Сколько вирусов существует на планете

Живой мир нашей планеты значительно богаче и сложнее, чем способен охватить человеческий взгляд — большую его часть составляют существа, невидимые без микроскопа и долгое время остававшиеся за пределами научного познания. Среди этих невидимых обитателей вирусы занимают особое место — они не являются живыми организмами в строгом биологическом смысле, однако присутствуют буквально повсюду и оказывают колоссальное влияние на все экосистемы планеты. Вопрос о том, сколько именно вирусов существует на Земле, долгое время казался почти риторическим — слишком ничтожными были возможности науки для их подсчёта. Однако развитие метагеномики и высокопроизводительного секвенирования ДНК позволило исследователям получить оценки, способные ошеломить даже специалиста. Ответ на этот вопрос открывает совершенно иное представление о биосфере — мире, где вирусы являются не случайными болезнетворными агентами, а фундаментальными участниками жизни на Земле.

Что такое вирус и почему их так сложно считать

Прежде чем говорить о числах, необходимо понять, с чем именно мы имеем дело. Вирус представляет собой молекулярную структуру — фрагмент нуклеиновой кислоты, заключённый в белковую оболочку, — которая способна воспроизводить себя исключительно внутри живых клеток.

Именно эта зависимость от хозяина делает подсчёт вирусов крайне сложной задачей. В отличие от бактерий, их нельзя просто вырастить на питательной среде — большинство видов размножаются только в специфических клетках конкретного организма. Кроме того, традиционные методы обнаружения работают лишь для известных вирусов, тогда как абсолютное большинство их разновидностей науке ещё не известно.

Главные методологические трудности при изучении вирусного разнообразия таковы:

• невозможность культивирования большинства вирусов вне организма-хозяина делает традиционные лабораторные методы неприменимыми;
• колоссальный масштаб вирусного мира требует огромных вычислительных ресурсов для обработки геномных данных;
• отсутствие единого универсального генетического маркера у вирусов — аналога гена 16S рРНК у бактерий — лишает учёных удобного инструмента идентификации;
• вирусы мутируют с исключительно высокой скоростью, что постоянно размывает границы между вирусными «видами»;
• большинство сред обитания — глубоководные осадки, вечная мерзлота, глубокие горные породы — остаются практически не исследованными.

Совокупность этих трудностей объясняет, почему даже приблизительные оценки числа вирусов появились лишь в последние десятилетия и продолжают уточняться по мере развития молекулярных методов анализа.

Астрономические числа — сколько вирусных частиц на Земле

Разграничение между числом вирусных частиц и числом вирусных видов принципиально важно для понимания масштаба явления. Обе цифры поражают воображение, однако характеризуют разные аспекты вирусного мира.

По оценкам учёных, суммарное число вирусных частиц на Земле составляет около 10 в тридцать первой степени — единица с тридцатью одним нулём. Это число настолько велико, что любое сравнение кажется недостаточным — если выстроить все вирусные частицы планеты в цепочку, она протянулась бы на 100 миллионов световых лет.

Основная масса этого колоссального числа сосредоточена в нескольких средах.

1. Мировой океан является абсолютным рекордсменом по содержанию вирусов — в одном миллилитре морской воды насчитывается от 10 до 100 миллионов вирусных частиц. Суммарная биомасса океанических вирусов, по расчётам исследователей, примерно эквивалентна биомассе 75 миллионов синих китов. Именно морские вирусы играют ключевую роль в регуляции численности бактерий и микроводорослей, ежедневно уничтожая около 20% всей бактериальной биомассы океана.
2. Почва содержит не менее впечатляющее число вирусных частиц — около 10 в двадцать восьмой степени во всём почвенном слое планеты. Вирусы почвы заражают бактерий, грибки и одноклеточные организмы, участвуя в круговороте органического вещества и питательных элементов. Без их участия разложение органики и высвобождение азота и фосфора происходило бы значительно медленнее, что изменило бы плодородие почв по всей планете.
3. Атмосфера содержит миллиарды вирусных частиц в кубическом метре воздуха на высотах до 2-3 километров. Исследование, опубликованное в 2018 году в журнале ISME Journal, показало, что ветра переносят вирусы через горные хребты и океаны — ежедневно на каждый квадратный метр земной поверхности из атмосферы оседает от 25 до 800 миллионов вирусных частиц. Этот механизм обеспечивает распространение вирусов на глобальные расстояния за сравнительно короткое время.
4. Организм человека является средой обитания для огромного числа вирусных частиц. Человеческий виром — совокупность всех вирусов тела — насчитывает, по различным оценкам, от 380 триллионов до нескольких квадриллионов частиц. Большинство из них поражают не клетки человека, а бактерии, живущие в кишечнике и на коже — это так называемые бактериофаги, и их роль в поддержании здоровья только начинает изучаться.

Понимание этих цифр помогает осознать, что вирусы — не исключение и не патология биосферы, а её нормальная и неотъемлемая составляющая.

Сколько вирусных видов существует

Число отдельных видов — или, точнее, генетически различимых вирусных линий — является совершенно иным вопросом. Здесь оценки меняются особенно стремительно по мере накопления геномных данных.

Официально описанных и классифицированных вирусов сравнительно немного. По состоянию на середину 2020-х годов Международный комитет по таксономии вирусов признавал около 10 000-15 000 официальных видов — ничтожно малое число по сравнению с реальным разнообразием.

Метагеномные исследования последних лет кардинально изменили представления о масштабе неизведанного.

1. Исследование 2021 года, опубликованное в журнале Science и основанное на анализе 35 000 образцов из разных экосистем, описало около 130 000 ранее неизвестных вирусных видов. Только по этой работе число известных РНК-вирусов увеличилось примерно в десять раз. При этом авторы подчёркивали, что охватили лишь малую долю возможных сред обитания.
2. Оценка общего числа вирусных видов на Земле варьируется в зависимости от применяемой методологии. Ряд исследователей называет цифру порядка 10 миллионов различных вирусных видов только среди заражающих насекомых. Другие расчёты, основанные на числе известных видов хозяев и среднем числе специфичных вирусов на каждый из них, дают оценки от нескольких сотен миллионов до миллиарда вирусных видов.
3. Особое место занимают так называемые «гигантские вирусы» — мимивирусы, пандоравирусы и тупанвирусы, обнаруженные в начале XXI века. Их геномы по размеру и сложности сопоставимы с геномами простейших бактерий, а некоторые несут гены, прежде считавшиеся исключительной принадлежностью клеточной жизни. Открытие этих организмов заставило учёных пересмотреть саму границу между вирусами и живыми клетками.

Реальное число вирусных видов на Земле, по всей видимости, никогда не будет установлено точно — слишком быстро они мутируют и слишком мало исследованных сред ещё остаётся на планете.

Вирусы как экологический фактор

Колоссальное число вирусов на Земле имеет практические последствия, далеко выходящие за рамки медицины. Вирусный мир является активным участником всех основных биогеохимических циклов планеты.

Экологическая роль вирусов реализуется через несколько ключевых механизмов:

• «вирусный шунт» — процесс, при котором гибель бактерий и фитопланктона под действием вирусов возвращает органическое вещество в растворённую форму вместо его перехода на следующий трофический уровень; это существенно влияет на поглощение углерода океаном;
• горизонтальный перенос генов между организмами через посредничество вирусов — один из главных двигателей эволюции бактерий, обеспечивающий быстрое распространение новых полезных признаков;
• регуляция численности микробных сообществ — вирусы предотвращают монополизацию экосистем отдельными бактериальными видами, поддерживая разнообразие;
• участие в формировании геномов — около 8% генома человека составляют последовательности, происходящие от древних ретровирусов, интегрировавшихся в ДНК наших предков.

Последний факт особенно показателен: вирусы участвовали в формировании того, что делает нас людьми — включая гены, связанные с развитием мозга и иммунной системы. Граница между «своим» и «чужим» на молекулярном уровне оказывается значительно более размытой, чем принято думать.

Вирусы, опасные для человека — малая доля огромного мира

На фоне астрономических чисел вирусного разнообразия количество патогенов, угрожающих человеку, оказывается поразительно малым. Это важно для правильного понимания места вирусов в биосфере.

По различным оценкам, из миллионов вирусных видов лишь около 200-250 способны вызывать заболевания у людей. Среди них лишь несколько десятков представляют серьёзную эпидемическую угрозу — грипп, ВИЧ, вирусы гепатита, коронавирусы и ряд других. Абсолютное большинство вирусов, окружающих нас в воздухе, воде и почве, не способны инфицировать клетки человека и проходят сквозь организм незамеченными.

Потенциально опасными остаются так называемые зоонозные вирусы — те, что циркулируют в животных и теоретически способны адаптироваться к человеческому организму. Их число оценивается в несколько сотен тысяч только среди вирусов млекопитающих и птиц. Именно этот резервуар является источником большинства новых инфекционных угроз, включая SARS-CoV-2.

Масштаб вирусного мира, открывшийся благодаря метагеномике, в корне меняет наше понимание жизни на Земле — вирусы оказываются не угрозой, случайно вторгшейся в биосферу, а одним из её фундаментальных архитекторов. Дальнейшее изучение вирусного разнообразия обещает не только новые знания об эволюции жизни, но и практические открытия — от новых инструментов генной инженерии до альтернативных подходов к лечению бактериальных инфекций с помощью бактериофагов. Осознание того, что большинство вирусов планеты не только не вредят человеку, но и активно поддерживают экосистемы, от которых зависит наше существование, меняет саму постановку вопроса — речь идёт не о борьбе с вирусным миром, а о необходимости его понять.