Для середнього шкільного віку
Вірус - друг чи ворог?
Популярно про віруси та вірусні хвороби.
Автори: Мамедова Севіль,
Затула Дмитро
Художники: Ігнатов Вадим
Файл повністю скачався, але не відкривається? Може Ви не встановили програму WinDjView? Скачайте її тут. Про інші програми для читання читайте у відповідному розділі сайту.
1983 рік, видавництво «Веселка». Кількість сторінок: 119.
Фрагменти:
ВСТУП
З найдавніших часів людина почала освоювати навколишню природу і виявила існування двох світів: тваринного і рослинного. Люди жили серед представників цього світу, знайомились із ними, підкорювали їх. Але по тому, як зростала влада людини над природою, дедалі яскравіше виявлялась дія якихось незрозумілих сил. їх не сприймали органи чуттів, їх нібито взагалі не було в природі, та дії їхньої не можна було не помітити — від страшних епідемій часто гинуло в кілька разів більше людей, ніж від воєн, землетрусів чи вивержень вулканів.
Дехто з видатних мислителів здогадувався, що
багато які хвороби людини, тварин і рослин — це результат життєдіяльності мікроорганізмів. Учені стародавнього світу та середньовіччя намагалися вивчити ворога, шукали засобів боротьби та захисту, їхні спостереження цінні докладними описами симптомів хвороб. А після того, як було винайдено мікроскоп, з'явилася можливість візуально ознайомитися з деякими мешканцями мікросвіту. Завдяки експериментам учені зуміли дізнатися про характер найдрібніших істот і знайти засоби боротьби з багатьма із них. Та коли вже здавалося, що до остаточного підкорення мікросвіту залишився один крок, з'ясувалося, що не всі хвороби викликані відомими мікроорганізмами.
З допомогою дотепного експерименту російський біолог Дмитро Йосипович Івановський довів існування найдрібніших живих часточок — живої «отрути», започаткувавши нову науку — вірусологію.
Спеціалісти говорять про віруси переважно як про Еорогів людини і всієї живої природи. Одначе результати деяких досліджень дають змогу сподіватися, що вже в недалекому майбутньому віруси приноситимуть помітну користь людині.
Великі можливості відкриються перед людиною, коли вдасться «приручити» віруси і навчитися керувати ними. Тоді, наприклад, «виконуючи» волю вченого-селекціонера, вірус «візьме» потрібні гени (елементарні одиниці спадковості) в однієї клітини, перенесе їх у клітину іншого організму і змінить генетичний код у потрібний бік, прищепить нові корисні властивості різним тваринам і рослинам.
Вірусологія спирається на успіхи багатьох інших наук. Найважливіші дослідження виконуються за допомогою апаратів і приладів, розроб-
лених фізиками, спроектованих конструкторами та інженерами, виготовлених робітниками багатьох спеціальностей.
Вірусологія — це молода наука, що розвивається. Об'єкти її дослідження малі, і, щоб виявити їх, необхідно застосовувати найскладніші прилади, провадити найдотепніші досліди. Результати дослідження вірусологів повинні будуть значною мірою вплинути на долю людства.
Людина поки що майже не вміє керувати вірусами. Однак певних успіхів уже досягнуто. Перші перемоги подають надію, породжують нові ідеї.
НА ПІДСТУПАХ ДО НЕВИДИМОГО ЦАРСТВА
Дві тисячі років тому
Ось уже два тижні невпинно, не зустрічаючи ніякого опору, вів по чужій землі римську армію консул Гней Помпей, якого прозвали Великим.
— Хіба знайдеться в цьому світі сила, здатна зупинити мою армію? — звернувся Великий Помпей до сивого легата, який командував першим легіоном, куди входили десять найкращих когорт римської армії.
Легат думав про щось своє і навіть не почув запитання. Та консул не образився. Він давно вже помітив, що «повернути» легата, коли той задумався, до реального світу дуже важко, і тому відповів собі сам:
— Ніхто і ніщо не зможе зупинити цих воїнів. Вони так само легко долають гори й болота, трощать ворогів у відкритому бою і штурмують укріплення.
А легат (видатний учений-енциклопедист), його звали Варрон Марк Теренцій Реатинський, розмірковував тієї миті про те, що ніхто не може знати, як скінчиться похід, який здається урочистим і могутнім. Старий досвідчений воїн думав про те, що сила людини не лише у м'язах, а і в розумі, а розум тренується навчанням, так само як тіло — гімнастикою. Він, Марк Варрон, з юних років навчався в Римі й Афінах, потім написав для співвітчизників силу книжок, ознайомив їх із діяннями семисот славетних греків та римлян. Як мало люди ще знають довколишній світ! І що найгірше — вони навіть не хочуть його пізнати. У природі все організовано, керування йде за найкращими законами. Люди заживуть краще, коли пізнають закони світу тварин і рослин, а може, й інших невідомих їм істот. Інших? А чому б і ні? Те, що ми їх не бачимо, не означає, що їх нема. Вигуки «ВіватІ» перебили міркування вченого. Це його легіон дійшов до пагорба і вітав воєначальників.
А ввечері, коли армія розташувалася на привал, виявилися перші хворі. Незважаючи на теплу погоду, воїни трусилися в лихоманці, намагаючись зігрітися біля вогнищ, що палали всю ніч. До ранку захворіло стільки воїнів, що консул зрозумів — його армія втратила свою боєздатність. Він зібрав легатів на військову раду.
Що міг відповісти Варрон Реатинський на запитання консула про причину епідемії?
— Воля богів? Так найчастіше пояснюють небезпечні загадкові явища,— думав легат.— Та користі від цих пояснень мало, вони не допомагають боротися з хворобами. Сам Гіппократ, реформатор античної медицини, вважав, що з повітрям в організм людини можуть потрапляти отруйні випари — міазми, що викликають різні захворювання. А його співвітчизник, найвидатніший історик Фу-кідід сказав, що причиною хвороб є «живі контагії». Цілком можливо, що вони живуть за іншими законами у своєму іншому, невидимому світі.
І тоді, дві тисячі років тому, староримський легат і вчений Варрон висловив сміливу гіпотезу: «В болотистих місцях зароджуються маленькі тварини, яких не можна бачити очима і які, розповсюджуючись у повітрі, проникають у тіло людини через рот і ніздрі, викликають серйозні захворювання».
Наукове передбачення про невидимих збудників хвороб, що передаються через воду й повітря, поширилось завдяки видатному лікареві і філософу Авіценні (в країнах Середньої Азії та в Ірані, де він жив і працював на посаді візира, його називали Абу Алі Ібн Сіна). Майже тисячу років тому написав він книги про здоров'я і хвороби людини, за якими вчилося багато поколінь лікарів у Європі та країнах Сходу.
Через віки
Минули століття. Не існує більше рабовласницьких імперій. Розвіявся над Європою похмурий туман середньовічної інквізиції. Війни й повстання періодично потрясали країни і континенти. Розвивалась цивілізація, посилювалась господарська діяльність людей. Людина поступово розгадувала таємниці природи, успішно розв'язуючи проблеми свого існування.
Тільки одна проблема з давніх-давен не піддавалась розуму людини, що розвинувся і зміцнів. Час від часу страшніше за війни й інквізиції на поселення, міста і країни спадали епідемії. Чума, віспа, холера, жовта пропасниця, сибірська виразка та інші перехідні хвороби вкорочували віку тисячам і тисячам людей. Часто епідемії супроводжували епізоотії, що викликали масову загибель тварин. Люди відчували себе безпомічними і беззахисними. Навіть ті, хто ніколи не знав страху, бачачи очевидну небезпеку, губилися, коли наставав час боротись із невидимим ворогом.
Правда, найспостережливіші зауважували, наприклад, що епідеміям «чорної смерті» — чуми передували захворювання дрібних гризунів і що хвороба переходила при контакті з хворим, при укусі твариною. Найдалекоглядніші розуміли: справжній збудник хвороби не хвора людина чи тварина, винуватець — невидимка, що таїться у хворому. Так, у першій половині XVI ст. італійський вчений епохи Відродження, лікар, астроном, поет Джироламо Фракасторо пояснював виникнення інфекційних захворювань дією невидимих зародків, що мають матеріальне начало.
Розгадувати таємницю небезпечних невидимок допомагали сміливі експерименти вчених, які ладні були віддати власне життя, щоб наблизитися хоча б на крок до перемоги над епідеміями. Одним із перших у шерензі таких відважних дослідників стоїть Еусебіо Валлі із Лукка (ця держава в XIX ст. увійшла до складу Італії). Валлі, зробивши у себе на руці розріз, заніс туди гній із чумного бубона і пустули чорної віспи, а в результаті захворів тільки на чуму, в легкій формі. Було одержано цінне наукове спостереження: «при занесенні в організм двох різних збудників виникає одне, та й то порівняно легке, захворювання».
Сотні дослідників намагалися збагнути таємниці невидимого, але небезпечного світу. Цей cмертельний риск можна зрозуміти. Мільйони людських життів — надто висока плата за незнання законів цього світу і звичок його мешканців. Зараз подібні експерименти проводять на лабораторних моделях: різних тваринах, курячому зародку або тканинних культурах із застосуванням складних фізичних та хімічних приладів, високочистих реактивів, лічильних машин.
«Багато мікроскоп нам таїни відкрив» — так оцінив великий російський вчений Михайло Васильович Ломоносов значення мікроскопа в розвитку науки про життя. До XVII ст., коли мікроскоп ще не був сконструйований, дрібні предмети намагалися вивчати, розглядаючи їх крізь окремі лінзи і навіть системи збільшувальних лінз. Неозброєне око людини може розрізняти дві точки, якщо вони віддалені одна від одної не менше ніж на 0,1 мм. Ця відстань і була межею, що відокремлює видимий світ від невидимого. Лінзи відсували межу невидимого, допомагаючи побачити нові деталі, подробиці відомих об'єктів. Багато хто захоплювався спостереженнями через збільшувальне скло, але найбільшого успіху домігся голландський природознавець Антоні ван Левенгук.
Дивний світ живих істот, відкритий А. Левен-гуком, привертає увагу нових і нових дослідників, хоч розібратися в ньому було не просто. Цей світ уміє зберігати свої таємниці. Видатний шведський натураліст (природознавець) Карл Лінней у XVIII ст., створюючи докладну систематику рослинного і тваринного світу природи, не наважився класифікувати мікроорганізмів і об'єднав їх в один рід під назвою «хаос».
Спостереження тривали. В кінці XVIII — на початку XIX ст. були накопичені знання про будову, форми і поширення різноманітних організмів, які визнані найменшими представниками живого світу. Але яка їх роль у природі, в житті людини? Як вони живуть? Відповіді на ці питання дала мікробіологія.
Становлення науки про мікроби
Основним питанням, яке привертало розум дослідників мікроскопічних істот у XVII ст., було питання про походження мікробів, виникнення яких приписували самозародженню. Проте цікаві досліди італійця Ладзаро Спалланцані та росіянина Мартина Матвійовича Тереховського вказували на те, що істоти, виявлені Левенгуком,— це най-дрібніші тварини, які в стерильних умовах не зароджуються, а в сприятливому середовищі розвиваються і діляться.
Переконливими були дослідження видатного французького вченого Луї Пастера. Він так висловився про теорію самозародження: «Ні, сьогодні немає жодного відомого факту, за допомогою якого можна було б твердити, що мікроскопічні істоти з'являлися на світ без зародків, без батьків, які їх нагадують. Ті, хто наполягає на протилежному, є жертвою омани або погано поставлених дослідів, у яких є помилки, що їх вони не зуміли помітити або не змогли уникнути».
Експерименти з мікроорганізмами, проведені в XIX ст. вченими різних країн, були тріумфальними. Вони дали змогу всебічно вивчити життєдіяльність мікробів, тобто їх фізіологію. Ще більше, зовсім юна наука мікробіологія починає брати участь у практичній діяльності людини.
Прикладом правильного ставлення вченого до життєво важливих проблем служить діяльність Луї Пастера, що відгукнувся на сигнал небезпеки, поданий виноградарями.
Людина, девізом якої було: «Пошук нового, наука — для життя і практики», співчутливо поставилася до прохань виноробів урятувати їхні найкращі вина від псування. Вони розповіли, що іноді, зовсім несподівано і безпричинно, вино перетворювалося в оцет. До яких тільки не вдавались вони засобів, щоб врятувати свою продукцію, але все було безрезультатно.
Пастер почав роботу. Зазираючи мало не в кожну бочку, він помітив подекуди плівки, що плавали на поверхні вина. Він виявив одну цікаву і важливу закономірність: чим товща плівка, тим кисліше вино. В шматочку плівки під мікроскопом учений виявив мікроби своєрідної форми. Щоб довести їх вину, Пастер поставив експеримент. Він узяв вино високої якості і налив його у дві посудини. В одну з них поклав шматочок плівки з бочки зі скислим вином, другу запечатав, залишивши її для контролю. Підозріння справдились: у першій посудині вино перетворилося в оцет, а в контрольній залишилося без змін. Причина скисання вина — мікроби.
Знайшовши винуватців лиха, Пастер розробив метод боротьби, відомий нині під назвою пастеризації. Мікроби слід убивати нагріванням. Відтоді фруктові соки, молоко та інші харчові продукти підігрівають до 65—80°С (пастеризують). При такій температурі поживні властивості продуктів зберігаються, а мікроби гинуть. Ці прийоми застосовують і для стерилізації медичних інструментів та матеріалів, але при значно вищих температурах — 100'С і більше.
Слава Пастера розійшлася по всій Франції. До нього звернулися шовківники. Загибель шовко-
прядів від якоїсь таємничої хвороби завдавала великих економічних збитків. І вчений знайшов мікроби — збудники хвороб тутових шовкопрядів. Дорога до секретів епідемій та епізоотій була відкрита.
У своїх наукових працях Пастер показав не тільки шкідливу роль мікроорганізмів, а й корисну. Особливе визнання людства Луї Пастер заслужив усе ж таки за метод захисних щеплень.
Збудник проти збудника
Прагнення людства перемогти хвороби виявлялося ще з давніх часів. Правда, особливих успіхів досягнути не вдавалося. Але вже з XI ст. в Персії відома процедура втирання в розрізи на шкірі порошку із віспових струпів. На Кавказі принаймні з XVIII ст. дівчаткам робили уколи голками, змоченими в рідині із виразок віспи. Батьки намагалися таким чином уберегти дітей від хвороби. Вони вважали (і цілком справедливо), що дівчата, які перехворіли на віспу, будуть не такими красивими через рябинки на обличчі.
Невідомо, як у різних країнах люди «вгадали» способи захисних щеплень, але в 1788 р. англійський лікар Едуард Дженнер вже свідомо ризикнув провести експеримент. Був він людиною освіченою, спостережливою і якось помітив, що селяни, які перехворіли коли-небудь на «коров'ячу» віспу, вже не піддавались «чорній заразі» — так називали її в народі. Але самої спостережливості для науки часом замало. Необхідна була перевірка. Тільки людина, що має величезну мужність, могла поборотися одна проти двох нещадних ворогів людства — епідемії віспи та забобонів. І
Дженнер вийшов переможцем із цього єдиноборства.
Однак повсюдному поширенню метод противіспового щеплення за Дженнером завдячує передусім Луї Пастеру. Заклавши теоретичні основи імунології — науки про захисні реакції організму, Пастер розробив принцип створення вакцин. Він та його співробітники виготовили вакцини проти сибірської виразки, сказу, курячої холери, свинячої краснухи.
Багато століть людям ставало страшно від самих лише слів: чума, віспа, холера. Виходило так, що людину — володаря і захисника тваринного й рослинного світу — щохвилини можуть перемогти прихідці, невидимі істоти, маленькі, але численні. Та людина все ж недаремно наділена розумом. Розгадавши деякі таємниці недавно відкритого царства, вчені зрозуміли, що в бій проти небезпечного противника необхідно посилати його «одноплемінників», але вже приручених, так би мовити, приборканих і тому зовсім не страшних для людини. Точнісінько як у приказці «клин клином виганяють», Пастер та його послідовники почали вводити ослаблених мікробів людям і тваринам, попереджаючи ураження їх такими ж, але заразними, сповненими енергії мікробами. На диво просто! Дуже просто і водночас мудро. Першим і, мабуть, найголовнішим етапом вакцинації є виявлення збудника.
Полювання на мікробів
Левенгук роздивлявся мікроби на просвіт. Згодом його метод назвуть методом висячої краплі. Назвуть так тому, що крапля розташовується між джерелом світла й об'єктивом. Дослідник на тлі
прозорої рідини бачить контури мікроскопічних об'єктів та їх рухи (якщо вони можуть рухатись). Але деталей роздивитися не вдається. А це дуже важливо. Треба точно визначити, що це за мікроб, помилятись не можна — від якості роботи залежить здоров'я, а часто-густо і життя людей.
Щоб вивчити який-небудь матеріальний об'єкт, бажано його мати. Дуже проста, або, як казали сто років тому, банальна істина. Отже, щоб вивчити збудника якої-небудь інфекційної хвороби, треба відокремити його від домішок, інших мікроскопічних об'єктів, які є в мікробній суспензії, тобто одержати чисту культуру бактерій. Дослідники вдавалися до різних хитрощів, щоб звільнитися від домішок і одержати цю чисту культуру. Переворот у методиці мікробіологічних досліджень судилося зробити видатному німецькому мікробіологові Роберту Коху, що вперше використав желатин як тверде середовище для мікробів.
Частинки грунту, краплини води чи виділень наносяться на поживне середовище (засіваються). Окремі клітини, попавши у сприятливі умови, починають розмножуватися, і через деякий час на поверхні середовища утворюються колонії з тисячами мікробів, зовсім не забруднених.
У бактеріологічну практику Р. Кох увів також метод забарвлювання мікробів аніліновими барвниками. Потреба в такому забарвлюванні була необхідна. Р. Кох виявив, що залежно від хімічного складу та фізико-хімічних властивостей мікроби забарвлюються в різні кольори. І надалі іншими вченими були запропоновані різні методи забарвлювання. Так, одна група мікроорганізмів набуває завжди тільки червоного кольору, інша — тільки синьо-фіолетового і т. ін.
Наступний етап — розрізнення за характером
руху. Наприклад, черевнотифозні та дизентерійні бактерії забарвлюються в однаковий червоний колір і навіть мають однакову форму й розміри. Отже, необхідно визначити їх рухливість, розглянувши на просвіт у краплі. Черевнотифозні бактерії рухливі, дизентерійні — ні.
Застосовуючи складні методи забарвлювання, можна в мікробах класу найпростіших виявити ядро і цитоплазму. Так, якщо ядро забарвилося в червоний колір, а цитоплазма — в синій, то під мікроскопом знаходиться збудник малярії.
За допомогою цих та деяких інших методів у другій половині XIX ст. і в першій чверті XX ст. були відкриті хвороботворні мікроби кількох десятків інфекційних захворювань: бацили і стрептококи, бактерії і спірохети, рикетсії і плазмодії, амеби і... коки.
Щоб розгадати таємниці царства мікробів, людство доклало чимало зусиль. Було досягнуто істотних успіхів. І все-таки гасла «Без мікробів немає інфекційних хвороб» не вдалося повністю утвердити. Не вдалося тому, що, крім багатьох перемог, були й серйозні поразки. Хоч як намагалися вчені виділити мікробів — збудників віспи, сказу, грипу, ящуру великої рогатої худоби і свиней, це їм не вдавалося. Не допомагали ні старі випробувані прийоми, ані найновіші методи досліджень. Не давали результатів дотепні експерименти. Загадки породжували різні гіпотези про природу захворювань.
Зрозуміло, що, не знаючи збудників, важко було боротися з хворобами і не можна було розраховувати на успіх. Це була безвихідь, вивести з якої могло тільки нове відкриття, виявлення чогось такого, про що не знали, не здогадувалися вчені.
І відкриття сталося! Найнесподіванішим було те, що збудниками цих інфекційних захворювань виявилися не мікроби! Збудники були зовсім з іншого світу природи. їх вивчає наука вірусологія. Про це і піде в нас далі мова. Але перш ніж безпосередньо перейти до вірусів, нам хотілося б доповнити цей розділ, присвячений переважно негативній, хвороботворній ролі мікробів, дуже короткими відомостями про ту позитивну роль, яку вони відіграють у природі, та про користь, яку вони дають людям.
Похвальне слово мікробам
Тисячоліттями використовувала людина мікроорганізми для приготування харчових продуктів (кумис, кефір, кисляк, сир, хліб, а також вина, пиво, оцет та ін.); при вимочуванні льону (у виробництві льняних тканин); при силосуванні (з їх допомогою зберігаються і збільшуються поживні якості зеленого корму).
З розвитком науки про мікроби вчені поступово розгадували причину багатьох процесів. Завдяки набутим знанням з'явилася можливість регулювати ці процеси, поліпшувати промисловий випуск продуктів харчування людини і кормів, які потрібні для тваринництва. Крім того, людина примусила мікроби виробляти бактеріальні добрива, антибіотики, вітаміни, препарати для захисту рослин та ін.
Страшно навіть уявити собі, що може статися, коли раптом мікроби перестануть брати участь у кругообігу речовин у грунті або хоча б послаблять свою активну діяльність. Череп дуже короткий в масштабах історії час всю нашу планету переповнять залишки представників живого і рос-
линного світу. В природі не будуть утворюватись корисні для рослин речовини. Зникне зелений корм — загинуть тварини.
Ґрунтову мікрофлору вивчає сільськогосподарська мікробіологія. До кола її інтересів входить також вивчення мікробів, що викликають захворювання рослин, боротьба з ними, розробка мікробіологічних способів боротьби з комахами — шкідниками рослин, методів консервування кормів та охорона врожаю від псування. Вивчають мікроби геологи, металурги, тому що деякі бактерії спроможні виділяти метали з руд (мідь, германій, уран, олово), а інші, навпаки, перетворювати сталь у відходи. Що стосується хвороботворних мікроорганізмів, то й вони трохи корисні, бо з них роблять вакцини для попередження хвороб. Тих хвороб, які вони самі і викликають.
ДИВНІ ПОВАДКИ «ФІЛЬТРІВНОЇ ОТРУТИ»
Відкриття Д. Й. Івановського
Великими були досягнення мікробіологічної науки в останній чверті XIX ст. Перемога вчених над багатьма хворобами вселяла надію, що уже в найближчому майбутньому повністю зникнуть епідемії, епізоотії та епіфітотії (так називають масові інфекційні захворювання рослин).
Епізоотії чуми великої рогатої худоби викликали загибель мільйонів корів, залишаючи населення Європи без важливих продуктів харчування. Збагнути таємницю цієї хвороби намагалося багато вчених. У 1886 р. тоді ще молодий лікар, майбутній видатний радянський вчений Микола
Федорович Гамалія вирішив узяти кров у хворого на чуму теляти, пропустив її через спеціальний фільтр, що затримував найдрібніші бактерії, і ввів цю кров здоровому теляті.
Більшість учених вважала, що без мікробів немає інфекційних хвороб. їм навіть не спало на думку виконати подібний експеримент. З якої речі захворіє теля, коли фільтр такий густий, що затримує будь-які мікроби! Та й у мікроскопи (збільшували вони тоді в 2000 разів) нічого не видно. Але сталося непередбачене. Через кілька днів піддослідне теля захворіло на типову форму чуми. Слід відзначити, що дуже часто саме отакі випадки, що не вписуються в рамки наукових уявлень, давали поштовх новому напрямку науки. Правда, М. Ф. Гамалія не розкрив до кінця природи збудника, але його дослід привернув увагу інших учених.
Через 6 років, у 1982 році, другий наш учений — Д. Й. Івановський все-таки визначив типові «прикмети» невидимого збудника, названого пізніше вірусом. Повадки віруса, знайденого Д. Й. Івановським, виказували в ньому представника зовсім іншого світу. Перший виявлений людиною вірус одержав дивну на перший погляд назву «вірус тютюнової мозаїки» (ВТМ).
У 1887 році студента Петербурзького університету Д. Й. Івановського відрядили в Крим та Молдавію вивчати хвороби тютюну, на соковитих, зелених листках якого з'являлися плями і кільця. Спочатку маленькі світло-зелені, ледве помітні, вони швидко розповзалися, ставали жовтими, бурими. Листя скручувалося і в'яло.
Таке лихо спіткало цілі плантації. Ні сприятливі погодні умови, ні хороший догляд не могли врятувати рослин. Це можна було порівняти з чу-
мою, з холерою, з іншими пошестями. Через те Д. Й. Івановський і навіть досвідченіші його вчителі вважали, що довести мікробну природу ураження тютюну буде неважко. Треба тільки приготувати препарати, забарвити їх і подивитися в мікроскоп. Саме так уже були знайдені збудники багатьох захворювань.
Молодий учений з величезною наполегливістю перепробував усі можливі способи виявлення мікробів у соку вражених рослин, годинами сидів, припавши до окуляра мікроскопа, але збудника побачити йому не вдалося. «А може, його ніколи й не було? — часто запитував себе вчений.— То чому ж тоді починають хворіти здорові рослини, якщо шприцем ввести в них сік хворої рослини?»
Молодий дослідник намагався виростити збудників на штучному поживному середовищі. Вже багатьом удавалося культивувати мікроби і вирощувати їх у будь-якій кількості. Але й ця серія експериментів не дала ніяких результатів. Точніше, результати були негативними — мікроби не росли. Правда, в науці часто негативні результати являють собою не меншу цінність, ніж позитивні. Необхідно тільки правильно оцінити їх.
Д. Й. Івановського невдача не збентежила. Він проводить новий експеримент: сік хворого листя учений пропускає через фільтр, отвори якого були менші за будь-якого мікроба, а потім цей «чистий» прозорий сік уводить здоровим рослинам. Минуло кілька днів, і раптом на листі почали з'являтися характерні симптоми тієї самої мозаїки. Отже, мікроби не винні! Виходить, у відфільтрованому сокові була отрута — хімічна сполука, від якої і захворіли рослини! Тепер ясно, чому вона не «розмножується» на поживному середовищі.
Незважаючи на «очевидну» хімічну природу збудника хвороби, Д. Й. Івановський проводить нову серію експериментів. Він вирішує перезара-жати рослини. Виділивши сік із зараженої рослини, вчений уводить його здоровій. Вона захворює, і тоді вже її соком учений заражає нову рослину. Звичайно, в процесі таких перезаражень (пасажів) концентрація отрути зменшується і рано чи пізно її дія припиняється. Д. Й. Івановський невтомно проводить пасаж за пасажем, але потворні плями на поверхні листя не зникають. Учений робить висновок — збудник захворювання тютюну живий, він розмножується тільки в живій рослині, але такий дрібний, що проходить крізь бактеріальні фільтри.
Отже, завдяки надійним і старанно проведеним експериментам Д. Й. Івановського було відкрито хвороботворний мікроб зовсім нового виду з невідомими раніше властивостями. Фільтрівний вірус (таку назву одержав виявлений збудник) зацікавив багатьох дослідників, хоч і не всі визнали його одразу.
Всюдисущі агенти невидимого царства
У 1897 році, через 5 років після відкриття Д. Й. Івановського, німецькі вчені Ф. Леффлер та П. Фрош довели, що хвороба великої рогатої худоби ящур також викликається вірусом. Невдовзі після цих відкриттів були описані віруси віспи овець, чуми птахів, сказу, чуми собак і т.п. А в 1917 році Ф. Д'Еррель відкрив іще бактеріофаги, тобто віруси бактерій, яких називали «пожираючі бактерії».
Поступово вчені дійшли висновку, що представники недавно відкритого царства природи мо-
жуть паразитувати в клітинах різних живих організмів. За перші кілька десятиріч успіхи вірусологів можна характеризувати як «кількісне накопичення» вірусів. Результати вивчення їх властивостей були дуже скромними. Вчені намагалися розгадати таємницю вірусів, ознайомитися з ними. Для цього застосовувались найновіші апарати, розроблялися дотепні експерименти.
Але що зробиш, коли досліджуваного не можна побачити, коли для його розмноження потрібні живі клітинні організми і коли з кожним новим спостереженням виникають дедалі складніші питання. Чого, наприклад, варта була така загадка, що її виявив іще сам Д. Й. Івановський: вірус — істота жива, вона розмножується і може створювати справжні кристали, як звичайна неорганічна речовина. Для чого це треба? Як йому вдається жити, якщо він кристал? Або, наприклад, дивна вибірність і сувора спеціалізація: одні віруси заразні тільки для тварин і людини, інші — тільки для рослин; вірус віспи викликає тільки віспу, а не грип. Подібних питань було багато, а відповідей — мало.
Що чи хто?
Почату К. Ліннеєм систематизацію живої природи вели далі інші вчені. Зараз уже склалося досить чітке уявлення про еволюцію, про походження і родинні зв'язки, міру схожості та відмінності живих істот. Усіх істот, окрім вірусів. Усе живе на землі було поділене на два світи: світ рослин і світ тварин.
Виявилося, що знайти місце для вірусів у живій природі не так уже й легко. До речі, навіть назва його — virus — у перекладі нашою мовою
означає «отрута». Як бачимо, сам термін не засвідчує про приналежність його до живих істот. Але справа не в назві.
Відрізнити живе від неживого може майже кожен. Живе дихає, живиться, росте, розмножується тощо. Класичне наукове визначення життя дав Ф. Енгельс: «Життя є спосіб існування білкових тіл, і цей спосіб існування полягає по своїй суті в постійному самооновленні хімічних складових частин цих тіл». Останнім часом основним елементом живого, крім білків, неодмінно вважається наявність нуклеїнової кислоти, яка має першорядне значення для збереження й передачі генетичної інформації від батьків до нащадків.
На перший погляд віруси належать до живих істот. Вони складаються з білків і нуклеїнових кислот, створюють подібних до себе, змінюються. Однак досі не доведено наявності основної ознаки живого — власного обміну речовин. Та й розмножуються віруси незвичним способом (як саме, ви дізнаєтесь далі). А здатність утворювати кристали і зберігатися у вигляді такої типової речовини неживої природи взагалі не дає права вважати віруси живими істотами. Видатний радянський вірусолог В. М. Жданов виділив віруси із світу рослин і тварин в окремий, третій світ живої природи — світ вірусів.
Наче давньоримський бог Янус, що мав два обличчя, повернуті у різні боки, віруси також поєднують у собі подвійність властивостей живої та неживої природи. Але все ж більшість властивостей вірусних частинок характерні для живої природи.
Як побачити найменше?
Про існування матеріальних природних об'єктів людина дізналася переважно завдяки зору, а також іншим органам чуттів. Пам'ятаєте, мікроби теж уперше були виявлені при спостереженні під мікроскопом. Оптичні мікроскопи дедалі більше вдосконалювались. З кожним новим досягненням оптиків-приладобудівників у вірусологів з'являлася надія побачити предмет їхніх досліджень. Але навіть при граничному для оптичного мікроскопа збільшенні побачити ворога «в обличчя» не вдавалося. Майже 50 років тривало трохи парадоксальне для науки явище. Віруси вивчали, були вже відомі їхні властивості й результати підступної діяльності, але одержати достовірного уявлення про форму та «конструкції» вірусів не могли.
До ряду видатних успіхів науки і техніки слід віднести створення електронного мікроскопа — гідного подиву апарата, що збільшує зображення досліджуваних об'єктів у мільйон разів. У цьому мікроскопі замість світлових променів використовуються пучки електронів. Електрони випускаються катодом і прискорюються в електричному полі з різницею потенціалів клітини — катодом і анодом у кілька десятків тисяч вольтів. Потік електронів з величезною швидкістю мчить усередині мікроскопної камери, з якої відкачано повітря. Входячи в об'єкт дослідження (частинку металу, клітину рослини чи вірус, що нас цікавить), електрони розсіюються і відхиляються від початкової траєкторії руху. А рухаються вони до лінзи об'єктива, де і формується видиме зображення. Це зображення додатково збільшують за допомогою лінз світлового мікроскопа — (він та-
кож умонтований в електронний мікроскоп). Врешті-решт промені попадають на екран і фіксуються на фотоплівці.
Що ж можна побачити на екрані? Електрони по-різному розсіюються від різних ділянок досліджуваного об'єкта. Щоб розрізнити окремі ділянки об'єкта і сам об'єкт від тла, необхідно одержати контрастне зображення. Чим більше різняться за атомним номером сусідні ділянки, тим більший між ними буде контраст, тим легше буде їх досліджувати.
Є ще одна умова одержання чіткого зображення — товщина просвічуваного шару не повинна бути менша за визначену критичну товщину. Чим більші атомні номери елементів, з яких складаються досліджувані об'єкти, тим меншою може бути товщина об'єкта. Біологічні об'єкти, в тому числі й віруси, складаються з речовин, які мають малі атомні номери: водню, вуглецю, азоту, кисню, фосфору та ін. Це означає, що в найпотужніший мікроскоп ледве вдається розглянути об'єкт завтовшки менше ніж 500А (або 50 ммк.). А — це ангстрем — одиниця довжини, що дорівнює де-сятимільярдній частці метра. ІА = 10 в -10ст. м = 10 в -8ст. см.
Перший погляд на віруси
Щоб розрізнити віруси (інколи вони розміром менші за 10 ммк), вірусологам довелося багато попрацювати. Апаратура сама по собі не врятувала становища. Допомогли методи контрастування: відтінення важкими металами, вибірне забарвлювання солями важких металів та ін.
Вже самі назви методів дають зрозуміти, що йдеться про взаємодію досліджуваних біологічних об'єктів з атомами і молекулами важких металів,
а також вуглецю. Так, при відтіненні вірусів на препарат напиляють якнайтонший шар платини, золота, вольфраму, хрому. Метод позитивного контрастування грунтується на тому, що солі важких металів по-різному, вибірково реагують із різними біологічними речовинами. Солі свинцю сполучаються з білковими компонентами клітин і тканин, осмій — з ліпідними речовинами і т. п. Внаслідок такого «забарвлювання» структури набувають особливої контрасності.
В основі методу негативного контрастування лежить інший принцип. Для контрастування вибирають також речовини з солями важких металів, але такі, що не реагують із досліджуваним біологічним об'єктом. Контрастуючу речовину високої густини наносять на підкладку разом із вірусом.
Тепер вірус видно в мікроскоп на темному щільному тлі.
Приготовані тим чи іншим методом вірусні препарати врешті-решт попадають в електронний мікроскоп. І тут ми можемо визначити їхні розміри. Зробити це тепер порівняно легко, необхідно тільки правильно вибрати масштаб збільшення.
Ми не будемо вимірювати вірусних частинок, а скористаємося порівнюванням їх із відомими предметами, які наведені в книжці видатного американського вірусолога і біохіміка У. М. Стен-лі: «Хоч вірусна частинка — справжній гігант серед хімічних молекул, все ж таки, щоб заповнити такими частинками м'ячик для пінг-понга, знадобилося б 1000000000000000000 частинок вірусу поліомієліту».
Клітина людського організму, в яку вселяється і яку руйнує вірус, є ніби домівкою для незваного гостя. До того ж домівка ця не маленька. На-
приклад, вірус поліомієліту такий же малий у порівнянні з клітиною, як людина у порівнянні з 30-поверховим будинком.
Титрування
У практиці вірусології велике значення має активність вірусів. Щоб дослідити, наприклад, активність вірусу тютюнової мозаїки, із листя ураженої рослини видавлюють сік. У цьому соку (його називають нативним) разом із частинками зруйнованих клітинок плавають і віруси.
Якщо ввести такий сік (або екстракт із тканини ураженого організму) в організм мишей, в курячий ембріон чи в клітини рослини-індикатора, то через деякий час з'являються сліди ураження.
При титруванні сік (чи екстракт) послідовно розбавляють дистильованою водою чи буферними розчинами, щоразу зменшуючи концентрацію на-тивного соку (а отже, і концентрацію вірусів) у десять, сто, тисячу разів. Цими «розбавляннями» заражають окремий індикатор (рослину, ембріон тощо). На клітини індикаторів накидаються тисячі або одиниці вірусів (це залежить від «розбавлянь») і починають свою руйнівну роботу. І хоч вірусів не було видно, результати їхньої роботи скоро даються взнаки.
Чим більша активність вірусів, тим вища концентрація, тим швидше і більше з'явиться уражених клітин. Кількість осередків ураження (бляшок) можна полічити, площу і час, за який вони з'явилися, можна виміряти, а отже, можна визначити швидкість, щільність і т.п. З'являється можливість кількісної обробки результатів досліджень, без якої не можуть обходитися природознавці.
Проблема очищення
Якщо при титруванні в препаратах і допускаються уламки клітинок, то проводити інші дослідження вони заважають. Наприклад, компоненти клітинок, формою та розмірами схожі на досліджувані віруси, важко буде відрізнити при електронно-мікроскопних дослідженнях.
Розв'язати проблему очищення вірусних препаратів набагато важче, ніж знайти голку в стозі сіна: Голку хоч можна побачити, та й фізичні властивості її значно різняться від сухої трави (завдяки чому, наприклад, стальну голку можна витягти із стіжка сіна магнітом). Вірус — невидимка, а багато фізичних властивостей його точно такі ж, як і інших біологічних часточок, що з ними він плаває в розчині.
Щоб розв'язати це завдання, потрібні добрі знання фізики та хімії, глибоке ознайомлення із сучасними методами досліджень і кмітливість.
Найпоширеніший метод виділення вірусів грунтується на різниці мас і розмірів різних компонентів розчинів, у яких знаходяться віруси, і називається він методом диференціального центрифугування. Віруси, стійкі до дії спирту, можна сконцентрувати з допомогою спиртів.
Відомо, що вірус грипу має здатність аглютинувати (склеювати) еритроцити. І ця його здатність використовується для попередньої очистки. В основу методу гель-фільтрації закладено різницю в розмірі компонентів, а в основу хромотографії— відмінності в хімічних властивостях.
Вперше очищений препарат вірусу було одержано в 1935 році. У. М. Стенлі очистив і виділив у кристалічному вигляді вірус мозаїки тютюну. Перший метод був запозичений із хімії білків і
грунтувався на тому, що розчинність різних білкових тіл при зміні ступеня кислотності розчинів відбувається по-різному.
Починають виділення з того, що листя рослин тютюну заморожують кілька годин, а потім його подрібнюють. Подрібнений матеріал розбавляють буфер-розчином фосфорної кислоти та її солей. Після старанного збовтування суміш фільтрують спочатку через марлю, а потім через інфузорну землю. У фільтрат доливають розчин сірчанокислого амонію, під дією якого і відбувається осаджування вірусу. При наступній фільтрації вірус адсорбується на особливому поглиначі — інфузорній землі, яку знову промивають фосфатним буфером. Вірус переходить у розчин.
Переосадження і перерозчинення вірусу повторюють кілька разів, підвищуючи в такий спосіб його концентрацію. Останньою операцією є доливання у фільтрат насиченого розчину сірчанокислого амонію та льодяної оцтової кислоти. Віруси випадають у вигляді мікроскопічних голкуватих паракристалів (рідких кристалів).
На жаль, мало не до кожного збудника хвороб потрібен особливий підхід, і буває, що пошук індивідуальних шляхів очищення триває багато років. Так, наприклад, вірус поліомієліту самому У. М. Стенлі вдалося виділити тільки в 1955 році.
Кілька інших методів очищення грунтуються на властивості колоїдних систем руйнуватися за певних умов, наприклад, коли в розчині, стабілізованому електролітом, число негативних частинок дорівнює числу позитивних (у так званих ізо-електричних точках).
Деякі віруси, патогенні для тварин і людини, виділяють методом адсорбції їх колоїдними оса-
дами гідрату амонію або сірчанокислого кальцію. Таким способом можна очистити віруси ящуру та поліомієліту.
Гравітація служить вірусологам
Однією із найзаманливіших для людства таємниць природи є гравітаційне поле. Вивчення й освоєння гравітаційних полів дасть можливість одержати нове джерело енергії — безшумні гра-вітольоти без крил, а також здійснити багато інших фантастичних проектів. Одначе вже зараз загадкові сили земного тяжіння служать вірусологам.
Усім відома заслуга центрифуги — апарата для створення додаткової сили тяжіння — у справі підготовки космонавтів, але мало хто знає, що подібні апарати застосовують і в біології.
Ротор сучасної ультрацентрифуги обертається із швидкістю до 35 тисяч обертів за хвилину. В комірках ротора розміщують пробірки з препаратами. Одночасно тут може бути створений майже космічний вакуум, у якому автоматично підтримується задана температура. Однокопійчана монета в нормальних земних умовах важить 1 г. У центрифузі її вага перевищила б 100 кг, а вага вірусу досягне однієї десятитисячної мікрограма. Заодно збільшується і вага уламків клітин та інших часточок. Завдяки цьому відбувається поділ речовин. Важчі речовини (часточки) осідають на дно, легші залишаються у верхній частині пробірки. Після такого поділу не складно визначити щільність речовин у кожному шарі, в тому числі й у вірусному.
Масу вірусної частинки, а на випадок сферичних вірусів також і її розмір можна визначити
методом седиментації, суть якого полягає в тому, що швидкість осідання вірусних частинок при ультрацентрифугуванні залежить певною мірою від їх розміру, щільності та густини середовища і відцентрової сили.
Величина вірусних частинок коливається в широких межах. Розмір вірусних частинок ящуру становить лише 210А, а вірусу пситтакоза — 4550А. Перша величина близька до розмірів білкових частинок, наприклад гемоглобіну, друга — перевершує розміри (1500А) збудника плевропневмонії великої рогатої худоби, що здатний рости на штучних поживних середовищах.
Організм відбиває вторгнення антигенів
Часто буває, що практичні рекомендації дослідним (емпіричним) шляхом учені встигають розробити раніше, ніж задовільно пояснити результати дослідів. Так було й з імунізацією.
Імунізація грунтується на чудовій властивості живого організму виробляти антитіла. Ці особливі речовини з'являються в організмі спеціально, тільки тоді, коли в нього проникає стороннє тіло, небезпечне для організму (бактерії, віруси або токсини).
Сторонні речовини, саме ті, проти яких виробляються антитіла, називають антигенами. Інколи (такі випадки відомі й у вірусології) організм з якої-небудь причини не реагує на появу сторонньої речовини й антитіл не виробляє. Тоді бактерії чи віруси починають безперешкодно діяти в організмі. На щастя, це трапляється зрідка.
Набагато частіше незвані пришельці (антигени), які проникли в організм, помічаються ним і зустрічаються у всеозброєнні. Точніше, проти кожного
виду антигена виробляється і свій особливий вид зброї — специфічне антитіло. Організм, що має антитіла проти якої-небудь сторонньої інформації (патогенного збудника), називають імунним. Наприклад, у результаті вакцинації людини проти віспи ця людина стає несприйнятливою, тобто імунною, і її організм готовий протистояти вторгненню вірулентних вірусів віспи.
Як утворюються антитіла, як вони діють проти сторонніх антигенів і багато інших проблем, що пов'язані із захисними реакціями організму, вивчає спеціальна наука широкого профілю — імунологія. Ми не будемо вдаватися в подробиці такої великої і важливої комплексної дисципліни, але оскільки імунологія розглядає віруси також як антигени, то ознайомимося з деякими подіями, що відбуваються в організмі після того, як у нього потрапляє вірус-антиген.
Подолавши шкірні, епітеліальні та інші бар'єри організму, вірус чи будь-який інший збудник (антиген) захворювання проникає в кров і лімфу. Від цього моменту починає працювати механізм утворення антитіл за рахунок дії цитоплазматичних клітин. У крові синтезуються імуноглобулі-ни — антитіла різних класів. Відтепер у крові носіїв вірусів, крім червоних кров'яних клітин (еритроцитів), білих кров'яних клітин (лейкоцитів) і багатьох інших елементів, з'являються також антигени та специфічні до них антитіла. Все це знаходиться у рідкій частині крові — сироватці. Сироватка, в якій уже нема формених елементів і є імуноглобуліни — антитіла, називається анти-сироваткою.
Сторонні антигени в антисироватці довго не затримуються у вільному вигляді. Вони з'єднуються антитілами, утворюючи конгломерати, і ці ве-
ликі поєднання випадають в осад у вигляді пластівців. Цей процес називають преципітацією (якщо в осад випадає вільний антиген), або аглютинацією (якщо в осад випадає антиген, що з'єднаний із клітиною), або гемаглютинацією (якщо ангиген з'єднаний з еритроцитами).
Хоч як би там називалися ці типи серологічних реакцій, для організму вони важливі тим, що небезпечні антигени втрачають рухливість, осідають у крові, їх захоплюють фагоцитні клітини, поглинають і переварюють.
Так організм бореться із розпізнаними агресорами.
Серологічні реакції допомагають ідентифікації
Реакції преципітації (або аглютинації, або гемаглютинації) можуть відбуватися не тільки в крові, а й у сироватці. Якщо антисироватку, тобто сироватку крові, в якій антитіла, налити в пробірку і додати до неї розчину з антигенами, то можливе ось що: прозорий розчин помутніє, в пробірці з'являться пластівці і почнуть осідати на дно; ніяких помітних змін не станеться.
Очевидно, в першому випадку в антисироватці були антитіла, які точно відповідають доданим антигенам. Антитіла кинулись на ворогів і, позбавивши їх активності, змусили випасти в осад. У другому випадку антигени виявились нерозпізнаними, і «стражі» не виявили до них ніякого інтересу.
Звичайно ж, таке явище природи, як імунізація, вчені використовували з метою діагностики. Серологічні реакції надійно показують, чи відповідає антитіло антигену. В найпростішому випадку це робиться так: беруть краплю сироватки
крові тварин (сік рослин), підозрюваних на віру-соносність, і сполучають із краплею антисироват-ки з антитілом, що «породжене» відомим вірусом. По черзі перевіряючи антисироватки з різними антитілами, стежать, чи не відбудеться реакція преципітації. Все це роблять на чистому предметному склі, де добре помітно випадання осаду. Звичайно, в наборі антисироваток може не знайтися такої, в якій є антитіло, що відповідає досліджуваному вірусу, і тоді в жодній із крапель осад не випадає.
Як правило, дослідження проводять у середовищі агару. Прозорі скляні блюдця — чашку Пет-рі — наповнюють розчином желатину (агару). Іще до тужавіння в агарі з допомогою формочок роблять лунки. В ці лунки заливають антигени (розчин з вірусами) та антисироватки. Речовини починають повільно розповсюджуватись в усі боки і зустрічаються між лунками. Реакція преципітації залишає характерний слід — білу смугу осаду, що утворився в агарі.
У біології велике застосування мають мічені атоми. Радіоактивними ізотопами замінюють звичайні атоми деяких елементів, що входять у клітину, сироватку і т. п. Радіоактивний атом безперервно сигналізує про своє місцезнаходження. Найменше, зовсім безпечне для організму в цілому, радіоактивне випромінювання легко зафіксувати приладами, навіть коли елемент «вторгся» у середину клітини. Цю властивість і використовують вірусологи.
В антитіло, не ушкоджуючи його, впускають радіоактивні атоми. Опинившись у крові (соку) чи клітинах організму, антитіла відшукають відповідні антигени — віруси і з'єднаються з ними. Тепер уже ізотоп сигналізуватиме про місцезнахо-
дження антигена. Якщо антитіла сполучати з флуоресціюючою фарбою, то тоді відповідний антиген стане помітний завдяки світінню.
Міцна опора — фундаментальні науки
Тисячоліттями люди, тварини і рослини зазнавали агресивних нападів різних вірусів. Ворог був невидимий, повадки його незрозумілі. Тільки одержавши для користування надійну апаратуру та реактиви, розробивши дотепні методи дослідження, вчені змогли взятися до планомірного вивчення вірусів. Зброя вірусологів різноманітна за своїм характером і метою. Так, наприклад, очищення вірусних препаратів та виділення білкових і нуклеїнових компонентів провадять не лише ультрацентрифугуванням, а й адсорбцією на іонних обмінниках, фільтрацією через молекулярні сита.
Вирощували (культивували) віруси до 50-х років тільки одним методом — зараженням сприйнятливих тварин, курячих ембріонів чи рослин. Нині в арсеналі дослідників — методи одношарових культур тканин і навіть органів, що значно полегшили очищення вірусів, вивчення їх фізичних, хімічних та біологічних властивостей.
Крім фізичних і хімічних методів, на озброєнні вірусологів є і математичні прийоми. Внесок математики в розвиток фундаментальних і прикладних наук загальновідомий. Не обійтися без розрахунків і у вірусології. Особлива потреба в них викликана тим, що об'єкт дослідження надзвичайно малий і вивченню нерідко піддається не один окремий вірус — віріон, а ціла маса — популяція.
Властивості популяції не завжди збігаються із
властивостями одного вірусу. Для дослідження й опису «сумарних» властивостей служать статистичні методи. Опріч того, математика допомагає на стадії планування експерименту. Дуже бажано заздалегідь передбачити результат хоча б за відомими аналогічними дослідженнями чи грубими попередніми експериментами. Оцінювати такі результати належить із так званих оптимістичної й песимістичної точок зору. Завдяки точній науці біологи можуть урахувати випадковість вибору піддослідного кролика, кількість ін'єкцій, час проведення експериментів і вітворюваність результатів.
Проводити математичний аналіз допомагають обчислювальні машини. Електронним обчислювальним машинам доручають і найважливішу роботу з діагностики вірусних захворювань. Машини стали надійними помічниками лікаря в оцінці величезного потоку інформації про стан здоров'я хворого.
Робота вірусолога складна, багатогранна і відповідальна. Найсучасніша дослідницька «зброя» ефективна тільки в умілих руках. Ученим доводиться мати справу і з найменшими частинками, і з піддослідними тваринами, і з великими плантаціями рослин. Робота ця небезпечна, адже з вірусами жарти погані, — цей об'єкт досліджень підступний і небезпечний, з ним слід працювати дуже обережно.
«АРХІТЕКТУРА» ВІРУСУ
Нерукотворні споруди
Історія людства налічує тисячоліття. І найхарактернішими, найгрунтовнішими слідами стародавніх цивілізацій, певно, є залишки культових споруд, палаців, громадських будівель... Щороку мільйони людей милуються видатними творіннями невідомих і відомих зодчих, які зуміли втілити в матеріалі найголовніші вимоги будівельної науки: користь, міцність і красу.
Коли розглядаєш в електронний мікроскоп різні віріони, мимоволі порівнюєш їх із фантастичними, а іноді й зовсім реальними спорудами — пам'ятками високорозвинених цивілізацій. І ще більше дивуєшся, що ці викінчені форми створені самою природою, без втручання людини.
Отже, вірусологи шукають різних найможливі-ших методів, намагаючись якнайкраще роздивитися мешканців досліджуваного препарата вірусів, побачити їх форму, а інколи й одержати уявлення про структуру, застосовуючи для цієї мети фізичний і хімічний аналізи вірусних компонентів та рентгеноструктурний аналіз вірусів. З допомогою цих методів удається навіть «заглянути» всередину об'єкта дослідження, дістати уявлення і про тривимірну структуру вірусів.
Форма живих організмів у природі є головною ознакою, що необхідна для систематизації. До складу ботаніки і зоології входять спеціальні наукові розділи, які мають назву «морфологія». Ця наука про закономірності будови допомагає і вірусологам. Більшість дослідників вважає, що мешканців «хаосу» слід класифікувати за морфологічними ознаками.
Знайти і не зламати
З невидимими ворогами, від яких багато сто- [ літь не було порятунку ні людям, ні тваринам, ні рослинам, учені поводяться так «ніжно» й обережно, ніби вони працюють із найтоншими скляними ялинковими іграшками. І справді завдання «виділити» вірус з уламків клітин схоже на завдання «витягти скляні кульки із купи різних ігра-шок, у тому числі й залізних, не торкаючись до них». Певна річ, кульки повинні залишитися ці- \ лими, зберегти свою форму.
Трудність у тому, що до кожного вірусу потрібен свій підхід. Метод, знайдений для віріонів сферичної форми, може не підійти для паличко- ! подібних віріонів. У процесі очищення препарату вірусу умови обробки не повинні пошкодити вірусних часточок.
Методи виділення
Серед методів виділення рослинних вірусів найшвидшим є метод занурення. Край листка відрізають і місце зрізу занурюють на 1—2 с у краплю дистильованої води, нанесену на найдрібнішу сітку з целулоїдною плівкою. Деяка частина віріонів вимивається цією краплею з рослини, крапля висихає, і вірусні частинки опиняються на плівці. | Тепер їх залишається тільки закріпити і контрастувати. Однак у краплю води попадає сік рослини, а це означає, що при висиханні поряд з вірусними частинками може виявитися багато сторонніх білкових часточок, схожих на віруси.
Звичайно, вчені прагнуть одержати препарат якнайчистіший. Досягається це ускладненням методів та комбінуванням різних прийомів. Дифе-
ренціальне центрифугування, про яке розповідалося раніше, успішно застосовується в тих випадках, коли віріони помітно відрізняються за величиною від клітинних компонентів. Центрифугування в градієнті щільності сахарози дає змогу розділити частинки, що мало відрізняються одна від одної.
Із великих об'ємів рідин вірус краще виділяти методами висолювання чи осаджування в ізо-електричній точці. Інколи віруси поглинаються смолами.
Бактерії та інші великі частинки можна виділити шляхом фільтрування через спеціальні фільтри з інфузорної землі, фарфору, азбесту, що затримують частинки розміром не менше як 0,5 мкм (1 мкм = 10 в -4ст. см). Віруси, розміри яких становлять від 0,01 до 0,3 мк (від 100 до 3000 А), майже завжди проходять через бактеріальні фільтри, але вчені мають і ультрафільтри (наприклад, нітроцелюлозні мембрани), що можуть затримати і вірус. З допомогою таких мембран визначають розміри вірусних частинок навіть тоді, коли віріонів дуже мало. Для цього необхідно «просіяти» віруси послідовно через кілька мембран із порами різної величини, помітити фільтр, який затримує найбільшу кількість частинок, і виміряти діаметр пор.
Деякі способи вимірювання
Легко сказати «виміряти». Щоб виконати цей експеримент (а втім, як і багато інших), біологу не обійтися без ґрунтовного знання фізики. Адже діаметр пор обчислюють за величиною тиску, при якому продавлюються у воді через мембрану бульбашки повітря або продавлюють із певною
швидкістю воду через мембрану. А частинки, що можуть пройти крізь пори, в 1,25 рази менші від діаметра пор.
Явище дифузії також служить справі вимірювання віріонів. Умови для дифузії створюють спеціально, заливаючи шарами розчин із вірусними частинками й розчин з певним молекулярним середовищем. Частинки у повній відповідності із законами фізики намагаються проникнути в середовище, й залишається тільки, знаючи температуру (Т), площу контакту середовищ і зміну концентрації за одиницю часу, підрахувати коефіцієнт дифузії 0). А знаючи цей коефіцієнт, неважко обчислити радіус частинки, що має сферич-
ну форму: Г = RT поділити на ND пі ню де R — газова постійна, N — число Авогадро, ню — густина середовища.
Складніша справа з несферичними частинками. Оскільки коефіцієнт дифузії в такому випадку залежить одразу від трьох розмірів, доводиться добувати додаткові дані. Так, уміщуючи пробірку в центрифугу, змінюють умову дифузії. Частинки відкидаються від осі обертання, водночас посилюється і їх дифузія в протилежний бік. У момент рівноваги масу віріонів можна визначити за їх концентрацією в двох різних точках пробірки. А потім при певних допусках можна обчислити і розміри.
Для визначення концентрації частинок та їх розмірів служить світло. Вимірявши інтенсивність світла, яке розсіюється в розчині, можна встановити саме ці характеристики. До того ж за тим, як змінюється кількість світла, розсіяного під різними кутами, можна обчислити навіть ступінь асиметрії видовжених вірусів.
Однорідність за формою та величиною
Кожному відомо, що мешканці тваринного й рослинного світу бувають у немовлячому віці, що вони більш-менш швидко ростуть, змінюють свої розміри, а інколи й форму і врешті досягають зрілості. Так і повинно бути, бо клітини, з яких складаються всі живі організми, ростуть. Популяція клітин (сукупність клітин одного й того ж виду), які ростуть у звичайних умовах, містить клітини різних розмірів, що перебувають у різній стадії розвитку.
У популяції віріонів певного типу всі частинки, точніше, їх оболонки, що називаються капсидами, мають однакові розміри і форму. Однорідність за формою і величиною створює враження, ніби ві-ріони сходять із конвейєра крихітного заводу. Придивившись до вірусів, можна завважити, що вони «складені» з компонентів, як будівля, збудована з однакових цеглинок, до того ж у цілковитій відповідності з принципами геометрії.
У результаті електронно-мікроскопічних досліджень було виявлено, що природа створила два геометричні типи капсидів — спіральні й кубічні (ізометричні або квазісферичні). Правда, тип оболонки віріонів не завжди буває видимим. Так як будівля оточена високими деревами, капсиди бувають оточені ще однією оболонкою, яка утворюється на останній стадії росту вірусу. Але, зрозуміло, дослідникам удається «проникнути» і під зовнішню оболонку, і навіть усередину капсид. Роздивимося спочатку форму віріонів.
Віруси із спіральними капсидами
Спіральна симетрія характерна тим, що після повного оберту довкола осі обертання фігура стає у вихідне положення. Більшість вірусів, які вражають рослини, а також багато бактерій мають спіральний тип симетрії. Прикладом такого вірусу може бути вірус тютюнової мозаїки (ВТМ). При погляді здалеку, при порівняно невеликому збільшенні, ВТМ схожий на палички.
Палички ВТМ та деяких інших вірусів досить жорсткі, і їх видно на мікрофотографіях завжди прямими. Середня довжина паличок ВТМ становить 3000 А, товщина — 150—170 А.
До групи паличкоподібних вірусів належать також Х-вірус картоплі (довжина 515 А), вірус жовтухи буряків (довжина 1250 А). Крок спіралі в таких віріонів у 1,5 раза більший за крок спіралі ВТМ.
Віруси з ізометричними капсидами
Фігури з кубічною симетрією мають три осі обертання (октаедри, тетраедри, ікосаедри). Такий тип симетрії мають багато вірусів людини і тварин — вірус поліомієліту, вірус ящуру та ін. При першому розгляді віріони здаються кулеподібними, однак при детальному вивченні це правильні многогранники: округлі або призматичні, суцільні або порожнисті, гладенькі або з відростками.
Прикладами вірусів з ізометричними капсидами можуть бути: вірус жовтої мозаїки турнепсу (ВЖМТ), вірус герпесу, аденовірус.
Одним із найдрібніших серед відомих вірусів е вірус-сателіт. Він має форму многогранника, а діаметр його становить близько 180 А.
46
Складні капсиди
Є серед вірусів і такі, що вирізняться складнішими геометричними формами. Скажімо, частинки вірусу мозаїки люцерни (ВМЛ) мають вигляд зменшених бацил. Віруси грипу і парагрипу мають серцевину у вигляді спіралі. Але ще складніші капсиди мають деякі бактеріофаги (віруси бактерій).
Гігантом серед вірусів є вірус віспи. Віріони вірусу віспи, вірусу кантагіозного пустулезного дерматиту і деяких інших вірусів мають складні зовнішні оболонки, під ними ховаються внутрішні елементи. Слід відзначити, що чим складніша будова віріонів, тим у них більша ймовірність відхилення від «стандартної» форми тому, що зростає можливе число помилок при виникненні нових частинок вірусів. У таких випадках, наприклад, у популяціях кулеподібних віріонів можна спостерігати ниткоподібні або еліпсоїдні капсиди.
Однак загалом віріони мають раціональну форму. Білкові молекули і молекули нуклеїнової кислоти, що входять до складу вірусів, «укладені» дуже економічно й міцно. Висловлюючись мовою термодинаміки, законам якої підкоряються і мешканці цього світу природи, «віруси мають мінімальний рівень вільної енергії».
Як заглянути під оболонку вірусу? Ми щойно вказали: до складу віріонів входять нуклеїнові кислоти. Таке висловлювання природне, коли припустити, що віруси мають ознаки життя. Саме нуклеїнові кислоти природа створила для зберігання, реалізації і передачі спадкової інформації, тобто для тих дій, без яких неможливе відтворення вірусів.
47
Важко було знайти способи зробити віруси видимими. Одним із головних завдань вірусологів, що намагаються визначити форму віріонів, є очищення препарату від сторонніх частинок. Це завдання має ще більше значення при вивченні компонентів вірусів, які знаходяться під оболонкою. Необхідно було не тільки виділити віруси, а й зруйнувати їх оболонки і відокремити вірусну нуклеїнову кислоту від білка, ліпідів та інших домішок, що зустрічаються в препараті вірусу. Певна річ, нема чого й думати про те, щоб знайти і тим більше захопити й виділити з мікроскопічно малих уламків вірусу мікроскопічно малі ланцюжки нуклеїнових кислот.
Для виділення дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і рибонуклеїнової кислоти (РНК) застосовують складні фізико-хімічні методи. Чимало з них дають змогу одержати у вільному стані не зруйновані препарати, а такі, що зберегли інфек-ційність. Першими, кому вдалося одержати «живу» нуклеїнову кислоту вірусу тютюнової мозаїки, були німецькі вчені А. Гірер та Г. Шрамм, які обробили вірусний препарат фенолом. Фенол активно діє на білок, змінюючи його властивості, внаслідок чого білок легко відокремлюється від РНК шляхом центрифугування.
Оскільки цей метод не універсальний і не ефективний для підготовки досліджень інших вірусів, були розроблені такі прийоми, як нагрівання в розведеному соляному розчині, обробка гуанідином, оцтовою кислотою, додецилсульфатом натрію і сульфатом амонію. А для виділення нуклеїнових кислот із деяких вірусів застосовуються навіть змішані методи.
Дивний характер спадкової речовини
Усі мешканці тваринного і рослинного світу складаються з клітин (або хоча б з однієї). Нуклеїнові кислоти вперше були виділені з ядра, а пізніше їх виявили і в інших місцях клітини. Через це ми коротко зупинимося на тих функціях, які виконують нуклеїнові кислоти в клітинах, на їх значенні для живих організмів.
Під час поділу живих клітин нуклеїнової кислоти забезпечують синтез білків дочірних клітин тієї ж структури і того ж складу, що були й у материнській клітині. Кожний вид організму має специфічні нуклеїнові кислоти.
Відомо два типи нуклеїнових кислот: ДНК і РНК. ДНК знаходиться в ядрі клітини, а також у невеликих кількостях у мітохондріях і хлоропластах. РНК зустрічається переважно в цитоплазмі. ДНК та РНК за структурою є полімерами, що складаються з нуклеотидів, які об'єднані у своєрідні ланцюжки. Однак молекула ДНК складається не з однієї, як молекула РНК, а із двох спірально закручених один навколо одного ланцюгів сумарною шириною 20 А. Довжина ДНК може досягати сотень мкм.
Не вдаючись у подробиці будови нуклеїнових кислот, складу і механізму зчеплення нуклеотидів, процесу подвоєння (редуплікації), відзначимо, що відрізок ДНК вважається елементарною одиницею спадковості — геном. Сукупність генів містить інформацію про всі особливості організму, а кожний ген визначає будову одного з білків живої клітини. Спадковість усіх організмів на Землі закодована в послідовності нуклеотидів генів. Щодо РНК, то вони беруть участь у синтезі білків і залежно від виконуваної функції чи від міс-
ця знаходження поділяються на транспортні, інформаційні, рибосомальні.
Так розподілилися ролі двох типів нуклеїнових кислот у всьому органічному світі. До того ж клітини усіх мешканців цього світу — від примітивних бактерій (мікоплазми, риккетсії) і амеби до вищих рослин та людини — завжди містять два ланцюжки ДНК і один ланцюжок РНК.
Однак результати багатьох досліджень хімічного складу й будови вірусів показали, що віріон завжди містить нуклеїнову кислоту тільки одного типу. І що найдивніше, віруси благополучно існують і з одним ланцюжком ДНК, і, ще більше, велика група вірусів (рибовірусів) містить тільки РНК (один або два ланцюжки).
Проблеми класифікації
Не знаючи місця, яке посідає об'єкт дослідження в ряді йому подібних, ученим важко працювати. Класифікація — групування об'єктів за загальними ознаками — потрібна передусім для того, щоб економити час, сили та засоби, щоб, розгадавши таємниці одного вірусу або розробивши заходи боротьби з яким-небудь вірусним захворюванням, застосувати на інших, схожих вірусах та хворобах.
Часті відкриття у вірусології, науці, яка бурхливо розвивається, примушують переглядати закони і властивості, за якими згруповані віруси. В основу найпростішої класифікації покладені об'єкти, що вражаються вірусами: існують бактеріофаги (віруси, які вражають бактерії), віруси найпростіших, віруси рослин, віруси тварин. У свою чергу вони діляться на групи. Наприклад, віруси тварин поділяються на віруси людини, ві-
руси приматів, віруси гризунів і т. п. Умовність цієї класифікації очевидна — багато які віруси можуть уражати кілька видів господарів.
Класифікують віруси і за симптомами (ознаками) тих хвороб, які вони викликають. Лікарям та ветеринарам зручно групувати разом віруси респіраторних захворювань, що викликають хвороби дихальних шляхів; віруси енцефалітів; віруси пропасниць і т. д. Однак відомо: різнорідні віруси можуть викликати подібні симптоми, а один і той же вірус може бути причиною різних форм хвороби.
Результати досліджень хімічного складу й будови вірусів використані для точнішої наукової класифікації. Поділяються віруси на групи залежно від природи нуклеїнової кислоти: дезокси-віруси (містять ДНК) і рибовіруси (містять РНК). У групах є підгрупи, які відповідають типам капсидів: віруси з ізометричними (кубічними), віруси із спіральними або віруси із змішаними капсидами. У свою чергу віруси в підгрупах відрізняються ще і за наявністю чи відсутністю зовнішньої оболонки. Така класифікація дає змогу однозначно визначити місце кожного вірусу (якщо він досить вивчений) на основі найважливішої характеристики організмів — нуклеїнових кислот.
Запропоновані класифікації грунтуються на обмеженому числі ознак. Віруси істотно відрізняються за багатьма властивостями, важливими в тих чи інших умовах. Так, для боротьби з вірусними інфекціями велике значення має класифікація за ступенем чутливості до певних хімічних речовин, до нагрівання, до кислотності середовища. Віруси мають різну здатність розмножуватися в курячих ембріонах, що розвиваються, а та-
кож у членистоногих переносниках або в ядрі і цитоплазмі.
Учені не вважають яку-небудь класифікацію
Дата внесення :
14.11.2011
Переглядів: 385
Популярність: 97.6%
Належить до розділів:
Іноземні
Російські
Пізнавальна література
Природа, земля
Техніка, винаходи
Професії
Список коментарів | |
| Відправник : | Лілія |
| Час відправлення : | 2017-10-19 22:22:36 |
| Дуже цікаво! |
|
|
1 коментарів знайдено
Сторінки : [1] | |
