Текст книги "Путешествие в страну микробов"

Автор книги: Владимир Бетина

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 31 страниц)

Враги здоровья

Известно, что болезнетворные микробы могут быть перенесены с больного организма на здоровый. Однако возможность переноса и заболевания бывает в той или иной степени ограничена. Решающую роль при этом играет ряд факторов.

Прежде всего это количество микробов, попавших с пораженного организма в окружающую среду. Чем больше микробов, тем больше вероятность заражения других существ. Следующий важный фактор – время. Самым опасным источником болезнетворных микробов являются бациллоносители, распространяющие микробы неделю, год, два и дольше. Напомним о бациллоносителях брюшного тифа, которые могут быть угрозой для окружающих в течение ряда лет.

Микробы угрожают не только здоровью и жизни человека. Мы видели, что их жертвами могут стать насекомые и мелкие черви. Не меньшую опасность представляют они и для многих высших животных и растений.

О том, что микробы с давних пор угрожали человеку, животным и растениям, а также о том, что в далеком прошлом победа в неравном бою очень часто была на их стороне, мы подробно расскажем в четвертой части книги. К нашим извечным врагам принадлежит и еще одна группа микроорганизмов – долгое время остававшихся невидимыми и тем более опасных для человека. Это вирусы.

Часть третья. Вирусы и молекулы наследственности

Все области знания в равной мере необходимы, но некоторые из них важнее других. И биологию нам следовало бы поставить на первое место, так как ее цель – понять и объяснить сущность жизни.

Аристотель

10. Человек знакомится с вирусами

Я убедился, что сок листьев, пораженных мозаичной болезнью, сохраняет свои инфекционные свойства даже после фильтрации через свечу Шамберлана.

Д. И. Ивановский, 1892

Contagium vivum fluidum

Шел 1883 год, когда 19-летний Дмитрий Иосифович Ивановский поступил в Петербургский университет. Это было время, богатое событиями в области микробиологии, постепенно становившейся самостоятельной наукой. Кох уже открыл возбудителя сибирской язвы и стоял на пороге открытия возбудителей туберкулеза и холеры. Мечников уже был известен своим учением о фагоцитозе.

В 1884 году ученик Пастера Ш. Э. Шамберлан изобрел бактериальный фильтр, при помощи которого можно было освобождать различные жидкости от бактерий. Его соотечественник Милларде годом позднее ввел в практику бордоскую жидкость, уничтожавшую фитопатогенные грибы и тем самым спасавшую огромную часть урожаев.

В Петербургском университете молодой Ивановский имел возможность слушать выдающихся ученых – химика Д. И. Менделеева, ботаников А. Н. Бекетова и А. К. Фаминцына, оказавших на него значительное влияние. Он занимался очень усердно. Биограф Ивановского приводит такие строчки из его студенческого дневника: «Не могу понять, как можно сидеть с приятелем целый вечер и ничего не делать, говорить глупости и находить в этом удовольствие… Я устаю от вечера, проведенного в праздных разговорах».

Еще будучи студентом, Ивановский интересовался болезнями табака и изучал на Украине и в Молдавии распространение «рябухи», уничтожавшей урожаи табака. Позднее, уже как сотрудника университета, его особенно заинтересовала мозаичная болезнь табака, названная так в 1886 году голландским агрономом А. Э. Майером из-за мозаичного расположения темно– и светло-зеленых пятен на листьях табака.

Ивановский повторил опыты Майера. Листья больных растений он растер в фарфоровой чашке, их сок процедил сквозь полотно и при помощи капиллярных трубочек впрыснул эту жидкость в жилки здоровых листьев табака. Через две недели 80 % инфицированных растений были поражены мозаикой. Дальнейшие результаты, полученные Ивановским, уже отличались от тех, что содержались в сообщении Майера. После пропускания сока через фильтр Шамберлана, задерживающий бактерии, инфекционные свойства сока сохранялись, хотя Майер утверждал, что после такой фильтрации они исчезают.

На заседании Императорской Санкт-Петербургской Академии наук в 1892 году Д. И. Ивановский доложил о результатах своих опытов. В заключение доклада он высказал гипотезу, что мозаичная болезнь табака бактериального происхождения и что фильтрат, прошедший через свечи Шамберлана, содержал либо мельчайшие бактерии (способные проникнуть через этот фильтр), либо токсин, выделенный бактериями и способный вызвать мозаику у здоровых растений.

Предположение о токсине привлекало своей вероятностью: ведь за четыре года до этого французские бактериологи Э. Ру и А. Йерсен на примере дифтерии показали роль бактериальных токсинов при инфекционных заболеваниях. Все общие болезненные явления, вызываемые дифтерией, были воспроизведены у животных путем впрыскиваний одного дифтерийного токсина.

Независимо от Ивановского шесть лет спустя такие же результаты получил Бейеринк в Высшей политехнической школе в Делфте. Однако свое сообщение, датированное 1898 годом, он закончил выводом, отличавшимся от предложенного Ивановским. Бейеринк утверждал, что, во-первых, мозаику табака вызывают не микробы, a «contagium vivum fluidum» (жидкое заразное начало), или, короче, фильтрующийся вирус (термин «вирус» употреблялся в то время в значении возбудителя, инфекционного начала любой болезни); во-вторых, вирус размножается лишь в живых органах растений, и, в-третьих, вирус можно уничтожить кипячением, но при высушивании его вирулентные (инфекционные) свойства сохраняются.

Еще через четыре года Ивановский в своей докторской диссертации несколько иронически упомянул о неосведомленности Бейеринка: ведь он (Ивановский) уже доказал, что сок из больных листьев сохраняет свою вирулентность после прохождения через фарфоровые свечи (фильтр Шамберлана). Отрицал он и положение Бейеринка о том, что возбудителем инфекции является жидкость, настаивая на своем утверждении, что речь идет о мельчайших инфекционных частицах. В статьях, опубликованных позже в Германии, Ивановский продолжал развивать теорию, отрицающую предположение о том, что возбудитель мозаичной болезни табака – жидкость (contagium fluidum), и доказывающую, что им должно быть твердое инфекционное начало (contagium fixum). Он также выражал надежду, что в течение ближайших 2–3 месяцев сможет опубликовать данные о возможностях искусственного культивирования возбудителя болезни. В следующей работе он применял, однако, более осторожную формулировку, говоря, что искусственное выращивание микроба мозаичной болезни является задачей дальнейших исследований.

Оба ученых были отчасти правы, но отчасти и ошибались. Возбудителем мозаики оказалась не бактерия, как утверждал Ивановский, но и не жидкое заразное начало, как предполагал Бейеринк. Этим возбудителем был, если говорить словами Ивановского, contagium fixum – твердое начало, но размножающееся лишь в живых органах растений, как и полагал Бейеринк. Сейчас, по прошествии многих лет, мы можем сказать, что в то время этот вопрос еще не созрел для окончательного решения… А термин «фильтрующийся вирус» надолго удержался и лишь значительно позднее стал применяться в сокращенной форме – просто «вирус».

Спустя годы были открыты и другие фильтрующиеся вирусы, вызывающие болезни растений. Немецкие «охотники за микробами» Ф. Леффлер и П. Фрош доказали, что различные формы ящура крупного рогатого скота – это болезни, вызываемые фильтрующимся вирусом. Вскоре стало известно, что и желтая лихорадка, сеющая смерть среди населения южных стран, – тоже вирусное заболевание.

Так среди «охотников за микробами» постепенно выделилась особая группа исследователей, ищущих этих новых «врагов жизни», которые представляли тем большую опасность, что их нельзя было обнаружить даже в самом совершенном световом микроскопе. Только в 30-х годах, когда был сконструирован электронный микроскоп, группа ученых под руководством Фуска впервые увидела вирус табачной мозаики (1939). Но вирусы уже готовили для ученых ряд новых неожиданностей.

Бактериофаги, или «пожиратели бактерий»

Еще в период первой мировой войны удалось установить, что вирусы – враги не только человека, животных и растений; они являются также невидимыми противниками бактерий.

Английский микробиолог Ф. Туорт при выращивании белого стафилококка (Staphylococcus albus), встречающегося обычно на коже человека и его волосах, заметил, что некоторые колонии этого микроба на твердой питательной среде растворялись. Первоначально эти колонии имели обычную молочно-белую окраску, потом постепенно становились прозрачными и наконец совсем исчезали. Туорт перенес капельку массы этой исчезающей колонии на нормальную – она тоже стала «растворяться» и исчезла. Он посчитал это за проявление деятельности какого-то невидимого паразита, вызывающего распад бактериальной колонии.

Года через два после опытов Туорта канадский микробиолог Ф. д'Эрелль заинтересовался судьбой бактерий, вызывающих дизентерию. Они выделяются из организма больного вместе с испражнениями, а потом очень скоро исчезают. Инфицировав мясной бульон в пробирках небольшим количеством кала от нескольких пациентов, он оставил их открытыми на ночь при температуре 37 °C, а на другой день содержимое пробирок профильтровал через бактериальный фильтр. Капли полученного фильтрата он нанес на новую среду с чистой культурой микроба Shigella dysenteriae и наблюдал, как дизентерийные бактерии постепенно исчезали вокруг капель фильтрата. Повторив опыт несколько раз, он убедился, что в фильтрате находились какие-то живые «ультрамикробы», проникающие даже через бактериальный фильтр. Они нападали на клетки бактерий и уничтожали их. Ученый предположил, что имеет дело с живым организмом, сходным с фильтрующимся вирусом. А поскольку последний, по-видимому, питался бактериями, он назвал его бактериофагом, что означает «пожиратель бактерий».

При дальнейших исследованиях выяснилось, что бактериофагов существует много и действуют они на различные бактерии, причем один тип бактериофагов умерщвляет только один определенный вид бактерий. О некоторых из них мы узнаем подробнее в следующих главах.

Электронный микроскоп и вирусы

В 1939 году невидимый дотоле вирус табачной мозаики стал видимым благодаря электронному микроскопу. Потом очередь дошла и до других вирусов. Были установлены их размеры и форма.

Вирус табачной мозаики (сокращенно его принято обозначать ВТМ) при наблюдении под электронным микроскопом оказался продолговатой палочкой длиной около 300, а шириной 18 нм (фото 35). Размеры других вирусов варьировали в пределах размеров ВТМ.

Бактериофаги отличаются очень интересной формой (фото 36 и 37). Один из них, фаг Т2 – «паразит» кишечных бактерий Escherichia coli, – напоминает формой булаву. При нападении на клетки Е. coli он прикасается к ним хвостовидным придатком.

По своим размерам вирусные частицы занимают место между наименьшими живыми клетками и самыми крупными молекулами химических соединений:

Уиндел М. Стэнли, профессор Калифорнийского университета, так характеризует место вирусов:

«В конце XIX века были известны живые организмы различных величин – от самой мелкой бактерии до самого крупного кита. Молекулы химических соединений варьировали по размерам от крупных сложных белков до мельчайшей двухатомной молекулы газообразного водорода. Но между известными биологам организмами и неживыми молекулами химиков лежала целая пропасть. Ничто живое не могло быть мельче мельчайших возбудителей плевропневмонии, размеры которых были около 150 нм. Не было известно химической молекулы крупнее 22 нм. Миры биологов и химиков были, таким образом, резко отграничены друг от друга по величине изучаемых объектов. Но в 1898 году был открыт организм, более мелкий, чем любой из известных живых организмов, нечто такое, что было способно к размножению и вызывало болезнь растений табака. А в 1935 году была выделена и описана молекула, значительно более крупная, чем молекулы всех известных нам соединений. И этот наименьший организм и эта самая крупная молекула были одним и тем же существом – вирусом табачной мозаики. Вирус табачной мозаики… заполнил промежуток между видимыми в то время глазу человека отдельными биологическими и химическими объектами. Эту принадлежность к граничной области жизни, лежащей между живым и неживым, подтвердили и другие вирусы, открытые в первые десятилетия нашего века. Они не только заполнили просвет между организмами и молекулами, но и вышли за его границы.»

«Живые кристаллы», открытые Стэнли

М. Бейеринк назвал вирусы жидким живым заразным началом. Однако под электронным микроскопом мы увидели, что это тельца определенных очертаний. Еще за четыре года до того, как ВТМ впервые наблюдали в электронном микроскопе, молодой американский биохимик У. М. Стэнли высказал сомнение по поводу жидкой природы вируса. Интуитивно он предполагал возможность белковой природы этих существ.

Для проверки своего предположения Стэнли использовал целую тонну пораженных мозаикой листьев табака. Растерев и отжав из них с помощью пресса сок, он очистил его и исследовал на содержание белков. В результате он получил небольшое количество («ложечку») микроскопических иглообразных кристаллов. Исследования показали, что главная составная часть этих кристаллов – белки, являющиеся одновременно и вирусом табачной мозаики.

В настоящее время, как говорит Стэнли, этот опыт можно сравнительно легко повторить. Сок из больных листьев должен отстояться, затем его пропускают через фарфоровый фильтр, снова отстаивают и подвергают очистке. В полученную прозрачную жидкость вводят сульфат аммония, и она начинает свертываться, мутнеет. В ее капельке под микроскопом видны тонкие кристаллики ВТМ.

Но вирус ли это? Стэнли представляет доказательства: стоит растворить кристаллы в воде, опрыснуть полученным раствором здоровые листья табака, и через некоторое время на них появятся симптомы заболевания. Десятки тысяч вирусных частиц, которые находятся в каждом кристалле, при растворении его в воде рассеиваются в ней, а попав на растение, продолжают свою вредоносную деятельность.

Но действительно ли эти кристаллы представляют собой чистый белок, как предполагал Стэнли? Химический анализ показал, что его предположения верны. ВТМ – белок и к тому же способен образовывать кристаллы. Значит ВТМ «живые кристаллы»? Представление это с трудом укладывалось в сознании ученых.

Однако Стэнли был не совсем прав, утверждая, что вирус представляет собой чистый белок. Спустя два года английские биохимики Ф. Ц. Боуден и Н. X. Пири установили, что ВТМ лишь на 95 % состоит из белка. Остальные 5 % приходятся на нуклеиновую кислоту – так называли тогда сложные соединения, обнаруженные впервые в ядрах живых клеток. Комбинацию нуклеиновой кислоты с белком химики называют нуклеопротеидом. Значит, ВТМ – нуклеопротеид.

Позднее было доказано, что все вирусы представляют собой комбинацию белков с нуклеиновыми кислотами. Были также выявлены два типа нуклеиновых кислот у вирусов. Одни вирусы содержат только РНК, рибонуклеиновую кислоту, другие – исключительно ДНК, или дезоксирибонуклеиновую кислоту. Известные нам вирусы растений содержат РНК, так же как и вирусы полиомиелита и гриппа. Для большей части вирусов животных характерна ДНК.

Стэнли за свое открытие белково-нуклеиновой природы вирусов был удостоен Нобелевской премии. Приверженность к вирусологической тематике он пронес через всю жизнь. Вплоть до кончины он возглавлял в Калифорнийском университете Лабораторию вирусов, вокруг которой группировались десятки исследователей-энтузиастов, изучавших вместе с ним «тайну жизни» вирусов. В рабочем кабинете Стэнли хранится реликвия – стеклянный сосуд с кристаллами, полученными в 1935 году, но и сейчас способными вызвать болезнь табака.

Живые или неживые?

На вопрос, какие явления характеризуют жизнь, биологи отвечают, что каждый живой организм имеет специфические форму и величину, внешнюю и внутреннюю организации, с которыми связана и специализация отдельных органов; живому организму свойственны движение, реакция на внешние раздражения, рост, процесс обмена веществ и, наконец, такая важная особенность живых организмов, как способность размножаться. С размножением связана и возможность наследственных изменений.

Впрочем, некоторые из перечисленных критериев жизни можно обнаружить и в неживой природе. Мы найдем в ней и известную степень организации, и движение, и реакцию на раздражение, и рост. У кристаллов поваренной соли есть внешняя и внутренняя организации; протекающие в них химические реакции – своего рода проявление реакции на раздражение, то есть чувствительности; кристаллы и ледники растут; все тела фактически находятся в движении. Если такое движение и не проявляется наглядно, то постоянно движутся молекулы и атомы.

Однако неживые предметы не могут размножаться, следовательно, у них нет наследственных изменений. Таким образом, живое от неживого отличается прежде всего тем, что может размножаться и изменяться от поколения к поколению.

Посмотрим с этой точки зрения на вирусы и попытаемся разобраться, живые это существа или неживые. Химику они напоминают крупные молекулы, способные к кристаллизации. Есть у них и черты, общие с живыми организмами, – они могут размножаться (но только внутри живых клеток) и, как доказано в последнее время, подвергаться наследственным изменениям. Эту двойственность, это сочетание свойств как существа, так и вещества, подчеркнул Т. Риверс, когда называл их «органулами» или «молекизмами» (комбинация слов: организм и молекула).

Как мы увидим, вирусы имеют не только определенную форму и величину, но и внутреннюю организацию, выражающуюся в определенной структуре белка и нуклеиновой кислоты. Однако они значительно проще клеток. Между самыми крупными вирусами и самыми мелкими бактериями также существует некоторый «просвет» в размерах. По величине этот просвет могли бы занять риккетсии – организмы, ведущие, так же как и вирусы, паразитический образ жизни внутри клеток своих «хозяев». Но эти уже ярко выраженные клеточные организмы примитивнее бактерий и раза в два крупнее самых крупных вирусов.

Так куда же следует относить вирусы – к живым или неживым образованиям? Стэнли так ответил на этот вопрос:

«Живые ли они или неживые – об этом можно спорить до бесконечности, не получая, по существу, удовлетворительного ответа на поставленный вопрос. В одном отношении вирусы схожи с живыми организмами, в другом – с обычными химическими молекулами, но отличаются как от первых, так и от вторых. 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 пониманию химической сущности процесса размножения, протекающего во всех других живых организмах. Кроме того, изучение вирусов открывает перед нами новую перспективу, поскольку мы видим не две якобы резко отделенные друг от друга группы, а лишь их все более возрастающую сложность. 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. С функциональной точки зрения – можем наблюдать процесс использования энергии от случайного движения различных молекул до идеальной гармонии тончайших биологических ритмов».

Вирусы, эти крупнейшие молекулы и в то же время наименьшие формы живой материи, имеют одну общую характерную черту: все они являются существами, паразитирующими в клетках живых организмов (фото 39). Вирусология знакомит нас с вирусами растений, животных и микробов. Из вирусов – паразитов бактерий – мы знаем уже несколько типов бактериофагов. Многие еще, несомненно, будут открыты. Вирусной инфекции подвержены даже некоторые грибы. При парниковом выращивании шампиньонов уже давно обращали внимание на болезненные симптомы на шляпках и ножках грибов. Заболевание отражалось и на общем урожае шампиньонов. В Великобритании, где ежегодно их выращивают до 17 000 т, болезнь нанесла большой ущерб. Только во второй половине 50-х и в начале 60-х годов английские ученые Холлингс и Гэнди точными опытами доказали, что возбудителями этой болезни являются вирусы, которых им удалось выделить и изучить с помощью электронного микроскопа. Один из вирусов, паразитирующих на грибах, может быть использован в борьбе против вирусного же заболевания животных, так как с его участием в организме животного образуется интерферон. Об интерфероне и его значении будет рассказано в пятой части нашего путешествия в страну микробов.