Magyar tanulmány fedi fel a vírusok evolúciójának kaotikus természetét – nehéz lesz így előrejelezni a jövőbeli járványhullámokat

A COVID-19 pandémia alatt megtapasztalhattuk, hogy az újonnan felbukkanó variánsok rendre  felborították a várakozásokat, újabb és újabb nehézségeket okozva. A brit variáns (későbbi nevén alfa) megjelenésekor például sokan már a nyitásra készültek, ám a szegedi járványmodellező matematikusok már jóval előre jelezték a harmadik járványhullámot, amit ez a variáns okozott a megnövekedett terjedési képessége miatt.  A világjárvány megmutatta, mennyire nehéz megjósolni a vírusok evolúcióját – az Egészségbiztonság Nemzeti Laboratórium kutatóinak új tanulmánya elméleti alapot ad arra, hogy megértsük, miért.

A COVID-19 világjárvány során tapasztalt bizonytalanságokkal összecsengő új felfedezés szerint a vírusok evolúciója kaotikus és kiszámíthatatlan is lehet – különösen akkor, ha választaniuk kell az immunrendszer kikerülése és a fertőzőképesség növelése között.

Ezt az úgynevezett trade-off jelenséget a virológusok kimutatták például bizonyos omikron variánsok összehasonlításakor. Garab Ábel, Golsa Sayyar és Röst Gergely, a Szegedi Tudományegyetem matematikusai munkájukban egy olyan új evolúciós modellt alkottak, amely ezt a jelenséget is figyelembe veszi. 

„A modellünk azt mutatja be, hogyan változnak az egymással versengő vírustörzsek, miközben egyensúlyoznak a terjedési hatékonyság és az immunelkerülési képesség között” – mondta Röst Gergely. „Meglepő módon azt találtuk, hogy ez az evolúciós huzavona nem mindig vezet kiszámítható kimenetelhez – sőt, gyakran kaotikus viselkedés a jellemző.”

A modell három lehetséges hosszú távú viselkedést tárt fel. Az egyik a konvergencia, amely során a vírus jellemzői kiegyensúlyozottá válnak, és ugyan jönnek új variánsok, de azok hasonló méretű ismétlődő hullámokat okoznak. A másik tipikus viselkedés, amikor nagyobb és kisebb hullámok követik egymást, és a domináns törzsek felváltva válnak hol nagyon fertőzővé, hol nagyon immunelkerülővé.

A legmegdöbbentőbb, hogy kaotikus viselkedés is lehetséges, amely során a jövőbeli vírus jellemzői alapvetően előrejelezhetetlenné válnak, és összevissza nagyságú járványhullámokat tapasztalunk sorra. Az utóbbi jelenséget úgynevezett bifurkációs diagramok segítségével vizualizálták a kutatók, amelyek bemutatják, miként csúszik át a rendszer egyszerűből bonyolult, kiszámíthatatlan viselkedésűvé. 

A káoszelmélet olyan rendszerek matematikai leírásával foglalkozik, amelyekben viszonylag egyszerű szabályok okoznak bonyolult, kiszámíthatatlan viselkedést. A kaotikus viselkedés egyik jellemzője a kiindulási állapotra való érzékenység, amit pillangó-effektusnak is szoktak nevezni: egy nagyon apró változás, mint például egy pillangó szárnycsapása nagymértékben megváltoztathatja a rendszer hosszútávú működését.

A kaotikus dinamika megjelenik az élet számos területén, például az időjárási előrejelzésekben, a kettős inga viselkedésében, a három-test probléma kiszámíthatatlanságában, és mint a szegedi matematikusok munkájából most kiderült, a vírusok evolúciójában is.

A következtetések hatással vannak a közegészségügyi stratégiákra, a vakcinafejlesztésre és a világjárványokra való felkészülésre is. Ha a vírusok evolúciója valóban kaotikus lehet, akkor a hosszú távú előrejelzések megbízhatósága korlátozott, és ehelyett a rugalmasságra, gyors reagálásra és adaptív megközelítésekre kell helyezni a hangsúlyt. Ezen komplexitás felismerése és elfogadása lehet a kulcs ahhoz, hogy hogy ne csak szaladjunk a vírusok után, hanem legalább egy lépéssel előttük járjunk.