Страница:
В дополнение ко всем рассказанным «чудесам» из жизни термитов стоит еще отметить, что в этих с виду жалких обитателях темных подземелий, лишенных радости видеть красоту мира, обнаружены еще и бактерии-азот-фиксаторы, поставляющие им материал для постройки белков.
«Дружба» с грибами
«Зловредный» вирус
«Сияющие» малютки
«Дружба» с грибами
У самых разных насекомых – да и не только у них – были открыты и описаны сотни всевозможных симбионтов. Выяснилось, что без микроскопических квартирантов не могут обходиться клопы, вши, комары, мошки, клещи и даже некоторые пиявки – все те животные, которые питаются кровью. Лучше всех в этом убедила ученых африканская муха цеце.
То, что кровососы действительно нуждаются в определенных сожителях, можно косвенно подтвердить, сравнивая их с ближайшими сородичами, для которых кровь – не постоянная пища. У многих таких сородичей сожителей нет. Все дело в том, что в крови животных и человека кровососам не хватает витаминов и еще некоторых веществ, необходимых им для роста. Все это они и получают от своих симбионтов.
В симбионты выбираются чаще всего актиномицеты, или дрожжи. Еще в начале прошлого века немецкий протистолог Фриц Шаудин обнаружил в теле обыкновенного комара особые мешкообразные расширения пищевода, заполненные грибками. Допущены они сюда не про сто так. Когда комар вонзает свой тонкий хоботок в кожу человека, он делает сильное дыхательное движение, повышает давление собственной крови и с силой впрыскивает в ранку небольшую порцию слюны, углекислого газа, выделенного грибками, и часть самих грибков. Углекислота препятствует свертыванию крови, а грибки, попавшие в ранку, благодаря особым ферментам увеличивают приток крови к хоботку комара и вызывают на коже сильное местное раздражение. Под действием выделяемых грибками веществ на месте укуса вскакивает зудящий волдырь. Роль грибков в этом деле Шаудин доказал вполне убедительно: вводя в кожу тонкую иглу, смоченную эмульсией из комариных грибков, он искусственно получал точно такие же волдыри. Значит, грибки, обильно размножающиеся в пищеводе комара, несут вполне определенную функцию – облегчают ему сосание крови.
А вот пример участия грибков во вредном для человека симбиозе другого типа. В природе широко распространен особый гриб, поражающий мякоть яблок плодовой гнилью. Яблоками питается и жук казарка. Вместе с мякотью он поедает также споры гриба, которые, пройдя через его кишечник, остаются невредимыми. Для откладки яиц самка казарки выгрызает в здоровых плодах небольшие камеры, в каждую из которых помещает по одному яйцу. Проделав эту операцию, она замуровывает камеру экскрементами, в которых содержатся споры грибов. Так, откладывая яйца, казарка одновременно заражает яблоки плодовой гнилью. Одна самка производит до 200 яиц. Дней через 5-10 из них выходят личинки, которые начинают питаться мякотью загнивающего плода и проделывают в нем свои ходы. Важно подчеркнуть, что в плодах, не пораженных грибом, личинки жить не могут. Заражая плоды, казарка способствует расселению гриба. Оба симбионта – и гриб и насекомое – извлекают из своего сожительства взаимную выгоду.
В организме одних насекомых нет подходящего укромного места для симбионтов, и тем приходится жить прямо в кишечнике хозяев. У других от кишок отходят слепые выросты – аппендиксы, очень удобные для поселения симбионтов. Есть они у многих жуков, например майского, у личинок мух, мошек и сверчков. Как не воспользоваться этими тихими, спокойными «затонами» вблизи напряженно бурлящего тракта, по которому день и ночь течет пищевая лавина!
Сначала скрытая жизнь в таких «затонах» была изучена у птиц и зверей. Выяснилось, что аппендикс играет у них жизненно важную роль в питании. Если, например, удалить этот орган у петуха и посадить его исключительно на растительную пищу, то, сколько бы он ни ел отборного зерна, его скорая гибель неминуема. У глухарей, тетеревов и рябчиков аппендиксы ничуть не короче самого кишечника. Такие размеры слепых кишок связаны с тем, что в течение долгой зимы эти птицы кормятся только хвоей, почками, клюквой и брусникой: переваривать все это помогают симбионты.
Однако многие насекомые, у которых нет аппендиксов, «выделили» для своих постояльцев специальные клетки – мицетоциты и даже «сгруппировали» их в отдельные «микробные органы» – мицетомы. И те и другие у насекомых сильно увеличены. Мицетомы хорошо развиты у клопов, тлей, вшей, у мухи цеце, у цикад и цикадок, а также у клещей.
Когда-то, в очень давние геологические времена, микробные клетки и органы возникли как форма защиты от инфекции. С течением эволюции они закрепились наследственно и стали нормальной составной частью организма. Следовательно, все подобные образования насекомых – это свидетельства их давних и прочных «дружественных связей» с полезными микробами и простейшими.
Ближайшие родственники бактерий – грибы. Они, как и бактерии, не имеют зеленой окраски, поскольку в них нет хлорофилла – зеленого пигмента, с помощью которого растения усваивают из воздуха углекислый газ и строят из него и воды органические питательные вещества. Поэтому грибы обитают в такой среде, из которой они могут брать уже готовые питательные вещества.
Грибы – самая загадочная группа современных организмов, и их классификация связана с наибольшими трудностями. Близость грибов к животным подтверждается данными биохимии: у них обнаруживается сходство по многим путям азотного обмена, первичной структуре цитохромов и транспортных рибонуклеиновых кислот.
Уже давно высказывалось предположение, что грибы в широком их понимании не представляют собой естественной систематической группы и, возможно, имеют разное происхождение. Так ряд ученых исключает из грибов миксомицеты (слизистые грибы, или слизевики). Одни авторы, начиная с русского ботаника Х. Я. Гоби (1884) и немецкого ботаника Г. А. Де Бари (1887), выводят происхождение миксомицетов от жгутиконосных простейших, другие относят их к простейшим. Более того, некоторые микологи высказываются за сборный характер миксомицетов, разные группы которых происходят от разных жгутиконосных предков. Окончательно не решен также вопрос, к какому из двух основных царств организмов грибы стоят ближе всего – к животным или растениям. Еще в 1874 г. немецкий ученый Ю. Сакс выдвинул предположение, что миксомицеты произошли от паразитирующих красных водорослей. Кое-кто из современных микологов, основываясь главным образом на морфологических данных, согласен с ним и тоже высказывается за происхождение аскомицетов и базидиомицетов (классы высших грибов) от красных водорослей, однако большинство микологов считает сходство с красными водорослями результатом конвергенции и склоняется к происхождению истинных грибов от миксомицетов, а через них – от простейших.
То, что кровососы действительно нуждаются в определенных сожителях, можно косвенно подтвердить, сравнивая их с ближайшими сородичами, для которых кровь – не постоянная пища. У многих таких сородичей сожителей нет. Все дело в том, что в крови животных и человека кровососам не хватает витаминов и еще некоторых веществ, необходимых им для роста. Все это они и получают от своих симбионтов.
В симбионты выбираются чаще всего актиномицеты, или дрожжи. Еще в начале прошлого века немецкий протистолог Фриц Шаудин обнаружил в теле обыкновенного комара особые мешкообразные расширения пищевода, заполненные грибками. Допущены они сюда не про сто так. Когда комар вонзает свой тонкий хоботок в кожу человека, он делает сильное дыхательное движение, повышает давление собственной крови и с силой впрыскивает в ранку небольшую порцию слюны, углекислого газа, выделенного грибками, и часть самих грибков. Углекислота препятствует свертыванию крови, а грибки, попавшие в ранку, благодаря особым ферментам увеличивают приток крови к хоботку комара и вызывают на коже сильное местное раздражение. Под действием выделяемых грибками веществ на месте укуса вскакивает зудящий волдырь. Роль грибков в этом деле Шаудин доказал вполне убедительно: вводя в кожу тонкую иглу, смоченную эмульсией из комариных грибков, он искусственно получал точно такие же волдыри. Значит, грибки, обильно размножающиеся в пищеводе комара, несут вполне определенную функцию – облегчают ему сосание крови.
А вот пример участия грибков во вредном для человека симбиозе другого типа. В природе широко распространен особый гриб, поражающий мякоть яблок плодовой гнилью. Яблоками питается и жук казарка. Вместе с мякотью он поедает также споры гриба, которые, пройдя через его кишечник, остаются невредимыми. Для откладки яиц самка казарки выгрызает в здоровых плодах небольшие камеры, в каждую из которых помещает по одному яйцу. Проделав эту операцию, она замуровывает камеру экскрементами, в которых содержатся споры грибов. Так, откладывая яйца, казарка одновременно заражает яблоки плодовой гнилью. Одна самка производит до 200 яиц. Дней через 5-10 из них выходят личинки, которые начинают питаться мякотью загнивающего плода и проделывают в нем свои ходы. Важно подчеркнуть, что в плодах, не пораженных грибом, личинки жить не могут. Заражая плоды, казарка способствует расселению гриба. Оба симбионта – и гриб и насекомое – извлекают из своего сожительства взаимную выгоду.
В организме одних насекомых нет подходящего укромного места для симбионтов, и тем приходится жить прямо в кишечнике хозяев. У других от кишок отходят слепые выросты – аппендиксы, очень удобные для поселения симбионтов. Есть они у многих жуков, например майского, у личинок мух, мошек и сверчков. Как не воспользоваться этими тихими, спокойными «затонами» вблизи напряженно бурлящего тракта, по которому день и ночь течет пищевая лавина!
Сначала скрытая жизнь в таких «затонах» была изучена у птиц и зверей. Выяснилось, что аппендикс играет у них жизненно важную роль в питании. Если, например, удалить этот орган у петуха и посадить его исключительно на растительную пищу, то, сколько бы он ни ел отборного зерна, его скорая гибель неминуема. У глухарей, тетеревов и рябчиков аппендиксы ничуть не короче самого кишечника. Такие размеры слепых кишок связаны с тем, что в течение долгой зимы эти птицы кормятся только хвоей, почками, клюквой и брусникой: переваривать все это помогают симбионты.
Однако многие насекомые, у которых нет аппендиксов, «выделили» для своих постояльцев специальные клетки – мицетоциты и даже «сгруппировали» их в отдельные «микробные органы» – мицетомы. И те и другие у насекомых сильно увеличены. Мицетомы хорошо развиты у клопов, тлей, вшей, у мухи цеце, у цикад и цикадок, а также у клещей.
Когда-то, в очень давние геологические времена, микробные клетки и органы возникли как форма защиты от инфекции. С течением эволюции они закрепились наследственно и стали нормальной составной частью организма. Следовательно, все подобные образования насекомых – это свидетельства их давних и прочных «дружественных связей» с полезными микробами и простейшими.
Ближайшие родственники бактерий – грибы. Они, как и бактерии, не имеют зеленой окраски, поскольку в них нет хлорофилла – зеленого пигмента, с помощью которого растения усваивают из воздуха углекислый газ и строят из него и воды органические питательные вещества. Поэтому грибы обитают в такой среде, из которой они могут брать уже готовые питательные вещества.
Грибы – самая загадочная группа современных организмов, и их классификация связана с наибольшими трудностями. Близость грибов к животным подтверждается данными биохимии: у них обнаруживается сходство по многим путям азотного обмена, первичной структуре цитохромов и транспортных рибонуклеиновых кислот.
Уже давно высказывалось предположение, что грибы в широком их понимании не представляют собой естественной систематической группы и, возможно, имеют разное происхождение. Так ряд ученых исключает из грибов миксомицеты (слизистые грибы, или слизевики). Одни авторы, начиная с русского ботаника Х. Я. Гоби (1884) и немецкого ботаника Г. А. Де Бари (1887), выводят происхождение миксомицетов от жгутиконосных простейших, другие относят их к простейшим. Более того, некоторые микологи высказываются за сборный характер миксомицетов, разные группы которых происходят от разных жгутиконосных предков. Окончательно не решен также вопрос, к какому из двух основных царств организмов грибы стоят ближе всего – к животным или растениям. Еще в 1874 г. немецкий ученый Ю. Сакс выдвинул предположение, что миксомицеты произошли от паразитирующих красных водорослей. Кое-кто из современных микологов, основываясь главным образом на морфологических данных, согласен с ним и тоже высказывается за происхождение аскомицетов и базидиомицетов (классы высших грибов) от красных водорослей, однако большинство микологов считает сходство с красными водорослями результатом конвергенции и склоняется к происхождению истинных грибов от миксомицетов, а через них – от простейших.
«Зловредный» вирус
В 1887 г. в Крыму плантации табака поразила неизвестная болезнь: листья растений покрывались сложным абстрактным рисунком, растекавшимся по листу, словно краска, переливающаяся с одного листа на другой, от одного растения к другому. Сельское хозяйство несло большие убытки.
На место происшествия был направлен выпускник Санкт-Петербургского университета Д. И. Ивановский (1864—1903). Молодой ученый решил выяснить, какая бактерия вызывает болезнь табака. Просмотр огромного количества препаратов, приготовленных из экстрактов больных листьев, не принес удачи. Не удалось получить ответ на вопрос: есть ли микробы в экстрактах из пораженных листьев? В то же время при заражении здоровых листьев соком из больных (инъекции в толщу здоровых листьев) результат был всегда одинаковым: здоровые листья заболевали через 10—15 дней. Это напоминало инкубационный период, свойственный любой инфекции, в течение которого микробы, размножаясь, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Так Ивановский стал родоначальником новой науки – вирусологии…
С тех пор, как были открыты вирусы, прошло немало времени. Но споры вокруг них не прекращаются. Главный вопрос: «Являются ли вирусы живыми?» Ответ двоякий:
· · если считать живой структуру, содержащую нуклеиновые кислоты и способную воспроизводить себя, то можно принять точку зрения, что вирусы живые;
· · если считать, что живой является только структура, имеющая клеточное строение, то тогда вирусы – неживая форма материи (полимеры).
А. Ленинджер в «Биохимии» рассматривает вирусы как структуры, стоящие на пороге жизни и представляющие собой устойчивые надмолекулярные комплексы, содержащие молекулу нуклеиновой кислоты и большое число белковых субъединиц, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. Среди важнейших свойств вирусов он отмечает:
· неспособность к самовоспроизведению в виде чистых препаратов;
· способность управления своей репликацией (зараженной клеткой);
· широкие вариации вирусов по размерам, по форме и по химическому составу.
Вирусы находятся на самой границе между живым и неживым. Это свидетельствует о существовании непрерывного спектра усложняющегося органического мира, который начинается с простых молекул и заканчивается сложнейшими системами клеток.
Ближайшие соседи вирусов – хламидии, риккетсии, отчасти микоплазмы. Долгое время этих паразитов роднила с вирусами неспособность размножаться на искусственных средах, фильтруемость. Однако исследования показали, что по химическому составу и строению они сходны с бактериями.
У клеток животных, растений и бактерий в отличие от вирусов есть двухслойная мембрана, отделяющая клетку от внешнего мира. У вирусов мембраны нет. У растительных клеток и бактерий (в том числе хламидий и риккетсий), кроме того, имеется еще и клеточная стенка – «панцирь», в который заключена клетка. У микоплазм есть только мембрана. Бактерии размножаются путем бинарного (пополам) деления. У вирусов совершенно иной путь размножения. Таким образом, эти «соседи» – не родственники вирусов. Между ними – глубокая пропасть: нет ни переходных, ни промежуточных форм.
В то же время соседи вирусов – биологические полимеры и субструктуры клетки. В природе в свободном виде их нет. Общее у них с составными элементами вирусов то, что все они – полимеры. Относительно ближе к вирусам некоторые клеточные органеллы: митохондрии и рибосомы.
«Настоящие» соседи вирусов – фильтрующиеся, реплицирующиеся агенты (прионы). Нуклеиновых кислот они не содержат, но способны запускать свой собственный синтез, используя генетическую информацию клетки-хозяина. Эти агенты вызывают медленно прогрессирующие болезни у человека и животных. У растений известно 11 природных заболеваний (например бугорчатая болезнь картофеля), вызываемых вирусоподобными агентами. Эти агенты, представляющие собой маленькие кольцевые РНК, не содержащие ни структурного белка, ни мембраны, отнесли в группу вириовидов.
А. Ленинджер так описывает процесс инфицирования: «В присутствии РНК-содержащих вирусов рибосомы клетки-хозяина предпочтительно связываются не с молекулами РНК клетки-хозяина, а с молекулами вирусной РНК. Эти последние начинают теперь функционировать в качестве матриц для синтеза белка вирусной оболочки, а также для синтеза некоторых дополнительных ферментов, требующихся для репликации других структурных компонентов вируса, и в частности самой вирусной РНК».
Атака начинается с прикрепления хвостов нескольких десятков фагов вирусов, поражающих бактерии, к определенной части бактериальной стенки. Тотчас же лизоцим растворяет клеточную мембрану. Аппарат хвоста вируса действует наподобие шприца: «мышцы» сокращаются, и нуклеиновая кислота впрыскивается внутрь клетки. Верхняя «одежда» вируса – белковый чехол – остается снаружи клетки. Так завершается «оккупация» бактерий фагами. Этот процесс длится всего несколько минут.
Нуклеиновая кислота играет главную роль в воспроизведении фага. Это было доказано немецкими учеными в опытах по гибридизации вирусов. Однако не все вирусы так агрессивны, как фаги, не у всех есть хвост с набором необходимых для взлома клетки инструментов. Как же в этих случаях вирус проникает на чужую территорию?
Как ни парадоксально, в этих случаях сама клетка осуществляет внедрение вирусов – она как бы заглатывает их. Вспомним, что на протяжении эволюции у клеток выработался механизм активного захвата из окружающей среды различных твердых частиц (фагоцитоз) и капелек жидкости (пиноцитоз). Этот механизм играет большую роль в нормальной жизнедеятельности клетки. В случае же встречи с вирусом происходит как бы «самоубийство» клетки. В клетке, инфицированной вирусом, вследствие его размножения нарушается обмен веществ. Каждая инфицированная одним вирусом клетка производит около 2 тыс. новых вирусов. Вирусы могут вызывать либо хроническую, либо острую инфекцию. В первом случае вирус, проникший в клетку, не выдает своего присутствия. Соответственно, и инфицированная клетка по виду не отличается от нормальной. Вирус может интегрироваться в ДНК клетки и при делении передаваться ее потомству. Следовательно, клетка при делении воспроизводит вирус. Интегрированный вирус невозможно обнаружить и выделить из клетки.
В опытах in vitro на культивируемых клетках человека удалось воспроизвести хроническую инфекцию вирусом гриппа. Оказалось, что через несколько поколений в культивируемых клетках признаки заражения постепенно исчезали. В конце концов вирус пропадал и долго не проявлял своего присутствия. Но затем внезапно наступала быстрая гибель клеток, свидетельствующая о неожиданном «возвращении» вируса. «Беглец» изменился, стал агрессивнее, приобрел новые губительные для клеток свойства. Изменились и клетки. Они приобрели способность к безудержному росту, то есть стали злокачественными.
Новые данные породили новые вопросы. Интегрируется ли на самом деле геном вируса в геном клетки? Почему вирус повторно активизируется и выходит из «подполья»?
Дальнейшие исследования провели на субклеточных структурах, выделенных из клеток, инфицированных арбовирусами. Арбовируса-ми называют вирусы четырех семейств (тогавирусы, буньявирусы, реовирусы и рабдовирусы), передающиеся при укусе кровососущими насекомыми. Нормальный арбовирус состоит из трех частей: нуклеиновой кислоты – РНК и двух оболочек (внутренней белковой и внешней белково-липидной). Внутреннюю оболочку образуют специфические белки, а внешнюю – наружная мембрана клетки.
У субклеточных структур – незрелых вирусов – нет оболочки. Они состоят только из вирусной РНК и специфических вирусных белков и представляют собой так называемые рибонуклеопротеиды (РНП) – комплексы нуклеиновой кислоты и белка. Впоследствии было открыто, что РНП вызывает инфицирование. При выделении субклеточных структур из инфицированных клеток было получено еще три типа РНП. При введении в здоровые клетки все четыре типа РНП вызывали образование нормальных вирусов.
Как объяснить полученные результаты? Вирусологи предположили, что, кроме истинно вирусного комплекса, состоящего из РНК-вирусного белка, были получены гибридные РНП-молекулярные химеры, у которых нуклеиновая кислота прикрыта не только вирусными белками, но и клеточными. Для доказательства этого предположения из нормальных вирусов выделили РНК, добавили ее к белкам неинфицированных клеток и получили РНП.
При внедрении чужеродного белка организм человека вырабатывает защитные антитела, способные найти и нейтрализовать «пришельца». Гораздо сложнее антителам найти и обезвредить псевдовирус – гибридный РНП. Гибридные РНП приобретают выраженную устойчивость к их действию. Не исключено, что именно этим объясняется устойчивость незначительной доли вирусов к действию антител и в естественных условиях.
Однако не все так безнадежно. Клетки содержат ферменты нуклеазы, расщепляющие попавшие в них, в клетки, нуклеиновые кислоты. Нуклеазы не могут расщепить нуклеиновую кислоту, находящуюся в комплексе с белками. Но при заражении клеток вирус «раздевается», оставляя «белковый плащ» снаружи. Кроме того, при вирусной инфекции активность нуклеаз возрастает, поэтому теоретически они могут атаковать и расщепить «голую» вирусную нуклеиновую кислоту.
Тем не менее вирусные инфекции возможны из-за способности нуклеиновой кислоты вируса образовывать гибридные комплексы с клеточными белками, защищающими ее от нуклеаз.
Вряд ли кто скажет доброе слово о вирусах. Такие вирусные болезни, как оспа, грипп, полиомиелит, желтая лихорадка и масса других унесли миллионы человеческих жизней.
Для борьбы с вирусными заболеваниями и открытия новых возможностей использования свойств вирусов необходимы глубокие исследования в области биологии вирусов, молекулярной биологии, иммунологии, биохимии, биофизики и других наук.
На место происшествия был направлен выпускник Санкт-Петербургского университета Д. И. Ивановский (1864—1903). Молодой ученый решил выяснить, какая бактерия вызывает болезнь табака. Просмотр огромного количества препаратов, приготовленных из экстрактов больных листьев, не принес удачи. Не удалось получить ответ на вопрос: есть ли микробы в экстрактах из пораженных листьев? В то же время при заражении здоровых листьев соком из больных (инъекции в толщу здоровых листьев) результат был всегда одинаковым: здоровые листья заболевали через 10—15 дней. Это напоминало инкубационный период, свойственный любой инфекции, в течение которого микробы, размножаясь, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Так Ивановский стал родоначальником новой науки – вирусологии…
С тех пор, как были открыты вирусы, прошло немало времени. Но споры вокруг них не прекращаются. Главный вопрос: «Являются ли вирусы живыми?» Ответ двоякий:
· · если считать живой структуру, содержащую нуклеиновые кислоты и способную воспроизводить себя, то можно принять точку зрения, что вирусы живые;
· · если считать, что живой является только структура, имеющая клеточное строение, то тогда вирусы – неживая форма материи (полимеры).
А. Ленинджер в «Биохимии» рассматривает вирусы как структуры, стоящие на пороге жизни и представляющие собой устойчивые надмолекулярные комплексы, содержащие молекулу нуклеиновой кислоты и большое число белковых субъединиц, уложенных в определенном порядке и образующих специфическую трехмерную структуру. Среди важнейших свойств вирусов он отмечает:
· неспособность к самовоспроизведению в виде чистых препаратов;
· способность управления своей репликацией (зараженной клеткой);
· широкие вариации вирусов по размерам, по форме и по химическому составу.
Вирусы находятся на самой границе между живым и неживым. Это свидетельствует о существовании непрерывного спектра усложняющегося органического мира, который начинается с простых молекул и заканчивается сложнейшими системами клеток.
Ближайшие соседи вирусов – хламидии, риккетсии, отчасти микоплазмы. Долгое время этих паразитов роднила с вирусами неспособность размножаться на искусственных средах, фильтруемость. Однако исследования показали, что по химическому составу и строению они сходны с бактериями.
У клеток животных, растений и бактерий в отличие от вирусов есть двухслойная мембрана, отделяющая клетку от внешнего мира. У вирусов мембраны нет. У растительных клеток и бактерий (в том числе хламидий и риккетсий), кроме того, имеется еще и клеточная стенка – «панцирь», в который заключена клетка. У микоплазм есть только мембрана. Бактерии размножаются путем бинарного (пополам) деления. У вирусов совершенно иной путь размножения. Таким образом, эти «соседи» – не родственники вирусов. Между ними – глубокая пропасть: нет ни переходных, ни промежуточных форм.
В то же время соседи вирусов – биологические полимеры и субструктуры клетки. В природе в свободном виде их нет. Общее у них с составными элементами вирусов то, что все они – полимеры. Относительно ближе к вирусам некоторые клеточные органеллы: митохондрии и рибосомы.
«Настоящие» соседи вирусов – фильтрующиеся, реплицирующиеся агенты (прионы). Нуклеиновых кислот они не содержат, но способны запускать свой собственный синтез, используя генетическую информацию клетки-хозяина. Эти агенты вызывают медленно прогрессирующие болезни у человека и животных. У растений известно 11 природных заболеваний (например бугорчатая болезнь картофеля), вызываемых вирусоподобными агентами. Эти агенты, представляющие собой маленькие кольцевые РНК, не содержащие ни структурного белка, ни мембраны, отнесли в группу вириовидов.
А. Ленинджер так описывает процесс инфицирования: «В присутствии РНК-содержащих вирусов рибосомы клетки-хозяина предпочтительно связываются не с молекулами РНК клетки-хозяина, а с молекулами вирусной РНК. Эти последние начинают теперь функционировать в качестве матриц для синтеза белка вирусной оболочки, а также для синтеза некоторых дополнительных ферментов, требующихся для репликации других структурных компонентов вируса, и в частности самой вирусной РНК».
Атака начинается с прикрепления хвостов нескольких десятков фагов вирусов, поражающих бактерии, к определенной части бактериальной стенки. Тотчас же лизоцим растворяет клеточную мембрану. Аппарат хвоста вируса действует наподобие шприца: «мышцы» сокращаются, и нуклеиновая кислота впрыскивается внутрь клетки. Верхняя «одежда» вируса – белковый чехол – остается снаружи клетки. Так завершается «оккупация» бактерий фагами. Этот процесс длится всего несколько минут.
Нуклеиновая кислота играет главную роль в воспроизведении фага. Это было доказано немецкими учеными в опытах по гибридизации вирусов. Однако не все вирусы так агрессивны, как фаги, не у всех есть хвост с набором необходимых для взлома клетки инструментов. Как же в этих случаях вирус проникает на чужую территорию?
Как ни парадоксально, в этих случаях сама клетка осуществляет внедрение вирусов – она как бы заглатывает их. Вспомним, что на протяжении эволюции у клеток выработался механизм активного захвата из окружающей среды различных твердых частиц (фагоцитоз) и капелек жидкости (пиноцитоз). Этот механизм играет большую роль в нормальной жизнедеятельности клетки. В случае же встречи с вирусом происходит как бы «самоубийство» клетки. В клетке, инфицированной вирусом, вследствие его размножения нарушается обмен веществ. Каждая инфицированная одним вирусом клетка производит около 2 тыс. новых вирусов. Вирусы могут вызывать либо хроническую, либо острую инфекцию. В первом случае вирус, проникший в клетку, не выдает своего присутствия. Соответственно, и инфицированная клетка по виду не отличается от нормальной. Вирус может интегрироваться в ДНК клетки и при делении передаваться ее потомству. Следовательно, клетка при делении воспроизводит вирус. Интегрированный вирус невозможно обнаружить и выделить из клетки.
В опытах in vitro на культивируемых клетках человека удалось воспроизвести хроническую инфекцию вирусом гриппа. Оказалось, что через несколько поколений в культивируемых клетках признаки заражения постепенно исчезали. В конце концов вирус пропадал и долго не проявлял своего присутствия. Но затем внезапно наступала быстрая гибель клеток, свидетельствующая о неожиданном «возвращении» вируса. «Беглец» изменился, стал агрессивнее, приобрел новые губительные для клеток свойства. Изменились и клетки. Они приобрели способность к безудержному росту, то есть стали злокачественными.
Новые данные породили новые вопросы. Интегрируется ли на самом деле геном вируса в геном клетки? Почему вирус повторно активизируется и выходит из «подполья»?
Дальнейшие исследования провели на субклеточных структурах, выделенных из клеток, инфицированных арбовирусами. Арбовируса-ми называют вирусы четырех семейств (тогавирусы, буньявирусы, реовирусы и рабдовирусы), передающиеся при укусе кровососущими насекомыми. Нормальный арбовирус состоит из трех частей: нуклеиновой кислоты – РНК и двух оболочек (внутренней белковой и внешней белково-липидной). Внутреннюю оболочку образуют специфические белки, а внешнюю – наружная мембрана клетки.
У субклеточных структур – незрелых вирусов – нет оболочки. Они состоят только из вирусной РНК и специфических вирусных белков и представляют собой так называемые рибонуклеопротеиды (РНП) – комплексы нуклеиновой кислоты и белка. Впоследствии было открыто, что РНП вызывает инфицирование. При выделении субклеточных структур из инфицированных клеток было получено еще три типа РНП. При введении в здоровые клетки все четыре типа РНП вызывали образование нормальных вирусов.
Как объяснить полученные результаты? Вирусологи предположили, что, кроме истинно вирусного комплекса, состоящего из РНК-вирусного белка, были получены гибридные РНП-молекулярные химеры, у которых нуклеиновая кислота прикрыта не только вирусными белками, но и клеточными. Для доказательства этого предположения из нормальных вирусов выделили РНК, добавили ее к белкам неинфицированных клеток и получили РНП.
При внедрении чужеродного белка организм человека вырабатывает защитные антитела, способные найти и нейтрализовать «пришельца». Гораздо сложнее антителам найти и обезвредить псевдовирус – гибридный РНП. Гибридные РНП приобретают выраженную устойчивость к их действию. Не исключено, что именно этим объясняется устойчивость незначительной доли вирусов к действию антител и в естественных условиях.
Однако не все так безнадежно. Клетки содержат ферменты нуклеазы, расщепляющие попавшие в них, в клетки, нуклеиновые кислоты. Нуклеазы не могут расщепить нуклеиновую кислоту, находящуюся в комплексе с белками. Но при заражении клеток вирус «раздевается», оставляя «белковый плащ» снаружи. Кроме того, при вирусной инфекции активность нуклеаз возрастает, поэтому теоретически они могут атаковать и расщепить «голую» вирусную нуклеиновую кислоту.
Тем не менее вирусные инфекции возможны из-за способности нуклеиновой кислоты вируса образовывать гибридные комплексы с клеточными белками, защищающими ее от нуклеаз.
Вряд ли кто скажет доброе слово о вирусах. Такие вирусные болезни, как оспа, грипп, полиомиелит, желтая лихорадка и масса других унесли миллионы человеческих жизней.
Для борьбы с вирусными заболеваниями и открытия новых возможностей использования свойств вирусов необходимы глубокие исследования в области биологии вирусов, молекулярной биологии, иммунологии, биохимии, биофизики и других наук.
«Сияющие» малютки
Одно из самых замечательных и поражающих наблюдателя явлений в море – его свечение. Можно часами любоваться, сидя ночью на берегу Черного моря, как вспыхивает яркими искрами набегающая на берег волна. Так же прекрасен ночью оставляемый идущим кораблем след, то загорающийся яркими огоньками, то вспыхивающий какими-то голубыми шарами. Спокойные яркие звезды сверкают на южном бархатном небе. Столь же яркие, то вспыхивающие, то гаснущие холодные огни в море будто отражают небесный свод. В более теплых морях подобное свечение бывает настолько сильным, что издали кажется заревом большого пожара, – его можно даже заснять на фотопленку.
Люди наблюдали свечение моря с незапамятных времен. С наступлением темноты поверхность моря начинает вдруг фосфоресцировать, озаряясь холодным искрящимся сиянием. Если набежавший ветерок подымет легкое волнение, сияние разгорается, словно прогоревшие угли, на которые подули.
Кто только не восторгался этим романтическим явлением природы: Крузенштерн и Беллинсгаузен, Дарвин и Гоген, Гончаров и Римский-Корсаков, Амундсен и Хейердал… Но лишь сравнительно недавно ученые твердо установили, что всю эту «лучезарную романтику» в море создают живые существа – и очень разные. Чаще всего море засвечивают мелкие планктонные организмы перидинеи-ночесветки и веслоногие рачки (особенно эуфаузииды). Они сияют то зеленоватым, то голубоватым, а то и оранжево-красным светом.
Вот как, например, описывал И. А. Гончаров во «Фрегате „Палла-да“ свечение перидиней у берегов Японии: „Штиль, погода прекрасная: ясно и тепло… Множество красной икры, точно толченый кирпич, пятнами покрывает в разных местах море. Икра эта сияет по ночам нестерпимым фосфорическим блеском. Вчера свет был так силен, что из-под судна как будто вырывалось пламя; даже на парусах отражалось зарево, сзади кормы стелется широкая огненная улица; кругом темно…“. Красной икрой Гончаров назвал перидиней-ночесветок, у которых фосфоресцируют их липоидные вещества.
Перидинеи вызывают свечение не только валов прибоя и его пены, заливающей берега. Прибрежный песок или снег, пропитанные содержащей перидиней морской водой, светятся там, где на них ступает нога путника: он оставляет за собой в ночной темноте цепочку ярко горящих следов. Свечение смоченного морской водой снега характерно и для Шпицбергена, и для островов Де-Лонга. В Альпах и на Севере обширные снежные равнины нередко имеют красный, зеленый, синий или коричневый цвет. Это объясняется тем, что на снегу могут в массовых количествах развиваться различные окрашенные жгутиковые: красные гемато-коккус пульвиалис, зеленые хламидомонас нивалис и другие.
Свет, как известно, привлекает морских животных, и этим издавна пользуются рыбаки. Стаи рыб устремляются ночью к месту свечения в расчете поживиться теми, кто светится. При этом, как всякий движущийся в воде предмет, они еще больше усиливают сияние вод и тем невольно выдают свое присутствие. Опытный глаз рыбака легко различает очертания стаи рыб, следы всплесков акул и даже кашалотов, ныряющих за рыбой. По пульсирующим вспышкам, быстро бегущим по воде, нетрудно опознать дальневосточных кальмаров, которые сами, однако, не светятся.
Животных можно привлечь и искусственным светом. У берегов Индии, Индокитая, Северной Африки, на Адриатике – в тех тропических и умеренно теплых морях, где особенно часто бывает свечение, при ночной ловле рыбы используют факелы. В Средиземном море мерцающие огни газовых светильников, зажигаемых на рыболовных судах, видны во мраке на многие мили вокруг. На их свет лучше всего идут стайные рыбы – сельдь и кефаль.
Для увеличения улова рыбаки островов моря Банда в Индонезии в качестве наживки используют светоносную железу маленькой рыбки – фотоблефарона, а жители Сесимбра на юго-западе Португалии – кусочки сильно пахнущего мяса собачьей акулы, обмазанные желтой светящейся жидкостью, получаемой из поджелудочной железы макруруса.
Круг животных, способных устраивать «иллюминацию», очень широк. Это многие бактерии, перидинеи, радиолярии, медузы, гребневики, черви, ракообразные, голожаберные, двустворчатые и особенно головоногие моллюски, морские звезды, голотурии, офиуры, сальпы, пирозомы, рыбы.
Светящиеся бактерии играют двойную роль. Они могут создавать разлитое «молочное» свечение, когда живут в море самостоятельно (правда, их там негусто), а могут «озарять» других животных, когда поселяются в их специальных органах, подобных мицетомам насекомых. Животные же, излучающие свет, делятся на две группы: у одних свет от симбиотических бактерий, у других – свой собственный. Вторых в природе, по-видимому, намного больше, чем первых, но решить, у кого из морских обитателей какой природы свет, совсем не просто. Во-первых, сплошь и рядом трудно выделить предполагаемых виновников свечения; во-вторых, часто бактерии, казалось бы, пойманные «с поличным», будучи извлеченными из своих хозяев, тут же «гаснут». Пока что симбиотическая природа люминесценции достоверно установлена только у рыб, каракатиц и кальмаров.
В мелководных бухтах японского побережья живет окунек моноцен-трис, размерами и формой тела напоминающий кедровую шишку. На нижней челюсти у него сидит пара сравнительно несложно устроенных светящихся органов – фотокоров, способных испускать свет несколько часов подряд. В каждом их них есть небольшая камера, где скапливается жидкость с бактериями-светлячками. Камера сообщается с окружающей средой. В момент опасности рыбка выпрыскивает ее содержимое в воду и исчезает из поля зрения преследователя под прикрытием светящегося облачка.
В морях, омывающих Индию и Большие Зондские острова, на рифах и вдоль берегов обитают две совершенно необычные рыбки – аномалопс и фотоблефарон. У них под глазами сидят, словно огромные бородавки, какие-то странные вздутия бобовидной формы. Описавший их еще в 1920 г. крупнейший американский специалист по светящимся животным Ньютон Гарвей доказал, что эти «бородавки» представляют собой светоносные органы, заполненные люминесцирующими бактериями.
Зеленоватый свет, испускаемый фотофорами аномалопса круглые сутки, все время пульсирует: 10 с он горит, а 5 – «выключен». Ночью он напоминает отражение луны, как бы колышущееся на легких волнах. Стайка же фотоблефаронов, обосновавшаяся между прибрежными камнями, создает впечатление, будто воду подсветили гирляндой маленьких мигающих лампочек. Свет одной из этих рыбок бывает настолько силен, что при окружающей полной темноте позволяет рассмотреть стрелки карманных часов на расстоянии 2 м от рыбы.
Светоносные бактерии поселились на голове аномалопса и фото-блефарона, видимо, в очень давние времена. С той поры рыбы успели «отрастить» для них специальные вместилища и, чтобы с толком для себя использовать их благодатное сияние, «возвели» на бактериальных вместилищах фотофоры-прожекторы очень сложного устройства.
Фотофоры состоят из многочисленных железистых трубочек, открывающихся своими наружными концами в подкожные полости бобовидного органа, лежащего сразу под глазом. Полости снабжены микроскопическими отверстиями, через которые они сообщаются с внешней средой. Пространство между трубочками прoнизано кровеносными капиллярами. На внутренних концах трубочек сидят особые клетки, заполненные блестящими кристаллами гуанина. Они выполняют роль маленьких зеркал, отражающих свет. Далее идет светонепроницаемый слой, сложенный из черных пигментных клеток (хроматофоров).
Есть рыбы, пользующиеся свечением бактерий для приманивания добычи. С этой целью многочисленная семья удильщиков обзавелась еще настоящей рыболовной снастью и, похоже, достигла в ее строении предельной изощренности.
В морях, омывающих Европу, а у нас – в Баренцевом и Черном, на глубине от 50 до 200 м обитает рыба лягва, или морской черт, достигающая полутора метров в длину. Прозвана она так за свой несуразный и совсем не рыбий вид. Действительно, тело лягвы производит впечатление какого-то обрубка, куска мяса, из которого природа словно только начала лепить что-то живое. Зато сколь совершенна ее «удочка»!
Первый луч спинного плавника у морского черта сильно удлинился, сдвинулся на голову, ближе ко рту, и превратился в великолепное удилище, на конце которого сидит «приманка» – маленький светящийся шарик. В нем и помещаются светоносные бактерии.
Люди наблюдали свечение моря с незапамятных времен. С наступлением темноты поверхность моря начинает вдруг фосфоресцировать, озаряясь холодным искрящимся сиянием. Если набежавший ветерок подымет легкое волнение, сияние разгорается, словно прогоревшие угли, на которые подули.
Кто только не восторгался этим романтическим явлением природы: Крузенштерн и Беллинсгаузен, Дарвин и Гоген, Гончаров и Римский-Корсаков, Амундсен и Хейердал… Но лишь сравнительно недавно ученые твердо установили, что всю эту «лучезарную романтику» в море создают живые существа – и очень разные. Чаще всего море засвечивают мелкие планктонные организмы перидинеи-ночесветки и веслоногие рачки (особенно эуфаузииды). Они сияют то зеленоватым, то голубоватым, а то и оранжево-красным светом.
Вот как, например, описывал И. А. Гончаров во «Фрегате „Палла-да“ свечение перидиней у берегов Японии: „Штиль, погода прекрасная: ясно и тепло… Множество красной икры, точно толченый кирпич, пятнами покрывает в разных местах море. Икра эта сияет по ночам нестерпимым фосфорическим блеском. Вчера свет был так силен, что из-под судна как будто вырывалось пламя; даже на парусах отражалось зарево, сзади кормы стелется широкая огненная улица; кругом темно…“. Красной икрой Гончаров назвал перидиней-ночесветок, у которых фосфоресцируют их липоидные вещества.
Перидинеи вызывают свечение не только валов прибоя и его пены, заливающей берега. Прибрежный песок или снег, пропитанные содержащей перидиней морской водой, светятся там, где на них ступает нога путника: он оставляет за собой в ночной темноте цепочку ярко горящих следов. Свечение смоченного морской водой снега характерно и для Шпицбергена, и для островов Де-Лонга. В Альпах и на Севере обширные снежные равнины нередко имеют красный, зеленый, синий или коричневый цвет. Это объясняется тем, что на снегу могут в массовых количествах развиваться различные окрашенные жгутиковые: красные гемато-коккус пульвиалис, зеленые хламидомонас нивалис и другие.
Свет, как известно, привлекает морских животных, и этим издавна пользуются рыбаки. Стаи рыб устремляются ночью к месту свечения в расчете поживиться теми, кто светится. При этом, как всякий движущийся в воде предмет, они еще больше усиливают сияние вод и тем невольно выдают свое присутствие. Опытный глаз рыбака легко различает очертания стаи рыб, следы всплесков акул и даже кашалотов, ныряющих за рыбой. По пульсирующим вспышкам, быстро бегущим по воде, нетрудно опознать дальневосточных кальмаров, которые сами, однако, не светятся.
Животных можно привлечь и искусственным светом. У берегов Индии, Индокитая, Северной Африки, на Адриатике – в тех тропических и умеренно теплых морях, где особенно часто бывает свечение, при ночной ловле рыбы используют факелы. В Средиземном море мерцающие огни газовых светильников, зажигаемых на рыболовных судах, видны во мраке на многие мили вокруг. На их свет лучше всего идут стайные рыбы – сельдь и кефаль.
Для увеличения улова рыбаки островов моря Банда в Индонезии в качестве наживки используют светоносную железу маленькой рыбки – фотоблефарона, а жители Сесимбра на юго-западе Португалии – кусочки сильно пахнущего мяса собачьей акулы, обмазанные желтой светящейся жидкостью, получаемой из поджелудочной железы макруруса.
Круг животных, способных устраивать «иллюминацию», очень широк. Это многие бактерии, перидинеи, радиолярии, медузы, гребневики, черви, ракообразные, голожаберные, двустворчатые и особенно головоногие моллюски, морские звезды, голотурии, офиуры, сальпы, пирозомы, рыбы.
Светящиеся бактерии играют двойную роль. Они могут создавать разлитое «молочное» свечение, когда живут в море самостоятельно (правда, их там негусто), а могут «озарять» других животных, когда поселяются в их специальных органах, подобных мицетомам насекомых. Животные же, излучающие свет, делятся на две группы: у одних свет от симбиотических бактерий, у других – свой собственный. Вторых в природе, по-видимому, намного больше, чем первых, но решить, у кого из морских обитателей какой природы свет, совсем не просто. Во-первых, сплошь и рядом трудно выделить предполагаемых виновников свечения; во-вторых, часто бактерии, казалось бы, пойманные «с поличным», будучи извлеченными из своих хозяев, тут же «гаснут». Пока что симбиотическая природа люминесценции достоверно установлена только у рыб, каракатиц и кальмаров.
В мелководных бухтах японского побережья живет окунек моноцен-трис, размерами и формой тела напоминающий кедровую шишку. На нижней челюсти у него сидит пара сравнительно несложно устроенных светящихся органов – фотокоров, способных испускать свет несколько часов подряд. В каждом их них есть небольшая камера, где скапливается жидкость с бактериями-светлячками. Камера сообщается с окружающей средой. В момент опасности рыбка выпрыскивает ее содержимое в воду и исчезает из поля зрения преследователя под прикрытием светящегося облачка.
В морях, омывающих Индию и Большие Зондские острова, на рифах и вдоль берегов обитают две совершенно необычные рыбки – аномалопс и фотоблефарон. У них под глазами сидят, словно огромные бородавки, какие-то странные вздутия бобовидной формы. Описавший их еще в 1920 г. крупнейший американский специалист по светящимся животным Ньютон Гарвей доказал, что эти «бородавки» представляют собой светоносные органы, заполненные люминесцирующими бактериями.
Зеленоватый свет, испускаемый фотофорами аномалопса круглые сутки, все время пульсирует: 10 с он горит, а 5 – «выключен». Ночью он напоминает отражение луны, как бы колышущееся на легких волнах. Стайка же фотоблефаронов, обосновавшаяся между прибрежными камнями, создает впечатление, будто воду подсветили гирляндой маленьких мигающих лампочек. Свет одной из этих рыбок бывает настолько силен, что при окружающей полной темноте позволяет рассмотреть стрелки карманных часов на расстоянии 2 м от рыбы.
Светоносные бактерии поселились на голове аномалопса и фото-блефарона, видимо, в очень давние времена. С той поры рыбы успели «отрастить» для них специальные вместилища и, чтобы с толком для себя использовать их благодатное сияние, «возвели» на бактериальных вместилищах фотофоры-прожекторы очень сложного устройства.
Фотофоры состоят из многочисленных железистых трубочек, открывающихся своими наружными концами в подкожные полости бобовидного органа, лежащего сразу под глазом. Полости снабжены микроскопическими отверстиями, через которые они сообщаются с внешней средой. Пространство между трубочками прoнизано кровеносными капиллярами. На внутренних концах трубочек сидят особые клетки, заполненные блестящими кристаллами гуанина. Они выполняют роль маленьких зеркал, отражающих свет. Далее идет светонепроницаемый слой, сложенный из черных пигментных клеток (хроматофоров).
Есть рыбы, пользующиеся свечением бактерий для приманивания добычи. С этой целью многочисленная семья удильщиков обзавелась еще настоящей рыболовной снастью и, похоже, достигла в ее строении предельной изощренности.
В морях, омывающих Европу, а у нас – в Баренцевом и Черном, на глубине от 50 до 200 м обитает рыба лягва, или морской черт, достигающая полутора метров в длину. Прозвана она так за свой несуразный и совсем не рыбий вид. Действительно, тело лягвы производит впечатление какого-то обрубка, куска мяса, из которого природа словно только начала лепить что-то живое. Зато сколь совершенна ее «удочка»!
Первый луч спинного плавника у морского черта сильно удлинился, сдвинулся на голову, ближе ко рту, и превратился в великолепное удилище, на конце которого сидит «приманка» – маленький светящийся шарик. В нем и помещаются светоносные бактерии.