Оптимальная вирулентность — это концепция, касающаяся экологии хозяев и паразитов . Одним из определений вирулентности является потеря приспособленности хозяина, вызванная паразитами . Приспособленность паразита определяется его успешностью в передаче потомства другим хозяевам. В течение примерно 100 лет считалось, что вирулентность снижается и паразитические отношения развиваются в сторону симбиоза . Это даже назвали законом снижения вирулентности, хотя это была гипотеза, а не теория. Это утверждение оспаривалось с 1980-х годов и было опровергнуто. [1] [2]
Слишком ограниченный патоген проиграет в конкуренции более агрессивному штамму, который отвлекает больше ресурсов хозяина на собственное размножение . Однако хозяин, являющийся в некотором смысле ресурсом и средой обитания паразита, страдает от этой более высокой вирулентности . Это может вызвать более быструю смерть хозяина и подействовать против приспособленности паразита, уменьшая вероятность встречи с другим хозяином (убивая хозяина слишком быстро, чтобы обеспечить возможность передачи). Таким образом, существует естественная сила, оказывающая давление на паразита с целью «самоограничения» вирулентности. Идея состоит в том, что существует точка равновесия вирулентности, где приспособленность паразита наиболее высока. Любое движение по оси вирулентности в сторону большей или меньшей вирулентности приведет к снижению приспособленности паразита к паразиту и, таким образом, будет подвергнуто отбору.
Пол В. Эвальд исследовал взаимосвязь между вирулентностью и способом передачи. Он пришел к выводу, что вирулентность обычно остается особенно высокой при инфекциях, передающихся через воду и трансмиссивных инфекциях, таких как холера и лихорадка денге . Холера распространяется через нечистоты, а лихорадка денге – через комаров . В случае респираторных инфекций выживание возбудителя зависит от амбулаторного хозяина. Он должен пощадить хост достаточно долго, чтобы найти нового хоста. Передача через воду или переносчиками инфекции устраняет необходимость в мобильном хосте. Эвальд убежден, что перенаселенность полевых госпиталей и позиционная война обеспечили легкий путь передачи инфекции, которая привела к вирулентности пандемии гриппа 1918 года . В таких обездвиженных, переполненных условиях патогены могут вызвать серьезное заболевание людей и при этом перескочить на здоровых людей.
Другие эпидемиологи расширили идею компромисса между издержками и выгодами от вирулентности. Одним из факторов является время или расстояние между потенциальными хозяевами. Путешествия на самолетах, перенаселенные промышленные фермы и урбанизация — все это рассматривается как возможные источники вирулентности. Другим фактором является наличие множественных инфекций у одного хозяина, что приводит к усилению конкуренции между патогенами. В этом сценарии хозяин может выжить только до тех пор, пока он сопротивляется наиболее вирулентным штаммам. Преимущество стратегии низкой вирулентности становится спорным. Множественные инфекции также могут привести к обмену генами среди патогенов, что увеличивает вероятность летальных комбинаций.
Существуют три основные гипотезы о том, почему патоген развивается именно так. Эти три модели помогают объяснить стратегии жизненного цикла паразитов, включая размножение, миграцию внутри хозяина, вирулентность и т. д. Тремя гипотезами являются гипотеза компромисса, гипотеза недальновидной эволюции и гипотеза случайной эволюции. Все это дает окончательное объяснение вирулентности патогенов.
Одно время некоторые биологи утверждали, что патогены будут иметь тенденцию развиваться в сторону все более снижающейся вирулентности, поскольку смерть хозяина (или даже серьезная инвалидность) в конечном итоге наносит вред живущему внутри патогену. Например, если хозяин умирает, популяция патогенов внутри него может полностью вымереть. Поэтому считалось, что менее вирулентные патогены, которые позволяют хозяину передвигаться и взаимодействовать с другими хозяевами, должны иметь больший успех в размножении и распространении.
Но это не обязательно так. Штаммы патогена, убивающие хозяина, могут повышать вирулентность до тех пор, пока патоген может передаваться новому хозяину, как до, так и после смерти хозяина. Эволюция вирулентности патогенов представляет собой баланс между издержками и выгодами от вирулентности для патогена. Например, исследования малярийного паразита с использованием моделей грызунов [3] и кур [4] показали, что существует компромисс между успешностью передачи и вирулентностью, определяемой смертностью хозяина.
Недальновидная эволюция предполагает, что черты, которые увеличивают скорость размножения и передачу новому хозяину, будут приобретать высокую частоту в популяции патогена. Эти черты включают способность быстрее размножаться, размножаться быстрее, размножаться в большем количестве, жить дольше, выживать против антител или выживать в частях тела, в которые возбудитель обычно не проникает. Эти черты обычно возникают из-за мутаций, которые чаще возникают в популяциях патогенов, чем в популяциях-хозяевах, из-за быстрого времени генерации и огромного количества патогенов. Всего через несколько поколений частота мутаций, способствующих быстрому размножению или расселению, увеличится. Те же мутации, которые усиливают размножение и распространение возбудителя, также повышают его вирулентность у хозяина, причиняя большой вред (болезни и смерть). Если вирулентность возбудителя убивает хозяина и препятствует его собственной передаче новому хозяину, вирулентность будет выбрана против. Но пока передача продолжается, несмотря на вирулентность, преимущество имеют вирулентные патогены. Так, например, вирулентность часто возрастает внутри семей, где вероятна передача от одного хозяина к другому, независимо от того, насколько болен хозяин. Аналогичным образом, в густонаселенных условиях, таких как лагеря беженцев, вирулентность имеет тенденцию увеличиваться с течением времени, поскольку новые хозяева не могут избежать вероятности заражения.
Некоторые формы патогенной вирулентности не развиваются совместно с хозяином. Например, столбняк вызывает почвенная бактерия Clostridium tetani . После того, как бактерии C. tetani попадают в рану человека, бактерии могут быстро расти и делиться, даже если человеческое тело не является их нормальной средой обитания. При делении C. tetani вырабатывает нейротоксин , смертельный для человека. Но именно отбор в ходе нормального жизненного цикла бактерии в почве приводит к выработке этого токсина, а не какая-либо эволюция с участием человека-хозяина. Бактерия случайно оказалась внутри человека, а не в почве. Можно сказать, что нейротоксин не направлен на человека-хозяина.
В более общем смысле, вирулентность многих патогенов у человека может быть не самой целью отбора, а скорее случайным побочным продуктом отбора, который воздействует на другие признаки, как в случае с антагонистической плейотропией .
Потенциал вирулентности существует всякий раз, когда патоген проникает в новую среду, хозяина или ткань. Новый хозяин, скорее всего, будет плохо адаптирован к злоумышленнику либо потому, что у него не выработана иммунологическая защита, либо из-за случайной уязвимости. Во времена перемен естественный отбор благоприятствует мутациям, которые используют нового хозяина более эффективно, чем штамм-основатель, предоставляя возможность прорыву вирулентности.
Восприимчивость хозяина способствует вирулентности. Как только происходит передача, возбудитель должен закрепить инфекцию, чтобы продолжить свое существование. Чем компетентнее иммунная система хозяина, тем меньше шансов выжить у паразита. Чтобы найти достаточно уязвимый хост, может потребоваться несколько событий передачи. В это время захватчик зависит от выживания своего нынешнего хозяина. Оптимальными условиями для высокой вирулентности было бы сообщество с иммунной дисфункцией (и/или плохой гигиеной и санитарией ), которое во всех других отношениях было бы максимально здоровым (например, оптимальное питание ).
Модель компромисса в настоящее время получила широкое признание. В нем подчеркивается, что каждую комбинацию хозяин-возбудитель необходимо рассматривать индивидуально. Не существует общего эволюционного закона, позволяющего предсказать, как будут развиваться эти отношения, и, конечно, нет оправдания для предположения о неизбежности снижения вирулентности.
Прямых доказательств того, что вирулентность снижается с течением времени, практически нет. Хотя недавно возникшие патогены, такие как ВИЧ и Mers, часто обладают высокой вирулентностью, обратное неверно. Существует множество древних болезней, таких как туберкулез и гонорея, которые сегодня, вероятно, так же опасны, как и когда-либо.