История эпидемий. От чёрной чумы до COVID-19
Шрифт:
Изучение вирусов продолжалось весь ХХ век. Так, уже в 1939 году американский патолог Эрнест Уильям Гудпасчер вырастил вирус гриппа и несколько других вирусов в оплодотворенных куриных яйцах. Выращивали и другие вирусы в лабораторных условиях, пытаясь разобраться, как они воздействуют на живые клетки.
Первые изображения вирусов были получены после изобретения электронного микроскопа немецкими инженерами Эрнстом Руской и Максом Кноллем. В 1935 году американский биохимик и вирусолог Уэнделл Мередит Стэнли тщательно изучил вирус табачной мозаики и обнаружил, что он по большей части состоит из белка. Спустя короткое время этот вирус был разделен на белковую и РНК-составляющую.
Во второй половине XX века было открыто свыше 2000 видов вирусов животных, растений и бактерий. А в 2002 году в Нью-Йоркском университете был создан первый синтетический вирус (вирус полиомиелита).
Вирусы являются важным естественным средством переноса генов между различными видами, что вызывает генетическое разнообразие и направляет эволюцию. Считается, что вирусы сыграли центральную роль в ранней эволюции, еще до расхождения самых первых живых клеток: бактерий, архей и эукариот. Вирусы и по сей день остаются одним из крупнейших живых хранилищ неисследованного генетического разнообразия на Земле.
При этом ученые до сих пор точно не знают, как появились вирусы. Возможно, некоторые из них могли образоваться из плазмид, небольших молекул ДНК, способных передаваться от одной клетки к другой, а другие вирусы могли произойти от бактерий.
Некоторые ученые считают вирусы особой формой жизни, так как они имеют генетический материал, способны создавать себе подобные вирусы и эволюционируют путем естественного отбора. Однако у вирусов нет клеточного строения и обмена веществ, поэтому их нельзя отнести к живому существу. Поскольку у них есть некоторые свойства живого, то их описывают как «организмы на краю жизни».
Есть три основные гипотезы происхождения вирусов: регрессивная, коэволюции и гипотеза клеточного происхождения.
По регрессивной гипотезе вирусы когда-то были мелкими клетками, паразитирующими в более крупных клетках. С течением времени эти клетки утратили гены, которые были «лишними» при паразитическом образе жизни. Этот вариант также называют гипотезой дегенерации или гипотезой редукции.
Гипотеза клеточного происхождения предполагает, что некоторые вирусы могли появиться из фрагментов ДНК или РНК, которые «высвободились» из генома более крупного организма. Такие фрагменты могут происходить от плазмид (молекул ДНК, способных передаваться от клетки к клетке) или от транспозонов (молекул ДНК, воспроизводящихся и перемещающихся с места на место внутри генома). Транспозоны раньше называли «прыгающими генами». Они были открыты Барбарой Мак-Клинток в 1950 году в кукурузе. Эту гипотезу также называют гипотезой кочевания или гипотезой побега.
Гипотеза коэволюции предполагает, что вирусы возникли из сложных комплексов белков и нуклеиновых кислот в то же время, что и первые на Земле живые клетки, и зависят от клеточной жизни вот уже миллиарды лет.
Помимо вирусов, существуют и другие неклеточные формы жизни. Например, вироиды – это молекулы РНК, которые не рассматриваются как вирусы, потому что у них нет белковой оболочки. Но ряд характеристик сближает их с некоторыми вирусами, а потому их относят к субвирусным частицам. Вироиды являются важными патогенами растений. Более трети вирусных заболеваний растений вызываются вироидами. Или, например, вирус гепатита D, который имеет РНК-геном, схожий с геномом вироидов. Для размножения ему нужно присутствие вируса гепатита B, то есть если у человека нет гепатита В, то и гепатитом D он не заболеет. Вирус гепатита B относится к вирусам-сателлитам.
У каждой из этих гипотез есть не объясненные места, есть свои сторонники и противники. Вообще же в настоящее время многие специалисты признают вирусы древними организмами, появившимися, предположительно, еще до разделения клеточной жизни на разные ветви.
Есть даже предположение, что в истории вирусы независимо возникали несколько раз по одному или нескольким механизмам, так как между различными группами вирусов имеются значительные различия в организации генетического материала.
В настоящее время в классификации вирусов насчитывается 9 порядков, 127 семейств, 44 подсемейства, 782 рода, 4686 видов и свыше 3000 еще не классифицированных вирусов.
Вирусы и клетки организма-хозяина
Пока вирус находится в окружающей среде или в процессе заражения клетки, он существует в виде независимой частицы. Вирион (отдельный вирус) состоит из двух или трех компонентов: генетического материала в виде ДНК или РНК (у некоторых вирусов есть и то, и другое); белковой оболочки (капсида), защищающей эти молекулы, и, в некоторых случаях, дополнительных липидных (жировых) оболочек. Наличие белковой оболочки отличает вирусы от вироидов.
В зависимости от того, каким типом нуклеиновой кислоты представлен генетический материал, выделяют ДНК-содержащие вирусы и РНК-содержащие вирусы. Ранее к вирусам относили и прионы, однако оказалось, что прионы представляют собой особые инфекционные белки и не содержат нуклеиновых кислот.
Размеры среднего вируса составляют около одной сотой размера средней бактерии. Большинство изученных вирусов имеют диаметр в пределах от 20 до 300 нанометров. Большинство вирусов слишком малы, чтобы быть отчетливо различимыми под световым микроскопом. Поэтому используют электронные микроскопы. Чтобы вирусы резко выделялись на окружающем фоне, применяют электронноплотные «красители». Они представляют собой растворы солей тяжелых металлов, таких как вольфрам, которые рассеивают электроны на покрытой ими поверхности. Однако обработка такими веществами ухудшает видимость мелких деталей. В случае негативного контрастирования «окрашивается» только фон.
Как уже говорилось, вирусы не способны размножаться вне клетки. Во внешней среде они не проявляют признаков живого.
По классификации белковых оболочек (капсидов) выделяют 4 типа вирусов: спиральный, икосаэдрический (20-гранник), продолговатый и комплексный. Большинство вирусов животных имеют икосаэдрическую или почти шарообразную форму с икосаэдрической симметрией.
Некоторые вирусы окружают себя дополнительной оболочкой из модифицированной клеточной мембраны. Этот дополнительный слой называется суперкапсидом. Он состоит из жиров (липидов) клетки-хозяина. Так формируют свою оболочку вирус гриппа и ВИЧ.
Вирусы способны к мутациям, причем изменения генома происходят по разным механизмам. Это могут быть случайные замены отдельных оснований в РНК или ДНК. Чаще всего такие мутации не изменяют структуру белков, кодируемых мутантными генами, но иногда в результате таких изменений вирус может приобрести эволюционные преимущества, такие как устойчивость к противовирусным препаратам.
А могут быть и масштабные изменения. К ним относится, например, рекомбинация – перераспределение генетического материала (ДНК или РНК) путем разрыва и соединения разных молекул, приводящее к появлению новых комбинаций генов. Рекомбинация может происходить между геномами двух вирусов, когда они заражают клетку одновременно. Исследования эволюции вирусов показали, что у изученных видов рекомбинация широко распространена.