Rola bakterii i wirusów w życiu człowieka oraz w przyrodzie

Znaczenie bakterii i wirusów w przyrodzie oraz ludzkim życiu jest zwykle bardzo niedoceniane, prawdopodobnie ze względu na fakt obserwowalności gołym okiem jedynie efektów ich działania oraz brak możliwości zauważenia samej ich obecności. Co więcej, bakterie i wirusy są nam znane od stosunkowo niedługiego czasu. Bakterie po raz pierwszy zostały zauważone przez Antonie’go von Leeuwenhoeka w roku 1686, jednak były to zaledwie początki badań nad tymi wówczas bardzo tajemniczymi organizmami. Ich współczesną nazwę nadano im dopiero w 1838 r. Jeżeli chodzi o wirusy, które są znacznie trudniejsze w obserwacji, chociażby ze względu na dużo mniejsze rozmiary (by zaobserwować je bezpośrednio niezbędny jest mikroskop elektronowy), to zostały one rozpoznane dopiero w roku 1892 przez Dimitrija Iwanowskiego.
Warto napisać także kilka słów o systematyce oraz cechach dystynktywnych bakterii i wirusów. Pierwsze z wymienionych przeze mnie to mikroorganizmy jednokomórkowe, czasem łączące się w zespoły komórek. Tworzą one swoje osobne królestwo. Posiadają budowę prokariotyczną, tzn. najbardziej charakterystyczny dla ich struktury jest brak jądra komórkowego oraz organelli komórkowych typowych dla eukariontów. Czasami nazwy „bakterie” oraz „prokarionty” stosuje się zamiennie, jednak obecnie zwykle z grupy prokariontów, poza bakteriami, wyróżnia się także archeony.
Z kolei wirusy trudniej jest sklasyfikować. Ogólnie rzecz biorąc, są to cząsteczki organiczne zbudowane z białek oraz kwasów nukleinowych, nie posiadające budowy komórkowej i zawierające materiał genetyczny w postaci DNA lub RNA. Znajdują się na pograniczu świata organizmów żywych oraz materii nieożywionej. Pisząc bardziej szczegółowo - z perspektywy funkcjonalnej definicji życia wirusy są żywe (są zdolne do powielania się, do czego niezbędny im jest jednak aparat kopiujący zawarty w żywych komórkach, oraz podlegają procesowi ewolucji), natomiast z perspektywy strukturalnej już nie (m.in. nie posiadają budowy komórkowej, nie wykazują metabolizmu).
Chciałabym również wspomnieć nieco o pochodzeniu bakterii oraz wirusów. Bakterie pochodzą od jednokomórkowych mikroorganizmów żyjących na ziemi przed 4 miliardami lat. Przez pierwsze 3 miliardy lat wszystkie organizmy były mikroskopijne, a bakterie i archeowce były dominującymi formami życia. Bakterie są filogenetycznie znacznie starsze niż eukarionty. Pragnę w tym miejscu podkreślić pewną niezwykle ważną rolę, jaką bakterie prawdopodobnie odegrały w procesie ewolucji życia na ziemi. Mianowicie mam tutaj na myśli teorię endosymbiozy, według której niektóre organelle komórek eukariotycznych (np. mitochondria i chloroplasty) miałyby powstać na skutek wchłonięcia pewnych bakterii przez inne organizmy jednokomórkowe. Na korzyść tej teorii przemawia wiele przekonywujących dowodów, m.in. fakt, że wymienione przeze mnie powyżej organelle posiadają DNA różniące się od jądrowego, przypomina ono natomiast DNA spotykane u bakterii, a także to, że organelle te tworzą się wyłącznie w procesie przypominającym podział. Endosymbioza to moim zdaniem jedna z najważniejszych ról, jaką bakterie odegrały w historii swego istnienia, gdyż zadecydowała ona o pojawieniu się na ziemi życia w takiej formie, w jakiej je znamy, a także umożliwiła wyewoluowanie naszego gatunku homo sapiens.
Pochodzenie wirusów jest już mniej pewne. Istnieją jedynie hipotezy dotyczące ich genezy, z których mogę przybliżyć trzy najbardziej prawdopodobne. Pierwsza zakłada, że są to wtórnie uproszczone organizmy pasożytnicze, druga hipoteza mówi, że wirusy to pozostałości pierwotnych, bardzo prostych organizmów, trzecia natomiast, że są one rodzajem zaraźliwego nowotworu, powstałego na skutek mutacji genomu organizmu, który później staje się ich gospodarzem. Poza tym, istnieje także możliwość, iż niektóre z nich wyewoluowały z plazmidów lub bakterii. Wszystkie te hipotezy są interesujące, jednak do tej pory żadna z nich nie została całkowicie potwierdzona, ani obalona.
Jak na początku wspomniałam, istnienie bakterii i wirusów dla wielu ludzi stanowi raczej abstrakcję niż codzienną rzeczywistość, gdyż rzadko kiedy można je dostrzec nie posługując się przy tym specjalistyczną aparaturą. Tymczasem na naszej planecie znajduje się około pięciu kwintylionów (5x1030) bakterii, co stanowi znaczną część ziemskiej biomasy. Zaledwie w jednym gramie gleby można znaleźć nawet 40 milionów komórek tych organizmów. W jednej łyżeczce słodkiej wody może znajdować się około 5 milionów bakterii, a w łyżeczce wody słonej – w skrajnym przypadku nawet aż do 1250 milionów wirusów, choć przeciętnie jest to około 1 milion (głównie bakteriofagów, niegroźnych dla zwierząt i roślin). Co więcej, obliczono, że same bakterie zasiedlające nabłonek jelita przeciętnego człowieka to co najmniej ponad 2 kilogramy suchej masy. Jak zatem sugerują liczby, bakterie i wirusy otaczają nas zewsząd każdego dnia, czy nam się to podoba, czy też nie. Na szczęście, wbrew temu co może nasuwać się na myśl przeciętnej, nie zaznajomionej z tematem osobie, rola bakterii i wirusów nie ogranicza się jedynie do działania dla nas szkodliwego, wprost przeciwnie – bez nich życie na ziemi mogłoby w ogóle nie zaistnieć lub nie przetrwać, a z pewnością byłoby niewyobrażalnie mniej różnorodne.
Przede wszystkim, moim zdaniem, warto zacząć od wpływu opisywanych przeze mnie organizmów na całą przyrodę oraz proces ewolucji życia, nie zaś tylko na naszą ludzką egzystencję. O jednym z aspektów wpływu bakterii na ewolucję eukariontów, endosymbiozie, pisałam już wcześniej. Kolejnym, o którym chciałabym wspomnieć, jest horyzontalny transfer genów. Jest to zjawisko przechodzenia genów między organizmami różnych gatunków, które w znaczącym stopniu przyczynia się do różnorodności genetycznej organizmów, a także które odcisnęło swoje piętno na ewolucji życia na ziemi. Zjawisko to jest odpowiedzialne za rozwój tak ważnych cech jak zdolność przeprowadzania fotosyntezy oraz asymilacji azotu atmosferycznego, być może także wpłynęło na wykształcenie się organizmów eukariotycznych. Choć znane są przypadki transferu genów od prokariontów oraz eukariontów z wszystkich królestw, większość znanych przypadków dotyczy przeniesienia genów pochodzących od bakterii. Swoją rolę w tym procesie odgrywają także wirusy, które razem ze swoim materiałem genetycznym transferują też czasem fragmenty genów poprzednio zarażonego organizmu. Przypuszcza się, że wirusy, za sprawą tego zjawiska, stanowiły główny czynnik „napędzający” wczesny proces ewolucji, w czasach istnienia jeszcze ostatniego wspólnego przodka bakterii, eukariontów i archeonów. Negatywnym dla człowieka aspektem zjawiska horyzontalnego transferu genów jest to, że bardzo przyśpiesza on adaptację mikroorganizmów do pasożytnictwa oraz patogenezy. Poziomy transfer genów może występować w sposób naturalny lub sztuczny, za sprawą inżynierii genetycznej, lecz o tym drugim przypadku napiszę więcej w dalszej części mojej pracy.
Bakterie dzielą się na heterotrofy, symbionty, komensale, pasożyty i autotrofy, co oznacza, że, w przeciwieństwie do wirusów, nie wszystkie wymagają obecności innych organizmów w celu namnażania się. Niektóre z gatunków bakterii wchodzą w skład znaczącej części organizmów zwanych destruentami, czyli organizmów heterotroficznych, które zwiększają ilość materii nieorganicznej poprzez rozkład materii organicznej, dzięki czemu odgrywają one ogromnie istotną rolę w procesie obiegu biogennych pierwiastków. Innymi słowy, gdyby nie ich działalność łańcuch pokarmowy pozostałby niedomknięty, co doprowadziłoby w końcu do deficytów materii nieorganicznej dostępnej producentom, a tym samym brak pożywienia dla konsumentów, co skutkowałoby zapewne wymieraniem wielu gatunków z powodu braku niezbędnych do życia składników odżywczych. Poza tym, niektóre mikroorganizmy przeprowadzają także wiązanie azotu cząsteczkowego w postacie zdatne do asymilacji biologicznej, co również pozwala roślinom przekształcanie materii nieorganicznej w organiczną.
Niezwykle ważna dla przetrwania wielu gatunków roślin, zwierząt, a nawet archeonów jest także rola bakterii jako symbiontów. Chociażby w organizmie człowieka doszukano się około tysiąca gatunków bakterii, zwłaszcza w jelitach, gdzie tworzą tzw. florę bakteryjną. Wiele z tych bakterii jest człowiekowi dosłownie niezbędna do przetrwania, m.in. syntezują one witaminę K, kwas foliowy, biotynę oraz inne substancje, których organizm człowieka nie jest sam w stanie wyprodukować, a które są potrzebne do jego prawidłowego funkcjonowania. Przetwarzają także białka znajdujące się w mleku w kwas mlekowy oraz rozkładają złożone węglowodany do związków prostszych. Dodatkowo, obecność tej flory, głównie na skutek konkurencji, ogranicza namnażanie się patogenów w jelitach. Nie bez powodu są powszechnym probiotycznym suplementem diety, znajdującym się choćby w różnego rodzaju przetworach mlecznych. Analogicznie rzecz się ma np. w przypadku przeżuwaczy - w ich przewodach pokarmowych znajdują się bakterie trawiące celulozę, co pozwala tym zwierzętom odżywiać się pewnymi częściami roślin (liśćmi, trawą). Istnieje jeszcze wiele innych podobnych przykładów symbiozy bakterii ze zwierzętami (np. u termitów). Mniej istotne dla przetrwania, jednak zauważalne, są natomiast komensalistyczne bakterie, choćby te wchodzące w skład flory fizjologicznej człowieka, której działania efektem jest m.in. charakterystyczny zapach potu i ludzkiego ciała.
Wirusy, chociaż pozornie kojarzone z plagą nawiedzającą ludzkość, także przynoszą wymierne korzyści, również dla środowiska naturalnego. Odgrywają one bowiem np. bardzo ważną rolę w wodnych ekosystemach. Jak już wcześniej pisałam, w wodzie mogą znajdować się ogromne ilości wirusów. Wiadomym jest, że 90% morskiej biomasy to mikroorganizmy, jak również to, że wirusów (głównie bakteriofagów) jest tam 15 razy więcej niż składających się na tę biomasę bakterii i archeonów. Ponadto, wirusy te każdego dnia uśmiercają około 20% znajdujących się w oceanach mikroorganizmów. W ten sposób, na ogół nie szkodząc roślinom oraz zwierzętom, biorą istotny udział w obiegu węgla w środowisku wodnym, a także zapobiegają tzw. zakwitom glonów wydzielających substancje trujące.
Przyglądając się środowisku bliższemu człowiekowi nie sposób nie docenić wpływu bakterii na gospodarkę i przemysł. Ludzie wykorzystują je w celach przetwarzania i konserwowania żywności już od tysięcy lat. Mikroorganizmy służą do wytwarzania takich rodzajów żywności, jak m.in. sery, jogurty, wino, ocet, kiszona kapusta i ogórki.
Ponadto, surowiec, który jest w czasach obecnych dla człowieka tak cenny, że o jego pokłady walczą ze sobą narody świata - ropa naftowa – w ogóle nie powstałby, gdyby nie dawna działalność bakterii, która przekształciła ją z innych związków organicznych w znaną dziś formę. Niestety, nierzadko zdarza się, że ten właśnie surowiec (jak również inne oleje), na skutek wycieków z tankowców zanieczyszcza środowisko naturalne. Na szczęście jesteśmy w stanie stosować drobnoustroje w celu usuwania takich niebezpiecznych zanieczyszczeń, a także w celu neutralizacji toksycznych odpadów przemysłowych. Mikroorganizmy stosuje się również przy biologicznym oczyszczaniu ścieków, co więcej, biorą one udział także w naturalnych procesach samooczyszczania się zbiorników wodnych.
Bakterie, ze względu na swoją dość prostą budowę oraz zdolność do szybkiego wzrostu, są wdzięcznym obiektem badań molekularnych oraz bioinżynieryjnych. Badania nad nimi pozwalają nam lepiej zrozumieć genezę życia na ziemi oraz zasady, według jakich funkcjonują inne organizmy, np. zwierzęta, czy rośliny. Odpowiednio zmodyfikowane bakterie człowiek potrafi zaprzęgnąć do produkcji insuliny, witamin, przeciwciał, peptydów, białek, czy innych hormonów, dzięki czemu są one znacznie łatwiej dostępne i mniej kosztowne.
Mikroorganizmy mogą również być użyte jako przyjazny środowisku środek zwalczania szkodników w miejsce niebezpiecznych pestycydów. Bakterie są nietoksyczne i w przypadku zastosowania gatunków atakujących tylko niepożądane na danym terenie organizmy (np. gąsienice motyli) są niegroźne dla pozostałych roślin i zwierząt.
Wirusy, być może pod pewnymi względami trudniejsze do wykorzystania przez człowieka w zaplanowanym, korzystnym dla niego działaniu, jako obiekty badawcze w zawrotnym tempie poszerzają naszą wiedzę na temat pochodzenia organizmów żywych, genetyki i immunologii. Z ich pomocą stosunkowo łatwo można manipulować poszczególnymi funkcjami komórek. Genetycy często używają wirusy jako wektory genetyczne, wprowadzając pożądane geny do komórki będącej obiektem ich badań w celu np. wyprodukowania bakterii syntezującej pewne substancje, taką jak chociażby insulina, o czym pisałam nieco wcześniej. Prowadzi się także obecnie obiecujące prace nad wykorzystaniem wirusów w tzw. wiroterapii, która może umożliwić leczenie nowotworów. Poza tym dalsze możliwości wykorzystania tych organizmów w nanotechnologii i innych naukach daje praktycznie nieograniczone perspektywy do kolejnych badań, mogących jeszcze prawdziwie zadziwić ludzkość.
Ciekawostką jest fakt, że czasem zarażone przez wirusy organizmy mogą stać się dla człowieka cenniejsze niż te same organizmy, gdy są zdrowe. Tak stało się w XVII w. w Holandii, podczas tzw. tulipomanii, gdy ceny cebulek zainfekowanych tulipanów osiągały zawrotne ceny. Tulipany te, na skutek działania wirusa, przybierały niespotykane wcześniej kształty i barwę.
Powyżej starałam się wskazać pozytywne strony istnienia bakterii i wirusów, nie da się jednak zaprzeczyć, że istnieją również negatywne tego aspekty. Bakterie szkodliwe dla innych organizmów, zwane patogenami, oraz niektóre wirusy są źródłem wielu chorób. I chociaż niektóre, dla mieszkańców krajów o wysokim stopniu rozwoju, są stosunkowo niegroźne, jak np. grypa, a w celu zwalczania ich stosujemy leki o działaniu bakteriobójczym, bakteriostatycznym (antybiotyki), wzmacniającym układ odpornościowy lub działające prewencyjnie szczepionki, to jednak wciąż bakterie i wirusy powodują na całym świecie poważne, nierzadko śmiertelne choroby. Wydaje się, że w dzisiejszych czasach, przynajmniej w pewnym stopniu, zdołaliśmy zapanować nad patogennymi bakteriami, które jeszcze kilkadziesiąt lub kilkaset lat temu siały spustoszenie wśród ludzkości. Większym zagrożeniem natomiast zdają się być wirusy, po dziś dzień będące dla nas w dużej mierze tajemnicą. Nie posiadają one metabolizmu, który można by blokować za pomocą antybiotyków, jak to się dzieje w przypadku bakterii. Wirusy mogą stanowić czynnik kancerogenny, a wiele chorób przez nie powodowanych jest wciąż nieuleczalna, jak np. wścieklizna bądź AIDS. Być może przyszłe badania rozwiążą ten problem, póki co jednak jesteśmy jedynie w stanie dość skutecznie hamować rozwój wirusów w organizmie. Choroby mogą dotykać nie tylko człowieka, lecz także zwierzęta hodowlane oraz rośliny uprawne, co czasami przynosi ogromne szkody finansowe.
Kolejnym przykrym aspektem jest możliwość stosowania bakterii i wirusów przy tworzeniu broni biologicznej. Najczęściej stosowane w tym celu organizmy to np. laseczka wąglika lub wirus ospy prawdziwej. Taka broń może okazać się niezwykle skuteczna, a jednocześnie jej produkcja wymaga stosunkowo niewielkich nakładów. Historia zna wiele przypadków zastosowania broni B, sięga ona aż do czasów starożytnych. W średniowieczu natomiast wykorzystywano np. ciała zmarłych na dżumę lub krew ludzi chorujących na trąd.
Błędem w moim mniemaniu byłoby pominięcie wpływu efektów działania bakterii i wirusów na coś tak istotnego dla człowieka jak jego kultura. Wydaje mi się, że jednym z najdobitniejszych na to przykładów jest szalejąca w XIV-wiecznej Europie i okolicach Morza Śródziemnego epidemia, zwana czarną śmiercią, powodowana najprawdopodobniej przez pałeczkę dżumy. Uważa się, że w ciągu czterech lat zmarło aż 30 - 60% ówczesnej populacji Europy (75 – 80% populacji europejskiego regionu Morza Śródziemnego, tzn. Włoch, Hiszpanii i południowej Francji) czyli 75 - 200 milionów ludzi. Czarna śmierć wstrząsnęła XIV-wiecznym życiem społecznym, kulturalnym i religijnym, rzutując na dalsze losy i być może obecny kształt naszej cywilizacji. Skutkowała ona nierzadko wzrastającym fanatyzmem, a także ksenofobią i antysemityzmem (ówczesna wiedza nie pozwalała stwierdzić skąd bierze się ta choroba, więc najczęściej upatrywano jej źródła w boskim gniewie lub złośliwemu działaniu Żydów). Dżuma nie zbierała swego żniwa jedynie w wieku XIV, gdyż w przeciągu następnych ok. pięciuset lat zmarło na nią setki milionów kolejnych ludzi. Dopiero od kilkudziesięciu lat choroba ta nie stanowi bardzo poważnego zagrożenia, m.in. dzięki odkryciu antybiotyków, choć po dziś dzień zapadają na nią pojedyncze osoby np. w Stanach Zjednoczonych oraz wciąż istnieje zagrożenie, że pałeczka dżumy w sposób naturalny stanie się odporna na leki.
Jeżeli chodzi o chorobę powodowaną przez wirusa, której ludzie najbardziej się obawiają, to jest nią zapewne AIDS (do której przyczynia się wirus HIV). Jest to stosunkowo nowa choroba, która w latach 1983 – 2008 spowodowała śmierć 25 milionów ludzi, a obecnie na skutek niej umiera 2 miliony ludzi rocznie. Jak już wcześniej wspominałam, nie istnieje skuteczny na nią lek. AIDS miało wpływ na m.in. opinię publiczną na temat homoseksualistów, gdyż większość zarażonych wśród Amerykanów stanowili homoseksualni mężczyźni (mimo że ogólnie na świecie większość zarażonych stanowią jednak heteroseksualiści), istniał również problem silnego ostracyzmu chorych. Do tej choroby nawiązuje także twórczość wielu artystów, reżyserów itp.
Podsumowując, bakterie i wirusy (te dwie grupy organizmów pozornie do siebie podobnych, a jednak niezmiernie od siebie różnych) są z nami od początku istnienia naszego gatunku, ponadto są od nas filogenetycznie starsze o całe eony. Miliony tych organizmów otaczają nas niemal w każdym miejscu o każdym czasie, mnóstwo ich jest w samym naszym ciele i na jego powierzchni. Naturalnym jest, że tak liczne i tak wiekowe organizmy będą odgrywały ogromną rolę w środowisku oraz naszym życiu. Nasza i ich ewolucja splata się ze sobą, przed niektórymi musieliśmy nauczyć się bronić za pomocą wielu skomplikowanych mechanizmów systemu odpornościowego, a z niektórymi nauczyliśmy się współpracować, czy to za sprawą ewolucji, czy też naszego rozmyślnego działania. Podobnie czyniły one – przystosowywały się do współpracy lub wytwarzały sposoby przedostania się przez liczne bariery wprost do naszego organizmu. Często na nie narzekamy, szczególnie, gdy dolega nam jakaś choroba, rzadko jednak doceniamy to, co nam dają i co nam umożliwiły. Czy życie na ziemi mogłoby istnieć bez bakterii i wirusów? A jeżeli tak, jak by wyglądało? Na te pytania nikt nie jest w stanie udzielić dokładnej odpowiedzi, jednak pewnym jest, że bez tych mikroskopijnych, tych „niewidzialnych” istnień, nasza planeta byłaby dla nas zupełnie nie do poznania.