Текст книги "Его величество микроб. Как мельчайший живой организм способен вызывать эпидемии, контролировать наше здоровье и влиять на гены"

«Вы, верно, помните героя романа Герберта Уэллса «Человек-невидимка», молодого физика Гриффина, сумевшего сделаться невидимым. Гриффин объявляет войну обществу, наивно полагая, что он неуязвим. Но очень скоро все неудобство его положения становится явным. «Я не мог выходить на улицу, когда падал снег: он облеплял меня и таким образом выдавал… Бродя по улицам в лондонской атмосфере, я пачкал ноги, и на коже оседала сажа и пыль». Став невидимым, Гриффин не потерял способности оставлять следы, и это, в конечном счете, и погубило его.

У вирусов есть одно свойство, которое роднит их с фантастическим человеком-невидимкой, – они тоже оставляют следы, и это, по сути, до сих пор остается единственным способом их обнаружить. Исследователи, посвятившие свою жизнь охоте за вирусами, должны были научиться находить эти следы. Задача была трудной, но от ее решения зависел успех борьбы с вирусными заболеваниями. Постепенно был накоплен громадный фактический материал, касающийся строения, химического состава и болезнетворных свойств вирусов. Были разработаны и тонкие методы вирусологического анализа».

В. М. Жданов, Г. В. Выгодчиков, Ф. И. Ершов, А. А. Ежов, Н. Г. Коростылев. «Занимательная микробиология»

«Но вернемся снова к вирусам и к некоторым свойствам этих ультрамикроскопических существ. Итак, электронный микроскоп позволил увидеть как бы «портреты» вирусов, различную их форму. Для этого пришлось пользоваться громадными увеличениями в десятки тысяч и даже до 200 000 раз. Чтобы представить себе это, надо обладать большой фантазией и знать, что размер вируса ящура примерно 21 мкм, вируса полиомиелита – 27 мкм. Это в 50 раз меньше самой мельчайшей бактерии, размеры которой меньше микрона. Приведем еще любопытное сравнение. Масса одной микробной клетки определяется в 0,000 000 00157 доли мг, масса же вирусной частицы меньше микробной клетки в 1500 раз… И вот у этих фантастических мельчайших живых существ надо изучить строение, как они живут, питаются, размножаются, внедряются в клетки организма, поражают их. Надо найти средства воздействия на вирусы не только в лабораторном эксперименте, но и в организме человека, животных».

Семен Александрович Блинкин. «Вторжение в тайны невидимок»

Как по-вашему, какая проблема на сегодняшний день является основным «камнем преткновения» в микробиологии? Даже не только в микробиологии, но и во всей биологии в целом. По какому поводу биологи постоянно скрещивают воображаемые мечи и копья? Кто виноват в раздоре, расколовшем научное биологическое сообщество на два лагеря?

Виноваты вирусы, которые не имеют клеточного строения и этим отличаются от всех других организмов.

Андрей Сазонов. «Мифы о микробах и вирусах: как живет наш внутренний мир»

До сих пор мы вели рассказ в основном о микробах-клетках, о бактериях. Но, оказывается, существуют микробные сущности не только бесклеточные, но и гораздо меньшие по размерам, чем бактерии, – вирусы. Андрей Сазонов в своей замечательной книге «Мифы о микробах и вирусах: как живет наш внутренний мир» сообщает:

«Вирус – не клетка! Наиболее просто организованные вирусы представляют собой генетический материал – дезоксирибонуклеиновую или рибонуклеиновую кислоту, – упакованный в белковую оболочку, называемую капсидом.

Капсид выполняет не только защитную функцию. Он также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточных мембран. Капсид прикрепляется к мембране, но в клетку не проникает. В клетку внедряется только нуклеиновая кислота, которая вынуждает клетку ее “тиражировать”, то есть, по сути, производить новые вирусы. У вирусов нет клеточной мембраны и цитоплазмы с органоидами, нет собственного обмена веществ, а есть только упакованный в капсид генетический материал – матрица для синтеза новых вирусов. Вирус “подчиняет” себе клетку, и только в клетке он живет “полноценной жизнью”. Вне клетки вирус находится в неактивном состоянии».

У любого человека слово «вирус» автоматически вызывает волнение. Сразу начинаешь думать о заразе, болезнях, грязи и прочих неприятностях. Будучи изначально понятием чисто биологическим и медицинским, слово «вирус» неожиданно быстро перекочевало в область компьютерных технологий. Так, «компьютерным вирусом» или просто «вирусом» называется программа, которая не только размножается путем внедрения в операционную систему того или иного компьютера, но и дает несанкционированные команды, наносящие вред оборудованию или пользователю компьютера.

Вирусы биологические крайне мелки, размером в нанометры (нанометр – это всего лишь 10–9 метра). Казалось бы, «раздавить» его – плевое дело. Но он забирается в клетку, и поэтому, нанося вирусу вред, поневоле вредишь и клеткам растения, животного или человека. Потому и бороться с вирусами так непросто.

Разглядеть вирусы удалось не сразу. И вначале их размеры определялись, если можно так сказать, на глазок. Ученые пытались пропускать вирусы через мельчайшие сита (фильтры) с отверстиями определенной величины. Занятие трудное и утомительное. Размеры отверстий в фильтрах постепенно уменьшали и делали это до тех пор, пока не обнаруживался фильтр, задерживающий все частицы данного вируса.

Другой подход – центрифугирование. Если вращать взвесь вирусов в центрифуге с большим числом оборотов, то вирусные частицы будут оседать, причем скорость их оседания зависит от величины частиц. И по специальным формулам можно довольно точно определять размеры вирусов.

Вирусология достигла гораздо больших успехов, когда был изобретен электронный микроскоп. Дата изобретения – 1939 год, его авторы – немецкие инженеры Макс Кнолль и Эрнст Руска. Дедушка оптического микроскопа голландец Антони Левенгук наблюдал микроорганизмы величиной приблизительно 5–10 микрон (5–10 х 10^–4 сантиметров). Современные оптические микроскопы позволяют рассматривать бактерии величиной 0,5–1 микрон.

Вирусы гораздо меньше бактерий. Их разглядеть можно только в электронный микроскоп. При этом очень трудна сама подготовка к этой операции. Сначала необходимо получить чистый концентрированный препарат вирусов.

Вирусы отмывают с помощью мощных суперцентрифуг, чистят в колонках с различными ионообменниками. Полученный вирус наносят на тончайшую сетку, покрытую пленкой коллодия, и еще «припудривают» очень мелкой металлической пылью. И только после всех этих манипуляций можно наконец любоваться видом отдельных вирусов.

Вирус забирается в клетку, и поэтому, нанося вред вирусу, поневоле вредишь и клеткам растения, животного или человека. Потому и бороться с вирусами так непросто.

На экране электронного микроскопа видны увеличенные в десятки тысяч раз вирусы. Они напоминают палочки, шарики, нити, запятые. Подобные умозрения авторы написанной еще в советские времена книги «Занимательная микробиология» (В. М. Жданов, Г. В. Выгодчиков, Ф. И. Ершов, А. А. Ежов, Н. Г. Коростылев) снабжают таким комментарием:

«Здесь вспоминаются дискуссии схоластов по поводу количества чертей, которых можно уместить на кончике иголки. Каждый участник спора мог называть любое пришедшее ему в голову число, но никто не мог экспериментально доказать свою правоту. А если бы мы хотели подсчитать, сколько вирусов может поместиться на кончике иголки, то для этого не потребовалось бы много времени. С помощью самых простых арифметических расчетов можно убедиться в том, что острый конец обыкновенной швейной иголки – великолепная площадка для свободного размещения приблизительно 100 тысяч вирусных частиц. Как раз столько болельщиков бывает на трибунах стадиона в Лужниках во время крупных футбольных матчей».

«Пастер пришел в микробиологию из химии, И. И. Мечников – из зоологии, а Антоний Левенгук был владельцем суконной лавки… Неотразимо привлекал многих людей загадочный мир невидимок. И не удивительно, что в самых почтенных микробиологических учреждениях вы увидите на почетном месте портрет ботаника Д. И. Ивановского, основоположника вирусологии».

В. М. Жданов, Г. В. Выгодчиков, Ф. И. Ершов, А. А. Ежов, Н. Г. Коростылев. «Занимательная микробиология»

«А мысль появилась у Ивановского простая, но вместе с тем поистине гениальная. Наблюдая листья табака, пораженные мозаичной болезнью, Ивановский выделил сок из больных листьев и профильтровал его через бактериальные фильтры. Эти фильтры имели столь маленькие отверстия, что через них не могли пройти никакие микробы величиной даже в 2–3 мк. Иначе говоря, все видимые в микроскоп микробы задерживались на фильтрах. Казалось бы, если в прозрачной жидкости, прошедшей через бактериальные фильтры, не было никаких микробов, то она никакого вредного действия на здоровые, свежие листья табака не должна была оказывать. Но оказалось, что, когда капли такой чистой и абсолютно прозрачной жидкости Ивановский нанес на здоровые листья, на них через некоторое время появились пятна неравномерной окраски и вскоре развилась мозаичная болезнь.

Словно молния блеснула мысль – значит, в прозрачной жидкости были какие-то микробы, но они, по-видимому, в тысячи раз меньше тех, которые известны нам! Поэтому микроб мозаичной болезни листьев табака и прошел через бактериальный фильтр. Возможно, что эти мельчайшие из микробов не имеют и клеточной структуры. Значит, открыт новый микроб, и его можно назвать, в отличие от всех известных в науке микробов, фильтрующимся вирусом…»

Семен Александрович Блинкин. «Вторжение в тайны невидимок»

Вирусы удалось разглядеть лишь в конце 30-х годов прошлого века, после создания электронного микроскопа. Однако датой открытия вирусов значится 1892 год. И открыл вирус русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский.

Ивановский родился в селе Низы Лужского уезда Санкт-Петербургской губернии. С отличием окончил престижную гимназию и поступил в 1883 году в Петербургский университет. С 1890 года стал ассистентом ботанической лаборатории Петербургской академии наук.

Еще будучи студентом, Ивановский интересовался болезнями растений, изучал на Украине и в Молдавии посевы табака. Особенно заинтересовала его так называемая мозаичная болезнь табака. Он высказывает предположение о бактериальной природе мозаичной болезни.

Девяностые годы ХIХ столетия ознаменованы в микробиологии открытиями возбудителей чумы, ботулизма, сонной болезни, отдельных представителей дизентерийных палочек. К тому времени для многих болезней, поражающих человека, животных и растения, были открыты и довольно хорошо изучены микробы, эти болезни вызывающие. Но оставалось еще много заболеваний, заразная природа которых была очевидна, но найти микробов, возбудителей этих болезней, никак не удавалось.

Ивановский знал, что на плантациях Украины и Бессарабии (ныне говорят о Молдавии) на листьях стали вдруг появляться желтоватые пятна с причудливыми узорами. Листья съеживались и становились непригодными к обработке. Табаководы терпели громадные убытки. Молодого ученого послали на юг разобраться с этими проблемами. Предлагались различные средства, чтобы справиться с бедой. Изменяли нормы полива, рекомендовали различные удобрения, предлагали разреживать посевы. Но табак продолжал гибнуть.

Окончив Петербургский университет, Ивановский едет в Крым, в Никитский ботанический сад, но мозаичная болезнь не дает ему покоя. Он делает там опытные посевы, исследует с помощью микроскопа больные растения, сначала корни, затем листья.

Пробует передавать болезнь здоровым растениям. Вытяжки из заболевших листьев он набирает в тонкие трубочки, которые втыкает в жилки здоровых листьев. Убеждается, что так можно распространять заразу. Но микробов в поле микроскопа по-прежнему не видит.

Вирусы открыл русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский в 1892 году.

Может, микробы очень малы? Нужны особые фильтры с очень узкими порами. Есть и такие. Скажем, фильтр, называемый свечой Шамберлена. Он изготовлен из фарфора, поры тут крайне малы, через них не проходят даже бактерии. Увы, сок из больных растений, пропущенный через свечу Шамберлена, продолжал оставаться заразным, а микробов так и не удалось обнаружить.

Ивановский не только вел научные исследования. Он также пытался помочь табаководам. Молодой ученый рекомендовал беспощадно уничтожать больные растения, если их немного. Если же мозаичная болезнь наблюдается на большой площади, то необходимо проводить плодосмен. То есть на месте табака в течение двух-трех лет сеять какие-нибудь другие культуры, например злаки, которым мозаичная болезнь не страшна.

Десятилетие упорной научной работы потребовалось Ивановскому, а он был строгим и требовательным к себе исследователем, чтобы сформулировать новое учение об особых крайне мелких микробах, так называемых «фильтрующихся вирусах».

Ивановский доказал, что заразное начало не является ядом, выделяемым микроорганизмами. При переносе сока от одного растения к другому яд должен становиться все менее токсичным, но во время экспериментов этого не происходило. Значит, тут замешаны микробы, но очень мелкие.

В 1892 году в журнале «Сельское хозяйство и лесоводство» Ивановский опубликовал свою знаменитую статью «О двух болезнях табака». Эта статья и открыла новую эпоху в изучении мира микроорганизмов, положила начало новой области исследований – вирусологии.

Но статья эта была лишь заявкой на большое открытие. Ивановский продолжал свои научные изыскания. В итоге плоды его долгих поисков были собраны и оформлены в виде большой монографической работы – «Мозаичная болезнь табака». По ней в 1903 году Ивановский защищает докторскую диссертацию в Киевском университете.

Собранный Ивановским научный урожай был достаточно велик. Во-первых, он показал, что открытый им возбудитель болезни табака по своим размерам меньше всех известных в то время микробов. Он невидим в световые микроскопы, проходит через любые бактериальные фильтры.

Во-вторых, этот возбудитель не представляет собой «живое жидкое заразное начало», а состоит из дискретных частиц-корпускул, способных к самовоспроизведению. Число их в зараженных растениях увеличивается.

В-третьих, этот возбудитель болезней ведет себя как паразит, способный размножаться только в живых клетках восприимчивых организмов, и обладает резко выраженными инфекционными и болезнетворными свойствами.

«Джонатан Свифт, этот великий сатирик, кое-что знал о биологии уже в ХVIII столетии. В его стихотворном сатирическом трактате «О поэзии. Рапсодия» имеется обаятельный отрывок, даже ставший популярным детским стишком:

Заметили натуралисты: на блохе

живут другие блохи, меньше ростом,

на них же кормятся другие, еще мельче,

и так до бесконечности, друзья.

На клеточном уровне эти «более мелкие блохи» – кусочки жизни, которые мы именуем вирусами. У бактерий тоже есть вирусы. Наряду с потоком новой информации о бактериях в научный оборот поступает и более скромный ручеек результатов, которые позволяют нам постепенно осознавать новый сложный слой микробиоты (а значит, и нашего суперорганизма), внося коррективы в наши представления о том, как она себя ведет и как эволюционировала».

Джон Тёрни. «Я – суперорганизм! Человек и его микробы»

«Ныне вирусы выделены в отдельное научное «государство» – вирусологию, равно как и все бактерии числятся и изучаются в государстве бактериологии. Жители царства-государства вирусов обладают четырьмя отличительными признаками:

• они настолько малы, что не видны в обычный микроскоп;

• сравнительно просто устроены;

• могут жить, лишь паразитируя на другом организме;

• они обычно убивают эти организмы.

Как возникли подобные создания? Есть ли у вирусов «предки»? Тут имеется ряд догадок-гипотез.

Одни ученые считают, что вирусы произошли от бактерий. Как бы часть из них перешла к паразитическому образу жизни, упростила свою структуру, уменьшилась в размерах. Другое мнение – вирусы возникли до появления бактерий-клеток и позже стали паразитами».

В. М. Жданов, Г. В. Выгодчиков, Ф. И. Ершов, А. А. Ежов, Н. Г. Коростылев. «Занимательная микробиология»

Вирусы находятся на трудно определимой грани, отделяющей живую материю от мертвой: они как бы заполняют промежуток между веществами и существами.

«В шутку биологи говорят о вирусах так: «они живые, но не совсем». Если говорить серьезно, то «не совсем» живым быть невозможно – или ты живой, или неживой.

Одни биологи относят вирусы к живым существам с оговоркой, что это неклеточная форма жизни. Вирусы способны размножаться? Способны! Способны приспосабливаться к условиям окружающей среды? Способны! Вирусы обладают наследственностью? Обладают! Значит, они живые, и их можно отнести к микроорганизмам. Оппоненты возражают – ну какие они живые? Вирусы – это не форма жизни, а комплексы органических молекул, взаимодействующих с живыми организмами. Самостоятельно, без использования чужих ресурсов, вирусы воспроизводиться не могут? Не могут! Значит, живыми их считать нельзя! Хорошо подходит к вирусам поэтичное определение “организмы на краю жизни”».

Андрей Сазонов. «Мифы о микробах и вирусах: как живет наш внутренний мир».

В книге «Занимательная микробиология» (ее авторы – В. М. Жданов, Г. В. Выгодчиков, Ф. И. Ершов, А. А. Ежов, Н. Г. Коростылев) сказано:

«Дальнейшая судьба вирусов менее спорна. Их эволюция была тесно связана с развитием мира растений и животных. При этом они все более “специализировались”, приобретая способность размножаться только в определенных организмах. Такая строгая специализация, называямая иначе специфичностью действия, позволяет разделить все вирусы на определенные группы: вирусы человека и животных, вирусы растений и вирусы бактерий (фаги). Каждая из этих трех групп, в свою очередь, подразделяется на более мелкие категории.

В настоящее время установлено, что вирусы находятся на трудно определимой грани, отделяющей живую материю от мертвой: они как бы заполняют промежуток между веществами и существами. Условно их можно было бы рассматривать как вещества с признаками существа или, наоборот, как существа с признаками вещества. Дело в том, что до встречи с чувствительной к ним клеткой, то есть большую часть времени, вирусы ведут себя как молекулы гигантских размеров, а соединившись с ней, они на краткий срок пробуждаются к жизни и становятся мельчайшими живыми существами, способными размножаться, изменяться и передавать свои свойства по наследству».

В царстве вирусов отмечаются-празднуются три важнейших события: 1892 год – открытие вирусов Д. И. Ивановским, 1939 год – изобретение в Германии электронного микроскопа, позволившего вирусы разглядеть, и, наконец, 2002 год (сенсация!) – создание в Нью-Йоркском университете группой исследователей во главе с Эккардом Виммером[13]13
  Эккард Виммер (родился 22 мая 1936 г.) – немецко-американский вирусолог, химик-органик и выдающийся профессор молекулярной генетики и микробиологии в университете Стоуни-Брук.


[Закрыть] первого искусственного вируса. Был произведен искусственный двойник вируса полиомиелита – очень опасного заболевания, часто смертельного.

Вирус-двойник оказался вполне идентичен своему природному, естественному собрату. Зараженные синтетическим вирусом лабораторные мыши вскоре оказались парализованными и позднее умерли.

Стоит еще отметить, каков химический состав вируса. Возбудитель полиомиелита состоит из 3 326 552 атомов углерода, 492 288 атомов водорода, 1 131 196 атомов кислорода, 98 245 атомов азота, 7501 атома фосфора и 2340 атомов серы.

Еще любопытные детали: научная группа Виммера необходимый биологический материал (цепочки генов) «выписала по почте», информацию о строении вируса удалось скачать из интернета. Закрытой оказалась только информация о том, как ученым удалось «собрать по частям» полноценный искусственный вирус.

После этой научной победы многие вспомнили про биотерроризм. И вот что сам Виммер говорит об этом: «Теперь же к этому придется относиться со всей серьезностью. У всех научных исследований есть опасные стороны, так что “миру следует всегда быть настороже”».

Вирусы. Они будят воображение не только у вирусологов. Многие аспекты существования вирусов плохо видны в «микробном тумане». Тут возникает масса нерешенных вопросов. К примеру, стоит прислушаться к мнению француза (родился в 1949 году) Патрика Фортерра, руководителя отдела микробиологии парижского Института Пастера. Он утверждает, что наши знания о вирусах напоминают пока «черную дыру» или, еще мрачнее, навевают космологические мысли о ЧЕРНОЙ МАТЕРИИ, субстанции неопознанной, полной загадок, невидимой, не ощущаемой нами, но, вполне вероятно, творящей наш мир.

Фортерр называет вирусы «карманниками биологии». Он не согласен, что они воруют у клеток материал, чтобы стать самостоятельными. Отмечает то важное обстоятельство, что 20 % наследственности у человека имеет однозначно вирусное происхождение. Не сомневается, что «конфликт между клеточным организмом и вирусом стал главным двигателем биологической эволюции».

И последнее замечание. Комбинацию нуклеиновой кислоты с белком, называемую нуклеопротеидом, обнаружил в природе вирусов американский вирусолог и биохимик Уэнделл Мередит Стэнли (1904–1971). За это открытие он был удостоен Нобелевской премии по химии. На вопрос, представляют ли вирусы собой форму живой материи, он ответил так:

«Их двойственный характер и сравнительно примитивная структура, которую мы в состоянии уже довольно подробно изучать, дают нам возможность видеть в них, с одной стороны, живые существа, а с другой – химические молекулы, способные к размножению. Тем самым мы приближаемся к химической сущности размножения, протекающего во всех других живых организмах… С точки зрения структуры – имеем возможность проследить весь ряд тесно связанных между собой объектов: от атома через простую молекулу, макромолекулу, вирус, бактерию и далее через рыб и млекопитающих вплоть до человека».