Мир микробов

5. Вирусы

Наши знания об ультравирусах значительно продвинулись вперёд особенно за последние десятилетия.

Ультравирусы — мельчайшие возбудители многочисленных заболеваний человека, животных и растений. Потери людей от вирусных заболеваний (грипп, корь, полиомиелит, натуральная оспа, ветреная оспа, свинка, энцефалит, жёлтая лихорадка и пр.) так же значительны, как и от бактериальных инфекций. В ветеринарии и агрономии с вирусами связаны наиболее грозные вспышки (эпизоотии) среди лошадей, рогатого скота, свиней, овец, пушных зверей, домашней птицы, а также среди рыб и насекомых в прудовом хозяйстве, шелководстве, пчеловодстве. Некоторые из этих болезней (например ящур) могут переходить и на человека. Огромный ущерб народному хозяйству приносят вирусы растений, поражающие разнообразные зерновые, технические, плодовые и овощные культуры. Многие учёные считают, что бактериофаги, разрушающие клетки бактерий, представляют собой не что иное, как вирусные болезни микробов.

В наше время среди заболеваний, недостаточно обследованных наукой, всё чаще обнаруживаются заболевания вирусной природы. Так, в последние годы некоторые опухоли, не только доброкачественные, но и злокачественные, оказались связанными с жизнедеятельностью вирусов.

Вирусные болезни человека можно разделить на несколько групп в зависимости от особенностей вызываемых ими болезней. Известна большая группа вирусных инфекций с преимущественным поражением кожи (оспа, ветрянка, корь). Другая группа вирусов поражает ткани дыхательных путей (грипп, вирусная пневмония, вирусный насморк). Известна обширная группа вирусных болезней человека, при которых особенно страдает нервная система (детский паралич, воспаление мозга, бешенство). Другие вирусы вызывают поражения внутренних органов (вирусная желтуха, жёлтая лихорадка) или кровеносных сосудов (геморрагические лихорадки Дальнего Востока, Сибири, Крыма).

У домашних животных вирусы являются виновниками ящура рогатого скота, чумы свиней, коров и кур, анемии лошадей. Известны многочисленные вирусные болезни растений, поражающие зерновые, технические и плодовые культуры. Таковы болезни табака, помидоров, сахарной свёклы и многих других растений.

Из всех известных нам микробов вирусы — самые требовательные к определённым условиям, в которых они могут развиваться. Они могут размножаться только внутри живых клеток. Но и к живым клеткам они относятся с большим выбором. Во-первых, вирусы, поражающие человека и животных, будут размножаться только в животных клетках. Во-вторых, они будут расти только в клетках животных, восприимчивых к данному вирусу. В-третьих, многие вирусы размножаются только в клетках определённых тканей животного. Например, вирус человеческого гриппа размножается только в клетках, выстилающих поверхность дыхательных путей человека, хорька, белой мыши или белой крысы. Вирус бешенства размножается только в клетках центральной нервной системы теплокровных животных. К некоторым вирусам человека восприимчивы только обезьяны. Это вирус кори, вирус полиомиелита.

Нелегко разобраться в поведении вируса в целостном, сложно устроенном организме. Поэтому учёные давно стремились упростить технику культивирования вирусов. Известно, что некоторые ткани животных удаётся длительно культивировать вне организма в сосуде с раствором питательных веществ. Уже давно погибло животное, из которого был вырезан кусочек ткани, а ткань при постоянном обновлении питательной среды живёт десятки лет. Нельзя ли такие ткани заразить вирусом?

Оказывается, можно. Живут и размножаются в маленькой влажной камере в капельке питательной среды клетки из кусочка куриного эмбриона, живут и размножаются в этих клетках возбудители оспы, бешенства и других вирусных заболеваний человека. Такую ткань можно непосредственно наблюдать в микроскоп и изучать, как изменяются клетки под влиянием вируса. Но в маленькой капле быстро накапливаются продукты распада ткани, и если не перенести кусочек этой ткани с вирусом в свежую питательную среду, то ткань быстро погибает, погибает тогда и вирус. Можно поместить ткань в небольшой флакон, здесь уже можно отсосать стерильной пипеткой испорченную питательную среду и заменить её новой. В таких условиях вирус будет жить несколько месяцев.

Много важных вопросов о биологии вируса, о его взаимоотношении с клеткой было разрешено при помощи метода культуры тканей. Но всё же этот метод очень сложен и не совсем доступен для каждой лаборатории. Нужен большой опыт, чтобы культивировать ткань вне организма, чтобы поддерживать её в десятках пересевов, не заразив из воздуха посторонним микробом. Трудно получить этим методом большое количество вируса, необходимое для приготовления вакцины, предназначенной для предупреждения вирусного заболевания.

Нельзя ли упростить технику культивирования вирусов? Как добиться того, чтобы каждая лаборатория могла изучать эти самые мелкие и самые прихотливые из известных нам форм живой материи?

Выход был найден… в простом курином яйце. Вирусологи установили следующий интересный факт. Почти все вирусы, так разборчиво относившиеся к различным живым клеткам человека и животных, прекрасно размножались в тканях, оболочках и жидкостях развивающегося куриного зародыша. Куриное яйцо с живым эмбрионом оказалось почти универсальной питательной средой для очень многих вирусов. И вот к зоологическому и ботаническому саду вирусологической лаборатории прибавились еще курятник и инкубатор для выращивания эмбрионов.

Благодаря широкому применению выращивания вирусов в куриных эмбрионах во многих случаях оказались ненужными дорогостоящие животные. Тысячи белых мышей удалось заменить куриными яйцами. Куриное яйцо относительно дёшево, его легко достать везде в нужном количестве. Оно не нуждается в корме, в клетках. Яйцо легко применять в опытах: стоит только создать постоянную температуру в инкубаторе — около 38° — и несколько увлажнить воздух, как куриный зародыш оплодотворённого яйца начнёт безотказно развиваться. Замкнутая полость яйца хорошо защищает зародыш от проникновения посторонних бактерий. В отличие от лабораторных животных куриный эмбрион свободен от случайных вирусных инфекций, которые часто путают наблюдателя и служат причиной серьёзных ошибок при изучении вирусов на животных.

Техника заражения куриного эмбриона очень проста. В скорлупе проделывается маленькое отверстие. Шприцем вводится материал, содержащий вирус. Вирус можно ввести и в жидкость, в которой плавает куриный зародыш, и на покрывающие его оболочки, и в желток, и даже в мозг и мышцы самого эмбриона. После заражения отверстие заливается стерильным парафином, и яйцо помещается в инкубатор. Уже за двое-трое суток вирус сильно размножится в яйце, и его концентрация увеличивается в миллионы раз.

Еще не так давно вирусы относились к группе невидимых возбудителей, сейчас это уже не соответствует фактам. Частицы наиболее крупных вирусов (элементарные тельца оспы-ветрянки) хорошо видны даже в обычные оптические микроскопы при особых способах окрашивания. Внешний вид ряда мелких и мельчайших вирусов (вирусы гриппа, бактериофаги, вирус энцефалитов) заснят при помощи электронного микроскопа, дающего увеличение от 20 тысяч до 100 тысяч раз (рис. 32). Электронная микроскопия открыла сложную внутреннюю структуру некоторых вирусов и бактериофагов, напоминающую строение бактерий (рис. 33 и 34). При помощи электронного микроскопа быстро расширяются наши знания о строении вирусов, столь важные для понимания их биологической природы.

Рис. 32. Вирус гриппа в электронном микроскопе

Рис. 33. Кишечная палочка, заражённая бактериофагом, в электронном микроскопе. Частицы бактериофага на поверхности бактериальной клетки (увеличение в 18 тысяч раз)

Рис. 34. Бактериофаг, освободившийся из разрушенных им кишечных палочек. Только в левой части электрономикроскопического снимка осталась одна пока еще целая бактериальная клетка (увеличение в 18 тысяч раз)

Ничтожная величина вирусов требует измерять их диаметр не тысячными долями миллиметра (микронами), как это делается для бактерий, а миллионными долями миллиметра — миллимикронами.

Наиболее крупные по величине вирусы имеют диаметр в 150–250 миллимикрон, вирусы средней величины — 75–150 и вирусы мельчайших размеров — 10–75 миллимикрон.

Если положить рядом, друг около друга, один миллион частиц вируса гриппа, имеющих диаметр 100 миллимикрон, то длина полученной цепочки составит 10 сантиметров. Если это же количество частиц вируса гриппа поместить в шарообразный приёмник, то получится невидимый глазом шарик диаметром в 10 микрон, т. е. немного больше красного кровяного тельца.

Если взять одну клетку шарообразного микроба — кокка — и мысленно заполнить её частицами вирусов различной величины, то окажется, что в клетке одного микроба разместится 1000 частиц вируса гриппа и 1 миллион частиц мельчайшего по своим размерам вируса ящура.

Существенным отличием вирусов от бактерий является их полная неспособность к сапрофитическому существованию. Являясь строгими паразитами, вирусы размножаются лишь в живых клетках восприимчивых к ним животных или растений, которые предоставляют паразиту все необходимые для его размножения питательные и ростовые вещества, включая сюда и ферменты.

Поразительна исключительная избирательность, которую проявляют вирусы к определённым тканям. Так, вирусы оспы и ветрянки поражают кожу и слизистые оболочки ограниченного числа животных, вирус гриппа размножается лишь в эпителии дыхательного тракта, вирусы герпеса, детского паралича, энцефалитов проявляют строгое сродство к ограниченным отделам центральной нервной системы и т. д. Причина такой специализации вирусов к отдельным тканям и клеткам еще покрыта тайной.

В последние годы удалось выделить из листьев табака, поражённого особой мозаичной болезнью, очищенный сложный белок (нуклеопротеид). Он обладает всеми биологическими свойствами возбудителя табачной мозаики (рис. 35). Различные вирусы животных и бактериофаги также оказались сложными белками, резко отличающимися своим строением от белков поражаемых организмов. И такие белки являются возбудителями некоторых заразных заболеваний.

Рис. 35. Вирус табачной мозаики в электронном микроскопе (увеличение в 32 тысячи раз)

Некоторые вирусы человека (возбудители полиомиелита, энцефалитов, жёлтой лихорадки) столь малы, что величина их соответствует одной молекуле сложного белка. Диаметр такой молекулы 8–15 миллимикрон. Если частица наиболее крупного вируса оспы может вместить около 100 тысяч мелких белковых молекул гемоглобина (красящего вещества крови), частица вируса гриппа — около 10 тысяч молекул, то частица вируса полиомиелита — не более 10 молекул гемоглобина.

Столь ничтожные размеры вирусов сближают их с молекулами наиболее сложных белков — нуклеопротеидов. Частица большинства известных нам вирусов превосходит величину наиболее крупных молекул белка. Они весят в десятки миллионов раз больше, чем атом водорода. Некоторые вирусы с наиболее простой организацией их частицы являются своеобразными гигантскими молекулами живого белка. Многие вирусы, вызывающие болезни у растений, обладают кристаллической структурой и тем не менее сохраняют все свойства живых организмов.

Доказательством живой природы вирусов является их способность интенсивно размножаться в чувствительных клетках восприимчивого организма. Каждая частица вируса превращается при этом в миллионы таких же новых заразных частичек.

Строгий паразитизм вирусов, полная их зависимость от живых клеток или тканей объясняется ограниченным обменом веществ, свойственным самим вирусам. Они широко используют для построения своих частиц обмен веществ клеток хозяина, его ферменты, витамины, аминокислоты. Всё это вирусы как бы включают в собственное небольшое хозяйство, обеспечивая возможность синтеза вирусных нуклеопротеидов.

Многие вирусы размножаются в организме разнообразных хозяев. Так, вирус бешенства поражает все известные виды теплокровных животных и некоторых птиц. Однако некоторые свойства вирусов могут значительно измениться после длительного пребывания в новом для вируса организме. Так, высокозлокачественный вирус натуральной оспы превращается в безвредный для человека вирус после введения его в организм коровы.

Смертельный для человека вирус бешеных собак утрачивает эти свойства после длительного пребывания в мозгу кролика. Все указанные выше свойства вирусов — способность к размножению в живых клетках, сохранение наиболее важных видовых свойств в самых разнообразных условиях жизни, способность изменяться и наследовать новые признаки — свидетельствуют о живой природе вирусов.

Наука открыла в группе вирусов совершенно новый мир живых существ, обладающих не клеточным, а надмолекулярным строением, принадлежащих к элементарнейшим представителям живой материи. Возникает вопрос: каково происхождение этих мельчайших внутриклеточных паразитов?

В соответствии с учением советского дарвинизма вирусы явились продуктом длительного приспособления к организму животных и растений простейших неклеточных форм живого белка, который, возможно, сохранился в окружающей нас природе и в нашу эпоху.

Жизнь на нашей планете появилась первоначально в форме молекул белка, проявивших способность к обмену веществ. Такой белок обладал способностью забирать из окружающей его внешней среды различные химические соединения, расщеплять их на более простые вещества и использовать освобождающуюся при этом тепловую энергию для построения новых молекул живого белка. Эти первичные формы жизни постепенно усложнялись и дали начало миру бактерий и простейших.

Очень вероятно, что элементарные формы живого белка, свободно развивавшиеся в природе, широко взаимодействовали с появившимися на земле более сложно организованными видами многоклеточных растений и животных. Некоторые доклеточные формы первичного живого белка стали приспособляться к жизни в организме животных и растений и явились родоначальниками современных нам вирусов человека и животных.

Чем меньше вирусная частица, тем труднее представить себе её строение по аналогии с одноклеточным организмом. В то же время даже самые мелкие вирусы обладают сложной совокупностью свойств живой материи — способностью размножения в клетках хозяина, наследования функций, приспособлением к новым условиям существования и изменчивостью в той же мере, как крупные сложно организованные возбудители из группы простейших и бактерий.

Элементарной формой жизни следует признать белок, достигший в процессе эволюции весьма сложной внутренней организации, допускающей осуществление целого ряда функций и взаимоотношений с внешней средой, свойственных живой материи.

Неудивительно, что вирусы оказались заманчивым объектом исследования не только для микробиологов, но и для биологов, биохимиков и физиков, стремящихся объяснить сущность жизни и происхождение её на земле.

Еще одно свойство вирусов представляет большой практический интерес. Многие лекарственные вещества хорошо подавляют развитие патогенных бактерий в организме восприимчивых к ним людей и животных. Особо высокой активностью в этом отношении обладают пенициллин, стрептомицин, сульфамидные соединения. Однако эти вещества оказались мало деятельными против большинства вирусных болезней. Предстоит еще много поработать в поисках лекарственных веществ, подавляющих развитие вирусных заболеваний.

Против многих вирусных болезней разработаны эффективные и безвредные прививки — вакцины, создающие у людей состояние невосприимчивости к возбудителю. Таковы вакцины против оспы, бешенства, клещевого и японского энцефалитов, жёлтой лихорадки, гриппа. Для предупреждения вирусных инфекций применяют два различных типа вакцин. Один из них представляет собой вирус, убитый воздействием формалина или ультрафиолетовых лучей. Это так называемые инактивированные вакцины. Другой тип вакцин связан с применением ослабленных для человека частиц живого вируса, неспособных вызывать обычную тяжелую инфекцию. Живая вакцина даёт начало очень лёгкой, часто незаметной инфекции, после которой остаётся, однако, выраженная невосприимчивость к определённой инфекции. Иммунитет после вакцинации так же специфичен, как и иммунитет, развивавшийся после естественного заболевания. Прививки живой вакциной против оспы не защищают против бешенства или гриппа. Прививки против жёлтой лихорадки не защищают против натуральной оспы.