Inne wpisy z tej serii Część 1: Spadochroniarze i lotniarze Część 2: Nietoperze, czyli lotnictwo dla zaawansowanych Część 3: Planeta nietoperzy Część 5: Nietoperze i język
Poligon eksperymentalny ewolucji
Nietoperze wyróżniają się liczbą i skalą innowacji w tych dziedzinach, w których ewolucja innych ssaków na ogół przebiegała leniwie. Już ponad 50 mln lat temu rozwinęły system precyzyjnej echolokacji ultradźwiękowej (choć potem niektóre go utraciły). Nawet jeżeli już wcześniej wydawały piski, nasłuchując echa, to dla zwierzątka krzątającego się w koronie drzewa albo w skalnej rozpadlinie orientacja w ciemnościach ma całkiem inną wagę niż dla lotnika, który w ułamku sekundy musi wykryć i ominąć twardą przeszkodę albo uniknąć hamowania nosem o skałę. Najmniejsze udoskonalenie emisji, odbierania lub analizy dźwięków może mieć poważne znaczenie adaptacyjne i szybko szerzyć się w populacji pod presją doboru naturalnego. Nietoperze echolokujące posiadają wrodzoną, utrwaloną genetycznie znajomość wzorca prędkości dźwięku1, ale muszą brać poprawki na zmiany tej prędkości w zależności od temperatury i wilgotności powietrza. To już nie jest wiedza wrodzona, tylko coś, czego każdy młody nietoperz musi się empirycznie nauczyć.
Badacze genetycznych podstaw ludzkich zdolności językowych przywiązują dużą wagę do faktu, że np. gen FOXP2, o którym wiadomo, że ma jakiś wpływ na prawidłowy rozwój mowy i przetwarzania języka, ewoluował „szybko” u wspólnych przodków rodzaju Homo, bo ludzie, podobnie jak neandertalczycy i denisowianie, mają dwie „unikatowo ludzkie” mutacje w jego sekwencji, podczas gdy np. u szympansa nic się nie zmieniło w porównaniu z przodkiem wszystkich łożyskowców.2 Ich gen FOXP2 nadal koduje dokładnie to samo białko, co u pradawnych łożyskowców 100 mln lat temu. Ta zachowawczość wynika stąd, że FOXP2 to ważny czynnik regulacyjny, kontrolujący aktywność genów kodujących inne białka. Jakakolwiek zmiana jego sekwencji aminokwasowej (i w konsekwencji struktury) może z wysokim prawdopodobieństwem zaburzyć prawidłowy rozwój organizmu. Dobór naturalny sprzyja utrzymaniu tego, co się sprawdziło w przeszłości, chyba że ewentualny zysk przystosowawczy z jakiejś mutacji stanowi „wygraną na loterii”, która, choćby mało prawdopodobna, będzie od razu silnie premiowana. Tak bywa u zwierząt, których przeżycie i sukces reprodukcyjny zależą od sprawności wokalnej i słuchowej, bo FOXP2 wpływa m.in. na liczbę neuronów i połączeń synaptycznych w obszarach centralnego układu nerwowego istotnych dla posługiwania się dźwiękami.
Człowiek nosi zatem w eksonie 7 genu FOXP2 dwie mutacje, z których jest dumny, bo odróżniają go od szympansa. U waleni utrwaliły się za to aż trzy mutacje wspólne dla całej grupy. To jednak niewiele w porównaniu z przyśpieszoną ewolucją FOXP2 u nietoperzy. W nadrodzinie Rhinolopoidea w eksonie 7 występuje jedna z dwu mutacji „unikatowo ludzkich”, ale szczególną zmienność u nietoperzy wykazuje ekson 17, który u niemal wszystkich innych ssaków – także u człowieka – zachował się bez zmian w pierwotnej postaci. U rodzaju Nycteris (bruzdonos) z podrzędu mroczkokształtnych odkryto w obrębie eksonu 17 aż osiem mutacji niesynonimicznych (powodujących zmianę kodowanego aminokwasu). Mutacje te nie zostały odziedziczone po ostatnim wspólnym przodku nietoperzy, tylko utrwalały się niezależnie u przodków poszczególnych rodzin. Co dały nietoperzom? Dokładnie nie wiadomo (bruzdonosy akurat nie są jakimiś mistrzami echolokacji), ale jeśli tak jesteśmy dumni z własnych dwu mutacji, powinniśmy na widok nietoperzy zdejmować czapki z głów. Warto pamiętać, że wokalizacje nietoperzy służą też do rozpoznawania się i porozumiewania. Co najmniej u kilku gatunków ten „język” jest przekazywany kulturowo, a nie biologicznie: młode nietoperze uczą się go w środowisku rodzinno-społecznym.
Gabinet osobliwości genetycznych
Podobnie jak u części naczelnych (wyraków i małp, łącznie z człowiekiem) i amerykańskich gryzoni z grupy Caviomorpha widzimy u nietoperzy tendencję do utraty genu GULO, kodującego enzym potrzebny do biosyntezy witaminy C. Gen jest uszkodzony w mniejszym stopniu niż u małp i u niektórych nietoperzy pozostaje w pewnym stopniu funkcjonalny. Mutacje upośledzajęce działanie GULO i zamieniające go w pseudogen zachodziły wielokrotnie niezależnie w różnych liniach rozwojowych nietoperzy. Świadczą one o tym, że dieta nietoperzy jest dostatecznie bogata w witaminę C, a zatem organizm nie musi sam jej produkować i gen GULO staje się zbędny.
Nietoperze, podobnie jak ptaki, mają intensywny metabolizm, a to z kolei oznacza tendencję do zmniejszania rozmiarów komórek. Im mniejsza komórka, tym wyższy stosunek powierzchni do objętości, co pomaga zwiększyć wymianę gazową między komórką a jej otoczeniem. Ale mniejsza komórka to także mniejsze jądro, a zatem pojawia się nacisk w kierunku zmniejszenia ilości DNA zawartego w chromosomach. Tym zwykle tłumaczy się fakt, że genomy nietoperzy są średnio mniejsze niż u pozostałych ssaków. Genom ludzki składa się z 3–3,1 mld par zasad – dość typowo jak na przeciętnego ssaka. Genomy nietoperzy zawierają średnio niewiele ponad 2 mld par zasad. Nie różnią się jednak od genomu ludzkiego, jeśli chodzi o liczbę genów kodujących białka lub produkujących funkcjonalne RNA. Odchudzenie dotyczy DNA nie pełniącego istotnych funkcji („śmieciowego”). Mimo eliminacji części zbędnego DNA nietoperze zachowują wielką liczbę sekwencji pochodzących od zasymilowanych wirusów endogennych. Z kolei retrotranspozony typu LINE-1, występujące powszechnie u ssaków w wielkiej liczbie kopii, a u człowieka stanowiące ok. 17% składu genomu, zanikły całkiem u rudawkowatych. Dlatego mają one średnio jeszcze mniejsze genomy niż inne nietoperze.
Latanie to zdrowie i długie życie
Do wyjątkowych cech nietoperzy (gdy porównamy je z innymi ssakami) należą między innymi: długowieczność, żelazne zdrowie i niemal nadprzyrodzona umiejętność radzenia sobie z wirusami. Wampir zwyczajny (Desmodus rotundus), ważący 25–40 g, osiąga w stanie dzikim wiek ok. 15 lat, natomiast dwukrotnie cięższy gronostaj rzadko dożywa 5–6 lat. Maleńki nocek syberyjski (Myotis sibiricus) ma masę ciała 4–8 g. Ssak tej wielkości (porównywalny z badylarką lub ryjówką aksamitną) nie powinien żyć dłużej niż od półtora do dwóch lat. Tymczasem nocki syberyjskie dożywają nierzadko 20–30 lat, a jeden rekordzista został zaobserwowany żywy 41 lat po zaobrączkowaniu. Inne gatunki z rodzaju Myotis też żyją przynajmniej ok. 7 lat. Ich telomery (powtarzalne sekwencje DNA na końcach chromosomów, zabezpieczające je przed uszkodzeniem) nie skracają się z wiekiem przy podziałach komórkowych. U niektórych gatunków enzym telomeraza uaktywnia się podczas hibernacji, odbudowując skrócone telomery (tak jakby tkanki nietoperza ulegały odmłodzeniu podczas snu). Mogłoby się z tym wiązać ryzyko niekontrolowanych podziałów komórkowych, czyli rozwoju nowotworów, ale organizm nietoperza potrafi sobie z tym radzić dzięki mechanizmom naprawy DNA starannie nadzorującym każdy podział. Nietoperze zatem nie tylko żyją długo, ale nie wykazują typowych oznak starzenia się, a nowotwory są u nich rzadsze niż u innych ssaków (wyjąwszy kilka innych dziwów natury, jak np. golce, osobliwe gryzonie afrykańskie, również długowieczne i odporne na nowotwory).
Nietoperz zużywa mnóstwo energii, latając, a oszczędza ją podczas przerw w lataniu (inaczej groziłaby mu śmierć głodowa). Serce lecącego nietoperza może wykonywać 800–1000 uderzeń na minutę, a w spoczynku do 200–300 uderzeń na minutę (pi razy oko, bo różnice między gatunkami mogą być znaczne). Gatunki hibernujące mogą obniżać tętno do kilkunastu lub kilkudziesięciu uderzeń na minutę przy jednoczesnym spadku temperatury ciała. Gwałtowne przyśpieszenie przemiany materii podczas lotu mogłoby spowodować stres oksydacyjny i zatrucie produktami własnego metabolizmu, które uszkadzają DNA i mogą prowokować gwałtowną reakcję układu odpornościowego. Każy lot groziłby nietoperzowi stanem zapalnym przechodzącym w niebezpieczną burzę cytokinową. Nietoperze jednak niewiele sobie z tego robią. Mają wydajne mitochondria, produkujące jak najmniej reaktywnych form tlenu; ich komórki szybko rozpoznają i rozkładają uszkodzone białka i organella w procesie autofagii; podczas wysiłku wzrasta produkcja białek szoku cieplnego chroniących przed skutkami stresu – itd. Przede wszystkim zaś nietoperze rozwinęły wiele strategii pozwalających trzymać w ryzach odpowiedź immunologiczną na czynniki stresowe i hamujących procesy zapalne. Ich układ odpornościowy działa flegmatycznie i z chłodną rozwagą.
Nietoperze a wirusy
Wiąże się z tym kolejna supermoc nietoperzy: ich stosunki z wirusami. Nietoperze to ssaki wysoce społeczne. Jak widzieliśmy, już 50 mln lat temu ich protoplaści tworzyli duże kolonie w jaskiniach. Dziś w takich koloniach mogą żyć tysiące, a czasem nawet setki tysięcy osobników. Liczebność największej znanej kolonii, którą w sezonie letnim tworzą moloski brazylijskie (Tadarida brasiliensis) w jaskini Bracken pod San Antonio w Teksasie, szacowana jest na 15–20 mln osobników tłoczących się w liczbie nawet po 3000 na metr kwadratowy. Łatwo sobie wyobrazić, jakim rajem dla wirusów jest masa potencjalnych ofiar zgromadzona w ograniczonej przestrzeni, gdzie każda możliwa droga zakażenia stoi otworem. Gromadnie żyjące nietoperze powinny być łatwym łupem dla każdego sprytnego wirusa; powinny je zatem dziesiątkować nieustanne epidemie. Dzięki skrzydłom nietoperze są wysoce mobilne i mogą łatwo przenosić wirusy na znaczne odległości.
Tymczasem mechanizmy, które pomagają nietoperzom radzić sobie ze wzmożeniem własnego metabolizmu podczas lotu, sprawdzają się także w przypadku infekcji wirusowych. Układ odpornościowy nietoperza nie stawia na nogi wszystkich naraz sił obronnych, żeby za wszelką cenę wyeliminować agresora. Reaguje bez paniki, systematycznie ograniczając szkody, ale jednocześnie nie dopuszczając do rozwoju stanów zapalnych. Wygląda na to, że nietoperze znalazły złoty środek – idealną równowagę między walką z wirusami a tolerowaniem ich obecności.
Nietoperze nie są niezniszczalne. Nie są bardziej niż my odporne na zwykłe bakterie, zarodźce czy grzyby pasożytnicze. Ale z pasożytami wewnątrzkomórkowymi, jak wirusy (zarówno DNA i RNA), radzą sobie doskonale. Już pierwsze linie obrony, czyli wrodzona odporność nieswoista, wstępne rozpoznawanie patogenów i hamowanie procesów translacji w przypadku wykrycia „włamania”, są znacznie bardziej wyrafinowane niż u innych ssaków (takich jak Homo sapiens). Jak wiele innych cech nietoperzy, ukształtowały się pod brutalnie skutecznym naciskiem selekcyjnym dziesiątki milionów lat temu. Bogata „biblioteka” wirusów endogennych wbudowanych w genom nietoperzy – a wiele z nich jest praktycznie nieuszkodzonych i teoretycznie zdolnych do reaktywacji – nie tylko dokumentuje różnorodność infekcji, z jakimi stykały się nietoperze w trakcie swojej ewolucji, ale zapewne ma też znaczenie dla funkcjonowania układu odpornościowego. Wirusy wszelkiego typu były dla nietoperzy „od zawsze” zagrożeniem numer jeden. Ludzie (i to nie wszyscy) żyją w wielkich zatłoczonych miastach od kilkuset, góra kilku tysięcy lat. Nietoperze – co najmniej dziesięć tysięcy razy dłużej.
Wchodzenie w szczegóły (zresztą zbadane tylko częściowo i u nielicznych gatunków), wymagałoby osobnej serii wpisów i byłoby zadaniem dla eksperta w dziedzinie immunologii. Tu musi wystarczyć konstatacja, że nietoperze przechodzą praktycznie bezobjawowo, bez bólu, gorączki czy osłabienia, większość infekcji wirusowych, nie wyłączając tych, które dla innych ssaków są zabójcze i przed którymi drżą ludzie. Wystarczy wspomnieć filowirusy Ebola i Marburg wywołujące gorączki krwotoczne, wirusa Nipah powodujący śpiączkę i zapalenie mózgu (śmiertelność u ludzi rzędu 50–75%), czy wreszcie różne warianty koronawirusów typu SARS (w tym naszego dobrego znajomego z ostatnich lat, SARS-CoV-2).
Skąd przyjdzie następna pandemia?
Kolonie nietoperzy są ogromnym i wciąż słabo zbadanym naturalnym laboratorium ewolucji wirusów. Od czasu do czasu nieuniknione jest przerzucenie się wirusa krążącego wśród nietoperzy na innego gospodarza. Tak na przykład przodek wirusów wścieklizny (Lyssavirus) uległ rekombinacji, która pozwoliła mu zakażać przedstawicieli drapieżnych (Carnivora) i w ten sposób poszerzyć sobie znacznie swój naturalny rezerwuar. Człowiek bywa raczej przypadkową ofiarą wirusa wścieklizny, ale w wielu innych przypadkach to populacja naszego gatunku staje się głównym środowiskiem skolonizowanym przez wirusa.
Jest to szczególnie prawdopodobne tam, gdzie splata się kilka czynników. Pierwszym jest obecność licznych gatunków nietoperzy tworzących gigantyczne kolonie. Tam można się spodziewać rezerwuarów dużej liczby szybko ewoluujących wirusów. Drugi czynnik – to kontakt nietoperzy ze zwierzętami domowymi albo nawet bezpośrednio z ludźmi. Nietoperze w głębi lasu deszczowego albo w jaskini oddalonej od ludzkich siedzib raczej nie stwarzają wirusom okazji do wypłynięcia na szerokie wody. Ludzie jednak wycinają lasy, aby zrobić miejsce swoim osiedlom i uprawom. W konsekwencji część miejscowej fauny wymiera. Przeżywają te gatunki, które potrafią się przystosować do obecności człowieka. Mogą to być dzikie ptaki, drobne ssaki drapieżne, gryzonie i niewielkie małpy, które już nieraz dzieliły się z człowiekiem swoimi patogenami, ale mogą to być równie dobrze nietoperze. Zakamarki domów mieszkalnych i budynków gospodarskich mogą im w zupełności odpowiadać. Ewentualny trzeci czynnik to kontakt człowieka z pośrednikami – gatunkami, na które wirusy pochodzące od nietoperzy już zdążyły się przenieść. Sprzyja temu np. handel dzikimi zwierzętami na tzw. mokrych targach, często niekontrolowany, nierozerwalnie powiązany z kłusownictwem i przemytem.
Choć zatem wybuch epidemii spowodowanej przez przeniesienie się wirusa z nietoperzy na ludzi może się zdarzyć wszędzie, gdzie żyją nietoperze i gdzie gęstość populacji ludzkiej jest duża, statystyka wskazuje na Azję Południowo-Wschodnią, Afrykę Równikową, a być może także Amazonię i Amerykę Środkową – zwłaszcza strefy na granicy lasów tropikalnych i obszarów świeżo zurbanizowanych – jako regiony, gdzie takie wydarzenie jest nie tylko możliwe, ale prawdopodobne. Zaznaczam jednak, że nie wolno z tego powodu demonizować nietoperzy. Istnieją na Ziemi znacznie dłużej niż małpy człekokształtne (nie wspominając o rodzaju Homo) i były sąsiadami ludzi od zarania dziejów. Rzadko wynikało stąd coś złego dla nas. Niebezpieczeństwo zoonoz (czyli chorób przenoszonych ze zwierząt na ludzi) ściągamy na siebie sami wskutek własnych nieprzemyślanych działań.
Przypisy
1) Niektóre nietoperze rozpoznają latające owady, na które polują, po akustycznym przesunięciu dopplerowskim powodowanym przez ruchy owada. Potrafią przy tym dostosowywać częstotliwość wydawanych pisków do prędkości lotu, aby skompensować zakłócający efekt Dopplera wynikający z ich własnego ruchu.
2) Nie licząc punktowych mutacji synonimicznych (zwanych też cichym), czyli takich, które nie powodują zmiany aminokwasów w kodowanym białku.
Opisy ilustracji
Ryc. 1. Kolonia rudawca sundajskiego (Rousettus amplexicaudatus) z rodziny rudawkowatych w jaskini–rezerwacie Monfort na wyspie Samal (Filipiny). Jaskinia jest zasiedlona przez ok. 2,3 mln nietoperzy. Mniej więcej tyle ludzi przebywa w Warszawie w ciągu dnia. Foto: Ranieljosecastaneda. Źródło: Wikimedia (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 2. Zidentyfikowane sekwencje genomów wirusów występujących u nietoperzy z podziałem na rodziny. Około jednej trzeciej stanowią koronawirusy (Coronaviridae). Źródło: Letko et al. 2020 (domena publiczna).
Ryc. 3. Handel dzikimi zwierzętami na targowisku w Mongla w stanie Szan (Mjanmar/Birma). Na pierwszym planie widać łuskowce (Manis sp.). Wirusy blisko spokrewnione z SARS-CoV-2, których pierwotnymi gospodarzami były nietoperze podkowce (Rhinolophus), zakażają także łuskowce. Istnieje hipoteza, że jakiś łuskowiec był pośrednikiem, z którego SARS-CoV-2 przeniósł się na ludzi, ma ona jednak zbyt słabe uzasadnienie. Foto: Dan Bennett. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 2.0).
Lektura dodatkowa
- Czego mogą nas nauczyć nietoperze: Irving et al. 2021.
- Zarys immunologii nietoperzy: Gorbunova et al. 2020.
- Jeden z artykułów, w których trafnie prognozowano możliwość wybuchu nowej epidemii spowodowanej przez koronawirusa pochodzącego od nietoperzy w Azji Południowo-Wschodniej. Bynajmniej nie trzeba było być jasnowidzem, żeby ją przewidzieć: Afelt et al. 2018.
