Sólin Sólin Rís 02:55 • sest 24:04 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 13:30 • Sest 02:26 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 12:25 • Síðdegis: 24:49 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 06:10 • Síðdegis: 18:35 í Reykjavík
COVID-19 borði í flokk

Hvaðan komu veirur og hvenær urðu þær til?

Arnar Pálsson

Upprunalega spurningin hljóðaði svona:

Hver er uppruni veira og hver er saga þeirra? Hafa þær alltaf verið til?

Allt líf á jörðinni er af einum meiði. Þetta staðfesta nokkrar staðreyndir, erfðaefnið (DNA) og táknmálið er það sama í öllum lífverum,[1] og örvhentar amínósýrur (e. left handed amino acids) eru notaðar í byggingu ensíma allra lífvera. En hver er uppruni veira?

Best er að skipta spurningunni upp og svara lið fyrir lið: Eru veirur af sama meiði og aðrar lífverur? Hvenær urðu þær til í þróunarsögunni? Urðu þær kannski til oft á jörðinni? Margt torveldar viðleitni líffræðinga til að svara þessum spurningum. Veirur eru agnarsmáir sníklar sem fjölga sér inni í frumum. Þær hafa flestar mjög lítil erfðamengi sem skrá fyrir mjög ólíkum prótínum. Að síðustu, þróast þær gríðarlega hratt, geta til dæmis myndað þúsund afrit af sér á sólarhring.

Eru veirur af sama meiði og aðrar lífverur?

Veirur eru sníkjulífverur, sem byggja fjölgun sína á því að komast inn í frumur og nýta orku þeirra og sameindakerfi. Því er öruggt að veirur eiga sama uppruna og aðrar lífverur á jörðinni. Þær komu ekki utan úr geimnum enda eru þær byggðar af sömu sameindum og önnur lífsform á jörðinni. Til dæmis hafa þær annað hvort DNA eða RNA-erfðaefni, allar lífverur á jörðinni nota DNA sem erfðaefni og RNA til að túlka það. Veirur eru flokkaðar eftir erfðaefni.[2] Veirur narra frumur til að eftirmynda erfðaefnið sitt, og til að framleiða prótín og mynda himnur ef þeirra er þörf. Það er því veirunum lífsnauðsynlegt að vera samrýmanlegar frumunum sem þær sníkjast í.

Mynd 1. Bygging veira getur verið af ýmsu tagi eins og sést á þessum rafeindasmásjármyndum af þráðlaga ebóluveiru (til vinstri) og adenóveirum sem eru á formi tuttuguflötungs (til hægri). Það er uppröðun prótíneininga sem ræður lögun veiruhylkisins.

Hvenær urðu þær til, eða hversu oft urðu þær til í þróunarsögunni?

Fjórar megintilgátur hafa verið settar fram um uppruna veira í þróunarsögunni.
  1. Að veirur hafi orðið til eftir síðasta sameiginlega forföður heilkjörnunga.
  2. Að þær hafi sprottið upp áður að sá forfaðir varð til.
  3. Að þær hafi orðið til áður en frumur urðu til.
  4. Að veirur hafi orðið til nokkrum sinnum, jafnvel sumar fyrir og aðrar eftir uppruna sameiginlega forföðursins.

Nú má spyrja, hver var þessi forfaðir? „Forfaðirinn“ var lífvera sem var síðasti sameiginlegi forfaðir allra tegunda örvera og fjölfrumunga á jörðinni.[3]

Allir heilkjörnungar, dýr, sveppir, plöntur og einfruma ættingja okkar, eru af einum meiði og fyrir langa löngu, djúpt aftur í þróunarsögunni, áttum við síðasta sameiginlega forföður. Það var einstaklingur sem allar heilkjarnalífverur geta rakið sig til. Lífríkið skiptist í þrjá meginhópa, heilkjörnunga, bakteríur og arkeur (stundum kallaðar fornbakteríur, þótt þær séu ekkert fornari en bakteríur). Eins og heilkjörnungar eiga sameiginlegan forföður er ljóst að fyrir milljörðum ára áttu bakteríur, arkeur og heilkjörnungar sinn síðasta sameiginlega forföður.[4]

Erfðamengi veira eru smá með litlar upplýsingar

Hvernig má prófa tilgátur um uppruna veira? Þær eru svo smáar að þær sjást ekki nema í mikilli stækkun í smásjá. Ekki er vitað til að þær steingervist og þær finnast ekki í gömlum jarðlögum. Eina leiðin til að skoða þær er að rannsaka eiginleika veira sem finnast í lífverum.[5] Bygging veira segir töluvert til um eiginleika þeirra og skyldleika en erfðaefnið og prótín eru skástu vísbendingarnar.

Erfðamengi flestra veira eru mjög lítil, þau hlaupa yfirleitt á þúsundum basa.[6] Kvefveira af gerð rhinoveira er til dæmis með um 7200 basa[7] en SARS-CoV-2 um 29.900 basa.[8] Stærstu erfðamengi veira eru samt ansi stór. Stærsta þekkta erfðamengið er í Pandoravirus salinus (í hópi Pandóruveira), en talið er að mengi hennar sé 2473870 basapör. Það er stærra en erfðamengi sumra baktería. Flestar þekktar veirur hafa hins vegar lítil mengi. Því minni mengi, því minni líkur eru á að gen og eiginleikar finnist í ólíkum gerðum. Enda kom í ljós að samanburður á erfðaefni og amínósýruröð prótínana sem mengi skrá fyrir, dugar aðallega til að raða náskyldum veirum (eins og kórónuveirum) í hópa. Merkilegt nokk, kom í ljós að tveir meginflokkar veira (RNA og DNA-veirur) deila ensímum sem kallast helikasar. Þessi ensím virðast hafa þróast einu sinni, og verið til staðar í sameiginlegum forföður beggja flokka veira. Gögn af þessu tagi afsanna því, að því er virðist, tilgátuna að veirur hafi þróast oft á jörðinni. Þau duga hinsvegar ekki til að svara því hvar dýpsta rótin í ættartré þeirra liggur.

Mynd 2. Skýringarmynd af veiruögn. Sýnt hefur verið fram á að hjúpprótín mjög ólíkra veira hafa sömu grundvallaruppbyggingu.

Hliðstæða í byggingu en ekki röð prótína

Jafnvel smæstu erfðamengi veira skrá fyrir einhverjum prótínum. Gróft má flokka þau í hjúpprótín (sem mynda skeljar eða ytra byrði veira, samanber skel HIV-veirunnar) og vinnuprótín (sem hjálpa með fjölföldun og að véla hýsilfrumuna til samstarfs). Nýleg niðurstaða úr rannsóknum á byggingu veira var að hjúpprótín mjög ólíkra veira hafa sömu grundvallarbyggingu. Þannig að prótín sem sýna engan skyldleika (þegar röð amínósýra beggja eru bornar saman) hafa sama þrívíddarform. Tvær mögulegar skýringar eru á þessu. Önnur er sú að prótínin séu öll af sama meiði, sem myndi styðja tilgátuna um að veirur hafi komið fram mjög snemma og líklega á undan síðasta forföðurnum. Hin skýringin er að samhliða þróun (e. convergent evolution) eða genaflutningur (e. horizontal gene transfer) hafi orsakað mynstrið. Margir telja að genaflutningur sé sjaldgæfur í veiruríkinu, og því líklegra að veirur hafi orðið til fyrir síðasta sameiginlega forföðurinn. En ef gögnin eru túlkuð af varfærni viðurkennist að ráðgátan er óleyst. Rétt eins og spurningin um uppruna lífs. Reyndar gætu þessar tvær ráðgátur verið tengdar. Nýlega var sett fram sú hugmynd, að DNA-veirur hafi verið nauðsynlegt skref í þróun fyrstu örveranna, úr dularfullri fortíð sem kölluð hefur verið RNA-heimurinn. Um hann verður fjallað síðar á Vísindavefnum.

Samantekt.

  • Allar lífverur á jörðinni eru af sama meiði, veirur þar á meðal.
  • Líklegast er að veirur hafi þróast einu sinni á jörðinni.
  • Ekki er vitað hvenær þær urðu til í sögu lífsins á jörðinni, en mögulega á undan síðasta sameiginlega forföðurnum.

Tilvísanir:
  1. ^ Með örfáum undantekningum í erfðamengjum vissra korna í heilkjörnungum.
  2. ^ Og hvort það sé einsþátta eða tvíþátta, hvort erfðaefnið sé þýtt beint í prótín eða fjölfaldað áður, og eftir fleiri atriðum eins og mismun á erfðaefni, byggingu og fituhjúpum.
  3. ^ Hér er sem sagt ekki er um að ræða forfaðir múmínfjölskyldunnar sem skreið inn í eldstóna.
  4. ^ Á ensku er lífveran kölluð LUCA sem stendur fyrir 'last universal common ancestor'. Skammstöfunin SSF (síðasti sameiginlegi forfaðir) á íslensku virkar ekki jafnvel. En e.t.v. mætti notast við SíSaFo.
  5. ^ Reyndar fannst veira í sífreranum í Síberíu og hægt er að lesa meira um það í svari við spurningunni Þola veirur vel frost, hvað með veiruna sem veldur COVID-19? Einnig er hægt að rannsaka leifar veira sem innlimast í DNA, með því að skima raðir úr erfðamengjum lífvera.
  6. ^ Til samanburðar er ávaxtaflugan með um 360 milljónir og menn u.þ.b. 4.6 milljarða basapara í tvílitna mengjum sínum.
  7. ^ Human Rhinovirus Diversity and Evolution: How Strange the Change from Major to Minor. (Sótt 5.05.2021).
  8. ^ Stökkbreytist veiran sem veldur COVID-19 hraðar en aðrar RNA-veirur?. (Sótt 5.05.2021).

Heimildir:

Myndir:

Höfundur

Arnar Pálsson

erfðafræðingur og prófessor í lífupplýsingafræði við HÍ

Útgáfudagur

18.5.2021

Spyrjandi

Benedikt Logi Leifsson Sörensen

Tilvísun

Arnar Pálsson. „Hvaðan komu veirur og hvenær urðu þær til?“ Vísindavefurinn, 18. maí 2021. Sótt 18. júní 2021. http://visindavefur.is/svar.php?id=81738.

Arnar Pálsson. (2021, 18. maí). Hvaðan komu veirur og hvenær urðu þær til? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=81738

Arnar Pálsson. „Hvaðan komu veirur og hvenær urðu þær til?“ Vísindavefurinn. 18. maí. 2021. Vefsíða. 18. jún. 2021. <http://visindavefur.is/svar.php?id=81738>.

Chicago | APA | MLA

Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hvaðan komu veirur og hvenær urðu þær til?
Upprunalega spurningin hljóðaði svona:

Hver er uppruni veira og hver er saga þeirra? Hafa þær alltaf verið til?

Allt líf á jörðinni er af einum meiði. Þetta staðfesta nokkrar staðreyndir, erfðaefnið (DNA) og táknmálið er það sama í öllum lífverum,[1] og örvhentar amínósýrur (e. left handed amino acids) eru notaðar í byggingu ensíma allra lífvera. En hver er uppruni veira?

Best er að skipta spurningunni upp og svara lið fyrir lið: Eru veirur af sama meiði og aðrar lífverur? Hvenær urðu þær til í þróunarsögunni? Urðu þær kannski til oft á jörðinni? Margt torveldar viðleitni líffræðinga til að svara þessum spurningum. Veirur eru agnarsmáir sníklar sem fjölga sér inni í frumum. Þær hafa flestar mjög lítil erfðamengi sem skrá fyrir mjög ólíkum prótínum. Að síðustu, þróast þær gríðarlega hratt, geta til dæmis myndað þúsund afrit af sér á sólarhring.

Eru veirur af sama meiði og aðrar lífverur?

Veirur eru sníkjulífverur, sem byggja fjölgun sína á því að komast inn í frumur og nýta orku þeirra og sameindakerfi. Því er öruggt að veirur eiga sama uppruna og aðrar lífverur á jörðinni. Þær komu ekki utan úr geimnum enda eru þær byggðar af sömu sameindum og önnur lífsform á jörðinni. Til dæmis hafa þær annað hvort DNA eða RNA-erfðaefni, allar lífverur á jörðinni nota DNA sem erfðaefni og RNA til að túlka það. Veirur eru flokkaðar eftir erfðaefni.[2] Veirur narra frumur til að eftirmynda erfðaefnið sitt, og til að framleiða prótín og mynda himnur ef þeirra er þörf. Það er því veirunum lífsnauðsynlegt að vera samrýmanlegar frumunum sem þær sníkjast í.

Mynd 1. Bygging veira getur verið af ýmsu tagi eins og sést á þessum rafeindasmásjármyndum af þráðlaga ebóluveiru (til vinstri) og adenóveirum sem eru á formi tuttuguflötungs (til hægri). Það er uppröðun prótíneininga sem ræður lögun veiruhylkisins.

Hvenær urðu þær til, eða hversu oft urðu þær til í þróunarsögunni?

Fjórar megintilgátur hafa verið settar fram um uppruna veira í þróunarsögunni.
  1. Að veirur hafi orðið til eftir síðasta sameiginlega forföður heilkjörnunga.
  2. Að þær hafi sprottið upp áður að sá forfaðir varð til.
  3. Að þær hafi orðið til áður en frumur urðu til.
  4. Að veirur hafi orðið til nokkrum sinnum, jafnvel sumar fyrir og aðrar eftir uppruna sameiginlega forföðursins.

Nú má spyrja, hver var þessi forfaðir? „Forfaðirinn“ var lífvera sem var síðasti sameiginlegi forfaðir allra tegunda örvera og fjölfrumunga á jörðinni.[3]

Allir heilkjörnungar, dýr, sveppir, plöntur og einfruma ættingja okkar, eru af einum meiði og fyrir langa löngu, djúpt aftur í þróunarsögunni, áttum við síðasta sameiginlega forföður. Það var einstaklingur sem allar heilkjarnalífverur geta rakið sig til. Lífríkið skiptist í þrjá meginhópa, heilkjörnunga, bakteríur og arkeur (stundum kallaðar fornbakteríur, þótt þær séu ekkert fornari en bakteríur). Eins og heilkjörnungar eiga sameiginlegan forföður er ljóst að fyrir milljörðum ára áttu bakteríur, arkeur og heilkjörnungar sinn síðasta sameiginlega forföður.[4]

Erfðamengi veira eru smá með litlar upplýsingar

Hvernig má prófa tilgátur um uppruna veira? Þær eru svo smáar að þær sjást ekki nema í mikilli stækkun í smásjá. Ekki er vitað til að þær steingervist og þær finnast ekki í gömlum jarðlögum. Eina leiðin til að skoða þær er að rannsaka eiginleika veira sem finnast í lífverum.[5] Bygging veira segir töluvert til um eiginleika þeirra og skyldleika en erfðaefnið og prótín eru skástu vísbendingarnar.

Erfðamengi flestra veira eru mjög lítil, þau hlaupa yfirleitt á þúsundum basa.[6] Kvefveira af gerð rhinoveira er til dæmis með um 7200 basa[7] en SARS-CoV-2 um 29.900 basa.[8] Stærstu erfðamengi veira eru samt ansi stór. Stærsta þekkta erfðamengið er í Pandoravirus salinus (í hópi Pandóruveira), en talið er að mengi hennar sé 2473870 basapör. Það er stærra en erfðamengi sumra baktería. Flestar þekktar veirur hafa hins vegar lítil mengi. Því minni mengi, því minni líkur eru á að gen og eiginleikar finnist í ólíkum gerðum. Enda kom í ljós að samanburður á erfðaefni og amínósýruröð prótínana sem mengi skrá fyrir, dugar aðallega til að raða náskyldum veirum (eins og kórónuveirum) í hópa. Merkilegt nokk, kom í ljós að tveir meginflokkar veira (RNA og DNA-veirur) deila ensímum sem kallast helikasar. Þessi ensím virðast hafa þróast einu sinni, og verið til staðar í sameiginlegum forföður beggja flokka veira. Gögn af þessu tagi afsanna því, að því er virðist, tilgátuna að veirur hafi þróast oft á jörðinni. Þau duga hinsvegar ekki til að svara því hvar dýpsta rótin í ættartré þeirra liggur.

Mynd 2. Skýringarmynd af veiruögn. Sýnt hefur verið fram á að hjúpprótín mjög ólíkra veira hafa sömu grundvallaruppbyggingu.

Hliðstæða í byggingu en ekki röð prótína

Jafnvel smæstu erfðamengi veira skrá fyrir einhverjum prótínum. Gróft má flokka þau í hjúpprótín (sem mynda skeljar eða ytra byrði veira, samanber skel HIV-veirunnar) og vinnuprótín (sem hjálpa með fjölföldun og að véla hýsilfrumuna til samstarfs). Nýleg niðurstaða úr rannsóknum á byggingu veira var að hjúpprótín mjög ólíkra veira hafa sömu grundvallarbyggingu. Þannig að prótín sem sýna engan skyldleika (þegar röð amínósýra beggja eru bornar saman) hafa sama þrívíddarform. Tvær mögulegar skýringar eru á þessu. Önnur er sú að prótínin séu öll af sama meiði, sem myndi styðja tilgátuna um að veirur hafi komið fram mjög snemma og líklega á undan síðasta forföðurnum. Hin skýringin er að samhliða þróun (e. convergent evolution) eða genaflutningur (e. horizontal gene transfer) hafi orsakað mynstrið. Margir telja að genaflutningur sé sjaldgæfur í veiruríkinu, og því líklegra að veirur hafi orðið til fyrir síðasta sameiginlega forföðurinn. En ef gögnin eru túlkuð af varfærni viðurkennist að ráðgátan er óleyst. Rétt eins og spurningin um uppruna lífs. Reyndar gætu þessar tvær ráðgátur verið tengdar. Nýlega var sett fram sú hugmynd, að DNA-veirur hafi verið nauðsynlegt skref í þróun fyrstu örveranna, úr dularfullri fortíð sem kölluð hefur verið RNA-heimurinn. Um hann verður fjallað síðar á Vísindavefnum.

Samantekt.

  • Allar lífverur á jörðinni eru af sama meiði, veirur þar á meðal.
  • Líklegast er að veirur hafi þróast einu sinni á jörðinni.
  • Ekki er vitað hvenær þær urðu til í sögu lífsins á jörðinni, en mögulega á undan síðasta sameiginlega forföðurnum.

Tilvísanir:
  1. ^ Með örfáum undantekningum í erfðamengjum vissra korna í heilkjörnungum.
  2. ^ Og hvort það sé einsþátta eða tvíþátta, hvort erfðaefnið sé þýtt beint í prótín eða fjölfaldað áður, og eftir fleiri atriðum eins og mismun á erfðaefni, byggingu og fituhjúpum.
  3. ^ Hér er sem sagt ekki er um að ræða forfaðir múmínfjölskyldunnar sem skreið inn í eldstóna.
  4. ^ Á ensku er lífveran kölluð LUCA sem stendur fyrir 'last universal common ancestor'. Skammstöfunin SSF (síðasti sameiginlegi forfaðir) á íslensku virkar ekki jafnvel. En e.t.v. mætti notast við SíSaFo.
  5. ^ Reyndar fannst veira í sífreranum í Síberíu og hægt er að lesa meira um það í svari við spurningunni Þola veirur vel frost, hvað með veiruna sem veldur COVID-19? Einnig er hægt að rannsaka leifar veira sem innlimast í DNA, með því að skima raðir úr erfðamengjum lífvera.
  6. ^ Til samanburðar er ávaxtaflugan með um 360 milljónir og menn u.þ.b. 4.6 milljarða basapara í tvílitna mengjum sínum.
  7. ^ Human Rhinovirus Diversity and Evolution: How Strange the Change from Major to Minor. (Sótt 5.05.2021).
  8. ^ Stökkbreytist veiran sem veldur COVID-19 hraðar en aðrar RNA-veirur?. (Sótt 5.05.2021).

Heimildir:

Myndir:...