Живые организмы — спутники человека - Козлов М.А. 1976

«Невидимки» - знакомые и незнакомые
Вирусы

Преступник всегда оставляет след, по которому его можно найти. Надо только искать — такова формула криминалиста. Так же думает и вирусолог, охотясь за виновником инфекции.

В. А. Парнес

Это было недавно. В нашей стране шла подготовка к запуску космических кораблей «Союз 4» и «Союз 5». Вот помещения, где проживают космонавты.

Здесь постоянно проводятся дезинфекция, облучение кварцевыми лампами и усиленное проветривание.

Марлевые повязки закрывают рот и нос обслуживающего персонала. Встречи космонавтов с окружающими людьми сведены до минимума. Так наших космонавтов перед полетом в космос оберегают от гриппа.

22 декабря 1968 года. Командир американского космического корабля «Аполлон 8» Фрэнк Борман после первых часов полета доложил из космоса директору медицинской службы на мысе Кеннеди доктору Чарлзу Берри, что у него сильно болела голова, временами повышалась температура и его подташнивало. «Я думаю, у меня было что-то вроде гриппа», — передал Борман. Фрэнк Борман, Уильям Андерс и Джеймс Ловелл были первыми, которые облетели Луну. Борман, кроме того, был первым человеком, заболевшим гриппом в космосе.

Запуск американского корабля «Аполлон 9» с тремя космонавтами на борту — Джэймсом Макдивиттом, Дэвидом Скоттом и Расселом Швейкартом отложен.

В чем причина? Технические неполадки? Да нет же!

Космонавты отравлены вирусом гриппа. Корабль был выведен на орбиту, когда космонавты выздоровели — 3 марта 1969 года, на три дня позже намеченного срока.

Вены кажутся наполненными ледяной водой, будто в жилах кровь застыла, а температура поднимается до 39 градусов. Болят мышцы, ноют кости, в голове отдается ударом каждый приступ навязчивого кашля.

Усталость, слабость сковали организм. В 1968—1969 годах симптомы болезни «гонконгского» гриппа — насморк, мышечную слабость, хриплый кашель, повышенную температуру и желудочные боли — в той или иной мере почувствовало около миллиарда человек.

Это дело рук невидимых интервентов в клетках нашего организма — вирусов гриппа. Они совершают трансконтинентальные броски и заражают нас в любой точке земного шара.

Сегодня вирусы заняли прочное первое место среди виновников инфекционных болезней. Они приводят людей к инвалидности и смерти. Грипп стал третьей бедой века. Он, как один из опасных врагов человечества, стоит на третьем месте после сердечно сосудистых заболеваний и рака.

Грипп завоевал право называться болезнью века.

Он плавает на всех пароходах, завладел всеми видами моторов на колесах, летает на воздушных лайнерах.

Остались позади века, когда грипп «ходил пешком или передвигался со скоростью почтовой кареты». Чем выше скорость транспорта, тем больше эпидемий гриппа.

В XV веке было 4 эпидемии гриппа, в XVI и XVII — по 7, в XVIII-19, в XIX — уже 45 эпидемий.

Чтобы охватить весь мир, гриппу в 1889—1890 годах потребовалось более 11 месяцев, а в 1957—1958 годах грипп обошел земной шар уже за полгода.

Начало XX века. 1918 год. В глобальном масштабе свирепствует грипп под кличкой «испанка». Он не сумел попасть лишь на место ссылки Наполеона — остров Святой Елены и миновал несколько островов, затерянных в Тихом океане. Полтора миллиарда людей испытали на себе «испанку». За полтора года «испанка» унесла 20 миллионов жизней людей всех возрастов: от не успевших еще родиться младенцев до бабушек и дедушек. Это примерно вдвое больше, чем погибло людей в первые четыре года первой мировой войны, и чуть вдвое меньше потери человечества во время второй мировой войны.

Середина XX века. 1957—1958 годы. У гриппа уже новое имя — «азиатский». Более 2/3 населения нашей планеты — около 2 миллиардов человек — переболело азиатским гриппом.

И, наконец, 1968—1969 годы. Нашествие на людей «гонконгского» гриппа. И на этот раз человечество заплатило огромную дань этому гриппу — около миллиарда больных.

А в другие годы? Не менее четверти всех жителей Земли ежегодно заболевают гриппом. Грипп и гриппоподобные болезни составляют половину всех инфекционных заболеваний. 15—20 % общего числа потерь трудоспособности населения приходится на грипп. Вирусы гриппа атакуют различные системы нашего организма ядовитыми веществами — токсинами, вызывая озноб, головную боль, лихорадку, общую слабость, головокружение, обмороки, снижение давления крови, резь в глазах и усиленное потоотделение. В ослабленном после гриппа организме легко возникают различные осложнения.

Рак — вторая беда, болезнь века — до сих пор во многом загадочен и, несмотря на усилия тысяч ученых и врачей, изучающих его, не снимает с себя завесу тайны. Теперь уже каждому известно, что рак — заболевание, при котором клетки организма начинают размножаться с бешеной скоростью. Разновидностей рака много. Сотни раковых болезней поражают растения и животных. Свыше 250 разновидностей рака обнаружено у человека. Только в США, самой богатой капиталистической стране, ежегодно рак уносит тысячи человеческих жизней.

Почему нормальные клетки перерождаются в раковые? Целая армия исследователей всего мира бьется над решением этого вопроса. Одни догадки сменяются другими, появляются новые гипотезы, многие из которых перечеркиваются строгим судьей — проверкой временем. Но в настоящее время пробивает себе дорогу вирусологическая гипотеза о природе рака человека, высказанная впервые в 1945 году советским ученым Львом Александровичем Зильбером. В пользу этой гипотезы говорят пока лишь косвенные данные — большинство опухолей животных вызывается вирусами. «По основным биологическим проявлениям разные виды животных не имеют резких различий между собой, и несомненно, что вирусы, вызывающие рак у животных, имеют прямое отношение к проблеме рака и у человека… Но фактически мы, может быть, уже открыли вирус рака человека и просто не знаем об этом. Из организма человека начиная с 1955 года выделено свыше 200 новых вирусов, причем во многих случаях не удалось обнаружить связи того или иного вируса с какой-либо известной болезнью», — говорит лауреат Нобелевской премии американский вирусолог Уэнделл Стэнли. К настоящему времени уже известно 25 видов вирусов, вызывающих опухоли у животных.

Вирусы, вызывающие рак, известны уже более шестидесяти лет. Но все попытки выделить вирусы из опухолей человека до сих пор не увенчались успехом.

Все таки есть один пример опухоли человека, вирусная природа которой уже почти доказана. Речь идет о болезни Буркита — злокачественной лимфоме, поражающей преимущественно детей в возрасте от 2 до 12 лет в Африке. Эта болезнь получила название по имени ученого, впервые описавшего ее в 1958 году.

Она распространена в Центральной Африке от Уганды до Танзании только вблизи озер — в тех самых местах, где мириады мух цеце, слепней и комаров часто нападают на людей. На этом основании Буркит высказал смелое предположение, что злокачественная лимфома относится к вирусным инфекциям, переносимым насекомыми. В настоящее время в опухолях Буркита под электронным микроскопом обнаружены частицы, похожие на вирусы, вызывающие лейкоз у мышей. Уже не раз из этих опухолей выделяли различные виды вирусов. Имеются сведения, хотя и оспариваемые некоторыми учеными, что экстракт из опухоли Буркита, пропущенный через фильтр, задерживающий бактерии, вызывает опухолевые новообразования у зеленых мартышек.

Оспа. Люди не нашли для нее более меткого сравнения, чем «красная смерть». В прошлые времена если человек не умирал, заболев ею, то всю жизнь носил печать этой болезни — следы в виде лунок на лице и теле. Оспа известна человечеству издавна. Упоминание о ней встречается в папирусе времен фараона Аменофиса I. Возраст этого папируса исчисляется ни много ни мало — 3, 5 тысячелетиями до нашей эры.

В 1122 году до нашей эры оспа бушевала в Китае.

Следы оспы выявлены на одной из египетских мумий.

В Древней Индии существовали даже богини оспы — Мариатале и Патрагали. С незапамятных времен знали об оспе негры Центральной Африки. В течение первого тысячелетия нашей эры отмечены многочисленные эпидемии оспы во Франции и на Среднем Востоке, а крестоносцы рассеяли ее по всей Европе.

Вскоре после первого путешествия Колумба оспа попала в Америку и быстро охватила центральную и южную части Американского континента.

В начале XV века появление оспы в России отмечается в Никоновской летописи. В XVII веке в Сибири от оспы вымирали целые поселения.

В XVIII веке мир был охвачен сильной эпидемией оспы. Неполные подсчеты свидетельствуют, что в это столетие от оспы умерло около 60 миллионов человек.

Тогда в Западной Европе оспа ежегодно уносила десятую часть населения — около 400 000 человек.

В 1661—1772 годах в Лондоне погибло от оспы почти 200 000 человек. Из-за эпидемии оспы Исландия в 1707—1708 годах потеряла 18000 человек из 50 000-го населения. По свидетельству знаменитого английского мореплавателя капитана Кука, в 1767 году Камчатский полуостров фактически был безлюдным: люди умерли от оспы, начало которой положил один больной солдат.

Оспа дает о себе знать и в настоящее время. Так, в 1962 году в Пакистане было зарегистрировано примерно 170000 больных оспой. В 1963 году из Пакистана оспа проникла в Швецию и Польшу. В 1959 году был разработан всемирный план, предусматривающий искоренение оспы на земном шаре, который успешно осуществляется. За пять лет после принятия этого плана вакцинации против оспы подверглось около 80 % населения тех стран, в которых были известны случаи заболевания.

Этот бич человечества — оспа — вызывается вирусом.

Где первоначальная родина желтой лихорадки, никто не знает. Но достоверно известно, что первая эпидемия желтой лихорадки отмечена на Юкатане в 1648 году. В XVII—XIX веках ее очагами были острова Карибского моря и ближайшее к ним побережье Американского континента.

Всем больным желтая лихорадка одевала одинаковые маски: опухшее лицо, припухшие губы, глаза налиты кровью, язык ярко красный, кровоточащие опухшие рыхлые десны… Примерно за 100 лет (с 1793 по 1900 год) в США желтой лихорадкой заболело около полумиллиона человек. В Рио де Жанейро с 1851 по 1883 год от этой болезни погибли 23000 человек.

После Колумба был проложен морской путь между Европой и Америкой. Желтая лихорадка в конце XVIII века переправилась на кораблях и ворвалась в Европу. В 1800 году вспыхнула эпидемия в Испании и унесла 60 000 человеческих жизней.

Желтая лихорадка также вызывается вирусом.

Более половины всех инфекционных болезней человека провоцируется вирусами. Вирусы причиняют на шему организму гораздо больше вреда, чем любая другая группа паразитов. Они способны вызвать слепоту, глухоту, паралич, умственную отсталость, различные врожденные уродства. Корь, свинка, ветряная оспа, полиомиелит, краснуха, заболевание печени — гепатит, обычная простуда и еще десятки болезней — результат столкновения человека с вирусами. Подозревают, что вирусы повинны в возникновении таких болезней, как рассеянный склероз, гипертония, сердечно сосудистые заболевания и шизофрения. Преждевременная старость приходит к нам не без участия вирусов.

В настоящее время в организме человека выявлено уже более 500 разных вирусов. Даже простой перечень вирусных болезней занял бы десяток страниц.

Рис. 1. Вирусы:

вверху — аденовирус, вызывающий катар верхних дыхательных путей; колонии аденовируса, заселившие цитоплазму клетки, напоминают соты;

внизу — вирус табачной мозаики.

А если собрать всю литературу о вирусных болезнях человека, получится библиотека, состоящая не менее чем из 1000 томов, каждый по 300 страниц. Вирусы — группа существ, которую в будущем нам предстоит еще покорить.

Вирусы поражают не только человека. Все живое на свете — от бактерий до человека — подвержено нападению вирусов. Вирусы составляют самостоятельное царство, объединяющее к настоящему времени свыше 3000 видов, которые распадаются на три основные группы: вирусы растений, вирусы бактерий, или бактериофаги, и вирусы животных, в том числе и человека. Исключение составляют лишь змеи и моллюски; они не восприимчивы по отношению ко всем вирусам.

Вирусы не обнаружены пока также у мхов и лишайников. Насколько известно, свободны от вирусов дрожжи, грибы и хвойные растения.

Поражает специализация вирусов. Аденовирусы (рис. 1), например, выделенные впервые из аденоидов человека (отсюда и название), поражают дыхательные пути. Боль в горле, боли в суставах, покраснение глаз — это результат действия аденовирусов на наш организм. Группа энтеровирусов выделена из кишечника. В почке обезьяны обнаружено около 60 разных вирусов. Есть вирусы, которые, прежде чем попасть в наш организм, путешествуют в клетках членистоногих, например насекомых и клещей. Их называют арбовирусами. Вирусы, вызывающие опухоли, называются онкогенными или опухолеродными.

Вирусы, вирусы и вирусы… Но что представляет собой вирус? Как и когда он был открыт?

Науке о вирусах — вирусологии — немногим более 70 лет. День ее рождения — февраль 1892 года. Именно тогда русский ученый — ботаник Дмитрий Иосифович Ивановский открыл болезнетворное начало табака, ныне известное под названием вируса табачной мозаики (рис. 1). Имя Д. И. Ивановского «в науке о вирусах следует рассматривать почти в том же свете, как имена Пастера и Коха в бактериологии. Имеются значительные основания считать Ивановского отцом новой науки — вирусологии, представляющей в настоящее время поле деятельности большого и важного значения». Это признание принадлежит крупнейшему американскому вирусологу Уэнделлу Стэнли, который в 1935 году стал лауреатом Нобелевской премии за открытие того же вируса — вируса табачной мозаики, но уже в кристаллическом виде.

Ивановский выжал сок из листьев табака, пораженных мозаичной болезнью, и пропустил его через фарфоровое сито — свечу Шамберлена. Этот ультрафильтр задерживал все бактерии, даже мельчайшие.

Дмитрий Иосифович выяснил, что в экстракте, очищенном таким образом, есть нечто, имеющее мизерные размеры. Это «нечто» проявляло действия. Стоило капнуть экстракт на листья здорового табака, как на них появлялась мозаичная болезнь.

Что такое это «нечто»? Может быть, яд, токсин?

Ведь французский бактериолог Эмиль Ру доказал, что дифтерия вызывается не самой бактерией — дифтерийной палочкой, а выделяемым ею токсином. Ученый ставит новые опыты. Исследователь переносит отфильтрованный экстракт больных растений на здоровые.

Болезнь проявляется, новое зараженное растение передает ее третьему, третье — четвертому… Если это «нечто» яд, то он при многократном разведении, перенесении от одного растения к другому должен стать нетоксичным для здорового растения и не должен вызывать мозаичную болезнь. Но этого не произошло.

Значит, приходит к выводу Ивановский, фильтрующийся агент способен размножаться и имеет живую природу. Он называет его «микробом» мозаичной болезни. Этот микроб, однако, особый, отличный от всех ранее известных, «проходит через поры глинистого фильтра», невидим ни в какие, даже в самые сильные, световые микроскопы. Снова эксперименты. Дмитрий Иосифович пытается «изолировать микроорганизм, причиняющий болезнь». В опытах он применяет все искусственные питательные среды, на которых тогда микробиологи выращивали бактерии. Но не тут то было! Неутомимый ученый вынужден был записать, что «все опыты, потребовавшие массы времени и труда, дали отрицательный результат; микроорганизм, очевидно, не способен расти на этих искусственных субстратах». Во время экспериментов пытливый ум ученого не пропускал никакую мелочь. С помощью обычного микроскопа в больных листьях табака Ивановский обнаружил странные кристаллики, тщательно зарисовал их, не подозревая, однако, что они являются кристалликами открытого им живого существа нового, до сих пор неизвестного мира. Кристаллики вируса табачной мозаики были получены экспериментальным путем лишь через 47 лет после их зарисовок, сделанных Ивановским. Теперь эти образования носят название «кристаллы Ивановского».

Будучи широкообразованным, эрудированным исследователем, Д. И. Ивановский предвидел, что он сделал важное открытие в биологии. Он писал: «Случай свободного прохождения заразного начала через бактериальные фильтры, в то время как оно было констатировано мной для мозаичной болезни, представляется совершенно исключительным в микробиологии. Через несколько лет после того совершенно такое же явление было констатировано и в патологии животного организма при исследовании ящура». Он понимал, что возбудитель заболевания животных — возбудитель ящура, открытый немецкими учеными Ф. Леффлером и Ф. Фрошом в 1898 году, относится к той же группе живых существ.

Таинственные возбудители получили название вирусов (от латинского слова «вирус», что означает «яд»). Так назвал их в 1898 году голландский микробиолог Мартин Бейеринк.

Едва успели открыть вирусы, возник спор об их природе. Д. И. Ивановский доказал, что открытый им вирус — маленькая живая частица. Бейеринк высказал другую точку зрения. Он полагал, что возбудитель мозаичной болезни табака является растворенным живым жидким веществом.

Итак, что такое вирус? Существо или вещество?

Живой или неживой? Этот спор, начатый между учеными еще в конце XIX века, продолжается до сих пор.

Свидетельство тому — высказывания крупнейших биологов о вирусах. Послушаем, что они говорили в первой половине XX века и позже.

В первой половине XX века.

Французский микробиолог Эмиль Ру — один из корифеев бактериологии прошлого столетия:

— Пастер, мой учитель, еще в 1881 году пытался выделить микроб бешенства и, потерпев неудачу, понял, что он столкнулся с гораздо более маленьким возбудителем, который он обычно называл «столбнячным вирусом» … Вирусы существуют, и их нельзя смешивать с бактериями.

Французский бактериолог, лауреат Нобелевской премии Шарль Николь:

— Любой вирус является фильтрующейся формой определенной бактерии … Вслед за открытием вируса надо немедленно приниматься за поиски породившей его бактерии.

Итальянский исследователь Сан Феличе:

— Вирусы являются не чем иным, как токсинами (ядами), выделяющимися внутри клетки в результате неизвестных факторов… Организм атакуют не живые частицы, пришедшие извне, а токсины, выделяемые самой больной клеткой, которая таким образом «кончает жизнь самоубийством».

Во второй половине XX века.

Действительный член Академии медицинских наук СССР, профессор Виктор Михайлович Жданов:

— Я рассматриваю вирус как генетического паразита клеток. Его способность вмешиваться в генетический аппарат чревата многими последствиями.

Доктор биологических наук, вирусолог Александр Самсонович Кривиский:

— Накопленные наукой данные свидетельствуют о том, что вирусы представляют собой живые, развивающиеся в процессе эволюции системы, обладающие определенной, довольно сложной приспособительной организацией, обеспечивающей им способность к паразитированию на генетическом уровне. Это и определяет своеобразие их свойств и функций. И если такие живые системы не подходят под то понятие живого, которое сложилось на основе изучения клеточных структур, то в свете новых данных оно должно быть расширено, с тем чтобы обнять свойства не только клеточных, но и доклеточных организмов. В этом насущная задача современной биологии.

Генетик, профессор Давид Моисеевич Гольдфарб:

— В общебиологическом плане можно провести аналогию между вирусами и эписомами. Эти своеобразные обломки нуклеиновых кислот, своего рода бродячие гены, открыты несколько лет тому назад. Они способны путешествовать от бактерии к бактерии и передавать весьма ценные свойства, например устойчивость к антибиотикам, т. е. помогать выжить в трудных условиях.

Вирус также можно рассматривать как собрание генов, подобное эписомам. Вернее, эписому — как некое подобие вируса.

Американский микробиолог С. Е. Луриа:

— Мы рассматриваем вирусы как элементы генетического материала, которые могут определять в клетках, где они репродуцируются, биосинтез специфического аппарата для своего собственного перехода в другие клетки.

Вирусолог, профессор Лев Александрович Зильбер:

— В настоящее время, имея в виду наиболее низкие уровни биологической организации, было бы правильнее говорить не о живых системах, а о биологических саморепродуцирующихся системах, которые, может быть, явились промежуточным звеном в эволюции от мертвого к живому и сохранились в виде простейших вирусов.

Английский биохимик, лауреат Нобелевской премии Джон Кендрью:

— Мы рассмотрим мельчайшую из форм жизни — настолько малую, что она обладает лишь частью обычных признаков, присущих живым организмам.

Питание и рост у этих форм вообще отсутствуют, а воспроизведение себе подобных возможно только внутри клеток других организмов — клеток хозяев. Стало быть, перед нами паразиты в самом прямом смысле этого слова. Речь идет о вирусах. Поскольку им недостает столь многих функций, присущих живым организмам, а также в связи с тем, что они обладают свойствами, которые мы привыкли встречать только в неживой природе, например, способностью к образованию кристаллов, в свое время возник спор, относить ли вирусы к живым или неживым объектам. Этот спор имел бы смысл, только если предполагать, что между живыми и неживыми объектами имеется фундаментальное различие, что их разделяет резкая граница и все, что бы мы ни взяли, можно поместить либо по одну, либо по другую ее сторону. Лично я не думаю, что такая граница существует, что есть какая то принципиальная разница между живым и неживым, и, насколько я знаю, многие из тех, кто занимается молекулярной биологией, разделяют мою точку зрения. А если так, то вопрос о том, живые вирусы или нет, становится просто вопросом удобства: можно считать и так и этак — принципиальной раз ницы не будет; спор решается в зависимости от определений и поэтому утрачивает всякий интерес.

Американский вирусолог, лауреат Нобелевской премии Уэнделл Стэнли:

— И вот в 1892 году был открыт «организм» более мелкий, чем любое из ранее известных живых существ; он оказался способным к самовоспроизведению и вызывал заболевание растений табака. А в 1935 году была выделена и описана молекула, превышавшая по своим размерам молекулы всех известных нам химических соединений.

Этот «самый мелкий организм» и эта самая большая молекула оказались одним и тем же — вирусом табачной мозаики (ВТМ). ВТМ в известной мере можно считать как организмом, так и молекулой, и он заполнял собой… разрыв между областями исследования — биологией и химией, объекты изучения которых прежде были четко разграничены.

Эта сумеречная зона жизни, на полпути между живым и неживым, и есть зона вируса…

В то время как «минеральное» существование каждой инертной вирусной молекулы, входящей в состав кристалла, может продолжаться многие годы и даже века, ее активная жизнь ограничена самое большее несколькими часами.

Именно этот активный момент во всем долгом, но статичном существовании вируса мы и имеем в виду, говоря о вирусе как об организме. Ибо именно в этот период, который в некоторых случаях длится всего 13 минут, вирус обнаруживает два важнейших свойства всех живых существ: он воспроизводит себя и в процессе этого воспроизведения становится способным к устойчивым наследственным изменениям, или мутациям.

Итак, сегодня, как и в первые годы после открытия вируса, нет единого ответа на вопрос: «Что такое вирус?»

Вирусы — существа доклеточного строения, внутриклеточные паразиты.

Когда вирусы проникают в клетки организмов, они маскируются и становятся как бы частью клеток, но функционируют как паразиты.

Вирус — это оборотень. В клетке он ведет себя как существо, размножается, потомки его несут признаки родителей. Вне клетки он не что иное, как вещество, ведет минеральное существование, может превращаться в кристалл.

Вирус — это химера, способная быть мертвой, чтобы воскреснуть. Вирус — это балансирующая на грани живой и неживой природы дремлющая искра жизни.

Как устроен вирус?

Возьмите любую популярную статью или книгу о вирусах, откройте любую современную энциклопедию — всюду вы найдете удивительно ясный и простой ответ на этот вопрос: как правило, вирус состоит всего из двух компонентов — белка и нуклеиновой кислоты.

Однако, чтобы найти этот ответ, потребовалось сорок лет напряженной работы вирусологов и биохимиков.

Надо было собрать тысячи тонн больных мозаичной болезнью растений табака, выжать из них сок и пропустить его через ультрафильтр, а потом уже выяснить состав полученного экстракта. В 1935 году Уэнделл Стэнли объявил, что вирус табачной мозаики есть не что иное, как белковая молекула. Через два года английские биохимики Ф. Боуден и Н. Пири в вирусе, кроме белка, обнаружили нуклеиновую кислоту. Оказалось, что нуклеиновая кислота занимает центральное положение, а белок образует вокруг нее защитный чехол. Нуклеиновая кислота вируса называется нуклеоидом, а белковый чехол — капсидом. Нуклеиновая кислота — это «мозг» вируса, в ней заключена вся информация, необходимая для производства новых вирусных частиц, информация, передающаяся по наследству потомкам. Белок выполняет роль «кожи» и «тела» вируса.

Существует два типа нуклеиновой кислоты: дезоксирибонуклеиновая кислота (сокращенно ДНК), содержащая сахар, называемый дезоксирибозой, и рибонуклеиновая (РНК), имеющая в своем составе вместо дезоксирибозы сахар — рибозу. Клетки большинства живых существ, кроме вирусов, содержат оба типа этих кислот. Каждый вирус наделен лишь одним типом нуклеиновой кислоты, либо ДНК, либо РНК. Так, вирусы гриппа, полиомиелита, ящура, вирусы растений содержат РНК, а вирусы оспы, аденовирусы, бактериофаги — ДНК. По содержанию нуклеиновой кислоты одни вирусы беднее других. Чем больше нуклеиновой кислоты, тем вирус «умнее». Содержание ДНК в некоторых бактериофагах составляет до 50 % всей массы. Недаром они имеют довольно сложное поведение и строение. Самый простой вирус намного сложнее атома. Судите сами: вирус табачной мозаики состоит примерно из 5 000 000 атомов.

Как выглядят вирусы — представители самой простой формы жизни на Земле?

Среди этих крошечных карликов, многие из которых видны только при увеличении не менее чем в 10 000 раз, встречается множество удивительных форм. Даже не верится, что они так разнообразны.

Возьмем хотя бы бактериофагов — вирусов бактерий (рис. 2). У них есть головка и хвост. В головке, как и полагается, помещается «мозг» вируса — необычайно длинная нить нуклеиновой кислоты. «Мозг» защищен «черепной» белковой коробкой. Головка имеет форму многогранника, а в поперечном сечении — шестиугольная. За головкой идет образование, напоминающее длинный хвост. Его можно было бы назвать туловищем. На конце его расположена пластинка.

К ней прикрепляются шесть хвостовых нитей, выполняющих роль ног. Бактериофаг садится на бактерию, ножками как бы прилипает к ее поверхности. Вокруг туловища вируса надето что-то вроде спиральной пружинки — муфты. Туловище полое, в хвостовой части его находится особая «железа». Содержимое этой железы — фермент лизоцим способен разжижать оболочку бактерии. Когда бактериофаг фиксируется на бактерии, спиральная пружинка освобождается и сжимается. При этом туловищный отдел вируса, подобно игле для уколов, проталкивается внутрь бактерии.

Далее происходит что-то фантастическое. Вирус разрывается на части. Его «мозг» — ДНК — через полое туловище впрыскивается во внутренние владения бактерии, а его белковое тело остается снаружи. От этого вирус не погибает. Его «мозг» живет, налаживает в теле бактерии производство новых вирусов.

Рис. 2. Бактериофаг:

вверху слева — до прикрепления к клетке хозяину;

вверху справа — после прикрепления к клетке хозяину (модель);

внизу — головка бактериофага Т4 разорвалась, и нуклеиновая кислота, представляющая собой одну длинную молекулу, высвободилась из головки вируса.

Есть палочковидные вирусы. Например, вирус табачной мозаики напоминает полый цилиндр. Стенки живой палочки не сплошные, они состоят из мелких частиц. Оказывается, вирус табачной мозаики похож на палочку только на первый взгляд, на самом деле он отдаленно напоминает еловую шишку, но более удлиненную, чем обычная, или же кукурузный початок.

Если рассматривать с помощью электронного микроскопа при увеличении в десятки тысяч раз вирусы гриппа, полиомиелита, аденовирусы или некоторые вирусы животных, то они кажутся мизерными сферами, или шариками. Отсюда их название — сферические или шаровидные. Но при внимательном, детальном изучении выясняется, что эти шарики состоят из отдельных частиц. Расположены частицы не как попало. Они образуют икосаэдр — правильный многогранник, поверхность которого образована двадцатью треугольными гранями.

Почему эти вирусы имеют форму правильного многогранника, а именно икосаэдра? Оказывается, все дело в экономии. Допустим, вам дали треугольные кирпичики и сказали, чтобы вы из них самым экономным способом сложили замкнутую оболочку. Строгие законы точной науки — математики подскажут вам, что в данном случае следует сложить икосаэдр. Природа, как самый гениальный математик, придала телу вирусов форму икосаэдра. По видимому, дело здесь не только в экономии строительного материала. Вирус в клетке должен совершить настоящий переворот, поработить ее и заставить работать на себя. Для этого он должен быть «умным». Он в миллионы раз меньше клетки. Весь план переворота нормальной жизни клетки должен быть тщательно записан, зашифрован в «мозгу» вируса — нуклеиновой кислоте. Поэтому «мозг» вируса должен быть как можно более объемистым, чтобы туда все уместилось. Но масса его ограничена. Для зашифровки тайны своей жизни в «мозгу» вируса оставлено совсем немного места. Таким способом достигается не только экономия строительного материала, но и экономия генетической информации.

Вирусы устроены не только просто, но и чрезвычайно целесообразно. Когда природа их лепила, она отбрасывала все ненужное, нерациональное.

Вирусы, за исключением вируса оспы, настолько малы, что их не способны видеть не только наши глаза, но и линзы оптического микроскопа. Мы видим предметы, имеющие размеры, равные одной четырнадцатой части миллиметра и больше. Под самым сильным оптическим микроскопом, дающим увеличение в 2000 раз, можно разглядеть частицы, в 2500—5000 раз более мелкие, чем миллиметр. Но и такое увеличение еще недостаточно, чтобы рассмотреть вирусы.

И вот в 1932 году был изобретен особый микроскоп — электронный. В нем стеклянные линзы заменены электромагнитными. Вместо света здесь используют поток электронов. Изображение предметов электронный микроскоп отбрасывает на экран, похожий на экран телевизора. Современные электронные микроскопы дают возможность видеть объекты, равные одной десятимиллионной доле миллиметра, увеличивая их до миллиона раз. Только взяв на вооружение электронный микроскоп, биологам удалось сфотографировать вирусы и получить представление об их форме.

Есть меры длины, которыми в обыденной жизни не пользуются, но биология и другие науки без них не могут обойтись. Речь идет о микрометре, нанометре и ангстреме. Один микрометр равняется одной тысячной части миллиметра, в микрометре в свою очередь тысяча нанометров, а ангстрем — это одна десятимиллионная часть миллиметра.

Размеры вирусов чаще всего измеряются в нанометрах или реже в ангстремах. Величина вирусов колеблется в пределах 20-300 нанометров. Крошки — вирусы полиомиелита не превышают 40 нанометров, гиганты — вирусы оспы и трахомы достигают 200—300 нанометров, а вирусы гриппа, среднего роста, не выходят за пределы 80-120 нанометров.

Ощутить эти размеры более рельефно, наглядно помогут нам сравнения. Допустим, мы увеличили вирус гриппа до размеров футбольного мяча. Во сколько раз в данном случае увеличили вирус гриппа, во столько же раз увеличим человека. Тогда человек станет не сказочным, а космическим великаном. Он будет обладать такими средними данными: рост — 600 000 000 метров, т. е. выше Луны еще на 200 000 километров, масса — 20 000 000 тонн, а масса сердца примерно 100 000 тонн. Такой силач мог бы положить на ладонь шар земной, как мяч. Чтобы составить из шарообразных вирусов полиомиелита цепочку длиной один сантиметр, потребовалось бы уложить в ряд 2 500 000 вирусов. Если в одном кубическом сантиметре воды растворить 100 000 000 вирусных особей, то жидкость остается совершенно прозрачной. На остром конце обыкновенной швейной иглы могли бы разместиться 100 000 вирусных частиц.

Чтобы лучше понять взаимоотношения клетки и вируса, давайте условимся: примем клетку за суверенное государство. Тогда основные элементы клетки — ядро, цитоплазма и оболочка — получат новые названия: ядро станет столицей, цитоплазма — периферией, оболочка клетки — священной границей государства. Есть и государственная власть в таком государстве. Она принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте. А исполнительная власть сосредоточена в молекулах другой кислоты — рибонуклеиновой. «Тяжелая индустрия», основа основ экономики, альфа и омега производства — синтез белков — находится на периферии. За эту работу ответственны рибосомы — своеобразные «фабрики» белков. Роль силовых станций выполняют митохондрии, расположенные также на периферии. Примерно 80 % выделяемой в митохондриях энергии идет на полезные дела — на синтез важнейших клеточных соединений, главным образом белков. Разумный человек не придумал еще ни одной машины с таким высоким коэффициентом полезного действия. В самых экономичных машинах, изобретенных людьми, удается использовать лишь одну треть тепловой энергии горючего.

Теперь представим, что агрессоры нападают на это государство, молниеносно проходят периферию, овладевают столицей и заставляют государство работать на себя. Оно теперь занято увеличением «поголовья» агрессоров. Наступает время, когда разросшаяся орда завоевателей полностью разрушает завоеванное государство и покидает его.

Агрессор в данном случае не кто иной, как вирус, а государство — клетка.

В отличие от клетки вирус не обладает ни строительным материалом, ни оборудованием для синтеза своих белков. Единственный способ для вируса воспроизвести самого себя — это напасть на клетку, проникнуть в нее, завладеть командным пунктом клетки — ядром, передать генетическому аппарату живой клетки свою программу генетических инструкций.

После этого нормальная жизнедеятельность клетки дезорганизуется, клетка перестает производить свои собственные белки и начинает производить вирусы.

В итоге клетка гибнет, а вирусы покидают мертвую клетку, чтобы атаковать новые, живые клетки.

Большинство растений и животных, не говоря уже о человеке, так сложно устроены, что проследить взаимоотношения вируса и клетки в их организмах невозможно. Но есть просто организованные существа, состоящие из единственной клетки, — бактерии. Они помогли раскрыть многие тайны поведения вирусов.

Вот обычный микроб, обитающий в кишечнике человека, — кишечная палочка. У этой бактерии есть фаг — вирус, поражающий ее, обозначенный учеными как Т4 (рис. 3). Давайте рассмотрим процесс воспро изведения фага Т4, тем более что он длится всего 25 минут. Т4 имеет типичное для бактериофагов строение. Мы его уже описывали. Он проник в бактерию.

Через 40 секунд ДНК фага захватывает ДНК клетки.

Рис. 3. Вирусы:

вверху — бактериофаги Т4, у которых видны сократившиеся чехлы и нити присоски;

внизу — бактерия, разрушенная бактериофагами; заметны разрывы оболочки бактериальной клетки, «новорожденные» бактериофаги и бактериофаги, прикрепившиеся к поверхности бактерии.

Кишечная палочка прекращает синтез собственных белков. Спустя минуту бактерия налаживает производство фаговых белков и ферментов — веществ, необходимых для получения точной копии, дубликата вирусной ДНК. Пять минут орудует Т4 внутри бактерии — уже полным ходом идет заготовка ДНК фага.

На восьмой минуте начинается производство деталей фага: головки и туловища. Прошла 13 я минута — есть первый фаг, он собран из частей. Через 24 минуты внутри бактерии уже 200 фаговых частиц. На исходе 25 я минута — полчище из 200 фагов изнутри атакует клеточную мембрану, растворяет ее лизоцимом.

Как ни странно, бактерия не оказывает сопротивления агрессору, своему исконному врагу, не самообороняется. Наоборот, происходит что-то парадоксальное. Порабощенная клетка начинает сотрудничать с вирусом. Кишечная палочка начинает жить крайне напряженной жизнью, усиленно питается, функционирует с предельной эффективностью, чтобы обеспечить всем необходимым вирус, приносящий ей через несколько минут смерть.

Всегда ли проникновение вируса внутрь клетки оканчивается так трагически — гибелью клетки?

В том то и дело, что нет. Каково было удивление исследователей, когда они столкнулись с явлением маскировки вируса: находясь внутри клетки, он ничем не проявлял себя — не размножался, не разрушал своего хозяина. Это явление было открыто впервые французским ученым Андре Львовым в 1950 году при изучении взаимоотношения фага и бактерии и названо лизогенией. На первый взгляд казалось, что наличие фага «квартиранта» даже полезно бактерии: она приобретала устойчивость к нападению других фагов — родственников своего жильца. Однако мирное сосуществование клетки и вируса продолжается до поры до времени. Оно прекращается, как только наступают неблагоприятные условия для бактерии. Так, если облучить бактерию ультрафиолетовыми лучами, замаскированный в ней вирус активизируется и переходит в полноценную форму. «Квартирант» будто чувствует, что при неблагоприятных условиях его хозяин скоро погибнет. Фаг начинает размножаться; новые фаги покидают бактериальную клетку.

Немало замаскированных вирусов в клетках нашего организма. Вирусы, вызывающие такие болезни, как полиомиелит и бешенство, могут долго находиться внутри нас, ничем не выдавая себя. При неблагоприятных условиях вирусы становятся активными. Скрытая инфекция делается явной — появляются симптомы болезней.

Человек теперь знает, какой огромный вред приносят ему вирусы. С одними он научился бороться, против других ищет эффективные средства борьбы.

Нашел он среди вирусов и друзей, союзников. Человек обнаружил полезные для себя вирусы. Как это случилось?

Началось с «парадокса Хенкина». В 1895 году в Индии свирепствовала холера. Бактериологи занялись исследованием путей распространения болезни. Один из них, английский микробиолог Эрнст Хенбери Хенкин поставил перед собой скромную задачу — выявить, сколько холерных вибрионов содержится в одном кубическом миллиметре воды притока Ганга, втекающей в город Агру, и сколько их в том же объеме речной воды, вытекающей из него. Логично было бы предполагать, что речная вода, вытекающая из города, будет содержать намного больше микробов, чем вода, втекающая в него. Коллеги Хенкина в этом были даже уверены. Ведь в Ганг впадали сотни сточных каналов, в которых кишмя кишели микробы. Однако результаты опытов Хенкина были парадоксальными: они оказались противоположными ожидаемым. В одном кубическом миллиметре воды, втекающей в город, было 100000 возбудителей холеры, а в том же объеме воды, вытекающей из него, лишь 90. Последовали повторные опыты, которые подтвердили данные, полученные Хенкиным. В чем тут дело? Никто тогда не объяснил результаты экспериментов Хенкина, в медицинской литературе это явление получило название «парадокса Хенкина».

Шло время. В 1909 году молодой канадский бактериолог Феликс д'Эрелль, поселившийся в Париже, вплотную подошел к разгадке тайны «парадокса Хенкина». Его внимание привлек микроб, вызывающий массовую гибель саранчи. Ученый выделил культуру микроба. В Гвиане и Тунисе, используя его, д'Эрелль пытался подавить вспышки массового размножения саранчи — одного из опаснейших вредителей сельского хозяйства. Но его производственные опыты не увенчались успехом. «Может быть, болезнь у саранчи вызывается не микробом, а вирусом, паразитирующим в бактерии», — промелькнуло у него в голове. Идея возникла, надо ее проверить. Д'Эрелль был уверен в присутствии вирусов в культуре саранчового микроба.

Ведь он нередко видел появление светлых участков среди мутных колоний бактерии. Он профильтровал такие колонии, но его ждало разочарование. Вытяжка не оказывала никакого действия на саранчу.

«Нет, все таки бактерия является убийцей насекомых», — к такому выводу пришел д'Эрелль и прекратил эксперименты, не выяснив причину появления светлых участков в мутных колониях саранчовой бактерии. Он вспомнил свои наблюдения только в 1913 году, когда прочитал статью ассистента Лондонского университета Уильяма Туорта, в которой описывалось явление под названием «передающийся лизис стафилококков». Туорт обнаружил растворяющий эти бактерии агент, но не сумел объяснить описанное им явление. Объяснил его д'Эрелль. По его мнению, «передающийся лизис» не может быть не чем иным, как уничтожением микробов живым агентом, специфическим паразитом, относящимся к вирусам. Открытому существу он дал меткое название «бактериофаг», что означает пожиратель бактерий. Был объяснен и «парадокс Хенкина»: холерные вибрионы уничтожались бактериофагами.

Уже тогда у д'Эрелля зародилась мысль использовать бактериофагов в борьбе против болезнетворных микробов. Он начал утомительные поиски фага — пожирателя дизентерийных бацилл — и получил обнадеживающие результаты. Выделенный им из испражнений больного дизентерией фаг в опытах убивал дизентерийных микробов. Опыты — опытами. Как использовать фагов на практике? «Конечно, в качестве «живого лекарства», — думал неутомимый исследователь.

В 1918 году больные дизентерией в госпитале парижского института Пастера выпили фильтрат, содержащий фагов дизентерийных бацилл. И что же? Состояние больных улучшилось. Все больные выздоровели.

А в 1919 году д'Эрелль испытывал действие уже другого фага — пожирателя возбудителей тифа у кур.

Результаты были ошеломляющими. До применения бактериофага смертность кур составляла 95 %, после применения «живого лекарства» она снизилась до 5 %.

1925 й год вошел в историю медицины как год испытания бактериофага против чумных бацилл. Два греческих моряка, прибывших на судне в Александрию, заболели чумой. Д'Эрелль, тогда директор Международного санитарного комитета в Александрии, лечит больных противочумными фагами. Успех не покидает исследователя и на этот раз. Страшную болезнь побеждает «живое лекарство» д'Эрелля, греческие моряки выздоравливают.

В 1927 году д'Эрелль уже в Индии. Он борется с холерой, используя противохолерный бактериофаг.

Снова успех, да еще какой! Смертность среди больных снижается с 70 до 10 %.

Эффективный бактериофаг против возбудителей холеры был получен и в нашей стране в 1931 году в Тбилисском научно-исследовательском институте бактериофагов. Его применение дало возможность прекратить в 1931 году эпидемию холеры, грозившую охватить юго-восточные районы СССР.

В 1938 году в пограничных с Афганистаном районах Советского Союза была предотвращена опасность возникновения холеры, свирепствовавшей в Афганистане. Люди принимали в профилактических целях противохолерный бактериофаг. «Живым лекарством» были обработаны колодцы и водоемы.

Результаты применения бактериофагов в борьбе с болезнетворными микробами были подытожены в монографии д'Эрелля «Явления излечивания при инфекционных заболеваниях», появившейся в Париже в 1938 году. В 30—40 х годах нашего столетия на «живые лекарства» возлагали большие надежды, им предсказывали большую будущность. Казалось, что против любого болезнетворного микроба достаточно использовать его специфического фага, способного ликвидировать возбудителя. В то самое время, когда в печати широко рекламировали способ лечения бактериофагами, на практике выявились крупные недостатки лечения ими. Участились случаи, когда применение бактериофагов не только не вылечивало больного, а, наоборот, нередко ухудшало его состояние.

Оказалось, что болезнетворные бактерии сравнительно легко приобретали устойчивость к бактериофагам и начинали обладать большей болезнетворностью, чем исходные формы. Виноват был и сам организм. Он вырабатывал антитела, уничтожающие бактериофагов.

К тому же на арене борьбы с возбудителями заразных болезней появились заменители «живого лекарства» — антибиотики и сульфамидные препараты. Казалось, бактериофаги навсегда сошли со сцены борьбы с инфекциями. Но о них заговорили снова после 1950 года, когда выяснилось, что многие бактерии «привыкают» к антибиотикам и сульфамидам, становятся невосприимчивыми к ним, но остаются чувствительными к бактериофагам. Начался новый этап применения «живого лекарства».

В 1958 году в Афганистане разразилась эпидемия холеры. Туда на помощь были приглашены советские бактериологи. Они привезли с собой противохолерный бактериофаг. 30 000 человек, которым угрожала холера, приняли тогда «живое лекарство» в профилактических целях. И вот результат — никто из них не заболел. Из 22 тяжелобольных, находящихся на грани смерти, после приема противохолерного бактериофага выздоровели 20. В 1960 году в этой стране вспыхнула новая эпидемия холеры. Снова советские бактериологи помогли подавить эпидемию. «Живое лекарство», изготовленное в Советском Союзе, афганские крестьяне называли «святой водой». И не без основания. Из 3 000 000 людей, получивших бактериофаг, ни один не заболел холерой. Приняли его и 119 больных. Не прошло и недели, как смертность снизилась с 50 до 3, 5 %. А ведь до прибытия советских специалистов в больницах, несмотря на использование для лечения от холеры окситетрациклина, погибала половина всех госпитализированных больных.

Неожиданные результаты были получены в 60-х годах. Некоторые микробы — возбудители заразных болезней, невосприимчивые к антибиотикам и сульфамидам, — после вступления в контакт с бактериофагами вновь приобретали чувствительность к этим химическим препаратам. У исследователей возникла идея о возможности комбинированного лечения с применением антибиотиков и бактериофагов. И проверяется она в научных лабораториях.

Бактериофаги продолжают оставаться на службе здоровья человека. О них еще не сказано последнего слова, о чем свидетельствует использование бактериофагов для опознавания возбудителей опасных заболеваний. Основано оно на способности фага находить только ту бактерию, в которой он способен паразитировать. Как каждый замок открывается одним ключом, так и микроб поражается строго определенным фагом. Такая исключительно высокая специфичность каждого фага, его необыкновенная привязанность к определенному микробу позволяет использовать фага в роли ищейки бактерии. Выделяют бактерии, выращивают на питательных средах, после чего их обрабатывают заранее известными фагами. Потом по действиям фагов выясняют, какие бактерии присутствовали в исследуемом материале. Так, если фаг возбудителя дизентерии уничтожил бактерии, то там были дизентерийные микробы. Такой метод бактериологического анализа очень точен, но он трудоемок и требует много времени. Нельзя ли его усовершенствовать?

В 1955 году советские микробиологи Владимир Дмитриевич Тимаков и Давид Моисеевич Гольдфарб разработали новый метод выявления бактерий с помощью бактериофагов и назвали его реакцией нарастания титра фага. Суть его проста. Исследуемый объект обрабатывают определенным количеством фагов. Если в нем есть бактерии, на которых способны размножаться фаги, то через некоторое время количество фага растет, что свидетельствует о наличии в материале искомых бактерий. Не будь этих бактерий, количество фагов не изменялось бы, оставалось исходным. Новый метод отличается большой чувствительностью, которая превышает чувствительность обычного бактериологического анализа иногда в 10 000 раз.

На проведение экспериментов с использованием этого метода уходит гораздо меньше времени. Применяя его, можно обнаружить возбудителей брюшного тифа через 16—20 часов даже в том случае, если их в растворе воды всего несколько экземпляров. Минимальное количество микробов, вызывающих дизентерию, определяется через 14—20 часов, если они находятся в воде, и через 9 — 10 часов, если они содержатся в выделениях больного.

Бактериологи теперь при помощи фагов ищеек быстро и легко определяют наличие болезнетворных микробов в окружающей среде и в организме человека, безошибочно выявляют источники инфекции.

Следует сказать несколько слов о «добрых» вирусах, которые вызывают «красивые» болезни. Речь идет о вирусах растений. Кто не знаком с пунцовыми тюльпанами, разукрашенными причудливыми крапинками? Было время, когда голландские цветоводы скрывали секрет их выращивания, не зная, что творцами удивительной красоты являются вирусы пестролистости тюльпанов.

Оказывается, когда мы говорим о вирусах, не всегда должны подразумевать заразные болезни. Головокружительные успехи, сделанные при изучении вирусов, не только раскрывают характер вирусных болезней, но и помогают глубже понять природу самой жизни. Сегодня без вирусов невозможно было бы представить бурное развитие науки о клетке — цитологии.

Новейшие парадоксальные открытия генетики — науки о наследственности — сделаны при непосредственном применении вирусов. Многие современные успехи науки о химии жизни — биохимии — получены с использованием вирусов. Сегодня вирусы стали одним из главных инструментов современной биологии. Привлекая вирусы, теперь решают такие крупнейшие проблемы биологии, как происхождение и эволюция жизни на Земле, развитие организмов, механизм изменения наследственных свойств живых существ, тайна созидания белков и нуклеиновых кислот в клетках, жизнь больной и здоровой клетки, жизненные процессы в клетках на уровне молекул. Нет ничего удивительного в том, что в настоящее время вирусами интересуются биологи разных специальностей — вирусологи, цитологи, бактериологи, эпидемиологи, инфекционисты, биохимики, генетики, иммунологи, зоологи, научные работники медицинских и научно исследовательских институтов и лабораторий.