Текст книги "Живые организмы-спутники человека"

Автор книги: М. Козлов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 12 страниц)

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.