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.