На границе жизни
На границе жизни
И в XXI веке людям будет так же трудно, как и нам, определить, кто же все-таки был самым первым металлургом, астрономом или философом. Может быть, рослый кроманьонец, задумчивый халдейский пастух или молчаливый египетский жрец? Истоки этих наук теряются в туманной глубине веков. Но есть науки, которые в этом отношении гораздо счастливей, например микробиология. Первый микробиолог жил в голландском городке Дельфте. В нем трудно было заподозрить человека, имя которого будет известно каждому школьнику. Он стоял за прилавком и отмерял розовощеким голландкам тонкое полотно и ажурные кружева. Внешне Антоний Левенгук ничем не отличался бы от своих коллег, если бы не глубокая задумчивость, иногда находившая на него. Тогда он мог отрезать удивленной покупательнице вместо брабантского кружева кусок добротного сукна. Его постоянные клиенты уже знали эту слабость. Посмеиваясь, они говорили. «Опять думает о своих стекляшках».
Да, торговец Левенгук не мечтал о богатстве, о собственных кораблях, уплывающих в далекую Индию за пряностями, о славе крупного негоцианта.
Ему нужно было совсем другое. На вырученные деньги он покупал стекло и долго, тщательно и терпеливо обтачивал его — шлифовал линзу. Вот он соединяет ее с другой, а затем наклоняется и смотрит на каплю застоявшейся дождевой воды. Таинственный, изумительный мир открывается перед ним. Увеличенная во много раз капля полна жизни. Какие-то странные «зверюшки» копошатся в ней, некоторые из них двигаются быстро, как щуки, а другие медленно плывут с сознанием собственного достоинства.
Все, что открывалось Левенгуку через стеклянное окошко в другой мир, он записывал в тетради. Эти тетради можно считать первым научным трудом по микробиологии. И многие любопытные, прознав о чудесных стеклах Левенгука, стучались в ворота его дома. Им хотелось собственными глазами увидеть все, о чем рассказывал голландский самоучка. А в 1698 году сюда посмотреть в первый на свете микроскоп приезжал Петр I.
Прошли годы, и оказалось, что «зверюшки» Левенгука играют огромную роль в жизни человека. Многие из них были далеко не безобидны. Причиной таких инфекционных болезней, как дифтерия или тиф, и чудовищных эпидемий, как чума или холера, были эти мельчайшие, невидимые глазом существа — микробы. Луи Пастером был выдвинут лозунг: «Будем искать микробов». Этот разносторонний ученый, обладавший не только медицинскими познаниями, но в совершенстве владевший химией (он шутливо называл себя «химиком, заблудившимся в дебрях медицины»), указал человечеству путь защиты от микроорганизмов — прививку. Считали, что рано или поздно будут найдены микробы, возбуждающие все инфекционные болезни. Трудами Пастера, Коха, Мечникова уже были побеждены многие из них. Казалось, что этот путь приведет к полной победе, нужно только побольше терпения. Но проторенная дорога совершенно внезапно оборвалась. А впереди не было видно даже узкой тропинки. И сколько ученые ни вглядывались в самые сильные микроскопы, им не удавалось обнаружить микробов гриппа, оспы и некоторых других инфекционных болезней. Но ведь заболевания, как подсказывал опыт, всегда вызываются какими-то возбудителями! Микробиология зашла в тупик.
В истории науки известно много примеров, что именно в таких «тупиках» и рождались великие открытия. Здесь, потеряв дорогу, особенно напряженно работает человеческая мысль. Она вновь поворот за поворотом повторяет весь проделанный путь, ищет, когда же была сделана ошибка, где можно было сбиться, пытается найти выход.
Так случилось и на этот раз. Выход из тупика нашел молодой русский ученый Д. И, Ивановский.
Двое молодых людей выехали из Петербурга. Хотя оба были некурящими, всю дорогу они разговаривали только о табаке. Это были ученые, изучавшие странную «мозаичную болезнь» табака. Они направлялись в Крым, чтобы непосредственно на месте попробовать найти причину таинственного заболевания, наносившего огромный урон табачным плантациям. Одним из них был лаборант Петербургского ботанического сада Дмитрий Иосифович Ивановский. Многие иностранные ученые брались за табачную мозаику, но никому еще не удалось обнаружить возбудителя болезни. От бессилия науки и возникла теория о «жидком заразном начале».
Дмитрий Ивановский не очень-то верил в эту теорию, и со страстью настоящего ученого он ставил опыт за опытом, пытаясь найти микроба-возбудителя. Болезнь, бесспорно, инфекционная. Вот среди молодой зелени побегов табака бросается в глаза осенняя красноватая окраска листьев больного растения. Стоит теперь ввести его сок здоровому растению, и оно неминуемо заразится табачной мозаикой Значит, возбудитель болезни скрывается здесь, в этой мутноватой жидкости. Но микроскоп упрямо утверждает: микробов в ней нет. Может быть, микроскопу не хватает остроты «зрения», чтобы увидеть сверхмалые тела, рождающие табачную мозаику? И Ивановский делает другой опыт. Он фильтрует сок больного растения через «свечу Шамберлена».
Пастер и его ученик Шамберлен изготовили «сеть» для улавливания микробов. Из пористой, слабо обожженной фарфоровой глины делался цилиндр, напоминающий своей формой свечу. Зараженная микробами жидкость проталкивалась под давлением через этот фильтр, и микробы задерживались в мельчайших извилистых порах. Профильтрованная жидкость оказывалась безвредной. Ивановский впрыскивал процеженный через «свечу» сок больного растения здоровому, и оно заболевало. Опыт повторялся много раз и всегда с тем же результатом. Значит, ошибки не было.
Неужели правы сторонники «жидкого заразного начала»? Ивановский делает еще одно предположение. В микробиологии известен случай, когда «свеча Шамберлена» не обезвреживала жидкость. Хорошо изученная дифтерийная палочка задерживалась фильтром, но жидкость, в которой находились микробы, все равно оставалась ядовитой. Она была отравлена продуктами жизнедеятельности бактерий — токсинами. Может быть, и здесь имеет место тот же самый случай? Или сок действительно не содержит бактерий и их следует искать совсем в другом месте растения? Простое соображение опровергло эту гипотезу. Отравленный ядами бактерий сок постепенно разжижается и становится все менее заразным. Болезнь, передаваемая последовательной прививкой, должна была постепенно затухать А этого не происходит. Значит, причина заболевания совсем иная.
Экспериментируя, Ивановский обратил внимание на интересный факт. Первые партии профильтрованного сока были значительно более заразными, чем последующие. Ученый нашел этому блестящее объяснение: фильтр постепенно засоряется, его поры становятся все уже, и он отсеивает все более мелкие тела. Поэтому необычайно маленькие возбудители табачной мозаики, размер которых находится за пределами возможного увеличения самых мощных микроскопов, начинают оседать в извилинах глиняных канальцев «свечи». Значит, возбудители есть, но только они значительно более «низкорослые», чем те микробы, с которыми уже познакомились микробиологи!
Загадка табачной мозаики была решена. В промозглый февральский день 1892 года Д. И. Ивановский доложил о результатах своей работы в конференц-зале Академии наук. И хотя, казалось, решался сугубо узкий вопрос, но в зале во время доклада царила такая глубокая тишина и присутствовавшие с таким напряженным вниманием вслушивались в взволнованную речь докладчика, что становилось ясно: сделано крупнейшее научное открытие.
Так родилась вирусология («вирусом» древние греки называли сок, выделяемый ядовитой змеей).
Впрочем, этот термин применили несколько позже. Как остроумно выразился один из биографов Д. И. Ивановского, «он, подобно Колумбу, открывшему новый мир, не дал ему названия». Более того, само событие прошло почти незамеченным. И через шесть лет немцы Леффлер и Фрош вновь «открывают» вирус. На этот раз это был возбудитель ящура — болезни крупного рогатого скота. Сегодня весь мир признал приоритет русской науки. Имя Д. И. Ивановского было присвоено Московскому институту вирусологии.
Профессора-вирусолога Павла Николаевича Косякова мы и попросили рассказать, как сегодня биологи представляют себе природу вирусов. Что же это в конце концов — существа или вещества? И удастся ли уже в XX веке найти против них надежную защиту?
— Этот вопрос породил немало споров, — ответил ученый. — Сейчас подавляющее большинство исследователей считает вирус живым организмом. Правда, для этого само понятие жизни пришлось несколько расширить. Раньше считалось, что жизнь обязательно связана с клеткой, что вне клетки нет и жизни. Размеры многих вирусов настолько малы, что говорить о клеточном строении их, конечно, не приходится. Например, вирус уже знакомой нам табачной мозаики по своей величине близок к большой белковой молекуле. И все-таки он проявляет несомненные признаки живого организма. Вирус размножается, сохраняет постоянство вида, передает по наследству свои свойства, способен изменяться и реагировать на внешнее раздражение.
Эта новая форма жизни обладает многими интересными особенностями. Еще Д. И. Ивановский получил вирус табачной мозаики в форме кристаллов. Кристаллическое живое существо! Это казалось настолько странным, что многие ученые только на этом основании отвергали возможность признания вирусов живыми, считая их химическим веществом. А тем не менее ничего странного в этом нет. Размеры вирусов настолько малы, что в формировании их облика огромную роль играют межмолекулярные силы. Они-то и заставляют химически однородные вирусы образовывать кристаллы из живых существ. Кристаллы, которые живут!
Долгое время считалось, что такие кристаллы могут образовывать только вирусы растений, но затем удалось провести также кристаллизацию живой материи из вирусов животных и людей. На первом совещании по вопросам происхождения жизни, которое состоялось в Москве, американский ученый лауреат Нобелевской премии Уэндел М. Стенли демонстрировал кристаллы, полученные из вирусов полиомиелита.
Каковы же размеры вируса? Понятие о «среднем росте» ввести для вирусов довольно затруднительно: в мире невидимых есть свои великаны и свои карлики. Обычно размеры микробов измеряются микронами (микрон— это одна тысячная миллиметра), а для вирусов используют еще в 1000 раз более мелкую единицу измерения — миллимикрон. По сравнению с копейкой вирус выглядит таким же маленьким, как сама монета по сравнению с футбольным полем стадиона «Динамо» в Москве. Микробы, возбуждающие возвратный тиф, имеют размеры 10–12 микронов, безвредный микроб «чудесная палочка» — чуть меньше микрона. А вот вирус клещевого энцефалита имеет величину в 30 миллимикронов, вирус табачной мозаики в два раза меньше, размеры вирусов гриппа не превышают 120 миллимикронов, а вирус «крошка», возбуждающий ящур, равен примерно 8 миллимикронам. Вот каковы размеры вирусов!
Очень долго человеку не удавалось увидеть своих «малорослых» врагов. Их размеры оказались меньше длины полуволны света, и поэтому они не давали тени. Свет «обтекал» тела вирусов, не меняя своего прямолинейного направления, и самые хорошие линзы были здесь бессильны. О размерах вирусов ученые могли судить только по косвенным признакам: по скорости оседания вирусов в неистово вращающихся центрифугах или по тому, как они проникали сквозь тончайшие поры фильтров.
После изобретения электронного микроскопа, дающего увеличение в десятки тысяч раз и более, человек, наконец, увидел существа, доставляющие ему столько страданий. Сначала многие вирусы казались ученым «на одно лицо». Затем стали их различать. Ученые узнали, как выглядят возбудители страшной черной оспы и коварного энцефалита, распространенного гриппа и побежденного бешенства. Оказалось, что вирусная частица очень мала, но не бесформенна. Каждый вирус имеет свою определенную форму, размер, в общем, строго индивидуальный «внешний вид». Теперь, несмотря на все многообразие вирусов гриппа, вирусологи не путают их друг с другом.
Известно около 200 вирусов растений и примерно столько же вирусов человека и животных. Вирусы — исключительно паразитические существа. Пока не известно ни одного из них, который существовал бы в природе вне живых организмов.
Но положение к XXI веку, возможно, изменится. Почему бы в мелких морских лагунах, где зарождалась жизнь, не поискать «минеральных», полуорганических вирусов? Ведь вирус мог быть самой первой формой жизни, которая уже позже превратилась в паразитическую. Намеком на это служит тот факт, что вирус можно высушить в вакууме при низкой температуре, и в течение десятков, а может быть, сотен лет или даже целых тысячелетий он будет сохранять «законсервированными» все свои качества и свойства, не проявляя никаких признаков жизни. Но стоит ему попасть в благоприятные условия, в организм «хозяина», и он снова оживет, как ни в чем не бывало «воскреснет из мертвых».
Паразитизм вирусов не всегда приносит вред. Есть вирусы, приспособившиеся к жизни на бактериях. Это вирусы-бактериофаги. Они могут принести большую пользу человеку. Уже сейчас врачам помогают противохолерные вирусы. В будущем, возможно, удастся «стравить» между собой и других представителей микромира.
Большинство вирусов является возбудителями заразных болезней животного и растительного мира. Поэтому за достижениями вирусологов внимательно следят агрономы, животноводы, врачи. Но недавно стали известны вирусы, существование которых пока еще не удалось связать со строго определенными заболеваниями. Эти вирусы еще только начинают привлекать к себе внимание ученых и получили название «вирусов-сирот». Возможно, что губительное действие этих вирусов проявляется только при определенных условиях.
У вирусов бывают свои капризы. У некоторых людей после простуды около губ появляются пузырьки лихорадки. Вызывается она так называемым вирусом герпеса. Этим вирусом большинство людей заражается еще в детстве, но заболевают далеко не все обладатели вирусов. Механизм действия этих вирусов еще очень далек от ясности.
Вирусы не только капризны, но и разборчивы: каждый вирус поражает строго определенные виды растений и животных. Более того, они приспособились к жизни только в определенных клетках и тканях. Вирус бешенства и вирус энцефалита размножаются только в клетках нервной системы, вирус гриппа «выбрал местом жительства» слизистую оболочку дыхательных путей, а вирус оспы — клетки кожи. Некоторые вирусы человека безвредны для животных и наоборот.
Эта особенность вирусов доставила ученым немало хлопот. Чтобы наблюдать за вирусами, чтобы изучать их поведение в различных условиях, чтобы получать вакцины и сыворотки, нужно научиться выращивать вирусы. А для этого не годится ни одна из питательных сред, только живые клетки и ткани.
Иногда вирусу недостает для нормальной жизнедеятельности чего-то особого, своеобразного, что имеется в организме человека. Но ведь на человеке экспериментировать нельзя. Что же делать?
В последние годы эта проблема нашла ряд удачных решений. Ученые научились выращивать, или, как говорят микробиологи, культивировать, вирусы на тканях, продолжающих развиваться вне организма. Для этого обычно используют самые разнообразные ткани — кусочки почки обезьяны, ткани миндалин. Очень часто вирусологи пользуются куриными яйцами с развивающимися эмбрионами.
Химия вируса очень сложна. Но в основном все вирусы построены из двух главных компонентов — протеинового белка и нуклеиновой кислоты. Некоторые вирусы содержат еще жироподобные вещества, углеводы, а самые высокоорганизованные вирусы имеют даже защитную оболочку. Наш «старый знакомый» — вирус табачной мозаики — один из самых простых. Грубо говоря, он напоминает собой карандаш; только вместо графита у него стержень из нуклеиновой кислоты, а вместо дерева — чехольчик из белка.
В лаборатории Стенли удалось провести замечательный опыт. При помощи сложных физических и химических операций разделили вирус табачной мозаики на две части, как бы вытолкнули стержень из чехла. Вирус исчез, «умер». Остались только два химически чистых вещества — белок и кислота. Они были самые обычные и никак не проявляли своего «живого» происхождения. Ну, а что будет, если теперь вставить обратно стержень в чехол, починить разобранный «карандаш» вируса? Проведя обратные процессы, удалось сделать и это. Примерно 10 процентов разделенных на части вирусов вновь становились активными. Они опять размножались, опять заражали табачные растения, то есть вели нормальную жизнь.
Описанные опыты послужили причиной ожесточеннейших споров. Одни ученые считали, что удалось «искусственно воспроизвести жизнь в пробирке», что человек получил живое существо из неживого вещества, утверждали, что разрешена, наконец, загадка происхождения жизни. Другие, более осторожные, резонно возражали против преждевременного торжества. Они говорили, что вирус не создан, а только «собран». Ведь белок и нуклеиновая кислота приготовлены не химиками, а взяты у вируса…
И раньше, мол, удавалось оживлять мертвые микроорганизмы. Так, в 1952 году Лембеке при давлении в 200 атмосфер, действуя на убитую высокой температурой бактерию фенолом и кликололом, восстановил у нее нормальную жизнедеятельность. Никто же не утверждал тогда, что создано искусственно живое существо. И поскольку никому не удалось создать вирус из белка и кислот, полученных в лаборатории, синтез живой материи еще не осуществлен…
Этот спор продолжается и сегодня.
Разделение вирусов на составные части позволило провести еще одно интересное исследование. Если взять близкие между собой виды вирусов, отделить стержни от чехольчика, а затем, собирая вирусы, поменять их местами, то получатся вирусы-гибриды. У новых особей окажутся свойства того и другого вируса. Таким способом можно выводить новые породы.
Интересно, что вирус-гибрид больше похож на кислоту, а не на белковый чехол. Нуклеиновая кислота определяет в основном свойства вируса, Белковая часть и нуклеиновая кислота неравноценны. Было показано, что если взять одну кислоту, то даже без белка она способна вести себя как живая частица. Кислота проникает в клетку, за счет белка-«хозяина» покрывается оболочкой, вновь превращается в «карандаш» и начинает размножаться. Это показывает, что нуклеиновые кислоты (и вообще кислоты) играют огромную роль в жизненных процессах. Возможно даже, что именно им, а не белкам принадлежит пальма первенства в вопросах происхождения жизни.
Одной из интереснейших проблем вирусологии является проблема возникновения вирусов. Как они появились?
Простота их организации говорит о том, что вирусы могли быть «старожилами» на нашей планете. Но как могли жить эти паразитические существа еще до появления остальных живых организмов? Быть может, когда-то они были гораздо сложнее, но потом, живя за счет других тел, вирусы упростились. Возможно, что и сейчас в малоисследованном мире вирусов встречаются и «начало», и «осколки» жизни. Много тайн еще скрывает царство вирусов. Одни ученые связывают с ними проблему наследственности, другие считают, что они являются причиной раковых заболеваний. Перед «охотниками за вирусами» открываются обширные горизонты исследований. И может быть, мы только строим «трамплин». А «прыжок» с него будет совершен в XXI столетии…