23.10.2015
Протягом останніх 100 років вчені не раз змінювали своє уявлення про природу вірусів, мікроскопічних переносників хвороб. Проблема полягає в тому, що віруси дуже малі в порівнянні з бактеріями і, в більшості випадків, не можуть спостерігатися в оптичний мікроскоп. Тільки поява в 1950-х роках електронної мікроскопії дозволило безпосередньо вивчати структуру вірусів.
(Цікаво, що електронний мікроскоп винайшов та ж людина, який в 1930-х заклав теоретичні та технічні основи і створив всю структуру сучасного телебачення - американець російського походження Володимир Кузьмич Зворикін - 1888-1982 р.р.)
Спочатку віруси вважали отруйними речовинами, потім - однією з форм життя, потім - біохімічними сполуками. Сьогодні припускають, що вони існують між живим і неживим світами і є основними учасниками еволюції як переносники міжвидової генетичної інформації, генетично пов'язуючи все живе в єдине розвивається ціле - біосферу Землі. Переважна більшість вірусів абсолютно нешкідлива для людини.
В кінці XIX століття було встановлено, що деякі хвороби, в тому числі сказ і ящур , Викликають частинки, схожі на бактерії, але набагато більш дрібні. Оскільки вони мали біологічну природу і передавалися від однієї жертви до іншої, викликаючи однакові симптоми, віруси стали розглядати як найдрібніші живі організми, що несуть генетичну інформацію.
Зведення вірусів до рівня неживих хімічних об'єктів відбулося після 1935 року, коли Уенделл Стенлі (Wendell Stanley) вперше отримав вірус тютюнової мозаїки в кристалічній формі. Виявилося, що кристали складаються з складних біохімічних компонентів і не володіють необхідним для біологічних систем властивістю - метаболічної активністю. У 1946 р вчений отримав за цю роботу Нобелівську премію з хімії, а не по фізіології або медицини.
Подальші дослідження Стенлі чітко показали, що будь-який вірус складається з нуклеїнової кислоти (ДНК або РНК), упакованої в білкову оболонку. Крім захисних білків у деяких з них є специфічні вірусні білки, що беруть участь в інфікуванні клітини. Якщо судити про віруси тільки з цього опису, то вони дійсно більше схожі на хімічні субстанції, ніж на живий організм.
Але коли вірус проникає в клітину (після чого її називають клітиною-господарем), картина змінюється. Він скидає білкову оболонку і підпорядковує собі весь клітинний апарат, змушуючи його синтезувати вірусні ДНК або РНК, і вірусні білки відповідно до інструкцій, записаними в його геномі. Далі відбувається самосборка вірусу з цих компонентів і з'являється нова вірусна частка, готова інфікувати інші клітини.
Така схема змусила багатьох вчених по-новому поглянути на віруси. Їх стали розглядати як об'єкти, що знаходяться на кордоні між живим і неживим світами. За словами вірусологів Марка ван Регенмортеля (MHV van Regenmortel) з Страсбурзького університету у Франції і Брайана Махи (BW Mahy) з центрів по профілактиці захворювань і контролю за їх розповсюдженням, такий спосіб існування можна назвати "життям в борг".
Цікавий такий факт: при тому, що довгий час біологи розглядали вірус як "білкову коробку", наповнену хімічними деталями, вони використовували його здатність до реплікації в господарській клітці для вивчення механізму кодування білків. Сучасна молекулярна біологія багато в чому зобов'язана своїми успіхами інформації, отриманої при вивченні вірусів.
Вірус імунодефіциту людини
Вчені кристалізувалися більшість клітинних компонентів (рибосоми, мітохондрії, мембранні структури, ДНК, білки) і сьогодні розглядають їх або як "хімічні машини", або як матеріал, який ці машини використовують або виробляють. Подібний погляд на складні хімічні структури, що забезпечують життєдіяльність клітини, і став причиною не надто великий заклопотаності молекулярних біологів статусом вірусів.
Дослідники цікавилися ними тільки як агентами, здатними використовувати клітини в своїх цілях або служити джерелом інфекції. Більш складна проблема, що стосується вкладу вірусів в еволюцію, залишається для більшості вчених несуттєвою.
Живий або неживої?
Що означає слово "живий"? Більшість вчених сходяться на думці, що крім здатності до самовідтворення живі організми повинні володіти і іншими властивостями. Наприклад, життя будь-якої істоти завжди обмежується в часі - воно народжується і вмирає. Крім того, живі організми мають певний ступінь автономії в біохімічному сенсі, тобто в якійсь мірі покладаються на власні метаболічні процеси, що забезпечують їх речовинами і енергією, які і підтримують їх існування.
Віруси - це паразити, які майже повністю залежать від клітини-господаря. Вони використовують його енергію, необхідну для синтезу нуклеїнових кислот і білків, для подальших видозмін цих білків і їх адресної доставки. Без цього віруси не могли б розмножуватися і поширюватися в середовищі. І тоді напрошується цілком резонне висновок: незважаючи на те, що всі процеси в клітині після інфікування регулюються вірусом, сам він - неживий об'єкт, що паразитує на живих системах з автономним метаболізмом.
Камінь, так само як і крапелька рідини, в якій протікають метаболічні процеси, але яка не містить генетичного матеріалу і не здатна до самовідтворення, безсумнівно, неживий об'єкт. Бактерія ж - живий організм, і хоча вона складається всього з однієї клітини, вона може виробляти енергію і синтезувати речовини, що забезпечують її існування і відтворення. Що в цьому контексті можна сказати про насіння? Не всяке насіння проявляє ознаки життя.
Однак, перебуваючи в спокої, воно містить той потенціал, який отримало від безсумнівно живої субстанції і який за певних умов може реалізуватися. У той же час насіння можна необоротно зруйнувати, і тоді потенціал залишиться нереалізованим. В цьому плані вірус більше нагадує насіння, ніж живу клітину: у нього є якісь можливості, які можуть і не здійснитися, проте немає здатності до автономного існування.
Можна також розглядати живе і як стан, в яке при певних умовах переходить система, що складається з неживих компонентів, що володіють певними властивостями. Як приклад подібних складних (емерджентних) систем можна привести життя і свідомість. Щоб досягти відповідного статусу, у них повинен бути певний рівень складності.
Так, нейрон (сам по собі або навіть у складі нейронної мережі) не володіє свідомістю, для цього необхідний мозок. Але і інтактний мозок може бути живим в біологічному сенсі і в той же час не забезпечувати свідомість. Точно так же ні клітинні, ні вірусні гени або білки самі по собі не служать живою субстанцією, а клітина, позбавлена ядра, схожа з обезголовленим людиною, оскільки не має критичного рівня складності.
Вірус теж не здатний досягти подібного рівня. Так що життя можна визначити як якесь складне Емерджентні стан, що включає такі ж основні "будівельні блоки", якими володіє і вірус. Якщо йти за такою логікою, то віруси, не будучи живими об'єктами в строгому сенсі цього слова, все ж не можуть бути віднесені до інертних систем: вони знаходяться на кордоні між живим і неживим.
реплікація вірусу
Віруси, безперечно, мають властивість, властивим всім живим організмам, - здатністю до відтворення, хоча і при неодмінної участі клітини-господаря. На малюнку зображена реплікація вірусу, геном якого - дволанцюжкова ДНК. Процес реплікації фагів (вірусів, що інфікують бактерій, що не містять ядра), РНК-вірусів і ретровірусів відрізняється від наведеного тут лише в деталях.
У жовтні 2004 р французькі вчені зробили відкриття, яке показує, як близько до цієї межі підходять деякі віруси. Дідьє Раул (Didier Raoult) з Середземноморського університету в Марселі повідомив про те, що він секвенований геном найбільшого вірусу - мімівіруса. Вірус розміром з невелику бактерію інфікує амеб. Виявилося, що у нього є безліч генів, про які раніше думали, що вони присутні тільки у клітинних організмів.
Деякі з них беруть участь в синтезі білків, що кодуються вірусної ДНК, і, можливо, сприяють кооперації вірусу з клітинної системою реплікації. За словами автора, що опублікував свою роботу в журналі Science, неймовірна складність цієї додаткової частини геному мімівіруса наводить на думку про можливу відсутність кордону між вірусами і клітинними організмами-паразитами.
Віруси і еволюція
У вірусів є своя, дуже довга еволюційна історія, висхідна до витоків виникнення одноклітинних організмів. Так, деякі вірусні системи репарації, які забезпечують вирізання неправильних підстав з ДНК і ліквідацію пошкоджень, що виникли під дією радикалів кисню, і т.д., є тільки у окремих вірусів і існують в незмінному вигляді мільярди років.
Проте більшість фахівців в області еволюційної біології вважають віруси неживими об'єктами і не беруть їх до уваги при дослідженні еволюційних процесів. Вони вважають також, що вірусні гени раніше належали хазяйським клітинам і якось "дременули" від них, а потім придбали білкову оболонку.
Таким чином, вірус - це "втекли" хазяйські гени, що перетворилися в паразитів. При такому погляді на проблему не дивно, що можливий внесок вірусів у походження видів і підтримку їх різноманітності залишився поза увагою вчених. (І справді, з 1205 сторінок "Енциклопедії еволюції", черговий том якої вийшов у 2002 році, вірусам присвячені лише чотири сторінки.)
Дослідники не заперечують, що віруси грали якусь роль в еволюції. Але, вважаючи їх неживою матерією, вони ставлять їх в один ряд з такими факторами, як кліматичні умови. Такий фактор впливав на організми, які володіли що змінюються, генетично детермініруемих ознаками, ззовні. Організми, більш стійкі до цього впливу, успішно виживали, розмножувалися і передавали свої гени наступним поколінням.
Однак насправді віруси впливали на генетичний матеріал живих організмів не опосередковано, а самим що ні на є прямим чином - вони обмінювалися з ним своїми ДНК і РНК, тобто були гравцями на біологічному полі. Великим сюрпризом для лікарів і біологів-еволюціоністів стало те, що велика частина вірусів виявилася цілком нешкідливими створіннями, не пов'язаними ні з якими хворобами.
Вони спокійно дрімають усередині клітин-господарів або використовують їх апарат для свого неспішного відтворення без жодного збитку для клітини. У таких вірусів є маса хитрощів, що дозволяють їм уникнути невсипущого ока імунної системи клітини - для кожного етапу імунної відповіді у них заготовлено ген, який цей етап контролює або видозмінює в свою користь.
Більш того, в процесі спільного проживання клітини і вірусу вірусний геном (ДНК або РНК) "колонізує" геном хазяйської клітини, забезпечуючи його все новими і новими генами, які в підсумку стають невід'ємною частиною генома даного виду організмів. Віруси роблять більш швидке і пряму дію на живі організми, ніж зовнішні фактори, які здійснюють відбір генетичних варіантів.
Численність популяцій вірусів укупі з їх високою швидкістю реплікації і високою частотою мутацій перетворює їх на основне джерело генетичних інновацій, постійно створює нові гени. Який-небудь унікальний ген вірусного походження, подорожуючи, переходить від одного організму до іншого і вносить вклад в еволюційний процес.
вічно живі
Віруси, що займають проміжне положення між живим і неживим, виявляють несподівані властивості. Ось одне з них. Зазвичай віруси реплікуються тільки в живих клітинах, але здатні рости і в загиблих клітинах, а іноді навіть повертають останніх до життя. Як не дивно, але деякі віруси, будучи зруйнованими, можуть відродитися до "життя в борг".
Клітка, у якої знищена ядерна ДНК, - справжній "покійник": вона позбавлена генетичного матеріалу з інструкціями про діяльність. Але вірус може використовувати для своєї реплікації що залишилися цілими компоненти клітини і цитоплазму. Він підпорядковує собі клітинний апарат і змушує його використовувати вірусні гени як джерело інструкцій для синтезу вірусних білків і реплікації вірусного генома.
Унікальна здатність вірусів розвиватися в загиблих клітинах найбільш яскраво проявляється, коли господарями служать одноклітинні організми, перш за все населяють океани. (Переважна кількість вірусів мешкає на суші. За оцінками фахівців, в Світовому океані налічується не більше 1030 видів вірусних частинок.)
Вірус тютюнової мозаїки
Бактерії, фотосинтезуючі ціанобактерії і водорості, потенційні господарі морських вірусів, нерідко гинуть під дією ультрафіолетового випромінювання, яке руйнує їх ДНК. При цьому деякі віруси ( "постояльці" організмів) включають механізм синтезу ферментів, які відновлюють пошкоджені молекули хазяйської клітини і повертають її до життя.
Наприклад, ціанобактерії містять фермент, який бере участь у фотосинтезі, і під дією надлишкової кількості світла іноді руйнується, що призводить до загибелі клітини. І тоді віруси під назвою ціанофагі "включають" синтез аналога бактеріального фотосинтезуючого ферменту, більш стійкого до УФ-випромінювання. Якщо такий вірус інфікує тільки що загиблу клітину, Фотосинтезуючі фермент може повернути останню до життя. Таким чином, вірус грає роль "генного реаніматора".
Надлишкові дози УФ-випромінювання можуть призвести до загибелі і ціанофагов, проте іноді їм вдається повернутися до життя за допомогою множинної репарації. Зазвичай в кожній хазяйської клітині присутні кілька вірусів, і в разі їх пошкодження вони можуть зібрати вірусний геном по частинах.
Різні частини геному здатні служити постачальниками окремих генів, які спільно з іншими генами відновлять функції геному в повному обсязі без створення цілого вірусу. Віруси - єдині з усіх живих організмів, здатні, як птах Фенікс, відроджуватися з попелу.
За даними Міжнародного консорціуму з секвенування генома людини, від 113 до 223 генів, наявних у бактерій і людини, відсутні у таких добре вивчених організмів, як дріжджі Sacharomyces cerevisiae, плодова мушка Drosophila melanogaster і круглий хробак Caenorhabditis elegans, які знаходяться між двома крайніми лініями живих організмів.
Одні вчені вважають, що дріжджі, плодова мушка і круглий хробак, що з'явилися після бактерій, але до хребетних, просто втратили відповідні гени в якийсь момент свого еволюційного розвитку. Інші ж вважають, що гени були передані людині проникли в його організм бактеріями.
Разом з колегами з Інституту вакцин та генної терапії при Орегонському університеті охорони здоров'я ми припускаємо, що існував третій шлях: від початку гени мали вірусне походження, але потім колонізували представників двох різних ліній організмів, наприклад бактерій і хребетних. Ген, яким обдарувала людство бактерія, міг бути переданий двом згаданим лініях вірусом.
Більш того, ми впевнені, що саме клітинне ядро має вірусне походження. Поява ядра (структури, що є тільки у еукаріот, в тому числі у людини, і відсутньої у прокаріотів, наприклад у бактерій) не можна пояснити поступовою адаптацією прокаріотів до умов, що змінюються. Воно могло сформуватися на основі предсуществующей високомолекулярної вірусної ДНК, що побудувала собі постійне "житло" усередині клітини прокаріотів.
Підтвердженням цьому служить факт, що ген ДНК-полімерази (ферменту, який бере участь в реплікації ДНК) фага Т4 (фагами називають віруси, які інфікують бактерії) за своєю нуклеотидної послідовності близький до генів ДНК-полімерази як еукаріот, так і заражають їх вірусів. Крім того, Патрік Фортер (Patrick Forterre) з Південного паризького університету, який досліджував ферменти, що беруть участь в реплікації ДНК, прийшов до висновку, що гени, що детермінують їх синтез у еукаріот, мають вірусне походження.
Вірус синього язика
Віруси впливають абсолютно на всі форми життя на Землі, а часто і визначають їх долю. При цьому вони теж еволюціонують. Прямим доказом служить поява нових вірусів, таких як вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), що викликає СНІД.
Віруси постійно видозмінюють кордон між біологічним і біохімічним світами. Чим далі ми будемо просуватися в дослідженні геномів різних організмів, тим більше будемо виявляти свідоцтв присутності в них генів з динамічного, дуже стародавнього пулу.
Лауреат Нобелівської премії Сальвадор Лурія в 1969 р так говорив про вплив вірусів на еволюцію: "Можливо, віруси з їх здатністю включатися в клітинний геном і залишати його були активними учасниками процесу оптимізації генетичного матеріалу всіх живих істот в ході еволюції. Просто ми цього не помітили ".
Незалежно від того, до якого світу - живій або неживому - ми будемо відносити віруси, прийшов час розглядати їх не ізольовано, а з урахуванням постійного зв'язку з живими організмами. У числі інших використані матеріали Луїса Вілляреала - директора Центру з вивчення вірусів при Каліфорнійському університеті в м Ірвайн, опубліковані в журналі "У світі науки".
Читайте також
Если у Вас є питання або Ви хочете замовити зворотнього дзвінок, Заповніть форму .
Живий або неживої?Живий або неживої?
Що означає слово "живий"?
Що в цьому контексті можна сказати про насіння?
