Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №2/2003

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

М.Г. ДОМШЛАК

Путешествие в невидимый мир

Естествознание так ясно показывает,
что самое таинственное,
самое волшебное протекает необыкновенно просто,
открыто и без всякой магии.

В.Гете

Пролог

Коль много микроскоп нам тайности открыл.

М.В. Ломоносов

В ХVII столетии в семье голландского ремесленника Левенгука родился мальчик. Его назвали Антоний. Он стал галантерейщиком, когда вырос. Но всю жизнь Антоний увлекался шлифовкой увеличительных стекол. В этом деле он достиг необычайных успехов. Его двояковыпуклые линзы давали четкие, ясные изображения с увеличением до 300 раз. Это гораздо больше, чем можно было получить с помощью доступных тогда двухлинзовых микроскопов.

С помощью своих линз Левенгук увидел многое, до того невидимое. Он смог увидеть даже бактерии – им описаны бациллы, кокки и спириллы. Способ изготовления линз Левенгук держал в секрете, поэтому вновь увидеть бактерии ученые смогли лишь в XIX в., когда научились делать хорошие микроскопы. Работы Левенгука открыли путь к исследованиям нового мира – мира микроорганизмов.

Почти детективная история

...Его имя в науке о вирусах следует рассматривать почти в том же свете, как имена Пастера и Коха в бактериологии. Имеются все основания считать Ивановского отцом новой науки – вирусологии...

У.Стэнли

В 1887 г. в Крыму плантации табака поразила неизвестная болезнь: листья растений покрывались сложным абстрактным рисунком, растекавшимся по листу, словно краска, переливающаяся с одного листа на другой, от одного растения к другому. Сельское хозяйство несло большие убытки.

Д.И. ИвановскийНа место происшествия был направлен выпускник Санкт-Петербургского университета Д.И. Ивановский. Молодой ученый решил выяснить, какая бактерия вызывает болезнь табака. Надо отметить, что расцвет микробиологии пришелся на конец XIХ столетия. Микроскоп есть, методы приготовления и окраски препаратов известны. Стало быть, доказать микробную природу поражения будет нетрудно. Однако задача оказалась весьма не простой.

Д.И. Ивановский

Лист, пораженный вирусом табачной мозаикиПросмотр огромного количества препаратов, приготовленных из экстрактов больных листьев, не принес удачи. Не удалось получить ответ на вопрос: есть ли микробы в экстрактах из пораженных листьев? В то же время при заражении здоровых листьев соком из больных (инъекции в толщу здоровых листьев) результат был всегда одинаковым: здоровые листья заболевали через 10–15 дней. Это напоминало инкубационный период, свойственный любой инфекции, в течение которого микробы, размножаясь, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Но прямого доказательства не было.

Лист, пораженный вирусом табачной мозаики

Исследователь не сдается, ставит опыты на питательных средах (их в это время уже использовали для культивирования микроорганизмов). Но неудачи преследуют ученого. Неужели это тупик? Нет! Еще не проверен метод фильтрации. Во Франции Шамберлан, ученик и друг знаменитого Пастера, уже изготовил бактериальный фильтр – «свечу Шамберлана» из фарфора с крайне мелкими порами, не пропускающими самые мелкие микробы, видимые в микроскоп.

Ивановский фильтрует сок из больных листьев через этот фильтр. Идея проста, профильтрованный сок не должен содержать микробов. И, следовательно, не сможет заразить здоровые листья табака. Но к изумлению исследователя, при нанесении капли абсолютно прозрачной жидкости на здоровые листья на них появляется характерный абстрактный рисунок, т.е. развивается болезнь. Вывод один – в отфильтрованном соке растения есть неизвестные микробы – возбудители мозаичной болезни табака (ВТМ).

Рисунок Ивановского, изображающий вирусные кристаллы и аморфные вирусные включения в клетках мозаичного табака
Рисунок Ивановского, изображающий вирусные кристаллы и аморфные вирусные включения в клетках мозаичного табака

Д.И. Ивановский предположил, что ВТМ в тысячу раз меньше уже известных микробов, поэтому и прошли через бактериальный фильтр. Так были открыты новые микробы-невидимки» – фильтрующиеся вирусы (1892 г.).

Термин «вирус» (от лат. virus – яд) предложил голландец Бейеринк для обозначения инфекционной природы отфильтрованных растительных жидкостей. Название «фильтрующиеся вирусы» употребляли до конца 30-х - начала 40-х гг. ХХ столетия.

Микрофотографии разных вирусов

Микрофотографии разных вирусов

Впоследствии оказалось, что через мелкие поры (0,5 мкм) бактериальных фильтров могут проходить не только вирусы, но и так называемые L-формы бактерий. Следовательно, фильтруемость, определяемую малыми размерами, нельзя считать свойством, отличающим вирусы от других микроорганизмов, поэтому и оснований для сохранения определения «фильтрующиеся» не стало. Фильтрующиеся вирусы стали просто вирусами.

По следам, оставляемым хитрыми невидимками, дотошному исследователю удалось проникнуть в их тайну. Оказалось, что ВТМ может кристаллизоваться. В 1935 г. знаменитый вирусолог У.Стэнли подтвердил способность образовывать кристаллы и доказал возможность существования в кристаллическом виде не только ВТМ, но и ряда других вирусов. Так, термин «кристаллы Ивановского» получил признание.

Однако вирусы по-прежнему оставались неуловимыми и загадочными, ведь они крайне малы, их невозможно увидеть в световом микроскопе. Вот и получилось, что вирусы стали одними из первых биологических объектов, исследованных с помощью электронного микроскопа после его изобретения в 30-х гг. ушедшего столетия.

Империя вирусов

И задом наперед, совсем наоборот...
Если бы это было так,
это бы еще ничего, а если бы ничего,
оно бы так и было, но так как это не так,
так оно и не этак! Такова логика вещей.

Л.Кэррол, «Путешествие Алисы в Стране чудес»

Открытие вирусов началось с возбудителя табачной мозаики. В настоящее время вирусов известно великое множество, но они настолько малы, что по словам академика В.М. Жданова, коллекция, собранная из всех известных вирусов, «поместилась бы в коробочке размером с маковое зернышко».

Строение вируса табачной мозаики

Строение вируса табачной мозаики

Вирусы сопровождают все живое со дня рождения до самой смерти. Эти коварные невидимки приносят огромный вред. Больше половины всех заболеваний человека (более 500 различных вирусных инфекций) на «совести» вирусов. Они поражают животных, растения и даже ближайших своих «родственников» по микромиру – бактерии.

«Империя вирусов – империя зла». На протяжении тысячелетий злодеяния вирусов (оспа, бешенство, грипп, полиомиелит, рак, энцефалиты, корь, свинка и другие заболевания человека; ящур, лейкозы, инфекционная анемия, псевдобешенство и др. – у животных; морщинистая и полосчатая мозаика картофеля, мозаика и стрик томата, мозаика табака и свеклы, желтуха свеклы, закукливание злаков и т.д.) оставались безнаказанными. Первые успехи в борьбе с вирусами пришли относительно недавно.

Свойства вирусов

Вирусы – мельчайшие живые организмы. Их размеры меньше половины длины световой волны, поэтому их измеряют в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Размеры вирусов колеблются в пределах от 20 до 300 нм. Вирусы не способны расти на искусственных питательных средах и развиваются только в живых клетках.

Однако со временем выяснилось, что кроме вирусов существуют и бактерии, размеры которых не более 0,5 мкм. Это риккетсии, названные в честь первооткрывателя, американского ученого Х.Т. Риккетса, (группа возбудителей пятнистой лихорадки Скалистых гор, сыпного тифа, от которого и умер исследователь), хламидии (возбудитель трахомы, воспаления легких, паховой гранулемы и др.) и микоплазмы. Мало того, эти микроорганизмы также не растут на питательных средах. Не способен расти на искусственных питательных средах и такой простейший, как малярийный плазмодий. Всем им для существования необходима живая клетка В этой фразе пропущено слово «только». Случайно ли это?

Сегодня ученые «предложили» вирусам размножаться не только в изолированных клетках, но и на субклеточных структурах (изолированных ядрах, митохондриях, рибосомах). И, представьте, им пришлось это «по вкусу».

Таким образом, два критерия, по которым вирусы были ранее выделены среди микроорганизмов, потерпели фиаско. Возникают вопросы: кто или что такое вирусы и чем они отличаются от других представителей микромира?

Вирусы устроены довольно просто. Самые простые состоят из нуклеиновых кислот и белков. Генетический аппарат вирусов представлен различными формами нуклеиновых кислот, такого разнообразия нет у других форм жизни. Как известно, у растений и животных генетический аппарат состоит из двухнитчатой ДНК, а РНК, выполняющая роль переносчика информации, всегда однонитчатая. У вирусов же природа будто бы опробовала все возможные варианты нуклеиновых кислот: одно- и двухнитчатая РНК, одно- и двухнитчатая ДНК. При этом ДНК может быть либо линейной, либо замкнутой в кольцо.

ДНК или РНК составляют сердцевину вируса, окруженную защитной белковой оболочкой – капсидом. Полностью сформированная вирусная частица называется вирионом. Некоторые вирусы (герпеса или гриппа) имеют также липопротеидную оболочку, образующуюся из плазматической мембраны клетки-хозяина. Вирусы, в отличие от всех остальных организмов, не имеют клеточного строения.

Оболочка вируса часто может быть построена из повторяющихся идентичных субъединиц – капсомеров. Из них образуются структуры с высокой степенью симметрии. Эти структуры и способны кристаллизоваться, что и обнаружил Д.И. Ивановский. Это свойство вирусов использовали для изучения их строения методами кристаллографии, основанными на применении рентгеновских лучей, и электронной микроскопии.

Здесь сделаем вынужденную остановку. И... отправимся на «игровую площадку» вирусов.

Игра без правил

1. Для борьбы с инфекциями люди с давних пор использовали разные дезинфицирующие средства. Сравнительно недавно для этих целей применяли 3–5%-ный раствор фенола (карболку), убивающий все микроорганизмы, а для обеззараживания небольших ран – различные спиртовые настойки.

У вирусов все не так! Нуклеиновую кислоту вируса выделяют с помощью фенола и хранят в спирту!

2. Антибиотики, убивающие бактерии, безвредны для вирусов.

3. Клетку, расчлененную на «простые» составные структуры (оболочку, цитоплазму, ядро, ядрышки, митохондрии, рибосомы и т.д.), невозможно восстановить. А вирусы возможно! В 1957 г. два немецких исследователя Гиррер и Шрамм разрушили вирус табачной мозаики, выделили по-отдельности нуклеиновую кислоту и белок. Затем они смешали эти части снова и получили исходный жизнеспособный вирус. Впоследствии были поставлены опыты по гибридизации вирусов. Смешивали нуклеиновую кислоту одного вируса (Аа) с белками другого вируса (Вв), и при этом получался жизнеспособный гибрид (Ав). По ряду свойств он был тождествен вирусу Аа. Однако в первом же поколении давал потомство вируса Вв. Таким образом, и у вирусов за передачу генетической информации ответственна нуклеиновая кислота.

Схема 1. Гибридизация вирусов

Оказалось, что такие гибриды образуются и естественным путем, вызывая хронические вирусные болезни.

Архитектура вирионов

Термин «архитектура вирионов» появился в начале 1960-х гг.

Вирионы – обычно симметричные тела, состоящие, как указано выше, из повторяющихся элементов – капсомеров. В основе строения вирионов, определяемого взаимодействиями белков между собой и с нуклеиновыми кислотами, лежат законы термодинамики, определяющие правильную кристаллообразную структуру вирионов. Эти структуры образуются в результате самосборки. Возможные ошибки во время этого процесса исправляются также в результате действия законов термодинамики. Кроме того, законы термодинамики объясняют и реконструкцию исходной структуры вириона при смешивании его отдельных составных частей.

Вирионы разных вирусов:

Вирионы разных вирусов:
а–вирус оспа-вакцины; б–вирус простого герпеса человека,
в–вирус гепатита В, г–аденовирус человека, д–вирус гриппа,
е–вирус гепатита А, ж–бактериофаг лямбда

Вирионы построены «с величайшей экономией» и обладают одним из двух типов симметрии: спиральной или кубической. По спиральному типу симметрии построено большинство вирусов, поражающих растения, человека (вирусы гриппа и свинки). По кубическому типу симметрии – многие вирусы человека и животных (аденовирусы, вызывающие респираторные заболевания, вирус полиомиелита, ящура и др.).

Сложные вирусы – вирусы гриппа и парагриппа, рабдовирусы, вирус оспы и бактериофаги (вирусы, поражающие бактерии). Вирус оспы – гигант среди вирусов.

Строение бактериофага

Строение бактериофага

Эволюционное происхождение вирусов

В последнее время принята гипотеза клеточного происхождения вирусов, согласно которой они произошли из «беглой» нуклеиновой кислоты. Иными словами, нуклеиновая кислота приобрела способность к реплицированию независимо от клетки, из которой она «сбежала». Однако нельзя забывать, что репликация такой нуклеиновой кислоты происходит за счет использования материала этой или других клеток. Следовательно, вирусы нельзя рассматривать как примитивных предшественников клеточных организмов. К этому вопросу мы вернемся в конце пути на остановке «Ретровирусы»

Продолжение следует

 

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru