Текст книги "Хочу все знать 1970"
Автор книги: Николай Сладков
Соавторы: Борис Ляпунов,Евгений Брандис,Александр Кондратов,Павел Клушанцев,Алексей Антрушин,Тамара Шафрановская,Регина Ксенофонтова,Петр Капица,Анатолий Томилин,Александр Муранов
сообщить о нарушении
Текущая страница: 13 (всего у книги 31 страниц)
Ирина Фрейдлин
В ДЕБРЯХ МИКРОМИРА
Вам известно о существовании «царства Вира»? А ведь это не художественный вымысел и даже не изобретение романтически настроенного публициста – нет, это научный термин, принятый в 1965 году в Париже Международным номенклатурным комитетом вирусологов.
Царство Вира – лишь одна из держав микромира, насчитывающая наибольшее количество «подданных». Правда, население микромира с трудом поддаётся учёту, ввиду невероятной скорости размножения и неуловимо быстрой смены поколений. Но путём теоретического подсчёта можно легко убедиться в том, что общий вес протоплазмы микробов, обитающих на земле, во много раз больше веса протоплазмы всех животных и людей, вместе взятых.
Такая «весомость» микромира невольно наводит на размышления о его роли в нашей жизни.
Что это: антимир или дружественный лагерь? Возможно ли мирное сосуществование, или мы обречены на борьбу миров?
Не так просто ответить на эти вопросы.
Микромир многообразен и противоречив. Среди его обитателей есть и вреднейшие паразиты, и безвредные, во многом даже полезные представители – сапрофиты (организмы, питающиеся мёртвым органическим материалом).
Пожалуй, можно попытаться условно разделить весь микромир на две части: антимир болезнетворных микробов – паразитов и дружественный лагерь мирно сосуществующих с нами микробов. Мельчайшими и злейшими паразитами являются вирусы, вызывающие у человека оспу, бешенство, грипп, полиомиелит.
Но ведь есть вирусы, которые являются паразитами бактерий. Их называют бактериофагами. Как быть с ними, к какому лагерю их причислить?
Было бы крайне несправедливо отнести их целиком к антимиру паразитов: ведь для человека они безвредны, даже полезны. Приспособившиеся к паразитизму на бактериях, в том числе и на болезнетворных, они неотступно сопутствуют своим хозяевам, составляя своеобразную «пятую колонну» в стане наших врагов-паразитов, подрывая антимир изнутри.
Со дня открытия бактериофагов прошло более 50 лет. Полувековая история учения о бактериофагии достаточно драматична и поучительна.
СЛУЧАЙНО ЛИ?
Великие открытия нередко делаются случайно.
В 1910 году любознательный микробиолог Феликс Д'Эррель, уроженец Канады, француз, занялся изучением… поноса у саранчи, нашествие которой застало его в Мексике. Ему удалось выделить от больных насекомых возбудителя поноса – особый вид бактерий.
Рассматривая агаровые пластинки, засеянные этими бактериями, Д'Эррель обнаружил непонятные проплешины на сплошном газоне роста микробов – стерильные пятна, в пределах которых бактерии то ли не выросли, то ли растворились под влиянием чего-то или кого-то.
Почему эти пятна привлекли внимание учёного? Вероятнее всего, случайно. Он сам вспоминал позже, что явление это заинтересовало его, «хотя в сущности в нём не было ничего необыкновенного, скорее оно было настолько заурядным, что многие бактериологи и раньше наблюдали его».
Д'Эррель, работавший в то время в Пастеровском институте в Париже, взял на себя смелость выдвинуть и отстаивать свою гипотезу для объяснения непонятного явления. Он предположил, что гибель бактерий, их лизис (растворение) вызывается особым мельчайшим фильтрующимся вирусом. Чтобы доказать это, он приготовил фильтрат из бульонной культуры поражённых бактерий и смешал этот фильтрат с нормальными бактериями. Смесь была засеяна в бульон и на чашки с агаром. Картина полного лизиса бактерий под действием фильтрата, которую увидел Д'Эррель, вызвала в нём бурю восторга. «Бактерии растворились, как сахар в воде!» – взволнованно воскликнул он.
Учёный окрестил своих любимцев «бактериофагами» – пожирателями бактерий.
Д'Эррель дожил до того дня, когда электронный микроскоп дал возможность воочию увидеть бактериофагов. Когда его спросили, доволен ли он этим, он ответил: «Возможность заглянуть бактериофагу „в лицо“ добавила лишь несколько деталей к сложившемуся у меня представлению о нём. Мне не было ни малейшей необходимости видеть его, чтобы поверить в его существование».
ПРЕВРАТНОСТИ СУДЬБЫ
Судьбы открытий, так же как судьбы людей, складываются по-разному.
Вначале очень немногие всерьёз приняли открытие бактериофага. Большинство микробиологов упрямо продолжали считать его плодом фантазии Д'Эрреля, лабораторным курьёзом.
Однако это ничуть не обескуражило Д'Эрреля. Он завершил и опубликовал свои исследования о природе бактериофага. В 1921 году они вышли отдельной книгой.
Не ограничившись выпуском книги, Д'Эррель, неутомимый путешественник, насаждает учение о бактериофагах в разных странах.
Интересно, что наиболее раннее признание получили бактериофаги у нас в стране. Под руководством самого Д'Эрреля, который работал в Советском Союзе с 1934 по 1936 год, а потом под руководством его учеников и последователей в Тбилиси, Киеве и Харькове возникают научно-исследовательские и производственные институты, занятые проблемой бактериофагии. Советских микробиологов заинтересовала возможность практического применения бактериофагов для борьбы с болезнетворными бактериями. Их попытались поставить на службу медицине.
В 20-е годы медицинская литература была буквально наводнена работами по фаготерапии. Но бактериофаги, исправно атаковавшие бактерии в пробирках и на чашках, часто оказывались совершенно не боеспособными в организме больного. Вирусы были очень не стойки, чувствительны к действию разных факторов внешней среды. Быстро погибали они, например, в кислой среде желудочного сока. Болезнетворные микробы, со свойственным им коварством, удивительно быстро приспосабливались к обществу своих «внутренних врагов», приобретая какую-то непонятную устойчивость к их действию.
Однако некоторые бактериофаговые препараты вышли с честью из лабораторных испытаний и шагнули в лечебную практику. Например, противохолерный бактериофаг стал надёжным оружием в борьбе с эпидемическими вспышками этой страшной болезни.
Но только начали бактериофаги входить в доверие и приобретать авторитет в медицинских кругах, как им снова не повезло.
Дело в том, что как раз в это время благодетельным ливнем хлынул на человечество поток синтезированных химиками лечебных препаратов, а чуть позже – антибиотиков.
Спасительный стрептоцид, магический пенициллин начисто затмили бактериофагов своим непререкаемым могуществом. Славные Д'Эррелевские вирусы были почти повсеместно забыты.
Фортуна вновь улыбнулась заброшенным бактериофагам через какой-нибудь десяток лет. Вспомнили о них и неблагодарные медики: их всё чаще стали подводить хвалёные антибиотики, к которым большинство болезнетворных микробов потеряло чувствительность.
Но своим вторым рождением бактериофаги обязаны, как ни странно, не врачам и даже не биологам, а физикам.
Как же фаги удостоились внимания физиков? С чего началось их триумфальное шествие в генетику, биохимию, молекулярную биологию, радиобиологию?
В 30-е годы самой «модной» наукой в Европе стала генетика. Проблемы наследственности волновали самые различные слои общества.
В те годы в Берлине формируется кружок молодых физиков-экспериментаторов, которые считали, что новая, квантовая физика должна прийти на помощь биологии, чтобы найти правильное материалистическое объяснение явлений наследственности. Бурные собрания этого кружка, на которых велись нескончаемые споры, посещал и Макс Дельбрюк, только что окончивший физический факультет Геттингенского университета.
В 1937 году произошло первое знакомство Дельбрюка с фагами в стенах Калифорнийского технологического института. С первого взгляда он понял, какими неоценимыми преимуществами обладают эти вирусы для изучения механизма биологического самовоспроизведения. Все модели, на которых до этого изучались генетические закономерности, были слишком сложными.
Дельбрюк, со свойственным ему физико-математическим мышлением, искал «единицу» наследственности, поддающуюся измерению и учёту. Он нашёл такую «единицу» в лице фага.
Ему были известны работы венгерского химика М. Шлезингера, который впервые выяснил химический состав фагов и обнаружил, что фаги удивительно напоминают хромосомы – носителей наследственной информации любых живых клеток. Они не содержат ничего «лишнего», только нуклеиновую кислоту (ДНК) и белок. Чем не единица наследственности, к тому же живая, активно самовоспроизводящаяся и «в чистом виде»!
Возможность точного количественного учёта инфекционных частиц фага, то есть частиц, способных атаковать бактерий, была показана ещё самим Д'Эррелем. Дельбрюк установил, что каждая отдельно взятая бактериальная клетка, заражённая фагом, через полчаса высвобождает несколько сотен его потомков, а сама разрушается. Тогда перед исследователями во весь рост встал основной вопрос: каким образом родительскому фагу удаётся стократно воспроизвестись внутри заражённой бактериальной клетки за какие-нибудь полчаса?
Ответ на этот вопрос должен был приоткрыть завесу над наиболее таинственными механизмами наследственности, характерными для всех живых организмов.
Фаг стал моделью, орудием для изучения основ наследственности в руках физиков, биологов и биохимиков из группы, которую возглавил Дельбрюк, покинувший Германию и обосновавшийся в США после прихода Гитлера к власти. В течение десяти лет эта группа заложила фундамент совершенно новой области знаний, которая получила название молекулярной биологии.
НА КЛЮЧЕВЫХ ПОЗИЦИЯХ
Многое из того, что мы знаем о молекулярных основах наследственности, так или иначе связано с исследованиями, проведёнными на фагах.
Не кто иной, как фаги позволили получить совершенно конкретное представление о материальном носителе наследственности.
Наблюдая за процессами деления сложно устроенных, нафаршированных различными химическими веществами клеток, трудно установить, какие из этих веществ ответственны за передачу потомству родительских свойств.
Разобравшись в том, каким образом бактериофаг, состоящий только из белка и нуклеиновой кислоты, умудряется внутри клетки хозяина воспроизвести сотни себе подобных, можно скорее решить вопрос о материальном носителе наследственности. Этот вопрос и был решён с помощью фагов.
Оказалось, что белок фага даже не попадает внутрь клетки хозяина. Из белка построен защитный футляр, окружающий нуклеиновую кислоту, и хвостовой отросток. Хвостом бактериофаг цепляется за поверхность бактериальной клетки. Хвост этот можно сравнить с хоботом слона, так как он полый внутри и может активно сокращаться. Разумеется, это хобот субмикроскопических размеров.
Укрепившись на бактериальной стенке, фаг проделывает кончиком всё того же хвоста микроотверстие, через которое внутрь клетки при активном сокращении хвостового отростка – хобота – впрыскивается нуклеиновая кислота фага. Белковый футляр, сделавший своё дело, остаётся снаружи и в размножении фага не участвует, предоставляя всё дальнейшее одной только нуклеиновой кислоте фага.
Фаговая нуклеиновая кислота оказывается внутри клетки в положении десанта, заброшенного в тылы противника. Времени терять нельзя, и ДНК ведёт себя очень активно. Обладая способностью к самоудвоению, она быстро накапливается в клетке. Одновременно она захватывает все командные высоты в клетке, блокируя нуклеиновую кислоту самой клетки. Клетка оказывается обезглавленной. Из центра на периферию больше не поступает обычных для клетки приказов. Вместо этого фаговая ДНК спешит навязать исполнительным органам клетки свою программу, заставить их работать на себя, строить фаговые белки вместо клеточных. Дезорганизация в стане противника, спровоцированная десантом ДНК, приводит к желательным для фага и губительным для клетки результатам. За какие-нибудь полчаса уже всё готово. Готовые молекулы ДНК закутываются в готовые белковые оболочки, им становится тесно внутри бактерии, клетка лопается, и сотни новорожденных фагов выходят наружу, готовые продолжать дело своих предков. Всё это сделала одна молекула ДНК!
Чем объясняется могущество этой молекулы? Каков язык, на котором ДНК отдаёт свои приказы?
Овладеть языком макромолекул – вот к чему стремятся исследователи. Дело это не лёгкое, пожалуй, даже посложнее, чем расшифровка древнейшей клинописи. Но ключ найден, и тайна постепенно отступает. Этим ключом оказались так называемые мутанты, то есть своеобразные уродцы в семье фагов. Всякий мутант отличается от своих нормальных собратьев каким-то новым свойством или, наоборот, потерей какого-то свойства. Молекулу ДНК мутантного фага подвергают всестороннему химическому анализу, чтобы определить, какое именно звено в цепочке изменено. Ведь именно в этом изменённом звене должна быть записана информация о новом свойстве мутантного фага.
Например, у мутантного фага, который утратил способность прикрепляться к бактериальной клетке, удаётся обнаружить дефект в структуре ДНК: не хватает определённого звена в цепочке. Значит, именно в этом звене была записана программа построения белков фага, ответственных за прикрепление к бактерии. Дефектная ДНК не могла отдать вовремя нужного приказа, и из клетки вышел неполноценный мутантный фаг.
В коллекциях учёных всё больше накапливается таких мутантных фагов, «захромавших на одну ногу», всё больше устанавливается связей, пополняется словарь языка макромолекул.
Другой, не менее сложной проблемой генетики является проблема генетического обмена, в результате которого две особи с разными свойствами дают начало потомству, несущему в себе черты обоих родителей. Вопрос о том, почему один из двух братьев похож на папу, а другой на маму, тоже решается при участии фагов.
Фаги дают исследователю возможность проследить за скрещиванием не организмов и не клеток, а изолированных молекул ДНК. Представьте, что в одну и ту же бактериальную клетку впрыснуты двумя разными фагами две разные молекулы ДНК. Каждая из них немедленно принимается за дело, то есть две цепочки, из которых она состоит, расходятся, и на обеих половинках образуются похожие как зеркальное отражение цепочки. Вскоре молекулам ДНК становится тесно внутри бактериальной клетки. В такой тесноте не мудрено и перепутаться. Какая-то из вновь образующихся цепочек начала «отпечатываться» с одной родительской цепочки, а потом ей «подвернулась» другая родительская цепочка. Вот и получается гибридная молекула ДНК, а после растворения, распада клетки из неё выходит часть фагов, которые похожи на оба родительских фага и в то же время отличаются от каждого из них. Почти как у людей, не правда ли?
Список заслуг бактериофагов перед наукой и человечеством растёт.
Бактериофаги являются прекрасной молекулярной моделью не только для генетиков, но и для исследования таких проблем, как паразитизм.
ВОЗВРАЩЕНИЕ К АНТИМИРАМ
Бактериофагов приходится причислить к паразитам. Для бактерий – это антимир, как для нас – вирусы оспы или бешенства. Познать законы паразитизма фагов на бактериях – это значит ближе познакомиться с повадками своих собственных паразитов.
Бактериофаги помогли биологам понять самую суть той трагедии, которая разыгрывается в поражённой клетке хозяина. Долгое время действие её развёртывалось как бы за закрытым занавесом. Учёные даже придумали таинственное название «эклипс-фаза» для того периода, когда вирус, проникший в клетку, как бы исчезает в ней до того момента, когда новое поколение вирусных частиц выходит из клетки. На вид (даже если смотреть под электронным микроскопом) в клетке ровным счётом ничего не происходит.
А на самом деле в клетке уже хозяйничает вирусная ДНК, подавляя наследственные механизмы самой клетки, раздавая направо и налево свои приказы, распоряжаясь всеми запасами клетки по своему усмотрению. Зная последовательность этих событий, можно попытаться вовремя вмешаться: помешать вирусу, помочь клетке. Для этого используют различные химические лечебные препараты.
С тех пор, как биологи поднялись на молекулярный уровень исследований, перед ними раскрылись многие секреты «антимира». Установили, какие вещества нужны микробам от наших клеток. Химики синтезировали очень похожие вещества.
Человек принимает лекарство, микробы не замечают подмены и, наглотавшись, погибают, человек выздоравливает.
Труднее всего бороться с вирусами. Проникнув в клетку, они так тесно переплетают свои и её жизненные интересы, так удачно маскируются, что пока просто нет возможности бить по вирусу без риска задеть саму клетку.
Нет, вирусологи отнюдь не собираются складывать оружие. Они выискивают слабое звено в молекулярной цепи явлений вирусного паразитизма, ту «ахиллесову пяту», которую можно будет поражать.
ДОЛОЙ АНТИМИР?!
Новорожденный уже с первым вдохом получает первую порцию микробов, которые тут же деловито начинают обживать его носовую и ротовую полость. К концу первых суток жизни из организма ребенка удаётся выделить более 12 видов микробов. К десятому дню количество удваивается. В одной капле слюны взрослого человека можно насчитать миллионы живых микробов.
Антоний Левенгук, в XVII веке впервые увидевший микробов через отшлифованные им стёкла, ничуть не ошибался, когда писал про обнаруженные им живые существа: «В моём рту их больше, чем людей в Соединённом Королевстве!»
Как освободить организм от этих самовольных поселенцев? Выход подсказала сама природа. Она-то умеет обеспечить полную биологическую изоляцию в тех случаях, когда нужно. Цыплёнок внутри яйца, ребёнок в утробе матери – вот примеры существования живых организмов в стерильных условиях. Такое состояние можно продлить, переведя новорожденного из естественной биологической изоляции в искусственную, – решили учёные. На помощь пришла современная техника, современные пластические материалы. И вот новорожденные мышата, крольчата, крысята, поросята и даже телята получают герметически замкнутые, прозрачные жилища, куда поступает профильтрованный от микробов воздух, подаётся стерильная пища и питьё. Наконец удаётся добиться, чтобы животные жили и даже размножались в стерильных условиях. Новая наука о безмикробных животных – гнотобиология – получает права гражданства. Термины «жизнь без бактерий», «стерильная жизнь» из области научной фантастики переходят в отчётные доклады на конференциях и съездах.
Однако для учёных создание гнотобионтов – это лишь начало целой серии различных исследований, многие из которых уже дали очень интересные результаты.
Первый из изученных вопросов – чем отличаются животные, выросшие в безмикробных условиях, от своих обычных собратьев? На первый взгляд мало чем отличаются, но если разобраться глубже… Гнотобионты, не успев познакомиться с микробами и вирусами в течение своей стерильной жизни, беззащитны при столкновении с какими-нибудь патогенными микробами. Они никак не подготовлены к таким встречам, не научились правильно на них реагировать. Их защитные механизмы дремлют, не разбуженные, и не могут быстро мобилизоваться в случае необходимости.
Не удивительно, что для таких «неопытных» организмов опасность представляют даже микробы, абсолютно безвредные для обычных животных.
Беспомощными и незащищёнными перед лицом болезнетворных микробов оказываются гнотобионты ещё и потому, что они вынуждены вступать в единоборство с микробами-агрессорами, лишённые помощи и поддержки со стороны своих «домашних» микробов. В то же время их собратья, выросшие на свободе и успевшие заселить свой организм разнообразной флорой, оказываются за спиной своих микробов-постояльцев, как за каменной стеной. Дело в том, что между микробами чаще всего складываются конкурентные, враждебные отношения, и постоянные обитатели всегда выступают против пришельцев. А у гнотобионтов вредоносный микроб спокойно вторгается на никем не занятую и неохраняемую территорию и начинает бесчинствовать без всяких помех.
Как видите, истинную цену друга, даже если это микробы, часто познаёшь, только потеряв этого друга. Только тогда вдруг выясняется, что микробы, населяющие кишечник, не теряют времени даром, а снабжают наш организм необходимыми витаминами. Чистюли – гнотобионты – остаются без этих витаминов.
К сожалению, люди иногда оказываются в таком же невыгодном положении. Увлекшись лечением антибиотиками, они настолько напичкивают свой организм лекарствами, что мирные представители их нормальной микрофлоры не выдерживают и исчезают. Человек приближается к состоянию подопытной стерильной морской свинки со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Итак, мир без микробов – не такая уж утопия, как могло показаться вначале. Правда, это не мир, а скорее узкий замкнутый мирок. Может ли он оказаться полезным? Безусловно.
Достаточно вспомнить о попытках хирургов осуществить пересадку органов от одного человека к другому, так называемую гомотрансплантацию. Не так давно весь мир с напряжённым вниманием следил за судьбой первых пациентов с пересаженным сердцем.
Организм не желает принимать чужих тканей, его защитные клетки вступают в яростную борьбу с трансплантатом и не успокаиваются, пока не вызывают его отторжения. Есть только один выход – убить защитные клетки на время приживления трансплантата. Этого можно добиться рентгеновским облучением. Но тогда возникает новая опасность: лишённый своих защитных клеток, организм становится необычайно восприимчивым к инфекциям, не может сопротивляться микробам и вирусам и легко может погибнуть.
Вот тут-то и могут прийти на помощь биологические изоляторы. Достаточно поместить оперированного и облучённого человека в такую камеру из современных пластических материалов, куда будет подаваться стерильный воздух, вода и пища, и больной будет избавлен от контакта с антимиром, который представляет для него смертельную опасность. Уход за ним можно обеспечить через систему стерильных боксов. Массивные дозы антибиотиков подавят его внутреннюю микрофлору. В условиях такой стерильной жизни организму легче будет пережить первые, самые опасные недели после вмешательства.
Сейчас уже есть все реальные предпосылки для того, чтобы биологические изоляторы шагнули из лаборатории в клинику.
Есть ещё одна область, в которой последние достижения гнотобиологии были встречены с особым интересом. Это область космической биологии и медицины. Человек уже ступил на Луну. Разрабатываются планы полёта на Марс.
Кабина космического корабля во многом напоминает биологический изолятор. А если учесть, что космонавт или космонавты попадают в эти условия уже со своей сложившейся микрофлорой, то тут можно столкнуться с самыми неожиданными биологическими конфликтами.
Стерильная воздушная среда, стерильная однообразная пища и стерильная вода способствуют постепенному переходу космонавтов в состояние, близкое к гнотобиотическому.
Длительное совместное пребывание в таких условиях нередко приводило к гибели подопытных животных от взаимного заражения неумеренно размножившимися представителями своей микрофлоры. Угроза заражения вполне реальна для будущих полётов на Марс, длительностью более двух лет.
Первые опыты показали, что микрофлора организма в замкнутой системе может вести себя самым непредвиденным образом: нарастать до гигантских размеров, угрожая взаимным заражением членам экипажа, или упрощаться до 1—2 видов, что приводит к резким физиологическим сдвигам в организме. При этом может меняться даже запах тела, выделяемых газов, что ставит новые, уже психологические проблемы. Нелегко добиться сбалансированного состояния микрофлоры в таких необычных условиях. Но первые экспериментальные шаги в этом направлении уже предприняты. Возможно, что придётся создавать коммунальную микрофлору среди команды космонавтов ещё до полёта, добиваясь устойчивого и безопасного равновесия.
Окончательная проверка кабины корабля в любом случае должна включать строгий и вдумчивый биологический контроль.
Нет, мы не можем и не хотим избавляться от сопутствующих нам микробов, но приходится быть с ними всё время начеку – всё-таки «антимир», хотя и перешедший частично в дружественный лагерь!
