ممکن شده است. در این روش، پژوهشگران آب دریا و خاک را برداشته و آنالیز می‌کنند تا ببینند چه مقدار ماده ژنتیکی ویروسی در خود دارد.

اما این روش، یک نقطه‌ضعف دارد. «ادوارد هولمز» از دانشگاه سیدنی استرالیا می‌گوید: «موضوع ناامیدکننده این است که داده‌های متاژنومیک، حاوی تعداد زیادی توالی‌های ناشناخته است که ما آنها را ماده تاریک می‌نامیم». درحال‌حاضر، دانستن اینکه ماده تاریک واقعا چیست، بسیار دشوار است. اختصاصِ ژن‌ها به گونه‌ای خاص از ویروس‌ها حتی سخت‌تر است، زیرا آهنگ دگرگونی در این ارگانیسم‌ها باورنکردنی است.

«هولمز» می‌گوید: «جهت آنالیز درست ویروس‌ها، ما باید قادر به دیدن آنها باشیم. این مسئله نیازمند نگاهی به ویژگی‌هایی فراتر از توالی ژنتیکی مانند ساختار پروتئین‌های ویروس است». مسئله دیگر برای نقشه‌برداری از قلمروِ ویروسی آن است که پژوهشگران از چگونگی طبقه‌بندی ویروس‌ها مطمئن نیستند. درحال‌حاضر، آنها از سیستمی مشابه با آنچه در طبقه‌بندی همه ارگانیسم‌ها استفاده می‌کردند، بهره می‌برند؛ یعنی دسته‌بندی و مرتب کردن برحسب نوع، تیره و گونه. تا حالا، کمتر از ۵۰۰۰ ویروس از این طریق طبقه‌بندی شده‌اند.

علاوه بر این، در میان پژوهشگران، نوعی آگاهی روزافزون وجود دارد که طبقه‌بندی فعلیِ سیستم، شکاف‌های گسترده‌ای داشته و در جاهایی نادرست است. بااین‌حال، فشارهایی جهت انجام آن وجود دارد. در ماه مارس، کمیته بین‌المللی دسته‌بندی ویروس‌ها برای طبقه‌بندی تمام قلمروِ ویروسی فراخوان داد. این کمیته اذعان می‌کند که این کار مسئولیتی بزرگ است. اما استدلال می‌کند که مزایای بالقوه بسیار زیادی دارد: «وقتی که آنها را بررسی کنیم، نمی‌دانیم که به چه خزانه‌ای از ویروس‌های احتمالا بی‌اهمیت دست پیدا مي‌کنیم»، این مسئله در دل طبیعت نوشته شده، اما «طبقه‌بندی ویروس‌ها یک راه‌ سرراست برای کمک به امروز و حل مشکلات جهانی فردا است».

این کار ممکن است بلندپروازانه به نظر برسد، اما موجه است. ویروس‌ها فقط یک تهدید برای سلامتی و معیشت مردم نیستند، بلکه برای حیات روی زمین ضروری‌اند. زیست‌شناسان تکاملی شروع به درک این موضوع کرده‌اند که دسترسی به مواد ژنتیکی جدید می‌تواند به ارگانیسم‌ها کمک کند که سازگار شده و زنده بمانند. ویروس‌ها خیلی سریع‌تر از هر موجود شناخته‌شده‌ای دگرگون می‌شوند؛ یک‌میلیون برابر سریع‌تر از موجودی مثل ما. اگر به آنها آذوقه ثابتی از مواد ژنتیکی جدید بدهیم، می‌توانند این ژن‌ها را با میزبان خود در روندی به نام «انتقال ژنی هم‌سطح» به اشتراک بگذارند.

این مسئله را به مثابه یک بازی دادوستد در نظر بگیرید که در آن بازیکنان می‌توانند کارت‌های خود را جهت بهبود دسته ورق‌شان با هم مبادله کنند. چیزی طول نمی‌کشد که هر دو بازیگر به بهترین ترکیب ممکن دست می‌یابند. اما اگر آنها می‌توانستند با بازیکنانی جدید، به‌سرعت دست‌ها (ویروس‌ها) را تغییر دهند، می‌توانستند دست‌های رقابتی بسازند. با توجه به اینکه ژنوم ما تقریبا از زمان جنینی معین است، انتقال ژنی هم‌سطح با ویروس‌ها، به‌طور مستقیم به یک نفر کمکی نمی‌کند.

اما مبادله ژن ممکن است به توضیح پیچیدگی حیات روی زمین کمک کند: دگرگونی سریع همراه با توانایی دادوستد ژن، به ارگانیسم‌ها اجازه می‌دهد تا به‌سرعت، تقریبا با هر محیطی سازگار شوند. این مسئله برای اَشکال اولیه حیات بسیار مهم بود و ویروس‌ها ممکن است نقش مهمی را در موفقیت‌شان بازی کرده باشند. بنابراين آموختنِ بیشتر در مورد روابط بین ویروس‌ها، میزبان‌ها و محیط‌شان می‌تواند بینش‌هایی کلیدی در مورد تکامل حیات و حتی ریشه‌های آن به ما ارائه دهد.

علاوه بر این، مطالعه در مورد بوم‌شناسی ویروسی به فهم و حتی پیش‌بینی‌هایمان از بازخورد تعاملات بین ویروس‌ها و میزبانان‌شان کمک می‌کند. فواید این مطالعات وقتی که ما هم جزء میزبان‌ها هستیم، آشکار است. این پروژه‌ای در مقیاس بزرگ، معروف به «پروژه جهانی وایروم» است که هدفش «کشف بیشینه تهدیدات ویروسی ناشناخته سیاره‌مان»، جهت پیش‌بینی اين موضوع است كه کدام ویروس‌ها احتمالا به سمت جهش و آلودگی میزبان‌ها و از بین بردن ما می‌روند.

«هولمز» می‌گوید: «توالی ژنی یک ویروس به خودی خود هیچ چیزی در مورد احتمال پیدا شدنش در انسان‌ها به ما نمی‌گوید». او در ادامه تردیدهایی در مورد این پروژه ابراز می‌کند: «نیاز به کارهای بیشتری است ازجمله مطالعاتی در مورد اینکه رفتار ویروس‌ها واقعا چگونه است». از نظر تاریخی، رویکرد ما نسبت به تحقیقات ویروسی کاملا انسان‌مدار بوده است.

در وهله اول روی ویروس‌هایی که احتمالا به سلامتی یا رفاه اقتصادی‌مان آسیب می‌زدند تمرکز شده بود. اکنون ویروس‌شناسان استدلال می‌کنند که این رویه باید تغییر کند. ما باید با این دیدگاه دارای جهت‌گیری‌مان، که ویروس‌ها ذاتا خطرناک هستند، مقابله کنیم. ما نیاز به درک بیشتری از اینکه ویروس‌ها واقعا چه هستند، داریم و اینکه از کجا آمده‌اند و چگونه همواره بر همه جنبه‌های حیات روی زمین تأثیر می‌گذارند. باز شدن چشمانمان به روی این دنیای عجیب‌وغریب، هر چیزی را ممکن می‌سازد؛ از کمک به جلوگیری از بیماری‌ها گرفته تا درک سرچشمه‌های حیات. حتی می‌تواند به ما بینشی دهد در مورد اینکه جهان طبیعی در آینده احتمالا چگونه تغییر خواهد کرد.

زندگی اجتماعی ویروس‌ها

هنگامی که ویروس‌ها بیرون از میزبانشان به سر می‌برند، ممکن است بی‌اثر باشند. ولی با ورود به درون میزبان، رفتارشان به‌طور شگفت‌انگیزی پیچیده می‌شود. دو دهه پیش، پژوهشگران دریافتند که بعضی از آنها سیگنال‌هایی صادر می‌کنند که به کمک آنها می‌توانند تصمیم بگیرند که در یک نسخه ویروسی از بازی معمای زندانی، با یکدیگر رقابت کنند یا باهم همکاری داشته باشند (معمای زندانی، معمایی در نظریه بازی‌هاست-مترجم). اکتشافات اخیر نشان داده‌اند که این ارتباطات، به پروتئین‌های ریزی به نام پپتید جهت انتقال اطلاعات متکی است. چنین سیگنال‌های مبتنی بر پپتید، در انواع ویروس‌ها، ازجمله آنهایی که عامل آنفلوانزا، آبله و فلج اطفال هستند، یافت شده‌اند.

بااین‌حال، بیشتر تحقیقات بر روی باکتریوفاژها انجام شده است. باکتریوفاژها، گروهی از ویروس‌ها هستند که باکتری‌ها را آلوده می‌کنند. آنها برای هماهنگ کردن رفتارشان با هم ارتباط برقرار می‌کنند، مخصوصا وقتی نیاز باشد تصمیم بگیرند که آیا حمله کنند یا خاموش بمانند. این مسئله زمانی خوب از کار درمی‌آید که گونه‌های ویروسی مختلف، سیگنال‌های مخفیِ خاص خودشان را داشته باشند.

همچنین باکتریوفاژها قادرند از ویروس‌های دیگر و انواع میزبان‌ها استراق سمع کنند. ما می‌توانیم از این کشفیات به سود خودمان استفاده کنیم، به‌عنوان مثال، برای مبارزه با بیماری‌ها. در واقع، پژوهشگران دانشگاه پرینستون، ویروس‌های قاتلی مهندسی کرده‌اند که می‌توانند سیگنال‌های منحصربه‌فرد میکروب‌های دیگر از جمله اشریشیا کولای و سالمونلا را حس کرده و با ورود به درون آنها نابودشان کنند.

این مسائل نشان می‌دهد که ممکن است روزی ما قادر به دستکاری باکتریوفاژها جهت از بین بردن هر باکتری‌ای باشیم به محض اینکه از ما درخواست شود. همان‌طور که مقاومت در برابر آنتی‌بیوتیک‌ها در گستره جهان افزایش می‌یابد، این روش می‌تواند یک درمان جایگزین مهم برای برخی از بیماری‌های وخیم باشد.