Korona Czerwonej Królowej

Może nie wszyscy zdajemy sobie z tego sprawę, ale prawie wszyscy mówimy ostatnio językiem biologii ewolucyjnej. „Selekcja”, „wzrost wykładniczy”, „mutacje”, „ewolucja” – pandemia spowodowała, że używamy tych pojęć częściej niż zwykle. I, co ciekawe, w przykrym, ale jednak naturalnym dla nich kontekście. To znamienna odmiana, bo w ostatnich latach termin „ewolucja” pojawiał się w mediach bodaj najczęściej przy okazji różnych kreacjonistycznych wybryków, np. projektów otwarcie promującej tzw. Inteligentny Projekt fundacji En Arche.

Teoria ewolucji to temat wyjątkowo podatny na podobne pseudonaukowe dywagacje. Wiele osób myśli o niej jako o czymś metafizycznie doniosłym, a zarazem ważnym osobiście. Czymś, co przesądza o wyjątkowości doświadczenia bycia człowiekiem, albo wręcz przeciwnie – degraduje nas, umieszczając wśród wszystkich innych, zwyczajnie zwierzęcych gałęzi drzewa życia. Tak jakby przyjęcie darwinowskiej wizji ożywionej przyrody oznaczało oddanie walkowerem jakiejś części nas samych bliżej nieokreślonemu, bezosobowemu chaosowi.

Częścią problemu, jaki niektórzy mają z teorią ewolucji, jest jej nieuchwytność. Ewolucji zachodzącej szybko, w skali lat, z reguły nie widzimy. Nazywamy ją mikroewolucją: dotyczy niedostrzegalnych genów, przetasowuje abstrakcyjne allele – wersje kawałków materiału genetycznego krążące między rozmnażającymi się osobnikami, często niemające wyraźnego wpływu na wygląd czy zachowanie organizmów. Równania i modele jasno nam mówią, że ona zachodzi – że musi zachodzić. Ale bez wyrafinowanych metod genetyki niewiele możemy z jej przebiegu zobaczyć na własne oczy. Mikroewolucja kumuluje się z czasem w wielkie skoki i salta makroewolucji – zmiany gigantyczne, fundamentalne, które skutkują wyrastaniem oczu tam, gdzie ich nie ma, czy powstawaniem zdolności do lotu tam, gdzie było niezgrabne pełzanie. Makroewolucja zapisuje swoje transformacje na kartach epok i er. Zmian tego kalibru już zupełnie nie możemy zobaczyć na własne oczy, zamknięci w naszych krótkich życiach – pozostaje nam zaufanie naukowej metodzie upierającej się przy ich zasadności i realności.

CZYTAJ WIĘCEJ: AKTUALIZOWANY SERWIS SPECJALNY O KORONAWIRUSIE I COVID-19 >>>

Aż nagle wszystko zmieniło się jak za dotknięciem magicznej, wirusowej różdżki. Pandemia wywróciła do góry nogami tak wiele w naszych przyzwyczajeniach i codziennym życiu, że wiele subtelniejszych rewolucji mogło nam umknąć. Np. to, że zaczęliśmy odmierzać czas w jednostkach kolejnych faz badań klinicznych, z napięciem śledząc medyczny thriller wynajdywania, testowania i wreszcie zatwierdzania mających przywrócić porządek na świecie szczepionek. Albo niespodziewany renesans nieco zapomnianych i zniekształconych słów, takich jak „mutant”, „dobór”, „przewaga selekcyjna”. Tytuły prasowe zaroiły się od ewolucyjnych aluzji, a w telewizyjnych relacjach, obok nieco już zmęczonych wirusologów i epidemiologów, pojawili się genetycy i specjaliści od ewoluujących mikrobów. Traktowana po macoszemu, czasami z lekką ignorancją, a z reguły ze sporą dozą rezerwy, ewolucja wróciła więc na salony. I był to powrót triumfalny, bo w całej koronawirusowej układance odgrywa ona kluczową rolę.

Logiczna konieczność

Ewolucja była rzecz jasna częścią historii koronawirusa od samego początku jego pandemicznego pochodu przez kolejne kraje. Wirus – choć jest bytem przez biologów niechętnie stawianym obok jednoznacznie żywych organizmów, takich jak bakterie, rośliny czy zwierzęta – ma wszystko, co powinien posiadać obiekt podlegający ewolucji drogą doboru naturalnego. Warunki te wynikają z zasad sformułowanych przez Karola Darwina, według których do takiej ewolucji potrzebne są międzyosobnicze różnice w jakiejś cesze (aby ewolucja miała z czego wybierać), które muszą być dziedziczne (tak, aby kolejne pokolenie mogło przejmować wartości cech swoich rodziców) oraz muszą wpływać na powodzenie posiadających je osobników (mierzone jako sukces w przeżyciu lub w produkcji własnego potomstwa). Wreszcie – warunek kluczowy: organizm musi się rozmnażać. W latach 70. XX w. te fundamentalne warunki zachodzenia ewolucji na drodze selekcji naturalnej zamknął w formie jednego, zgrabnego matematycznego wzoru amerykański genetyk – człowiek równie genialny, co ekscentryczny – ­George R. Price.

Geniusz równania Price’a wynika m.in. z tego, że nie pozostawia ono miejsca na żadną dowolność. Ewolucja – jeśli tylko spełnione są wspomniane warunki dziedziczności, zdolności do produkowania własnych kopii, zmienności oraz związku choć jednej cechy z sukcesem osobnika – jest zwyczajnie nieuchronna. Na dobrą sprawę, według równania ­Price’a, do ewolucji nie potrzebujemy nawet życia! Obiekty dowolnego typu, posiadające cztery fundamentalne właściwości wpisane w formułę Price’a, będą musiały zmieniać się w czasie – ewoluować drogą selekcji. Co więcej, ewolucja ta nie będzie wcale jakimś niezwykłym faktem, tylko zwyczajnie logiczną konsekwencją spotkania się w jednym miejscu kilku dość prostych właściwości.

Dlaczego ewolucja, tak często niezauważana w kontekście wszystkich innych żywych organizmów, w przypadku koronawirusa tak łatwo dała nam o sobie znać i przypomniała o swojej sile? Koronawirus ma w sobie kilka cech, które wywindowały siły napędzające ewolucję biologiczną na poziom niedostępny większości innych organizmów żywych. Po pierwsze, SARS-CoV-2 jest wirusem o materiale genetycznym opartym na RNA. Białkowa kapsułka stanowiąca „ciało” wirusa (wirion) zawiera w swoim wnętrzu wszystkie wirusowe instrukcje i plany konstrukcyjne zapisane nie na stabilnym, stosunkowo trwałym DNA (jak u bakterii, roślin, grzybów i zwierząt), ale właśnie na RNA – cząsteczce, która u innych organizmów żywych również bierze udział w przetwarzaniu informacji genetycznej, jednak tylko w konkretnych, krótkich momentach.

Informacja genetyczna takiego wirusa jest znacznie bardziej podatna na mutacje – losowe zmiany konkretnych „liter” sekwencji genetycznej, a co za tym idzie – kodowanych przez te „litery” produktów – białek wirusa. Badania sugerują wręcz, że większość wirusów może na stałe funkcjonować tuż poniżej progu śmiertelnego dla nich tempa mutacji genów. Te wirusy stale znajdują się o krok od mutacyjnej katastrofy, trwałego uszkodzenia ich informacji genetycznej.

Same mutacje nie wystarczą jednak, by ewolucja drogą naturalnej selekcji mogła zachodzić. Odpowiadają one raptem za jeden kawałek układanki w równaniu ­Price’a – zmienność: mutacje, produkując nowe wersje genów, sprawiają, że wirusy zaczynają się od siebie coraz bardziej różnić. Drugi kawałek układanki – zdolność do kopiowania siebie – mamy jednak zagwarantowany. Wirusy są mistrzami replikacji, cała ich biochemia podporządkowana jest jednemu: wniknięciu do komórki gospodarza i produkcji możliwie jak największej liczby kopii samego siebie.

Kolejny kluczowy składnik – selekcję – zapewniliśmy SARS-CoV-2 my sami.

Wirus w inkubatorze

Kiedy w Wielkiej Brytanii zaczęto rejestrować w grudniu 2020 r. gwałtowny wzrost udziału pewnego wariantu koronawirusa (ochrzczonego „wariantem brytyjskim”), badaczy zaskoczyła w nim jedna rzecz: w jego genomie pojawiło się kilka dość odległych od siebie mutacji, wszystkie obserwowane po raz pierwszy. Zaskoczenie było duże, ponieważ mutacje pojawiają się losowo – są najczęściej wypadkami przy pracy, potknięciami maszynerii kopiującej materiał genetyczny wirusa lub czysto chemicznymi zmianami „liter” niezbyt stabilnego RNA.

Dlaczego nowy wariant miał kilka nowych mutacji? Jak się okazało niedługo później, mogło to mieć związek ze sposobem, w jaki ów wariant powstał. Podobne zestawy mutacji zaczęto odkrywać u charakterystycznej grupy pacjentów: chorych, którzy ze względu na mniejsze lub większe upośledzenie własnego układu odpornościowego, nie reagowali zbyt mocno na infekcję koronawirusa. U takich pacjentów COVID-19 mógł trwać tygodniami lub miesiącami, a ich organizmy, pozbawione efektywnej ochrony immunologicznej, były kipiącymi wirusem inkubatorami. W wielu przypadkach tacy chorzy – po przyjęciu do szpitala – poddawani byli zabiegom mającym symulować naturalną reakcję odpornościową, np. przez podanie przeciwciał antykoronawirusowych uzyskanych z krwi chorych, którzy przeszli infekcję (tzw. osocze ozdrowieńców).

Strategia taka była w zasadzie stosowaniem równania Price’a w wersji z turbodoładowaniem. Pacjent był żywą hodowlą cząsteczek wirusowych namnażających się z szaloną prędkością. Takie tempo replikacji oznaczało wielokrotnie większe tempo powstawania najrozmaitszych, czysto losowych mutacji. Większość z nich to były zapewne mutacje neutralne, niemające wpływu na takie cechy wirusa, jak tempo kopiowania się czy szybkość rozprzestrzeniania się z komórki do komórki. Wiele mutacji musiało mieć negatywny wpływ na wirusa – powodowały uszkodzenia ważnych dla niego genów – np. kodujących białka umożliwiające infekcje nowych komórek. Czasami jednak pojawiajace się mutacje były dla wirusa korzystne, nieznacznie poprawiały jego efektywność w infekowaniu komórek gospodarza – np. przez nieco silniejsze wiązanie się z ich białkami.

W normalnej sytuacji mutacje takie mogłyby pozostać niezauważone – terapia za pomocą przeciwciał ­anty-SARS-CoV-2 efektywnie jednak eliminowała wszystkie inne, nieco wrażliwsze czy trochę wolniej namnażające się wersje wirusa. Dochodziło więc do odfiltrowania z ogromnej różnorodności wariantów wirusa tych wirionów, które – dzięki posiadanym mutacjom – radziły sobie w ciele pacjentów najlepiej. Z czasem do korzystnych mutacji dołączały kolejne, dodając swoje nieznacznie pozytywne efekty. I tak, dzięki pozornie poprawnej strategii leczenia przewlekłej infekcji wirusowej – wyhodowany został wariant, który po wydostaniu się z organizmu „pacjenta zero” z łatwością zaczął wypierać inne, mniej konkurencyjne warianty w całej populacji, szybko monopolizując brytyjskie podwórko.

Podobny mechanizm, również „wspierany” przez nowoczesną medycynę, doprowadza do ewolucji antybiotykooporności u bakterii. Tutaj również mamy chodzące inkubatory patogenów – ludzi z toczącymi się infekcjami bakteryjnymi – oraz niezwykle silną presję selekcyjną w postaci antybiotyków, substancji zaprojektowanych tak, by bakterie zabić i uniemożliwić im wyprodukowanie swoich kopii. Wystarczy niewielka niekonsekwencja w ich stosowaniu, np. niedokończenie przepisanego przez lekarza kursu antybiotykowego, by wstępnie wyselekcjonowane i częściowo oporne mutanty mikroba wydostały się z organizmu, gotowe na podbój kolejnych, przesiąkniętych antybiotykami środowisk. Jeśli wszystko to dzieje się w takim miejscu jak szpital, gdzie mamy nagromadzenie pacjentów i antybiotyków, ewolucja dostaje do dyspozycji wszystkie potrzebne składniki, by w końcu wyhodować superzarazki, niewrażliwe na wszystkie znane nam antybiotyki.

Szczepionkowy wyścig

Mogłoby się więc wydawać, że ewolucja odpowiada za wszystko, co najgorsze we współczesnym świecie – ale to podpowiada tylko nasza zniekształcona pandemią perspektywa. To zbieg okoliczności, że obecnie możemy podziwiać tę mroczniejszą, bardziej przerażającą stronę ewolucji. Przecież ten sam proces przez miliardy lat kierował przepływami biologicznej złożoności, od pierwotnej zupy prehistorycznych ziemskich oceanów do powstania pewnego ciekawskiego, wyprostowanego rodzaju małp człekokształtnych, które – również dzięki ewolucji – zdołały bardzo szybko zmonopolizować środowisko naturalne i opanować niemalże całą planetę.

Za każdym razem ewolucja wykorzystywała te same, pozornie niewinne właściwości życia: jego zmienność, zdolność do kopiowania, dziedziczność cech i ich wpływ na sukces osobników. Pech chciał, że najjaskrawiej ewolucja widoczna jest w biologii pasożytów, z natury zmuszonych do szybkiego zmieniania się, w odpowiedzi na coraz to nowe sposoby, które ich potencjalni gospodarze wynajdują, by oprzeć się infekcji. Niefortunnie jeden z naszych najwspanialszych wynalazków – medycyna – stanowi niezwykle efektywną siłę selekcyjną. Działając na powodujące nasze choroby pasożyty, medycyna blokuje ich zdolność do kopiowania się, w nieuchronny sposób wywierając na nie silną presję i promując te ich mutanty, które są w stanie się prześlizgnąć przez zasieki medycznych procedur.

Niestety, na inkubowaniu zjadliwszych wariantów w ciałach osób z upośledzoną odpornością historia ewolucyjna koronawirusa się nie kończy. Wkraczamy obecnie w kolejną fazę ewolucyjnych zmagań z wirusem, ściśle związaną z efektywnością i przyszłą skutecznością antycovidowych szczepionek. Dla wirusa szczepionka może oznaczać totalne zniszczenie: jeśli organizm człowieka reaguje na nią silnie, aktywując odpowiednie mechanizmy immunologiczne, wirus może w takim ciele mieć niewielkie szanse na przetrwanie. Opłaszczony przeciwciałami, osaczony w zainfekowanych komórkach przez limfocyty cytotoksyczne, wirus jest unicestwiany, zanim w ogóle zdąży się namnożyć. Ale to scenariusz optymistyczny. U niektórych ludzi szczepionka może wywoływać nieco słabszą reakcję – taką, która wprawdzie upośledzi wirusa i zapobiegnie rozwojowi groźnych objawów, ale nie zatrzyma jego transmisji do kolejnych gospodarzy. Łatwo wyobrazić sobie wtedy taką szczepionkę jako dodatkowy filtr selekcyjny, przepuszczający tylko te cząstki wirusa, które wykażą się nieco większą skutecznością w jej unikaniu. Jeśli taki wirus uciekinier trafi następnie na osobę niezaszczepioną – dojdzie do wykładniczej jego multiplikacji, powielenia danego wariantu i wypuszczenia w świat miliardów gotowych do skuteczniejszego zarażania cząstek wirusa.

W Krainie Czarów

W biologii ewolucyjnej funkcjonuje tzw. Hipoteza Czerwonej Królowej – zaczerpnięta z książek o Alicji w Krainie Czarów. Mówi ona o tym, że w wyścigu zbrojeń dwóch zwalczających się organizmów każdy z nich musi wciąż się zmieniać, ewoluować, by nie zostać w tyle za swoim wrogiem i nie odpaść z zawodów. W państwie Czerwonej Królowej, jak przekonała się Alicja, czasem wszyscy zaczynają biec przed siebie. Jeśli więc chcesz się do kogoś zbliżyć albo wysunąć naprzód, nie wystarczy, że również biegniesz – musisz biec szybciej niż inni.

Jesteśmy obecnie w podobnej sytuacji. Projektując szczepionki nowej generacji – oparte na syntetycznym RNA wirusa – ruszyliśmy do wyścigu z Czerwoną Królową. Mamy w zasięgu ręki technologię szczepionkową, którą możemy bardzo szybko i na bieżąco dostrajać do coraz to nowych, mutujących wariantów wirusa – modyfikując wykorzystywaną w jej produkcji sekwencję wirusowego RNA.

Wygląda więc na to, że jesteśmy na wojnie. Ilu osobom w naszym otoczeniu przypomnimy o przyjęciu drugiej dawki szczepionki – zmniejszając tym samym szanse na osłabioną, mniej efektywną reakcję układu odpornościowego na szczepienie? Ile przekonamy do porzucenia antyszczepionkowych poglądów – redukując liczbę niezaszczepionych ludzkich „wysp”, będących pośrednimi ogniwami, inkubatorami dla wyselekcjonowanych wirusów, czasami „uciekających” z innych, zaszczepionych osób?

Wygląda też na to, że – przynajmniej na chwilę – ewolucja biologiczna odzyskała należne sobie miejsce w naszej percepcji świata ożywionego, choć, niestety, zawdzięcza to głównie zabójczemu pasożytowi. Ile w tej percepcji jest powszechnego zrozumienia mechanizmów działania ewolucji biologicznej – tego nie wiem. Jedno jest pewne: ewolucja nie straci na znaczeniu. Wręcz przeciwnie – w antropocenie, gdy presja selekcyjna ze strony zmienianego przez człowieka środowiska będzie działać na coraz większe grupy organizmów, intuicyjne rozumienie ewolucji będzie szczególnie ważne dla naszej zdolności przewidywania przyszłości życia na Ziemi. ©