О царствах, которые мы видим и не видим

Лизогения

Когда вирусологи поближе  познакомились с жизнью вирусов, они обнаружили у них ещё одно неожиданное свойство. Раньше считали, что любая частица вируса, попав  в клетку, начинает там размножаться и, в конце концов, клетка погибает. Но в 1921 году, а затем в середине 30 – х. годов в институте Пастера  в Париже была описана странная картина. К бактериям добавляли бактериофаги. Через какой-то промежуток времени  клетки должны были погибнуть, но, удивительно, часть их осталась жить, и продолжала размножаться, несмотря на то, что кишмя кишели фаги. Каким – то образом эти клетки получили иммунитет к фагам. Учёные выделили такие клетки, очистили их от фагов, затем стали регулярно высевать их и однажды обнаружили, что в свободной от фагов культуре бактерий, откуда не возьмись, снова появляются фаговые частицы.

Исчезнув на время, как  будто спрятавшись внутрь клетки, фаги снова заявили о своём  существовании. Эти же фаги испытали на свежих ещё не заражённых культурах  бактерий. Фаги по-прежнему вели себя необычно. Часть из них, как и полагалось, вызывало гибель клеток, но многие исчезали внутри клеток, а как только это  происходило, клетки получали способность  противостоять заражению другими  такими же вирусами.

Процесс исчезновения вирусов  назвали лизогенизацией, а клетки, заражённые такими вирусами, стали именовать лизогенными. Всякие попытки обнаружить всякие фаги внутри лизогенных бактерий окончились неудачно. Вирус прикреплялся к какой-то структуре клетки и без неё не размножался.

С помощью микроманипулятора  учёные Львов и Тутман отделил от общей массы лизогенных бактерий одну клетку, и начали за ней наблюдать. Клетка поделилась один раз, дав начало двум молоденьким клеткам, те, в свою очередь, через положенное время дали потомство. Клетка, подозреваемая в том, что она спрятала внутри бактериальный вирус, ничем от других не отличалась. Сменилось 15 поколений бактерий, но терпеливые учёные постоянно наблюдали с помощью микроскопа, заменяя друг друга через определённые промежутки времени. Во время 19 деления одна из клеток лопнула точно так, как разрывались обычные бактерии, заражённые обычным вирусом.

Учёные определили, что  лизогенные клетки, хотя и несут  в себе вирус или его часть, но до поры до времени этот вирус  не инфекционен. Такой внутри клеточный вирус они назвали провирусом, или, если речь шла о бактериофагах, профагом.

Затем они доказали, что  провирус, попав в бактерию, не исчезает. Через 18 поколений его удалось обнаружить. Оставалось предположить, что всё это время профаг размножался вместе с бактерией.

Впоследствии было доказано, что обычно профаги не могут размножаться сами по себе, как это делают все остальные вирусы, а размножаются только тогда, когда размножается сама бактерия.

И, наконец, третья честь  этого открытия принадлежит Львову, Симиновичу и Кылдгарду – способ выделения из состояния равновесия провируса. Воздействуя небольшими дозами ультрафиолетовых лучей на лизогенные клетки, удавалось вернуть их профагам способность размножаться независимо от клеток. Такие освобождённые фаги вели себя точно так, как вели себя их предки: размножались и разрушали клетки. Львов сделал из этого верный, единственный вывод – ультрафиолет нарушает связь профага с какой-то из внутри клеточных структур, после чего и наступает обычное ускорение размножения фагов.

Открытие Херши и Чейза.

В 1952 появилась сенсационная работа двух американских исследователей – Альфреда Херши и Марты Чейз.

Херши и Чейз решили проверить, насколько верна картина нарисованная прежними исследователями. На поверхности клетки в электронный микроскоп фаги были видны. Но разглядеть их внутри клеток в те годы никому не удавалось. Тем более нельзя было увидеть процесс проникновения фага в клетку. Стоило только подставить клетку с налипшими фагами под пучок электронов, как электроны убивали всё живое, и то, что отражалось на экране микроскопа, было лишь посмертной маской некогда живых существ.

Учёным помогли методы радиационной химии. Пробирки с суспензией они давали нужную порцию меченных радиоактивным фосфором и серой  фагов. Через каждые 60 секунд отбирались пробы, и в них определялось содержание отдельно фосфора и от дельно серы, как в клетках, так и вне  них.

Спустя две с половиной  минуты, было отмечено, что количество «горячего» фосфора на поверхности  клеток оказалось равным 24%, а серы снаружи было в три раза больше - 76%. Ещё через две минуты стало  ясно, что никакого равновесия между  фосфором и серой не наступает  и впоследствии сера упорно не желала лезть внутрь клеток, а оставалась снаружи. Через 10 минут – время достаточное, чтобы не мене 99% фагов прикрепилось и проникло внутрь бактерии, – клетки подвергли интенсивному встряхиванию: оторвали все, что прилипло к ним снаружи, а затем отделили центрифугированием бактериальные клетки от фаговых частиц. При этом более тяжелые клетки бактерии осели на дно пробирок, а лёгкие фаговые частицы остались в жидком состоянии. Так называемом надосаке.

Дальше надо было измерить отдельно радиоактивность осадка и  надосадка. Отличить излучение серы от фосфора учёные смогли, а по величине радиоактивности им не трудно было высчитать, сколько фагов попало внутрь клеток и сколько осталось снаружи. Для контроля они тут же провели биологическое определение числа фагов в надосадке. Биологическое определение даёт цифру 10%.

Результаты опытов Херши и Чейза исключительно важны для последующего развития генетики. Они доказали роль ДНК в наследственности.

ΙΙΙ. Заповеди вирусов.

Вирусы проходят через  фильтры, задерживающие бактерии. Им дали название – «фильтрующиеся вирусы», но оказалось, что через бактериальные  фильтры (менее 0,5 микрометра) проходят не только вирусы, но и бактерии L-формы (их изучал академик В. Д. Тимаков со своими учениками). Затем был открыт целый класс наиболее мелких бактерий – микоплазмы. Так «фильтрующиеся» вирусы стали просто вирусы.

Невозможно выращивать вирусы на искусственных средах. Это свойство вирусов отражает степень паразитизма. Они не растут даже на самых сложных  по составу питательных средах и  развиваются только в живых организмах, что считалось основным критерием  отличия развития вирусов от других микроорганизмов. Но были открыты опять  же бактерии, не развивающиеся на питательных  средах. Это риккетсии и хламидии. Риккетсии вызывают сыпной тиф, пятнистую  лихорадку и другие. Хламидии –  возбудители трахомы, пневмонии (воспаления лёгких).

Таким образом, живая клетка - единственная возможная среда обитания для вирусов, риккетсий, хламидий и  некоторых простейших. Но сейчас выяснилось, что вирусы для своего размножения  не нуждаются в целой клетки, им достаточно её одной определённой части.

ΙV. Как устроены вирусы?

Сравнивая живое и неживое, необходимо особо остановиться на вирусах, так как они обладают свойствами и того и другого. Что же такое  вирусы?

Вирусы настолько малы, что их не видно даже в самый  сильный световой микроскоп. Их удалось  рассмотреть только после создания электронного микроскопа, разрешающая  способность которого в 100 раз больше чем у светового.

Сейчас нам известно, что  вирусные частицы не являются клетками; они представляют собой скопление  нуклеиновых кислот (которые составляют единицы наследственности, или гены), заключенные в белковую оболочку.

Размеры вирусов колеблются от 20 до 300 нм. В среднем они в 50 раз меньше бактерий. Их нельзя увидеть в световой микроскоп, так как их длины меньше длины световой волны.  

Вирусы состоят из различных  компонентов:

а) сердцевина - генетический материал (ДНК или РНК). Генетический аппарат вируса несет информацию о нескольких типах белков, которые  необходимы для образования нового вируса: ген, кодирующий обратную транскриптазу  и другие.

б) белковая оболочка, которую  называют капсидом.

Оболочка часто построена  из индентичных повторяющихся субъединиц - капсомеров. Капсомеры образуют структуры с высокой степенью симметрии.

в) дополнительная липопротеидная оболочка.

Она образована из плазматической мембраны клетки-хозяина. Она встречается  только у сравнительно больших вирусов (грипп, герпес).

В отличие от обычных живых  клеток вирусы не употребляют пищи и не вырабатывают энергии. Они не способны размножаются без участия  живой клетки. Вирус начинает размножаться лишь после того, как он проникнет  в клетку определенного типа. Вирус  полиомиелита, например, может жить только в нервных клетках человека или таких высокоорганизованных животных, как обезьяны.

Изучению вирусов, инфицирующих некоторые бактерии в кишечнике  человека, показало, что цикл размножения  этих вирусов протекает следующим  образом: вирусная частица прикрепляется  к поверхности клетки, после чего нуклеиновая кислота вируса (ДНК) проникает внутрь клетки, а белковая оболочка остается снаружи. Вирусная нуклеиновая  кислота, оказавшись внутри клетки, начинает самовоспроизводиться, используя в  качестве строительного материала  вещества клетки-хозяина. Затем, опять таки из продуктов обмена клетки, вокруг вирусной нуклеиновой кислоты образуется белковая оболочка: так формируется зрелая вирусная частица. Вследствии этого процесса некоторые жизненно важные частицы клетки-хозяина разрушаются, клетка гибнет, ее оболочка лопается, освобождаются вирусные частицы, готовые к заражению других клеток. Вирусы вне клетки представляют собой кристаллы, но при попадании в клетку “оживают”.

Итак, ознакомившись с  природой вирусов, посмотрим, насколько  они удовлетворяют сформулированным критериям живого. Вирусы не являются клетками и в отличие от живых  организмов с клеточной структурой не имеют цитоплазмы. Они не получают энергии за счет потребления пищи. Казалось бы, их нельзя считать живыми организмами. Однако вместе с тем  вирусы проявляют свойства живого. Они способны приспосабливаться  к окружающей среде путем естественного  отбора. Это их свойство обнаружилось при изучении устойчивости вирусов  к антибиотикам. Допустим, что больного с вирусной пневмонией лечат каким-то антибиотиком, но вводят его в количестве, недостаточном для разрушения всех вирусных частиц. При этом те вирусные частицы, которые оказались более  устойчивыми к антибиотику и  их потомство наследует эту устойчивость. Поэтому в дальнейшем этот антибиотик окажется не эффективным, штамма созданного естественным отбором.

Но, пожалуй, главным доказательством  того, что вирусы относятся к миру живого, является их способность к  мутациям. В 1859 году, но всему земному  шару широко распространилась эпидемия азиатского гриппа. Это явилось следствием мутации одного гена в одной вирусной частицы у одного больного в Азии. Мутантная форма оказалась способной  преодолеть иммунитет к гриппу, развивающийся  у большинства людей в результате перенесенной ранее инфекции. Широко известен и другой случай мутации  вирусов, связанный с применением  вакцины против полиомиелита. Эта  вакцина состоит из живого вируса полиомиелита, ослабленного настолько, что он не вызывает у человека никаких  симптомов. Слабая инфекция, которой  человек практически не замечает, создает против болезни вирусных штаммов того же типа. В 1962 году было зарегистрировано несколько тяжелых  случаев полиомиелита, вызванных, по-видимому, этой вакциной. Вакцинировано было несколько миллионов: в отдельных  случаях произошла мутация слабого  вирусного штамма, так что он приобрел высокую степень вирулентности. Поскольку мутация свойственна  только живым организмам, вирусы следует считать живыми, хотя они просто организованны и не обладают всеми свойствами живого.

Итак, мы перечислили характерные  особенности живых организмов, отличающие их от неживой природы, и теперь нам  легче представить себе какие  объекты изучает биология.

Химический состав вирусов.

Просто организованные вирусы представляют собой нуклеопротеины, т.е. состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и несколько белков, образующих оболочку вокруг нуклеиновой кислоты. Белковая оболочка называется капсидом. Примером таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит всего один белок с небольшой молярной массой. Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку, белковую или липопротеиновую. Иногда в наружных оболочка сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы, например у возбудителей гриппа и герпеса. И их наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду. Геном вирусов могут быть представлены, как однониточными, так и двунитчатыми ДНК и РНК. Двунитчатая ДНК встречается у вирусов оспы человека, оспы овец, свиней, аденовирусов человека, двунитчатая РНК служит генетической матрицей у некоторых вирусов насекомых и других животных. Широко распространены вирусы, содержащие однонитчатую РНК.

V. Кто их родители?

Число видов вирусов приближается к тысяче. Сходные по строению вирусы одних групп – паразиты ограниченного  круга хозяев, другие – поражают виды, филогенетически далёкие друг от друга.

Ограниченный круг хозяев имеют, Т-чётные фаги со сложным строением. Все они паразитируют на бактериях кишечной группы и могут быть признанны узкоспециализированными формами. К ещё более специализированным формам относятся мелкие РНК-содержащие вирусы поражающие более широкий круг хозяев – пресмыкающихся, птиц и млекопитающих, однако, узкая специализация так же очевидна в связи с вертикальной передачей и способностью соединяться с клеточным геномом.

У некоторых вирусов одной  и той же группы наблюдается противоположное  явление – их хозяева относятся  к отдалённым друг от друга филогенетическим группам. Примером могут служить вирусы двуспиральной РНК, морфологически сходные между собой, поражающи человека (реовирусы) и растения (вирусы раневых опухолей). Вирусы группы оспы обнаружены у человека, млекопитающих, птиц, рыб и насекомых. Ещё более выразителен пример РНК-содержащих вирусов, имеющих пулеобразное строение: они поражают человека и животных (бешенство, везикулярный стоматит), насекомых (вирус дрозофилы) и многие виды растений (мозаичные болезни картофеля и злаковых).

VΙ. Взаимодействие  вируса с клеткой.

Вирусы – самые маленькие  из живущих на земле организмов. Долгие годы учёные спорили, являются ли они вообще организмами. Многие считали, что это химические соединения, большие  молекулы, подобные ферментам. Вирусы состоят всего из двух частей: белковой оболочке и спрятанной внутри нуклеиновой  кислоты, несущей наследственную запись о свойствах вирусной частицы. Вирус  может прикрепляться к оболочке клетки, «пробуравить» там крошечное  отверстие и в него впрыснуть  свою нуклеиновую кислоту.