Как растения защищаются от болезней

МЕДИЦИНСКАЯ ИММУНОЛОГИЯ И ИММУНОЛОГИЯ РАСТЕНИИ

«Беседы о новой иммунологии» — под таким названием вышла в 1976 г. книга одного из лидеров современной иммунологии и ее блестящего популяризатора академика Рэма Викторовича Петрова. Вышла и вскоре стала бестселлером. И это неудивительно. Ведь для того чтобы назвать уже существующую науку новой, в ней должны быть совершены принципиально важные открытия и раскрыты новые перспективы для ее дальнейшего развития. Об этом и идет речь в этой замечательной книге, из которой становится ясным, что иммунология превратилась в одну из наиболее интересных и увлекательных дисциплин всей биологии, да и не только биологии.

Старая иммунология родилась в 1881 г., когда знаменитый французский микробиолог Луи Пастер, вернувшись из отпуска, обнаружил, что забыл вылить культуры возбудителей куриной холеры. Высохшие и перегретые культуры перестали вызывать болезнь у кур, по самым поразительным оказалось то, что птиц, которым вводили эти культуры, уже не удавалось заразить свежей культурой холерных бактерий. Так был создан принцип защиты от болезней, основанный на введении в организм ослабленной культуры ее возбудителей.

Однако Пастер был далек от понимания деталей болезни и создания теории иммунитета. Более того, он думал, что микроорганизмы, находящиеся в составе вакцины, потребляют в макроорганизме некие вещества, в результате чего последний оказывается питательно неполноценным и поэтому не пригодным для последующего заражения. Создание теории иммунитета стало уделом других исследователей.

В конце прошлого века Илья Ильич Мечников, работая в Пастеровском институте в Париже, открыл фагоциты — особые клетки, пожирающие чужеродные включения, и тем самым создал клеточную теорию иммунитета. Чтобы обнаружить фагоциты, достаточно ввести животному кусочки угля. Фагоциты, наглотавшись сажи, становятся темными и хорошо заметными под микроскопом.

Одновременно с Мечниковым Пауль Эрлих разработал гумморальную теорию иммунитета, открыв существование антител, связывающих высокомолекулярные антигены. В течение ряда лег не затихала острая дискуссия между Мечниковым и Эрлихом, в которой каждый отстаивал свою теорию иммунитета. Будущее показало, что оба они оказались правы. В итоге им обоим была присуждена Нобелевская премия за создание клеточной и гумморальной теорий, являющихся венцом старой иммунологии.

Старая иммунология — это наука о невосприимчивости организма к инфекционным болезням. Так ее определил Мечников в конце прошлого века. Такая иммунология, получившая еще название инфекционной, была ориентирована только на клинику. Она родилась из суровой необходимости борьбы, с болезнетворными микробами и просуществовала около 60 лет. Однако несколько десятков лет назад наши представления об иммунологии настолько расширились, что возникла необходимость в пересмотре ранее принятых понятий. Вот тут-то и зародилась новая иммунология.

Повое осмысление иммунологии началось с 1945 г. после публикации работ английского исследователя, лауреата Нобелевской премии Питера Медевара.

Шли тяжелые годы второй мировой войны. Фашисты бомбили Лондон. Медевар работал в это время в одном из госпиталей Лондона, пытаясь пересаживать обожженным людям здоровую донорскую кожу. Чужая кожа не хотела приживаться. Медевар доказал, что причиной этого является иммунная система, которая отторгает несвойственный ей чужеродный трансплантат. В последующие годы стало ясным, насколько тонкие оттенки способна различать иммунная система организма. Последняя срабатывает на чужеродную ткань, отличающуюся от собственной даже по одному гену, т. е. по минимальному признаку.

Таким образом, если раньше иммунную систему рассматривали как защиту организма от инфекции, то после работ Медевара в корне изменились представления об иммунологии. Оказалось, что задача иммунитета значительно шире — уничтожать клетки, генетически отличающиеся от клеток собственного тела. Поскольку микробы для организма также являются чужеродными, то действие иммунитета направлено и против них тоже. Защита от микробов — только частный случай деятельности иммунной системы.

Но зачем организму млекопитающих столь жесткий иммунологический контроль, способный уничтожить клетку, отличающуюся от клеток своего тела лишь одним геном? Для этого должны быть серьезные основания.

Считается, что именно этот вопрос, который наиболее четко сформулировал Нобелевский лауреат Френк Макферлан Бернет в 1964 г., и сделал иммунологию новой. И новая иммунология дала на пего следующий ответ.

В многоклеточном организме при сожительстве генетически идентичных клеток неизбежно должны возникать клетки-мутанты. Известно, что в организме человека, содержащем 10¹³ клеток, в каждый данный момент должно быть не менее десяти миллионов клеток-мутантов. Поскольку иммунная система способна отличать чужеродность, заключающуюся только в одном гене, было предположено, что она и несет функцию надзора за генетическим постоянством организма, уничтожая клетки-мутанты. Это значит, что многоклеточные организмы могли возникнуть только под присмотром собственной иммунной системы.

«Иммунитет — это способ защиты организма от живых тел и веществ, несущих на себе признаки чужеродности. В понятие живых тел и веществ, несущих на себе признаки чужеродного генома, могут быть включены бактерии, вирусы, простейшие, черви, белки, ткани, измененные аутоантигены, в том числе и раковые»[9]. Таким образом, задачи новой иммунологии значительно шире старой. Последняя является лишь частью новой иммунологии, иными словами, иммунология из медицинской дисциплины превратилась в общебиологическую.

Иммунитетом обладает все живое — от амебы до человека. Однако у организмов, находящихся на различных ступенях эволюционной лестницы, он выражен по-разному. Но как бы ни различались механизмы уничтожения чужеродности у организмов, находящихся на различных эволюционных уровнях, всех их объединяет общее свойство — необходимость распознать эту чужеродность перед тем, как ее ликвидировать. Недаром центральная догма иммунитета, сформулированная Бернетом, гласит, что главной функцией иммунных систем служит распознавание своего и чужого. Именно это свойство: распознать чужеродность, чтобы ее уничтожить или отвергнуть, и роднит между собой иммунные системы всего живого. И как будет видно из последующего изложения, высшие растения хорошо вписываются в эту систему, не являясь в ней исключением.

Полученные к настоящему времени результаты позволяют считать, что иммунитет растений контролирует не только устойчивость к паразитарным организмам, но и охраняет их целостность и генетическое постоянство. В его ведении находятся такие явления, как совместимость тканей при прививках; совместимость антигеноз пыльцы и пестика при опылении; реакции, возникающие в ответ на поранение; детоксикация экзо- и эндотоксинов, в частности ксенобиотиков. Однако механизмы иммунитета растений зачастую совершенно непохожи на те, с которыми приходится иметь дело иммунологам животных.

С давних времен люди пытались попять причины болезней растений и найти средства для их излечения. Тем не менее учение о болезнях растений стало оформляться как наука только в начале нашего века. Это и неудивительно, ведь люди в первую очередь пытались избавиться от своих болезней, а болезни растений беспокоили их в меньшей мере.

Еще в 1903 г. один из основоположников учения об иммунитете И. И. Мечников в монографии «Невосприимчивость к инфекционным болезням» посвятил отдельную главу иммунитету растений. Он писал, что в ботанике вопрос о невосприимчивости оставался на заднем плане, так что мы не имеем о нем никаких специальных работ.

Учение об иммунитете растений начало развиваться в тот период, когда основные принципы иммунитета человека и животных были уже установлены. Неудивительно поэтому, что растениеводы пытались идти путями, проложенными медиками, которые уже добились к тому времени выдающихся практических результатов. Тем более что наиболее выдающиеся фитопатологи были медиками по образованию. Однако попытки иммунизировать и вакцинировать растения в надежде на образование у них специфических антител оказались безуспешными. Правда, в ряде случаев удалось получить некоторый защитный эффект, который оказывался локальным и кратковременным.

Неудачи иммунизации растений по образцу животных в значительной мере утомили и разочаровали исследователей. Возможно, поэтому в последующие 50 лет фитоиммунологи преимущественно накапливали факты, главным образом касающиеся тех изменений, которые происходят в заболевшем растении, т. е. занималась фитопатологией (от греческого pathos — страдание, logos — учение) — наукой о страдании растений, а отнюдь не фитоиммунологией. Этот период характеризуется полным несоответствием между потоком частных сообщений и фактическим отсутствием попыток теоретически обобщить этот материал.

К этому времени медицина уже претерпела несколько поколений специализаций: она разделилась на автономные разделы, которые, в свою очередь, стали родоначальниками новых направлений. В составе иммунологии выделились такие самостоятельные разделы, как аллергология, иммунобиология, иммуногенетика, иммунопатология, клиническая иммунология, судебно-медицинская иммунология, иммунология эмбриогенеза, иммунология инфекций, иммунохимия, трансплантационный иммунитет, иммунологическая толерантность и др.

Ничего подобного в фитопатологии до самого последнего времени не происходило. Впрочем, развитием одного направления фитоиммунология все же может похвастаться. Речь идет о генетике фитоиммунттета, которая не только не отставала, но даже обгоняла медицинскую иммуногенетику. «Если при изучении биохимических основ устойчивости растений фитопатологи долгое время шли путями, проложенными медиками, и над ними довлел авторитет медицинской иммунологии… то в области генетики иммунитета фитопатология ушла далеко вперед, и ее достижения используются медицинской и ветеринарной иммунологией»[10]. Причина заключается в различном отношении к индивидууму у медика и фитопатолога. Медик призван прежде всего заботиться об индивидууме, т. е. о конкретном человеке, которого лечит. Между тем фитопатолога отдельное растение мало интересует, его объектами является, скорее, популяция особей, принадлежащих виду или сорту. Предметом его заботы является не растение как таковое, а целое поле, что дает ему огромные преимущества перед медиком. Он может скрещивать и заражать неограниченные количества растений, что позволяет ему во много раз быстрее получать результаты и делать необходимые выводы.

Отставание фитоиммунологии во многом объясняется значительными различиями природы иммунитета у растений и животных, которые стали ясными не сразу. Защита человека и животных, как известно, основана на приемах иммунизации и вакцинации, связанных с повышением в организме концентрации иммуноспецифических антител, являющихся продуктом длительной эволюции их организмов. Дифференцировка тканей животных зашла настолько далеко, что у них появились специализированные органы, ткани и клетки, ответственные за иммунную систему. Это такая же самостоятельная система, как нервная, сердечно-сосудистая и др. Иммунная система пронизывает все тело и представляет собой совокупность всех лимфоидных органов и клеток. Составляющими этой системы являются тимус, селезенка, костный мозг, групповые лимфотические фолликулы и, наконец, лимфоциты, которые являются центральной фигурой иммунной системы. Последние по образному выражению Р. В. Петрова являются «вездесущими детективами нашего тела», задача которых обнаружить чужеродное начало и обезвредить его.

В последнее десятилетие удалось обнаружить две независимые группы В- и Т-лимфоцитов, взаимодействие которых и их совместная работа с макрофагами обеспечивает всю гамму иммунологических реакций. Для функционирования лимфоцитов необходима гумморальная система, способная доставить антитела в любую точку тела, где возникает в них необходимость.

Ничего похожего у растений нет, их дифференцировка значительно примитивнее. Растение имеет сосудистую систему флоэмы и ксилемы, а протопласты отдельных клеток сообщаются между собой с помощью систем плазмодесм (ксилема — основная водопроводящая ткань сосудистых растений; флоэма — ткань, проводящая пластические вещества и пространственно связанная с ксилемой в общую проводящую систему; плазмодесмы — плазматические мостики между клетками, обеспечивающие непрерывность цитоплазмы). Специализированных органов иммунной системы у растений нет. Судя по тому, что каждая растительная клетка может при определенных условиях дать начало целому растению, можно полагать, что она несет в себе все функции, в том числе и иммунные. При этих условиях ожидать, что в растительных тканях могут образовываться и функционировать антитела в их классическом понимании, не представляется возможным.

Казалось, что иммунитет растений основывается на неких особых механизмах, не имеющих ничего общего с механизмами животных. Но так было только до тех пор, пока старые понятия иммунологии не были переосмыслены, в результате чего возникла новая иммунология, в корне изменившая наши представления об иммунитете вообще.

С этих позиций фитоиммунитет следовало рассматривать как систему, охраняющую структурную и функциональную целостность растений, основанную на свойстве распознавать и отторгать генетически чужеродную информацию. Растения не имеют иммунокомпетентных лимфоцитов и не способны образовывать антитела, по им, как, впрочем, и всему живому, свойственна способность распознавать генетически чужеродные клетки и молекулы.