Е. Н. Воленко

Вирусы

Урок-семинар для 10-го класса

Цели урока: закрепить и расширить знания учащихся о неклеточных формах жизни – вирусах; познакомить с достижениями современной медицины и вирусологии; продолжить формирование умения учащихся работать с научной и научно-популярной литературой; развивать навыки по обобщению и систематизации полученных знаний.

Оформление: столы в классе ставятся так, чтобы образовался «круглый стол»; устанавливается трибуна; готовятся плакаты по темам «Строение вирусов»; «Размножение вирусов»; для небольшой инсценировки в начале урока ученики подбирают костюмы врача и пациента.

За две недели до семинара учащиеся выбирают темы сообщений. Учитель оказывает помощь в поиске научной и научно-популярной литературы и корректирует тексты сообщений. В течение этого же времени готовятся плакаты, проходят репетиции небольшой сценки.

Ход урока

Учитель. На сегодняшнем уроке, который пройдет в форме семинара, мы познакомимся с удивительной формой жизни – вирусами.

Небольшая сценка

Врач сидит в кабинете. К нему на прием приходит больной, который кашляет, чихает, жалуется на головную боль. Врач беседует с больным, измеряет ему температуру и ставит диагноз: грипп. Прописывает больному постельный режим и объясняет, что грипп – очень опасное инфекционное заболевание.

Учитель. Грипп, оспа, краснуха, гепатит, энцефалит, полиомиелит. Что общего между этими заболеваниями? Все они вызываются вирусами. Вирусы были открыты в конце XIX в. русским ученым Дмитрием Иосифовичем Ивановским (показывает портрет ученого).

В 1891–1892 гг. он настойчиво искал возбудителя мозаичной болезни табака. Ему удалось установить, что возбудители этого заболевания способны проходить через бактериальные фильтры и могут образовывать кристаллы в пораженных клетках. Эти частицы позже были названы вирусами, а увидеть их смогли лишь через много лет, когда был создан электронный микроскоп.

Сейчас известно более 1,5 тыс. вирусов, вызывающих заболевания человека, животных, насекомых, растений и бактерий. Наука о вирусах и вирусных заболеваниях выделилась в самостоятельную науку, называемую вирусологией. И у нас в стране, и за рубежом создана сеть учреждений, занимающихся изучением вирусов, а также диагностикой, лечением и предупреждением вирусных заболеваний.

Что же представляют собой вирусы? Почему одни ученые полагают, что вирусы – это живые существа, другие считают, что вирусы – просто своеобразные вещества невиданной активности и необычайных свойств? Об этом мы узнаем, прослушав сообщение о вирусах.

Сообщение по теме «Вирусы»

Вирусы – мельчайшие возбудители многочисленных инфекционных заболеваний человека, животных, растений и бактерий. Они являются внутриклеточными паразитами, не способными к жизнедеятельности вне живых клеток. Вирусные инфекционные болезни широко распространены. С древних времен известны бешенство, оспа.

Вирусы относятся к примитивным формам жизни. Их размножение своеобразно и очень не похоже на размножение других живых существ. Обмен веществ у вирусов тесно связан с обменом веществ зараженных ими клеток. Вирусы обладают наследственностью, которая связана с теми же химическими структурами, что и у других организмов, – нуклеиновыми кислотами. Наконец, вирусы, как и все другие организмы, способны изменяться и приспосабливаться к изменяющимся условиям среды.

Вирусы могут существовать в двух формах: внеклеточной и внутриклеточной. Вне клеток вирионы (вирусные частицы) не обнаруживают признаков жизни. Попав в организм, они проникают в чувствительные к ним клетки и переходят из покоящейся формы в размножающуюся. Начинается сложное и многообразное взаимодействие вируса и клетки, заканчивающееся образованием и выходом в окружающую среду дочерних вирионов.

Болезни, которые вызываются вирусами, легко передаются от больных к здоровым и быстро распространяются. Долгое время полагали, что вирусы вызывают только острые массовые заболевания. К настоящему времени накоплено много доказательств того, что вирусы являются и причиной различных хронических болезней, длящихся годами и даже десятилетиями.

Разработка методов изучения вирусов, открытие новых вирусов, выяснение особенностей их биологии и попытки борьбы с вирусными заболеваниями были основным содержанием вирусологии первой половины нашего столетия. Именно негативные свойства вирусов, точнее, способность вызывать болезни, послужили вначале главным стимулом к их изучению. Но в процессе этой работы были обнаружены многие положительные свойства вирусов, благодаря которым во второй половине XX в. они стали замечательной моделью для исследования фундаментальных проблем биологии. С их помощью были сделаны выдающиеся открытия: расшифрован генетический код, установлены закономерности синтеза белков. Вирусы оказались основным инструментом генетической инженерии.

Теперь мы знаем, что по своему строению и свойствам вирусы занимают промежуточное место между сложнейшими химическими веществами (полимерами, макромолекулами) и простейшими организмами (бактериями, хламидиями).

Учитель. Изучать вирусы – чрезвычайно трудная задача, прежде всего из-за их размеров. Например, диаметр шарообразного вируса ящура не превышает 0,01 мкм. Поэтому для изучения вирусов потребовалась разработка специальных методов, о которых мы узнаем из следующего сообщения.

Сообщение по теме «Методы исследования вирусов»

Исторически вирусология возникла как ветвь микробиологии, и, хотя микробиологическая техника не могла быть использована при работе с вирусами, такие общие принципы, как правила антисептики, получение чистых линий, методы титрования и, наконец, вакцинация, легли в основу новой науки. Дальнейшее изучение наиболее важных свойств вирусов потребовало разработки ряда специальных методов. Так, способность вирусов проходить через бактериальные фильтры стала использоваться для определения их размеров и очистки (метод ультрафильтрации), малые размеры вирусов стимулировали создание более совершенных методов микроскопии (электронный микроскоп). Технический арсенал вирусологии постепенно обогащался методами физики, химии, генетики, цитологии и иммунологии.

Вирусы удалось измерить и взвесить, определить их химический состав, изучить закономерности размножения, место в природе, роль в возникновении болезней, а также разработать методы борьбы с вирусными инфекциями.

Для размножения и выделения вирусов используют специальные методики. На заре вирусологии исследования проводились на лабораторных животных (мышах, морских свинках, кроликах). Им вводили «подозрительный материал» и по картине заболевания судили, какой вирус его вызвал. Позже, кроме лабораторных животных, стали использовать развивающиеся куриные эмбрионы, что позволило получать некоторые вирусы в значительных количествах.

В начале 1950-х гг. был разработан метод культуры тканей: клетки живой ткани разделяют с помощью ферментов, переносят в специальные стерильные сосуды, добавляют сложную по составу питательную среду и помещают в термостат. Клетки начинают делиться и постепенно покрывают дно сосуда ровным сплошным слоем. Если такие клетки заразить вирусом, то можно непосредственно наблюдать его разрушительное действие. Метод культуры тканей позволил открыть новые вирусы и изучить их взаимодействие с клетками.

Выделение, размножение вирусов, определение их видовой принадлежности являются основными методами практической вирусологии. Эта работа состоит из двух основных частей: изучение клеток, зараженных вирусом, и исследование выделенного вируса.

Для обнаружения зараженных клеток используются различные приемы вирусологической диагностики. Например метод светящихся антител позволяет четко определить наличие вируса в клетках, которые внешне выглядят незараженными. Определение скорости и характера размножения вируса основано на учете количества и типа клеточных патологий, т.е. разрушения клеток. Важную роль в диагностике вирусных инфекций играет определение титров специфических антител в сыворотке крови больных с помощью различных иммунологических реакций: нейтрализации, связывания комплемента, задержки гемагглютинации.

Учитель. Каково же строение и химический состав вирусов? Об этом мы узнаем, прослушав следующее сообщение.

Сообщение по теме «Строение и химический состав вирионов»

Долгое время о существовании вирусов судили по их болезнетворному действию. Непосредственно увидеть вирусы удалось лишь после изобретения электронного микроскопа, дающего увеличение в десятки и сотни тысяч раз. Это произошло примерно через 50 лет после открытия вирусов.

Самые крупные вирусы (возбудители оспы) приближаются по размерам к небольшим бактериям, самые мелкие (возбудители энцефалита, полиомиелита, ящура) – к крупным белковым молекулам, например к молекуле гемоглобина крови. Иными словами, среди вирусов есть свои великаны и карлики: их размеры варьируют от 20 до нескольких сотен нанометров (1 нм составляет миллионную долю 1 мм). Для сравнения: у человека красные кровяные клетки – эритроциты имеют диаметр 7000–8000 нм, т.е. вирусы меньше эритроцитов в десятки и сотни раз. По внешнему виду тельца вирусов (вирионы) напоминают кубики, палочки, шарики, многогранники и нити.

Простые вирусы состоят из белков и нуклеиновой кислоты. Наиболее важная часть вирусной частицы – нуклеиновая кислота является носителем генетической информации. Клетки человека, животных, растений и бактерий всегда содержат два типа нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, а у каждой группы вирусов встречается лишь один тип – или ДНК, или РНК. Этот признак положен в основу классификации вирусов. Второй обязательный компонент вириона – белки различны у разных групп вирусов, что позволяет распознавать их с помощью иммунологических реакций.

Более сложные по структуре вирусы кроме белков и нуклеиновых кислот содержат углеводы, липиды. Для каждой группы вирусов характерен свой набор белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Некоторые вирусы содержат в своем составе ферменты.

Каждый компонент вириона имеет определенные функции: белковая оболочка защищает от неблагоприятных воздействий и обеспечивает возможность инфицирования клеток, нуклеиновая кислота отвечает за наследственные свойства и играет ведущую роль в изменчивости вируса, а ферменты участвуют в его размножении. Обычно нуклеиновая кислота находится в центре вириона и окружена белковой оболочкой (капсидом). Капсид состоит из определенным образом уложенных однотипных белковых молекул (капсомеров), которые образуют симметричные геометрические формы.

В случае кубической (шаровидной) симметрии нуклеокапсида нить нуклеиновой кислоты свернута в клубок, а капсомеры плотно уложены вокруг нее. Так устроены вирусы полиомиелита, ящура, аденовирусы, реовирусы, риновирусы и др. При спиральной (палочковидной) симметрии нуклеокапсида нить нуклеиновой кислоты вируса закручена в виде спирали, каждый ее виток покрыт капсомерами, тесно прилегающими друг к другу. Структуру капсомеров и внешний вид вирионов исследуют с помощью электронной микроскопии.

У сложно устроенных вирусов сердцевина в виде туго свернутой спирали покрыта одной или несколькими внешними оболочками, в состав которых входят различные вещества. Такое строение имеют, например, вирусы оспы, гриппа и парагриппа. Особенно хорошо изучено строение вирусов бактерий – бактериофагов, которые состоят из головки и хвоста. Хвост фага одет белковым чехольчиком, от которого отходят длинные тонкие волокна, играющие роль присосок при прикреплении частицы фага к бактерии.

Учитель. Особенностям биологии размножения вирусов посвящено следующее сообщение.

Сообщение по теме «Размножение вирусов»

Вирусы относятся к абсолютным паразитам. Они могут размножаться только в клетке, истощая ее ресурсы и приводя ее к гибели. Образно говоря, вирусы убивают тех, кто их кормит, но делают это не сразу, а в процессе размножения.

Представим себе некий обобщенный вариант вирусной частицы – вириона, состоящего из двух основных компонентов: нуклеиновой кислоты и белковой оболочки. При встрече с клеткой вирус прикрепляется к компонентам плазматической мембраны клетки. При этом каждый вирион способен прикрепляться лишь к определенным клеткам, имеющим специальные рецепторы.

Затем начинается внедрение и проникновение вируса в клетку, которое осуществляет она сама. Этот процесс называется виропексисом. Следующий этап – «раздевание» проникающих внутрь вирионов. Для этой цели используется имеющийся в клетках комплекс специальных ферментов, которые растворяют белковый чехол вируса и освобождают его нуклеиновую кислоту. Процесс сборки вирионов потомства – композиции – происходит обычно вблизи клеточных мембран, принимающих в нем иногда непосредственное участие.

Последним этапом взаимодействия вирусов с клетками является выход дочерних вирионов из клетки. Для кишечных вирусов характерен быстрый выход в окружающую среду сотен, а порой тысяч дочерних вирионов. При гриппе, бешенстве, оспе такие тельца находят в цитоплазме клеток, при весеннее-летнем энцефалите, желтой лихорадке, герпесе, кори и полиомиелите – в ядре, при некоторых других инфекциях – и в ядре, и в цитоплазме.

Таким образом, размножение вирусов происходит особым, ни с чем не сравнимым способом. Сначала вирионы проникают внутрь клеток и освобождаются вирусные нуклеиновые кислоты. Затем «заготавливаются» детали будущих вирусов. Размножение заканчивается сборкой новых вирионов и выходом их в окружающую среду. Выпадение любого из этих этапов влечет за собой либо полное подавление размножения вируса, либо появление неполноценного потомства.

Поразительно, как вирусы, которые в десятки и даже сотни раз меньше клеток, умело и уверенно распоряжаются «клеточным хозяйством». Для построения себе подобных они используют клеточный материал и энергию. Размножаясь, они истощают клеточные ресурсы и глубоко, часто необратимо, нарушают обмен веществ, что, в конечном счете, является причиной гибели клеток.

Более просто устроенные бактерии не способны сами захватывать вирионы из окружающей среды. Этим, по-видимому, и можно объяснить наличие у поражающих их вирусов (бактериофагов) сложного и совершенного аппарата, который, подобно шприцу, впрыскивает нуклеиновые кислоты в бактериальную клетку.

Учитель. Вирусы – постоянные спутники человека с момента рождения и до глубокой старости. Считается, что при средней продолжительности жизни 70 лет человек болеет вирусными заболеваниями около 7 лет. Подсчитано, что в среднем человек ежегодно сталкивается с двумя и более вирусными инфекциями, а за всю жизнь вирусы до 200 раз проникают в его организм. С болезнетворными свойствами вирусов мы познакомимся, прослушав следующее сообщение.

Сообщение по теме «Классификация и болезнетворные свойства вирусов»

В основу классификации вирусов положены следующие признаки: тип нуклеиновой кислоты (ДНК- или РНК-содержащие вирусы), размер, строение, наличие или отсутствие липидов и др. Более 1 тыс. вирусов, выделенных у человека и животных, обладают болезнетворными свойствами. При этом вирусы действуют избирательно, обычно поражая определенные органы и ткани: кишечник, миндалины, печень, нервные клетки спинного или головного мозга, поэтому болезни, которые они вызывают (энтериты, острые респираторные заболевания, гепатиты, энцефалиты и др.), как правило, имеют определенную клиническую картину.

Диапазон патологических процессов, вызываемых вирусами, очень широк. Здесь и так называемые генерализованные инфекции (грипп, корь, и др.), и местные поражения кожи и слизистых оболочек (герпес, бородавки), и болезни отдельных органов и тканей (миокардиты, гепатиты), и, наконец, злокачественные новообразования (рак).

Использование антибиотиков резко уменьшило число заболеваний, вызываемых бактериями и простейшими. Это привело к тому, что удельный вес вирусных инфекций в заболеваниях человека начал возрастать. Распространенными заболеваниями остаются грипп и острые респираторные заболевания, корь, вирусный гепатит, тропические лихорадки, герпес и др. В природе существует относительно мало вирусов человека, все они близки и аналогичны соответствующим вирусам животных.

Какова вероятность встречи с вирусами? С возбудителями гриппа, кори, свинки, герпеса, гастроэнтерита и различных ОРЗ контакты практически неизбежны (вероятность 90–100%); с вирусами, вызывающими гепатит, краснуху, бешенство, полиомиелит, миокардит, синдром приобретенного иммунного дефицита встреч можно избежать. Так или иначе, но человек на протяжении всей жизни подвергается опасности заразиться и заболеть какой-либо вирусной инфекцией, хотя существует определенная возрастная чувствительность к вирусам.

Очевидно, что вирусы наносят огромный экономический ущерб. К счастью, далеко не все встречи с вирусами заканчиваются болезнями, т.к. в процессе эволюции организм человека научился успешно бороться с инфекциями.

Учитель. Известно, что некоторые вирусы вызывают лейкоз у человека. Существует вирусогенная теория рака. В чем она заключается, мы узнаем из следующего сообщения.

Сообщение по теме «Вирусы и рак»

Известно около 40 вирусов, вызывающих лейкозы (рак крови), рак и саркому у холоднокровных (лягушки), пресмыкающихся (змеи), птиц (куры) и млекопитающих (мыши, крысы, хомяки, обезьяны). При введении таких вирусов здоровым животным наблюдается развитие злокачественного процесса.

Что касается человека, то здесь дело обстоит много сложнее. Основная трудность работы с вирусами, кандидатами на роль возбудителя рака и лейкоза человека, связана с тем, что обычно не удается подобрать подходящее модельное животное.

Отечественный вирусолог Л.А. Зильбер в 1948–1949 гг. разработал вирусогенетическую теорию происхождения рака. Предполагается, что нуклеиновая кислота вируса объединяется с наследственным аппаратом (ДНК) клетки. Такое внедрение не происходит без последствий: клетка приобретает ряд новых свойств, одно из которых – способность к ускоренному размножению. Так возникает очаг молодых быстроделящихся клеток (предрак), они приобретают способность к безудержному росту, в результате чего образуется опухоль.

Онкогенные вирусы малоактивны и не способны разрушить клетку, но могут вызвать в ней наследственные изменения, причем опухолевые клетки как будто бы больше не нуждаются в вирусах. Действительно, в развитии опухоли вирус играет как бы роль спички и может не принимать дальнейшего участия в возникшем «пожаре». На самом деле, вирус постоянно присутствует в опухолевой клетке и поддерживает ее в перерожденном состоянии.

Учитель. Если на одну чашу весов положить вред, приносимый вирусами, а на другую – пользу, то, как вы думаете, какая чаша перевесит? Следующее сообщение посвящено полезным вирусам.

Сообщение по теме «Полезные вирусы»

Существуют и полезные вирусы. Сначала были выделены и испытаны вирусы – пожиратели бактерий. Быстро и безжалостно расправляются они со своими ближайшими родственниками по микромиру: палочки чумы, брюшного тифа, вибрионы холеры буквально таяли на глазах после встречи с безобидными на вид вирусами. Естественно, их стали широко применять для лечения многих инфекционных болезней, вызываемых бактериями (дизентерия, холера, брюшной тиф). Однако за первыми успехами последовали неудачи. Это было связано с тем, что в организме человека бактериофаги действовали не так активно, как в пробирке. Кроме того, бактерии очень быстро приспосабливались к бактериофагам и становились нечувствительными к их действию. После открытия антибиотиков бактериофаги как лекарство отступили на задний план. Но до сих пор их используют для распознавания бактерий, так как бактериофаги умеют находить «свои бактерии» и быстро растворять (лизировать) их. Это очень точный метод, который позволяет определять не только виды бактерий, но и их разновидности.

Полезными оказались вирусы, поражающие позвоночных животных и насекомых. В 1950-х гг. в Австралии остро встала проблема борьбы с дикими кроликами, которые быстрее саранчи уничтожали посевы сельскохозяйственных культур и наносили огромный экономический ущерб. Для борьбы с ними использовали вирус миксоматоза. В течение 10–12 дней этот вирус способен уничтожить практически всех зараженных животных.

Можно привести и другие примеры успешного использования вирусов для уничтожения вредителей. Все знают, какой ущерб приносят гусеницы и жуки-пилильщики. Они поедают листья полезных растений, угрожая порой садам и лесным массивам. С ними справляются вирусы полиэроза и гранулеза.

Учитель. Взаимоотношения между вирусами и клетками зависят от многих условий и определяются прежде всего свойствами вирусов и чувствительностью клеток. Организм активно противодействует вирусам, а как это происходит, мы узнаем из следующего сообщения.

Сообщение по теме «Реакции организма на проникновение вируса»

Взаимоотношения между вирусами и клетками зависят от многих условий и определяются, как уже было сказано, свойствами вирусов и чувствительностью клеток. Например, если клетки не содержат соответствующих рецепторов, вирус не может к ним прикрепиться и, следовательно, проникнуть внутрь и начать свое разрушительное действие. Даже при наличии рецепторов клетки могут оказаться нечувствительными к вирусу, и инфекционный процесс в них не разовьется. Наконец, если клетки чувствительны к вирусу, это еще не означает, что он обязательно убьет их. В природе, пожалуй, нет вирусов, способных заражать и убивать все клетки.

Часто исход взаимодействия вирусов и клеток зависит от количества проникших в клетку вирусов или от множественности заражения. В организме действие вируса вызывает активное противодействие, выражающееся в образовании интерферона и включении системы иммунитета. Вирусные белки, будучи чужеродными организму, играют роль антигенов, вызывая в ответ образование антител. Основная функция антител – находить и обезвреживать антигены. В этой работе им помогают многочисленные иммунные клетки, которые захватывают и переваривают вирусные частицы. Организм не только расправляется с проникающими в него вирусами, но и готовится к будущим встречам с ними. Давно замечено, что, раз переболев, человек редко вновь заболевает той же вирусной болезнью, а если это и происходит, то заболевание протекает быстрее и легче.

Немаловажную роль в защите от вирусов играет воспалительная реакция, направленная на ограничение их распространения. При этом, помимо всем известных макрофагов, поглощающих вирусы, противовирусным эффектом обладают повышение температуры и увеличение кислотности среды. Так специфические (иммунитет) и неспецифические (интерферон, воспалительная реакция и др.) стражи неусыпно охраняют здоровье.

Учитель. Если проанализировать все, что мы теперь знаем о вирусах, то можно прийти к парадоксальным заключениям. С одной стороны, вирусы могут преодолевать все барьеры и вызывать заболевание: с другой – организм способен успешно бороться с этими микроскопическими паразитами и, как правило, одерживает над ними верх.

Эти два крайних варианта можно рассматривать как единоборство, в котором побеждает одна из сторон, а между ними располагается множество других исходов. Например, когда враги длительно сосуществуют, не нанося друг другу никаких видимых повреждений. Такое «мирное сосуществование» может продолжаться месяцы, годы и даже десятилетия. Как это ни странно, оно взаимовыгодно. С точки зрения вируса – он нашел себе хозяина, который его кормит; с точки зрения организма – он не болеет и платит за это сравнительно невысокую дань.

Тем не менее установившееся равновесие в принципе не прочно, оно существует до поры до времени. Механизмы такого равновесия многообразны и до конца не изучены. В одних случаях большинство клеток организма может быть нечувствительно к данному вирусу, но небольшая часть изменившихся клеток-мутантов все же позволяет ему размножаться и таким образом существовать.

В других случаях мутантным (генетически измененным) является уже вирус. В процессе его размножения образуются неполноценные вирионы – частицы, в которых частично или полностью отсутствует генетический материал (РНК или ДНК). Такие вирионы определяются как дефективные, интерферирующие. Это означает, что, будучи сами по себе неполноценными, они нарушают образование нормальных вирионов.

Следует упомянуть также встречающиеся в природе температурно-чувствительные мутанты вирусов, способные размножаться лишь при определенных температурах. Поэтому повышение температуры, столь характерное для вирусных заболеваний, убивает эти вирусы, а нормализация температуры способствует размножению выживших вирионов до количества, вызывающего новое повышение температуры. В этом случае устанавливается волнообразный процесс динамического равновесия.

Существует широкая индивидуальная вариабельность в способности организма образовывать интерферон, антитела и другие защитные факторы. Уровень защитных факторов организма может повышаться и снижаться в зависимости от множества условий (стрессы, питание, погода, возраст). Соответственно вирусы, проникающие в организм, могут попасть на благоприятную или неблагоприятную для себя почву и в первом случае вызвать болезнь, а во втором – затаиться: размножение вируса идет вяло, его присутствие в организме никак не проявляется, хотя полного уничтожения тоже не происходит.

Для простоты изложения возможные варианты сосуществования вирусов и клеток были представлены весьма условно. На самом же деле, в организме могут сочетаться различные варианты, что намного усложняет анализ латентных и бессимптомных вирусных инфекций, которые, как уже было отмечено, встречаются гораздо чаще, чем острые вирусные заболевания.

В заключение вспомним еще об одном механизме взаимодействия вирусов и клеток. Попадая под «иммунный пресс», вирусы начинают несколько видоизменяться и таким образом частично избегают нейтрализующего действия антител и других иммунных механизмов, что дает им возможность выжить. В этом отношении характерна изменчивость вируса гриппа. Это явление хорошо объясняется дарвиновскими законами о борьбе за существование и выживании наиболее приспособленных.

Учитель подводит итоги семинара, выставляет оценки, дает домашнее задание.