Введение
Теория эволюции патогенов
Оптимальная вирулентность – это концепция, относящаяся к экологии хозяев и паразитов. Одним из определений вирулентности является снижение приспособленности организма-хозяина, вызванное паразитом. Приспособленность паразита определяется его успехом в передаче потомства другим хозяевам. Около 100 лет существовал консенсус о том, что вирулентность снижается, и паразитические отношения эволюционируют в сторону симбиоза. Это даже называлось законом снижения вирулентности, хотя это была лишь гипотеза, а не теория. С 1980-х годов эта точка зрения подвергалась сомнению и была опровергнута. Патоген, который слишком сдержан, проиграет в конкуренции более агрессивным штаммам, которые используют больше ресурсов хозяина для собственного размножения. Однако хозяин, будучи своего рода ресурсом и средой обитания для паразита, страдает от этой повышенной вирулентности. Это может привести к более быстрой гибели хозяина, что негативно скажется на приспособленности паразита, уменьшая вероятность встречи с другим хозяином (уничтожение хозяина происходит слишком быстро для передачи). Таким образом, существует естественная сила, оказывающая давление на паразита, чтобы он "самоограничивал" свою вирулентность. Следовательно, предполагается, что существует точка равновесия вирулентности, при которой приспособленность паразита максимальна. Любое отклонение от этой точки по оси вирулентности – в сторону увеличения или уменьшения – приведет к снижению приспособленности паразита и, следовательно, будет подвергнуто отбору.
Способ передачи
Пол У. Эвальд исследовал взаимосвязь между вирулентностью и путями передачи. Он пришел к выводу, что вирулентность, как правило, остается особенно высокой при инфекциях, передающихся водным и переносчиковым путем, таких как холера и лихорадка денге. Холера распространяется через загрязненную воду, а лихорадка денге – через комаров. В случае респираторных инфекций патоген зависит от подвижного хозяина для выживания. Он должен сохранять хозяина в живых достаточно долго, чтобы найти нового. Передача через воду или переносчиков обходит необходимость в мобильном хозяине. Эвальд убежден, что скученность в полевых госпиталях и траншейная война создали благоприятные условия для передачи, что способствовало высокой вирулентности пандемии гриппа 1918 года. В таких условиях неподвижности и скученности патогены могут вызывать тяжелые заболевания, при этом все еще переходя к здоровым людям. Другие эпидемиологи развили идею о компромиссе между затратами и преимуществами вирулентности. Одним из факторов является время или расстояние между потенциальными хозяевами. Авиаперелеты, переполненные животноводческие фермы и урбанизация были предложены как возможные источники повышения вирулентности. Другой фактор – наличие множественных инфекций у одного хозяина, что приводит к усилению конкуренции между патогенами. В этом сценарии хозяин может выжить только до тех пор, пока сопротивляется наиболее вирулентным штаммам. Преимущество стратегии низкой вирулентности теряет свою актуальность. Множественные инфекции также могут приводить к обмену генами между патогенами, увеличивая вероятность образования летальных комбинаций.
Эволюционные гипотезы
Существует три основные гипотезы, объясняющие то, как эволюционирует патоген. Эти три модели помогают понять жизненные стратегии паразитов, включая размножение, миграцию внутри хозяина, вирулентность и другие аспекты. Эти гипотезы – гипотеза компромисса, гипотеза близорукой эволюции и гипотеза случайной эволюции. Все они предлагают фундаментальные объяснения вирулентности патогенов.
Гипотеза компромисса
Некогда некоторые биологи утверждали, что патогены будут эволюционировать в сторону все более низкой вирулентности, поскольку смерть хозяина (или даже серьезная нетрудоспособность) в конечном итоге вредна для патогена, обитающего внутри него. Например, если хозяин умирает, популяция патогена внутри может полностью исчезнуть. Поэтому считалось, что менее вирулентные патогены, позволяющие хозяину передвигаться и взаимодействовать с другими хозяевами, должны иметь больший успех в размножении и распространении. Однако это не всегда так. Штаммы патогенов, убивающие хозяина, могут повышать свою вирулентность, если патоген способен передаваться новому хозяину, как до, так и после его смерти. Эволюция вирулентности у патогенов представляет собой баланс между затратами и преимуществами вирулентности для самого патогена. Например, исследования малярийного паразита на моделях грызунов и куриц показали, что существует компромисс между успехом передачи и вирулентностью, определяемой смертностью хозяина.
Краткозоркая гипотеза эволюции
Краткозоркая эволюция предполагает, что признаки, повышающие скорость размножения и передачу новому хозяину, будут быстро распространяться в популяции патогенов. К таким признакам относятся способность к более раннему размножению, более быстрому размножению, увеличению числа потомков, большей продолжительности жизни, устойчивости к антителам или выживанию в тех частях тела, которые патоген обычно не поражает. Эти признаки обычно возникают в результате мутаций, которые встречаются чаще в популяциях патогенов, чем в популяциях хозяев, из-за быстрого времени генерации патогенов и их огромной численности. Уже через несколько поколений мутации, способствующие быстрому размножению или распространению, повысят свою частоту. Те же мутации, которые усиливают размножение и распространение патогена, также усиливают его вирулентность в организме хозяина, нанося значительный вред (вызывая болезнь и смерть). Если вирулентность патогена приводит к гибели хозяина и препятствует его дальнейшей передаче, то вирулентность будет подавляться естественным отбором. Однако, пока передача продолжается, несмотря на вирулентность, вирулентные патогены будут иметь преимущество. Например, вирулентность часто возрастает внутри семей, где передача от одного хозяина к другому весьма вероятна, независимо от тяжести заболевания. Аналогично, в условиях скученности, таких как лагеря беженцев, вирулентность, как правило, увеличивается со временем, поскольку новые хозяева не могут избежать риска заражения.
Гипотеза случайной эволюции
Некоторые формы патогенной вирулентности не коэволюционируют с хозяином. Например, столбняк вызывается почвенной бактерией Clostridium tetani. После попадания бактерий C. tetani в рану человека, они могут быстро расти и делиться, даже несмотря на то, что человеческое тело не является их обычной средой обитания. При делении C. tetani производят нейротоксин, смертельный для человека. Однако именно отбор в нормальном жизненном цикле бактерии в почве приводит к выработке этого токсина, а не эволюция, связанная с человеческим хозяином. Бактерия оказывается внутри человека, а не в почве, исключительно случайно. Можно сказать, что нейротоксин не направлен против человеческого хозяина. В более общем плане, вирулентность многих патогенов у человека может быть не объектом отбора как таковым, а скорее случайным побочным продуктом отбора, действующего на другие признаки, как это происходит при антагонистической плейотропии.
Расширение в новые среды
Потенциал вирулентности возникает всякий раз, когда патоген проникает в новую среду, хозяина или ткань. Новый хозяин, скорее всего, будет плохо приспособлен к вторжению, либо из-за отсутствия выработанного иммунологического ответа, либо вследствие случайной восприимчивости. В периоды изменений естественный отбор благоприятствует мутациям, которые эффективнее используют нового хозяина, чем исходный штамм, создавая условия для проявления вирулентности.
Чувствительность хозяина
Чувствительность хозяина способствует вирулентности. После передачи патоген должен установить инфекцию для дальнейшего распространения. Чем более эффективна иммунная система хозяина, тем меньше вероятность выживания паразита. Для поиска подходящего восприимчивого хозяина может потребоваться несколько передач. На протяжении этого времени захватчик зависит от выживания текущего хозяина. Оптимальные условия для высокой вирулентности – это сообщество с иммунной дисфункцией (и/или плохой гигиеной и санитарией), которое при этом максимально здорово во всех остальных аспектах (например, оптимальное питание).