• Что представляют собой вирусы? Каждый из вас перенес по крайней мере одно вирусное заболевание (грипп или др.). Но никто не видел его возбудителей, ведь размеры вирусных частиц - вирионов - такие мизерные (15-300 нм), что большинство из них можно увидеть лишь с помощью электронного микроскопа. Вирусы - паразиты клеток прокариот и эукариот, и вне клетки-хозяина вирионы не обнаруживают никаких признаков жизни. Для своего размножения они используют вещества и энергию клетки-хозяина. В результате взаимодействия между вирусом и клеткой-хозяином часто развиваются разные заболевания.

Наука, изучающая строение и функции вирусов, их свойства, пути передачи, способы лечения и профилактики вирусных заболеваний, называется вирусологией.

• Открытие вирусов. Первое известное свидетельство о вирусной инфекции найдено на древнеегипетском барельефе. На нем изображен жрец с признаками вирусного заболевания - паралитического полиомиелита (рис. 30.1). Изучение мумии фараона Рамзеса V показало, что он умер от вирусного заболевания - оспы - в возрасте около 35 лет в 1143 году до н. э. На его коже обнаружены следы от пустул (гнойников), типичных для этой болезни.

Рис. 30.1. Первое свидетельство о вирусной инфекции - барельеф со здания в Мемфисе - столице древнего Египта (около 3500 лет до н. э.)

Много тысяч лет оспа уничтожала население Земли. Только в прошлом тысячелетии от нее погибло от 300 до 500 миллионов людей. В 1796 году произошло важное событие, благодаря которому в течение последующих веков было разработано и применено в планетарном масштабе профилактическое средство борьбы с этим заболеванием, - вакцинация. Еще в древнем Китае проводили профилактику оспы, вводя здоровым людям гной из язв больных оспой. Как следствие, в одних случаях человек переносил легкую форму заболевания и приобретал устойчивый иммунитет, в других - инфекция приводила к смерти. Английский врач Эдуард Дженнер (1749-1823) предположил, что успешность вакцинации обусловлена степенью ослабления культуры паразита. Он ввел в разрез кожи восьмилетнего мальчика содержимое пустулы доярки, переболевшей так называемой коровьей оспой (заразилась от коровы). У мальчика, который никогда не болел оспой, на месте введения вакцины образовалась маленькая язва, зажившая через две недели. Через полтора месяца Дженнер сделал этому же мальчику прививку жидкостью из пустулы больного оспой человека, но болезнь не развилась. Успех Дженнера был вызван тем, что оспа у коров протекает в легкой форме, а вирионы приспособлены к условиям организма хозяина - коровы. Поэтому они не могут вызвать тяжелую форму заболевания у человека, однако стимулируют образование антител в его крови.

В 1885 году знаменитый французский ученый Луи Пастер (1822-1895) впервые проверил на человеке действие вакцины против бешенства. Он сделал успешную прививку ребенку, укушенному бешеной собакой, сохранив ему жизнь. И хотя в то время вирусы еще не были открыты, именно он ввел термины вирус (от лат. вирус - яд) и вакцинация (в честь Э. Дженнера, от лат. вакцина - коровий). Он также разработал научные основы вакцинации.

Открыл вирусы русский ученый Д. Ивановский (1864-1920), который в 1892 г. обнародовал работу о распространении возбудителя мозаичной болезни табака. Он доказал, что сок пораженных растений, введенный здоровым, вызывает их заболевание. Заражение происходило даже после фильтрации сока через керамические фильтры очень малого диаметра, способные задерживать мельчайшие бактерии. Д. Ивановский считал возбудителей мозаичной болезни табака мельчайшими существами. В отличие от других известных в то время микроорганизмов, культуру этих загадочных паразитов не удалось вырастить в лаборатории ни на одной из питательных сред, применяемых для выращивания культур микроорганизмов.

Рис. 30.2. Дмитрий Иосифович Ивановский - основоположник науки о вирусах

В 1898 г. ученые установили, что возбудитель ящера крупного рогатого скота также «фильтруется». Так открыли, что эти «существа» могут вызывать инфекционные заболевания не только растений, но и животных. В 1901 году было доказано, что желтую лихорадку вызывает вирус, который переносят двукрылые кровососущие насекомые - комары. В 1915 г. были открыты вирусы в клетках бактерий - бактериофаги («пожиратели бактерий»).

На основе многолетних исследований были определены такие свойства вирусов:

• неклеточное строение;
• облигатный паразитизм (то есть паразит способен жить исключительно в определенных условиях) внутри прокариотических и эукариотических клеток;
• использование органелл клетки-хозяина для синтеза новых вирусных частиц;
• отсутствие собственного обмена веществ;
• отсутствие проявлений жизнедеятельности вне клетки-хозяина.

Много свойств вирусов (отсутствие клеточного строения, метаболизма, роста, способность кристаллизироваться) не присущи другим организмам. Однако вирионы состоят из органических веществ и имеют носителей наследственной информации, общих для всех живых существ, им свойственны наследственность и изменчивость; вирусы распространены на определенных территориях. Это свидетельствует о принадлежности вирусов к живой части биосферы.

• Гипотезы происхождения вирусов. Сегодня не существует единой точки зрения относительно происхождения вирусов. Ученые рассматривают три такие основные гипотезы.

Согласно гипотезе регрессивной (от лат. регресс — обратное движение) эволюции, вирусы возникли из клеток, потерявших в процессе своего исторического развития большинство органелл. (Вспомните: есть предположение, что подобным путем из клеток прокариот возникли хлоропласты и митохондрии.) К сожалению, убедительных доказательств этой гипотезы нет.

Согласно гипотезе параллельной эволюции, вирусы возникли в древнейшие времена независимо от клеток, используя их возможности для превращения энергии и синтеза белков. В последнее время большинство ученых склоняется именно к этой гипотезе, поскольку в ее пользу появляется все больше доказательств, в частности относительно эволюции РНК.

Гипотеза «бешеных генов», выдвинутая Джеймсом Уотсоном (вспомните вклад этого ученого в развитие биологии), говорит о том, что вирусы, первоначально представлявшие собой участки наследственного материала клеток, приобрели способность к самостоятельному существованию. Отметим, что до сих пор не получено никаких объективных доказательств в поддержку или опровержение ни одной из этих гипотез.

Рис. 30.3. Электронно-микроскопические изображения вирусов: 1 - вирус табачной мозаики; 2 - вирус гриппа (сложный вирус, хорошо видно внешнюю мембрану); 3 - вирус папилломы (1 и 3 - простые вирусы, их оболочки не имеют внешней мембраны)

• Строение вирусов. Внутри инфицированной клетки вирусных частиц, как правило, не обнаруживают, поскольку их компоненты (белки и нуклеиновые кислоты) задействованы в клеточном метаболизме - происходят репликация, транскрипция и трансляция вирусных нуклеиновых кислот, синтез вирусных белков. Во внешней среде (вне клетки) вирусы находятся в виде отдельных частиц - вирионов.

По строению различают простые и сложные вирусы. У простых вирусов молекула нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) окружена только белковыми молекулами (от нескольких десятков до нескольких тысяч). Сложные вирусы во время формирования вирионов захватывают часть клеточной плазматической мембраны, которую они «инкрустируют» собственными белками и используют в качестве дополнительной внешней оболочки (рис. 30.3).

В составе вирусной частицы может быть только один тип нуклеиновой кислоты - или ДНК, или РНК. Молекулы нуклеиновых кислот служат носителями генетической информации вирусов. Обратите внимание: если в клетках прокариот и эукариот ДНК двухцепочные, а РНК - одноцепочные, то у вирусов молекулы обеих нуклеиновых кислот могут быть и двухцепочные, и одноцепочные.

Рис. 30.4. Самосборка вируса табачной мозаики

Рис. 30.5. Спиральный тип симметрии вириона табачной мозаики (1); икосаэдрический тип симметрии вириона полиомиелита (2); симметрическая геометрическая фигура икосаэдр (3)

Рис. 30.6. Электронно-микроскопическая фотография вириона бактериофага Т4

Еще одно важное отличие вирусов от клеток прокариот и эукариот заключается в их уникальном способе образовывать вирионы в результате так называемой самосборки (рис. 30.4). Подавляющее большинство простых вирусов собирается в четко определенном порядке, образуя симметричные структуры (рис. 30.5). В зависимости от вида вируса, вирион может иметь икосаэдрический (например, возбудители полиомиелита, папилломы), спиральный (вирус табачной мозаики) или смешанный (бактериофаги) типы симметрии (икосаэдр - объемный 20-гранник.) На рисунке 30.6 изображен вирион бактериофага Т4, «головка» которого с молекулой ДНК внутри построена согласно икосаэдрическому типу симметрии, а «хвост» - спиральному. Хвост окружен чехлом из белков; внутри хвоста проходит полый стержень, через который молекула ДНК впрыскивается в клетку бактерии. Обратите внимание, что этот бактериофаг, несмотря на усложненное строение, относится к простым вирусам, поскольку не имеет внешней оболочки из липидов и углеводов.

Простые вирусы выходят из пораженной клетки обычно в результате повреждения ее поверхностного аппарата вирусными ферментами или разрушения (апоптоза). Вирионы сложных вирусов покидают клетку в окружении участка ее плазматической мембраны. Этот процесс называется почкованием (рис. 30.7). Вирусы относятся к особому подразделению живой природы - царство Vira.

Рис. 30.7. Схема выхода сложных вирусов из клетки путем почкования: 1 - плазматическая мембрана клетки; 2 - нуклеокапсид (внутренняя белковая оболочка сложного вируса); 3 - вирусные поверхностные белки, встроенные в плазматическую мембрану; 4 - почкование через плазматическую мембрану; 5 - зрелая вирусная частица

Ключевые термины и понятия. Вирусы простые и сложные, вирусология, вирион.

Кратко о главном

• Наука, изучающая строение и функции вирусов, их свойства, пути передачи, способы лечения и профилактики вирусных заболеваний, называется вирусологией.
• Вирусы - неклеточные формы жизни. Это внутриклеточные паразиты прокариотических и эукариотических организмов. За пределами клеток хозяина вирусные частицы не обнаруживают никаких признаков живого. Для размножения вирусы используют структуры, органические вещества и энергию клетки-хозяина.
• Каждая вирусная частица (вирион) состоит из единственной одно- или двухцепочной молекулы ДНК или РНК и оболочки. В зависимости от особенностей химического состава оболочки вирусных частиц вирусы делят на простые и сложные. У простых вирусов оболочка состоит лишь из белков, у сложных в ее состав входят также липиды и углеводы. Ученые относят вирусы к особенному подразделению живой природы - царству Вира.

Вопросы для самоконтроля

1. Какая наука изучает вирусы? 2. Как были открыты вирусы? 3. Какие особенности строения вирусных частиц? Какие вирусы называют простыми и сложными? 4. Чем нуклеиновые кислоты вирусов отличаются от нуклеиновых кислот прокариот и эукариот? 5. Что такое вирион?

Подумайте

Строение вирусных частиц значительно проще, чем клеток эукариот и прокариот. Могли ли вирусы появиться раньше клеточных организмов?