Virusi – na ivici života

Učili su nas u školi tome da su virusi na granici živog i neživog, šta god to značilo. Ima li to smisla i kako uopšte funkcionišu virusi?

Jedno je jasno – virusi nemaju ćelije kao osnovne gradivne i funkcionalne jedinice i sami ne mogu da opstanu već im je potrebno da inficiraju druge ćelije. Njihova građa je prilično jednostavna – nukleinske kiseline (DNK ili RNK, u zavisnosti od virusa), nešto proteina i tek ponekad pokoji lipid.

Virusi ne dišu, ne jedu, ne piju. Nemaju metabolizam, pa kako bi se onda i mogli smatrati živima? Šta kaže druga strana debate?

Više je razloga zbog kojih ne možemo tek tako otpisati viruse kao striktno nežive. Virusi se umnožavaju u ćelijama domaćina koristeći njihove enzime i energiju za proizvodnju svojih kopija. Ovaj proces neretko dovodi do oštećenja i smrti ćelija, pa je i jedan od razloga za nastanak simptoma virusnih infekcija. Neki virusi, poput humanog papilomavirusa, mogu podstaći i razvoj malignih oboljenja.

Pri tom umnožavanju se takođe i menjaju – dolazi do mutacija u njihovom genetičkom materijalu, a te mutacije mogu uticati na sposobnost virusa da se održe u uslovima sredine. Virusi se, dakle, adaptiraju i podležu prirodnoj selekciji.

A šta o svemu tome ima da kaže fizika? Šta je život u kontekstu termodinamike i da li su virusi za fizičare živi?

Polovinom 20. veka, austrijski fizičar Ervin Šredinger predložio je novi način shvatanja života zasnovan upravo na zakonima termodinamike. On je u svojim predavanjima izneo ideju o tome da je glavna osobina života mogućnost da stvori red iz haosa. 

Iako su nama red i haos relativno apstraktni pojmovi, u fizici oni imaju tačno određeno značenje i mere se na tačno određen način. Kada pričamo o haosu iz perspektive fizičara, ono o čemu zapravo pričamo jeste nasumičnost, odnosno broj mogućih načina na koji se elementi nekog skupa mogu organizovati. Mera nasumičnosti izražava se kroz veličinu koja se naziva entropija.

Prema drugom zakonu termodinamike, ukupna entropija univerzuma neminovno raste. To znači da će, pre ili kasnije, doći do prelaska uređenih u haotične sisteme. Na primer, ako imamo kockicu leda i ostavimo je na stolu, ona će se sigurno u jednom trenutku istopiti. Da li to stvarno ima veze sa entropijom?

Voda u čvrstom stanju ima manju energiju nego u tečnom, pa se njeni molekuli kreću sporije, više interaguju i samim tim je manji broj načina na koji mogu da se organizuju u prostoru – led ima manju entropiju u odnosu na vodu. 

Ono što, po Šredingeru, čini živa bića drugačijim sistemima od kockica leda jeste mogućnost da održe svoj sistem uređenim. Drugim rečima, živa bića su ona koja mogu da se odupru porastu entropije. 

Ovo je na prvi pogled kontradiktorno. Ako entropija sistema uvek neminovno raste, kako je moguće da postoji neki sistem koji se tome protivi?

Drugi zakon termodinamike odnosi se na zatvorene sisteme, odnosno na sisteme koji ne razmenjuju energiju sa spoljašnjom sredinom. Živa bića ovo čine koristeći energiju (hranu) da održe svoj sistem uređenim. Čineći to, ona u spoljašnju sredinu izbacuju proizvode sopstvenog metabolizma, čime povećavaju neuređenost svoje okoline. Ako bismo ćeliju i njenu okolinu posmatrali kao jedan sistem, primetili bismo da ukupna entropija sistema svakako raste, čak i ako to ne važi za svaki njegov deo.

A kako virusi stoje sa entropijom?

Kada pogledamo građu virusa, jasno nam je da je u pitanju relativno uređen sistem, odnosno da je njegova entropija relativno niska. Da li to znači da su virusi nužno živi?

Pa, ne baš. Ako bismo virus ostavili na neko vreme kao što bismo to uradili sa kockicom leda u prethodnom primeru, on ne bi bio u stanju da svoju entropiju dugo održava. 

To predstavlja problem jer virusi nemaju strukture koje su im potrebne da bi vršile metaboličke procese, odnosno da bi energiju iz svoje sredine mogli da iskoriste za održavanje sopstvenog reda. Dakle, virusi se ne mogu samostalno održati u životu. Upravo se ovaj problem rešava infekcijom.

Kada virus inficira neku ćeliju, on koristi njene resurse i energiju kako bi sintetisao kopije svog naslednog materijala i proteine koji su mu neophodni da taj materijal čuvaju. Drugim rečima, virus je u ćeliji živ – koristi energiju spoljašnje sredine (ćelije) da u svom sistemu održi red. 

Čini se da to znači da su virusi nekada živi a nekada nisu, da su nekada uređeni a nekada potpuno podložni haosu. Da li haotičnost jednog takvog sistema može da objasni i njegov potencijal da uspe u svojoj nameri da preživi? 

Ispostavilo se da može, i to baš kada su u pitanju epidemije. Naime, kada u nekoj populaciji postoji više varijacija nekog patogena (organizma odgovornog za nastanak neke bolesti), neće svi sojevi biti podjednako uspešni u svojoj nameri da se prošire.

Ranije je za procenu uspešnosti nekog soja korišćen osnovni reproduktivni broj infekcije (R0), odnosno broj novih slučajeva koji bivaju zaraženi od strane jedne inficirane osobe. Glavna mana ove metode bila je ta što su njena predviđanja bila precizna samo u slučajevima kada je populacija neograničeno velika, što u prirodi svakako nije slučaj.

Međutim, ispostavilo se da bi i entropija mogla biti dobra polazna tačka za epidemiološka istraživanja, a pogotovo kada je veličina populacije ograničena – evolutivnu prednost i najveću šansu da se prošire imaju upravo oni sojevi čija je entropija manja.

Na kraju krajeva, možda i nije bitno da li ih označavamo živima. Virusi su kompleksna i raznolika grupa, ali verujem da nijednom od njih nije bitno koju etiketu nose.