В статье поговорим об истории открытия вирусов. Это интересная тема, которой в современном мире выделяется не так уж много внимания, а зря. Сначала мы разберемся с тем, что же такое сам вирус, а затем поговорим о других аспектах этого вопроса.
Вирус
Вирус — это неклеточный инфекционный организм, который может размножаться только внутри живых клеток. Кстати, с латинского это слово переводится дословно как "яд". Эти образования могут поражать все типы живых организмов, начиная от растений и заканчивая бактериями. Также есть вирусы, которые могут размножаться только внутри других своих собратьев.
Исследование
Начало исследованиям было положено в 1892 году. Тогда Дмитрий Ивановский опубликовал свою статью, в которой описывал патоген растений табака. В 1898 году Мартином Бейеринком был открыт вирус С того момента учёные описали уже около 6000 различных вирусов, хотя они полагают, что существует их более 100 миллионов. Отметим, что эти образования - самая многочисленная биологическая форма, которая присутствует в любой экосистеме на Земле. Изучением их занимается вирусология, а именно - раздел микробиологии.
Краткое описание
Отметим, что пока вирус находится вне клетки или в процессе зарождения он является независимой частицей. Обычно состоит из трех компонентов. Первый - это генетический материал, который представлен ДНК или РНК. При этом отметим, что некоторые вирусы могут иметь два вида молекул. Вторая составляющая - это белковая оболочка, которая защищает сам вирус и его липидную оболочку. По её наличию отличают вирусы от подобных инфекционных бактерий. В зависимости от типа нуклеиновой кислоты, которая по сути является генетическим материалом, разделяют вирусы ДНК-содержащие и РНК-содержащие. Ранее к вирусам относили прионы, но потом оказалось, что это ошибочное мнение - это обычные возбудители, которые состоят из инфекционного материала и не имеют в своем составе нуклеиновых кислот. Форма вируса может быть очень разнообразной: начиная от спиральной и заканчивая гораздо более сложными структурами. Размеры этих образований составляют примерно одну сотую бактерии. При этом большинство вирусов настолько малы, что их невозможно отчётливо разглядеть даже на световом микроскопе.
Форма жизни
Появление
История открытия вируса умалчивает, как они появились на эволюционном древе. Это действительно очень интересный вопрос, который еще недостаточно изучен. Предполагается, что некоторые вирусы могли образоваться из небольших молекул ДНК, которые могли передаваться между клетками. Есть ещё вариант того, что вирусы произошли от бактерий. При этом, благодаря своей эволюции, они являются важным элементом при горизонтальном переносе генов и обеспечивают генетическое разнообразие. Некоторые учёные считают такие образования отличительной формой жизни по некоторым признакам. Во-первых, есть генетический материал, способность воспроизводиться и эволюционировать естественным путем. Но при этом у вирусов нет очень важных характеристик живых организмов, например, клеточного строения, которое является основным свойством всего живого. Из-за того, что вирусы обладают только частью характеристик живого, их относят к формам, существующим на краю жизни.
Распространение
Распространяться вирусы могут по-разному, существует много различных способов. Они могут передаваться от растения к растению при помощи насекомых, которые питаются растительными соками. Для примера можно привести тлю. У животных вирусы могут распространяться при помощи кровососущих насекомых, переносчиков бактерий. Как мы знаем, вирус гриппа распространяется в воздухе при чихании и кашле. Например, ротавирус и норовирус могут передаваться при контакте с зараженной пищей или жидкостью, то есть фекально-оральным способом. ВИЧ - это один из немногих вирусов, который может передаваться путем переливания крови и при половых контактах.
Каждый новый вирус имеет определенную специфику по отношению к своим хозяевам. При этом круг хозяев может быть узким или широким, в зависимости от того, насколько много клеток удалось поразить. Животные реагируют на заражение иммунным ответом, который заключается в том, что уничтожаются болезнетворные организмы. Вирусы как форма жизни довольно приспосабливаемы, поэтому уничтожить их не так просто. У человека иммунным ответом может служить вакцина против конкретных инфекций. Однако некоторые организмы могут пройти через внутреннюю систему безопасности человека и вызвать хроническую болезнь. Это вирус иммунодефицита человека и различные гепатиты. Как известно, антибиотики не могут воздействовать на такие организмы, но, несмотря на это, ученые разработали эффективные противовирусные препараты.
Термин
Но прежде чем говорить об истории открытия вирусов, поговорим о самом термине. Как мы знаем, дословно слово переводится как "яд". Оно была использовано в 1728 году для определения организма, который способен вызвать инфекционную болезнь. До того, как Дмитрий Ивановский открыл вирусы, он ввёл в обиход термин "фильтрующийся вирус", под которым понимал болезнетворного агента не бактериального характера, который может проходить различные фильтры в организме человека. Так же известный термин «вирион» был придуман в 1959 году. Он означает стабильный вирусную частицу, которая покинула клетку и может самостоятельно инфицировать далее.
История исследований
Вирусы в микробиологии стали чем-то новым, но данные о них накапливались постепенно. В результате развития науки стало понятно, что не все вирусы вызываются патогенами, микроскопическими грибами или протистами. Отметим, что исследователь Луи Пастер так и не смог найти агент, который вызывает бешенство. Из-за этого он предположил, что тот настолько мал, что рассмотреть его под микроскопом невозможно. В 1884 году Шарль Шамберлан - известный микробиолог из Франции - изобрел фильтр, поры которого гораздо меньше бактерий. При помощи этого инструмента можно полностью удалить бактерии из жидкости. В 1892 году российский микробиолог Дмитрий Ивановский использовал этот аппарат для исследования вида, который позже получил название вируса табачной мозаики. Эксперименты ученого показали, что даже после фильтрации сохраняются инфекционные свойства. Он предположил, что инфекция может быть спровоцирована токсином, который выделяют бактерии. Однако тогда мужчина не стал дальше развивать эту идею. В то время были популярны идеи о том, что любой патоген можно определить при помощи фильтра и вырастить в питательной среде. Отметим, что это один из постулатов теории болезни на уровне микробов.
"Кристаллы Ивановского"
При помощи оптического микроскопа Ивановский наблюдал за зараженными клетками растений. Он обнаружил тела, подобные кристаллам, который сейчас называются скоплениями вирусов. Однако тогда это явление получило название «кристаллы Ивановского». Голландский микробиолог 1898 года, Мартин Бейеринк, повторил эксперименты Ивановского. Он решил, что инфекционный материал, который проходит через фильтр, является новой формой агентов. При этом он подтвердил, что они могут размножаться только в делящихся клетках, но на опытах не было выявлено того, чтобы они являли собой частицы. Тогда Мартин назвал эти частицы "растворимыми живыми микробами", говоря дословно, и снова стал использовать термин "вирус". Ученый стоял на том, что по своей природе вирусы являются жидкими, но это умозаключение опроверг Уэнделл Стэнли, который доказал, что по сути вирусы - это частицы. Тогда же Пауль Фрош и Фридрих Леффлер нашли первый вирус животных, а именно - возбудителей ящура. Его они пропустили через похожий фильтр.
Жизненный цикл вируса и дальнейшее исследование
В начале прошлого века английский бактериолог Фредерик Туорт открыл группу вирусов, которые могли размножаться в бактерии. Сейчас такие организмы называются бактериофагами. Одновременно с этим канадский микробиолог Феликс Дэрелль описал вирусы, которые при контакте с бактериями могут образовывать вокруг себя пространство с погибшими клетками. Он сделал суспензии, благодаря которым сумел определить наименьшую концентрацию вируса, при которой погибают не все бактерии. Сделав необходимые расчеты, он смог определить первоначальное число вирусных единиц в суспензии.
Жизненный цикл вируса активно исследовали в начале прошлого века. Тогда стало известно, что эти частицы могут обладать инфекционными свойствами, проходить через фильтр. При этом им необходим живой хозяин для размножения. Первые микробиологи проводили исследования вирусов только на растениях и животных. В 1906 году Росс Грэнвилл Гаррисон изобрел уникальный способ выращивания тканей в лимфе.
Прорыв
Одновременно с этим происходили открытия новых вирусов. Происхождение их до сих пор оставалось и остается на сегодняшний день загадкой. Отметим, что открытие вируса гриппа принадлежит американскому исследователю Эрнесту Гудпасчеру. В 1949 году был открыт новый вирус. Происхождение его было неизвестно, но организм удалось вырастить на клетках зародыша человека. Таким образом был открыт первый полиовирус, выращенный на живых тканях человека. Благодаря этому была создана важнейшие полиовакцина против полиомиелита.
Изображение вирусов в микробиологии появились благодаря изобретению электронного микроскопа инженерами Максом Кноллем и Эрнстом Руской. В 1935 году американским биохимиком было проведено исследование, которое доказало, что вирус табачной мозаики состоит в основном из белка. Чуть позже эту частицу разделили на белковую и РНК-составляющую. Удалось кристаллизовать вирус мозаики и гораздо более детально изучить его структуру. Первая рентгенограмма была получена в конце 1930-х годов благодаря ученым Барналю и Фэнкухену. Прорыв вирусологии приходится на вторую половину прошлого века. Именно тогда ученые открыли более 2000 различных видов вирусов. В 1963 году произошло открытие вируса гепатита B Бламбергом. В 1965 году был описан первый ретровирус.
Подводя итоги хочется сказать о том, что история открытия вирусов очень интересна. Она позволяет понять многие процессы и разобраться в них более детально. Однако хотя бы поверхностное представление необходимо иметь для того, чтобы идти в ногу со временем, ведь прогресс развивается семимильными шагами.
Гипотезы происхождения вирусов
На протяжении всего развития науки о вирусах были выдвинуты три основные гипотезы.
Возможность дегенеративной эволюции была неоднократно установлена и доказана, и, пожалуй, наиболее ярким примером ее может служить происхождение некоторых клеточных органелл эукариотов от симбиотических бактерий. Например, можно считать установленным, что хлоропласты простейших и растений происходят от предков нынешних сине-зеленых бактерий, а митохондрии – от предков пурпурных бактерий. Поэтому такая возможность не исключена и для происхождения вирусов, особенно таких крупных, сложных и автономных, каким является вирус оспы.
Все же мир вирусов слишком разнообразен, чтобы признать возможность столь глубокой дегенеративной эволюции для большинства его представителей, от вирусов оспы, герпеса до реовирусов, не говоря уж о таких автономных генетических структурах, как плазмиды.
Вирус кольцевой пятнистости. Фото: hs_rattanpal
Разнообразие генетического материала у вирусов является одним из аргументов в пользу происхождения вирусов от доклеточных форм. Действительно, генетический материал вирусов "исчерпывает" все его возможные формы: одно - и двунитевые РНК и ДНК, их линейные, циркулярные и фрагментарные виды. И все же разнообразие генетического материала у вирусов скорее свидетельствует о полифилетическом происхождении вирусов, нежели о сохранении предковых доклеточных форм, геном которых эволюционировал по маловероятному пути от РНК к ДНК, от однонитевых форм к двунитевым и т.п.
Третья гипотеза 20-30 лет казалась маловероятной и даже получила ироническое название гипотезы взбесившихся генов. Однако именно она легко объясняет не только вполне очевидное полифилетическое происхождение вирусов, но и общность столь разнообразных структур, какими являются полноценные и дефектные вирусы, сателлиты и плазмиды. Из этой концепции также вытекает, что образование вирусов не явилось единовременным событием, а происходило многократно и продолжает происходить в настоящее время. В далекие времена, наряду с формированием клеточных форм, происходило образование и неклеточных, представленных вирусами - автономными, но клеточно-зависимыми генетическими структурами. Ныне существующие вирусы являются продуктами эволюции, как древнейших их предков, так и недавно возникших автономных генетических структур.
История открытия вирусовВ 80-е годы 19 века на юге России табачные плантации подверглись грозному нашествию. Отмирали верхушки растений, на листьях появлялись светлые пятна, год от года число пораженных полей увеличивалось, а причина заболеваний неизвестна.
В Бессарабию и Украину была направлена экспедиция, в которую входили Д.И. Ивановский и В.В. Половцев.
В 1892 году Ивановский открыл новое царство живых существ.
На поиски возбудителей болезни Ивановский потратил несколько лет. Он собирал факты, делал наблюдения, расспрашивал крестьян о симптомах болезни, и экспериментировал. Опыты показали, что дело не в составляющих растения – корневой системе, семенах, пыльце или цветках: болезнетворное начало поражает растения иным путём. Тогда молодой учёный ставит простой опыт. Он собирает больные листья, измельчает их и закапывает на участках со здоровыми растениями. Через некоторое время растения заболевают. Итак, путь от больного растения к здоровому найден. Возбудитель передаётся листьями, попавшими в почву, перезимовывает и весной поражает посевы.
Но о самом возбудителе он так ничего и не узнал. Его опыты показали лишь одно, – нечто заразное содержится в соке. В эти годы ещё несколько учёных в мире бились над опознанием этого "нечто".А. Майер в Голландии предложил, что заразное начало – бактерии. Однако Ивановский доказал, что Майер ошибся, посчитав носителями болезни бактерии. Профильтровав заразный сок через тонкопористые фарфоровые фильтры, он осадил на них бактерии. Теперь бактерии удалены… но заразность сока сохранилась.
Итак, этот непонятный агент, вызывающий болезнь не размножается на искусственных средах, проникает сквозь самые тонкие поры, погибает при нагревании. Фильтруемый яд. Таким был вывод ученого. Но яд это – вещество, а возбудитель болезни табака был существом. Он отлично размножался в листьях растений.
Так Ивановский открыл новое царство живых организмов, самых мелких из всех живых и потому невидимых в световом микроскопе, проходящих сквозь тончайшие фильтры, сохраняющихся в соке годами и при этом не теряющих вирулентности.
Итак, как было выяснено, вирусы проходят через фильтры, задерживающие бактерии. Они не растут даже на самых сложных по составу питательных средах и развиваются только в живых организмах, что считалось основным критерием отличия развития вирусов от других микроорганизмов. Но были открыты бактерии, не развивающиеся на питательных средах - риккетсии и хламидии. Таким образом, живая клетка - единственная возможная среда обитания для вирусов, риккетсий, хламидий и некоторых простейших. Но сейчас выяснилось, что вирусы для своего размножения не нуждаются в целой клетке, им достаточно её одной определённой части.
Современные представления о вирусахСовременные представления о вирусах складывались постепенно. После открытия их считали просто очень мелкими микроорганизмами, не способными расти на искусственных питательных средах. Вскоре после открытия вируса табачной мозаики была доказана вирусная природа ящура, а еще через несколько лет были открыты бактериофаги. Таким образом, были открыты три основные группы вирусов, поражающие растения, животных и бактерии.
В конце 30-х - начале 40-х годов изучение вирусов продвинулось настолько, что сомнения в живой их природе отпали, и в 1945 году было сформулировано положение о вирусах как организмах. Основанием для признания вирусов организмами явились полученные при их изучении факты, свидетельствовавшие, что вирусы, как и другие организмы (животные, растения, простейшие, грибы, бактерии), способны размножаться, обладают наследственностью и изменчивостью, приспособляемостью к меняющимся условиям среды их обитания и, наконец, подверженностью биологической эволюции, обеспечиваемой естественным или искусственным отбором.
Итак, ознакомившись с природой вирусов, посмотрим, насколько они удовлетворяют сформулированным критериям живого. Вирусы не являются клетками и в отличие от живых организмов с клеточной структурой не имеют цитоплазмы. Они не получают энергии за счет потребления пищи. Казалось бы, их нельзя считать живыми организмами. Однако вместе с тем вирусы проявляют свойства живого. Они способны приспосабливаться к окружающей среде путем естественного отбора. Это их свойство обнаружилось при изучении устойчивости вирусов к антибиотикам. Допустим, что больного с вирусной пневмонией лечат каким-то антибиотиком, но вводят его в количестве, недостаточном для разрушения всех вирусных частиц. При этом те вирусные частицы, которые оказались более устойчивыми к антибиотику и их потомство наследует эту устойчивость. Поэтому в дальнейшем этот антибиотик окажется не эффективным.
Но, пожалуй, главным доказательством того, что вирусы относятся к миру живого, является их способность к мутациям. Мутантные формы способны преодолеть иммунитет, развивающийся у большинства людей в результате перенесенной ранее инфекции. Широко известен случай мутации вирусов, связанный с применением вакцины против полиомиелита. Эта вакцина состоит из живого вируса полиомиелита, ослабленного настолько, что он не вызывает у человека никаких симптомов. В 1962 году было зарегистрировано несколько тяжелых случаев полиомиелита, вызванных, по-видимому, этой вакциной. Вакцинировано было несколько миллионов: в отдельных случаях произошла мутация слабого вирусного штамма, так что он приобрел высокую степень вирулентности. Поскольку мутация свойственна только живым организмам, вирусы следует считать живыми, хотя они просто организованны и не обладают всеми свойствами живого.
Концепция о вирусах как организмах достигла своего расцвета к началу 60-х годов, когда было введено понятие "вирион" как вирусного индивидуума. Однако в эти же годы, ознаменовавшиеся первыми успехами молекулярной биологии вирусов, начался и закат концепции о вирусах как организмах. Были обобщены факты, указывавшие на отличный от клеток тип размножения, подчеркивая разобщенность - временную и территориальную - синтеза генетического материала (РНК, ДНК) и белков вирусов. Был также сформулирован основной критерий отличия вирусов от других организмов: генетический материал вирусов является одним из двух типов нуклеиновых кислот (РНК или ДНК), в то время как организмы имеют оба типа нуклеиновых кислот. Но, основным и абсолютным критерием, отличающим вирусы от всех других форм жизни, является отсутствие у них собственных систем синтеза белка (рибосомных систем).
ВИРУСЫ
1. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ВИРУСОВ.
2. МОРФОЛОГИЯ ВИРУСОВ.
3. РЕПРОДУКЦИЯ ВИРУСОВ
Вирусы - наиболее мелкие формы живой материи. В определенном смысле вирусная частица – не живой организм, а сравнительно крупный нуклеопротеид , проникающий в клетку и «размножающийся» в ней, образуя дочерние популяции. Это генетические мобильные элементы. Вне клетки вирусы инертны, некоторые даже образуют кристаллы (например, вирусы насекомых образуют вне клетки полиэдры, состоящие из белка, внутри которых находятся вирусы). Все вирусы существуют в двух качественно различных формах – внеклеточной (вирион ) и внутриклеточной (вирус ).
Вирусы размножаются только в живых клетках. Выделение возбудителя в зараженной культуре клеток – один из основных методов диагностики вирусных инфекций. Большинство вирусов отличает наличие тканевой и типовой специфичности , например, полиовирус репродуцируется только в клетках почек приматов (полиовирус - РНК-сод. вирус. Возбудитель полиомиелита. Поражает нейроны продолговатого мозга и передних рогов спинного мозга. Паралитическая форма. Спинальный полиомиелит – поражение нейронов передних рогов спинного мозга (ассиметричное поражение нижних конечностей). Бульбарный полиомиелит – поражение нейронов продолговатого мозга с вовлечением центров, контролирующих работу дыхательных мышц. Высококонтагиозен. Фекально-оральный путь передачи; возможен контактный путь передачи. Инфицированный человек выделяет вирус в течение 5 нед. Первичный очаг размножения – локализован в эпителии рта, глотки, тонкой кишки, в лимфоидной ткани кольца Пиргова-Вальдейера и пейеровых бляшках; вторичная вирусемия, возбудитель попадает в ЦНС. Вирус распространен в странах Северного полушария с умеренным климатом). Вирус гриппа и кори культивируют в курином эмбрионе. Сейчас используют культуры тканей для диагностики многих вирусных инфекций. Экспресс-диагностика вирусных иенфекций основана на обнаружении вирусных Аг различными серологическими методами – применение АТ, меченных флюоресцеинами, ИФА, РНГА, РСК и др. Твердофазные методы (ИФА, РИА) дифференцированно выявляют IgM и IgG.
Если попытаться расположить вирусы по степени их сложности в гомологичный ряд, то они, по существу, могут легко заполнить пропасть между неживой органической материей и клеточными формами жизни. В самом начале этого ряда будут стоять простые минимальные вирусы, состоящие только из белка и нуклеиновой кислоты одного типа (ДНК или РНК). Далее следуют сложные вирусы, содержащие кроме этого углеводы и липиды. За ними следуют одноклеточные микроорганизмы - хламидий, в составе которых, как и у клеточных форм жизни, присутствуют одновременно оба типа нуклеиновой кислоты и имеется рибосомальный аппарат.
Первооткрывателем вирусов считается Ивановский Д. И. В 1892 г. он сообщил о возможности переноса табачной мозаики соком больных растений, пропущенных через бактериальные фильтры Шамберлана. – фильтрующий агент (вирус). В 1897 г. Лёффлер и Фрош, используя принцип фильтруемости, примененный Ивановским, показали, что ящур передается от одного животного другому агентом, проходящим через фильтры , задерживающие самые мелкие микроорганизмы. Вскоре после этого были открыты многие вирусы человека и животных: миксомы (Санарелли, 1898), африканской чумы лошадей (Фадиан, 1900), желтой лихорадки (Риид и Кэрол, 1901), чумы птиц (Центанни, Лоде и Грубер, 1901), классической чумы свиней (Швейнитц и Дорсе, 1903), бешенства (Ремлингер и Риффат-Бей, 1903), лейкемии кур (Эллерман и Банг, 1908) полиомиелита (Ландстейнер и Поппер, 1909). В 1911 г. Раус открыл вирус, вызывающий у кур злокачественные опухоли. Открытие вируса саркомы Рауса и другие аналогичные наблюдения послужили основанием считать вирусы важными факторами онкогенеза.
В 1915-1917 году Д´Э релль и Ф. Туорт описали бактериофаги .Вирусы были увидены только в электронный микроскоп (первый эл. Микроскоп сконструировал Руска в 1931-1933 гг.).
Происхождение вирусов. В настоящее время существует несколько гипотез, объясняющих происхождение вирусов.
1. ДНК-содержащие бактериофаги и некоторые ДНК-содержащие вирусы эукариот , возможно, происходят от мобильных элементов (транспозонов) (мобильные сегменты (участки ДНК), способные осуществлять собственный перенос (транспозицию) из одного сайта в другой внутри хромосомы или во внехромосомную ДНК (плазмиду) в пределах одной клетки. Некоторые транспозоны (конъюгативные) могут перемещаться в другие клетки в процессе, сходном с конъюгацией). и плазмид .
2. Происхождение некоторых РНК-содержащих вирусов связывают с вироидами . Вироиды представляют собой высокоструктурированные кольцевые фрагменты РНК , реплицируемые клеточной РНК-полимеразой . Считается, что вироиды представляют собой «сбежавшие интроны» - вырезанные в ходе сплайсинга , незначащие участки мРНК, которые случайно приобрели способность к репликации. Белков вироиды не кодируют. Считается, что приобретение вироидами кодирующих участков (открытой рамки считывания) и привело к появлению первых РНК-содержащих вирусов. И действительно, известны примеры вирусов, содержащих выраженные вироид-подобные участки (вирус гепатита Дельта).
Для предупреждения вирусной инфекции - оспы была предложена английским врачом Э . Дженнером в 1796 г., почти за сто лет до открытия вирусов, вторая вакцина - антирабическая , была предложена основателем микробиологии Л. Пастером в 1885 г. - за семь лет до открытия вирусов.
Честь открытия вирусов принадлежит нашему соотечественнику Д.И. Ивановскому , который впервые в 1892 г. доказал существование нового типа возбудителя болезней на примере мозаичной болезни табака.
Будучи студентом Петербургского университета, он выезжал на Украину и в Бессарабию для изучения причин болезни табака, а затем, после окончания университета, продолжал исследования в Никитском ботаническом саду под Ялтой. В содержимом пораженного листа он не обнаружил бактерий, однако сок больного растения вызывал поражения здоровых листьев. Ивановский профильтровал сок больного растения через свечу Шамберлана, поры которой задерживали мельчайшие бактерии. В результате он обнаружил, что возбудитель проходит даже через такие поры, так как фильтрат продолжал вызывать заболевание листьев табака. Культивирование его на искусственных питательных средах оказалось невозможным. Д.И. Ивановский приходит к выводу, что возбудитель имеет необычную природу: он фильтруется через бактериальные фильтры и не способен расти на искусственных питательных средах. Он назвал новый тип возбудителя «фильтрующиеся бактерии».
Ивановский установил, что болезнь табака, распространенная в Крыму, вызывается вирусом, который обладает высокой заразительностью и строго выраженной специфичностью действия. Это открытие показало, что наряду с клеточными формами существуют живые системы, невидимые в обычные световые микроскопы, проходящие через мелкопористые фильтры и лишенные клеточной структуры.
Спустя 6 лет в 1898 г. после открытия Д.И. Ивановского голландский ученый М. Бейеринк подтвердил данные, полученные русским ученым, придя, однако, к выводу, что возбудитель табачной мозаики - жидкий живой контагий. Ивановский с этим выводом не согласился. Благодаря его замечательным исследованиям ого Ф. Леффлер и П. Фрош в 1897 г. установили вирусную этиологию ящура, показали, что возбудитель ящура также проходит через бактериальные фильтры. Ивановский, анализируя эти данные, пришел к выводу, что агенты ящура и табачной мозаики принципиально сходны. В споре с М. В. Бейеринком прав оказался Ивановский.
Опыты Д.И. Ивановского были положены в основу его диссертации «О двух болезнях табака», представленной в 1888 г., и изложены в книге того же названия, вышедшей в 1892 г. Этот год и считается годом открытия вирусов.
В дальнейшем были открыты и изучены возбудители многих вирусных заболеваний человека, животных и растений.
Ивановский открыл вирус растений. Леффлер и Фрош открыли вирус, поражающий животных. Наконец, в 1917 г. Д’Эррель открыл бактериофаг - вирус, поражающий бактерии. Таким образом, вирусы вызывают болезни растений, животных, бактерий.
Слово «вирус» означает яд, оно применялось еще Луи Пастером для обозначения заразного начала. Позже стали применять название «ультравирус» или «фильтрующий вирус», затем определение отбросили, и укоренился термин «вирус».
В 1892 г. современник Пастера и ближайший сотрудник И.И. Мечникова Н.Ф. Гамалея (1859-1949 гг.) обнаружил явление спонтанного растворения микробов, которое, как было установлено Д’Эреллем, обусловлено действием вируса бактерий - фага.
Под руководством И.И. Мечникова Н.Ф. Гамалея участвовал в создании первой бактериологической станции в России и второй в мире пастеровской станции. Его исследования посвящены изучению инфекции и иммунитета, изменчивости бактерий, профилактике сыпного тифа, оспы, и других болезней.
В 1935 году У.Стенли из сока табака, пораженного мозаичной болезнью, выделил в кристаллическом виде вирус табачной мозаики (ВТМ). За это в 1946 году ему была вручена Нобелевская премия.
В 1958 году Р.Франклин и К.Холм , исследуя строение ВТМ, открыли, что ВТМ является полым цилиндрическим образованием.
В 1960 году Гордон и Смит установили, что некоторые растения заражаются свободной нуклеиновой кислотой ВТМ, а не целой частицей нуклеотида. В этом же году крупный советский ученый Л.А.Зильбер сформулировал основные положения вирусогенетической теории.
В 1962 году американские ученые А.Зигель, М.Цейтлин и О.И.Зегал экспериментально получили вариант ВТМ, не обладающий белковой оболочкой, выяснили, что у дефектных ВТМ частиц белки располагаются беспорядочно, и нуклеиновая кислота ведет себя, как полноценный вирус.
В 1968 году Р.Шепард обнаружил ДНК-содержащий вирус.
Одним из крупнейших открытий в вирусологии является открытие большинства структур различных вирусов, их генов и кодирующих ферментов — обратная транскриптаза. Назначение этого фермента — катализировать синтез молекул ДНК на матрице молекулы .
В развитии вирусологии большая роль принадлежит отечественным ученым: И.И. Мечникову (1845-1916гг.), Н.Ф. Гамалея (1859-1949гг.), Л.А. Зильбер (1894-1966г.), В.М. Жданову (1914-1987гг.), З.В. Ермольевой (1898-1979гг.), А.А. Смородинцеву (1901-1989гг.), М.П. Чумакову (1909-1990гг.) и др.
В вирусологии рассматриваются несколько периодов развития.
ПЕРИОДЫ РАЗВИТИЯ ВИРУСОЛОГИИ
Быстрый прогресс в области вирусологических знаний, основанный в значительной мере на достижениях смежных естественных наук, обусловил возможность углубленного познания природы вирусов. Как ни в одной другой науке, в вирусологии прослеживается быстрая и четкая смена уровней познания - от уровня организма до субмолекулярного.
Приведенные периоды развития вирусологии отражают те уровни, которые являлись доминирующими в течение одного - двух десятилетий.
Уровень организма (30-40 гг. XX века).
Основной экспериментальной моделью являются лабораторные животные (белые мыши, крысы, кролики, хомяки, обезьяны и т. д.), основным первым модельным вирусом был .
В 40-е годы в вирусологию в качестве экспериментальной модели прочно входят куриные эмбрионы. Они обладали высокой чувствительностью к вирусам гриппа, и некоторым другим. Использование этой модели стало возможным благодаря исследованиям австралийского вирусолога и иммунолога Ф. Бернета , автора первого пособия по вирусологии «Вирус как организм». В 1960 г. Ф. Бернет и П. Медавар удостоены Нобелевской премии в области вирусологии.
Открытие в 1941 г. американским вирусологом Херстом феномена гемагглютинации немало способствовало изучению взаимодействия вируса с клеткой на модели вируса гриппа и .
Большим вкладом отечественных вирусологов в медицинскую вирусологию явилось изучение природно-очаговых заболеваний - . В 1937 г. была организована первая экспедиция, возглавляемая Зильбером, в составе которой были Левкович, Шубладзе, Чумаков, Соловьев и др. Благодаря проведенным исследованиям был открыт вирус клещевого энцефалита, выявлены его переносчики - иксодовые , разработаны методы лабораторной диагностики, профилактики и лечения. Советскими вирусологами были изучены вирусные геморрагические , разработаны препараты для диагностических и лечебно-профилактических целей.
Уровень клетки (40-50 гг. XX века).
В 1949 г. происходит значительное событие в истории вирусологии - открытие возможности культивировать клетки в искусственных условиях. В 1952 г. Дж. Эндерс, Т. Уэллер, Ф. Роббинс получили Нобелевскую премию за разработку метода культуры клеток. Использование культуры клеток в вирусологии явилось подлинно революционным событием, послужившим основой для выделения многочисленных новых вирусов, их идентификации, клонирования, изучения их взаимодействия с клеткой. Появилась возможность получения культуральных вакцин. Эта возможность была доказана на примере вакцины против . В содружестве с американскими вирусологами Дж. Солком и А. Сэбином , советскими вирусологами М.П. Чумаковым, А.А. Смородинцевым и др. была разработана технология производства, апробирована и внедрена в практику убитая и живая вакцины против . В 1959 г. была проведена массовая иммунизация детского населения в СССР (около 15 млн.) живой полиомиелитной вакциной, в результате резко снизилась заболеваемость полиомиелитом и практически исчезли паралитические формы заболевания. В 1963 г. за разработку и внедрение в практику живой полиомиелитной вакцины М.П. Чумакову и А.А. Смородинцеву была присуждена Ленинская премия. В 1988 г. приняла решение о глобальной ликвидации заболеваемости полиомиелитом. В России это заболевание не регистрируется с 2002 года.
Другим важным приложением техники выращивания вирусов явилось получение Дж. Эндерсом и Смородинцевым живой вакцины, широкое применение которой обусловило значительное снижение заболеваемости корью и является основой для искоренения этой инфекции.
Широко внедрялись в практику и другие культуральные вакцины - энцефалитная, ящурная, антирабическая и т. д.
Молекулярный уровень (50-60 гг. XX века).
В вирусологии широко стали использовать методы молекулярной биологии, а вирусы благодаря простой организации их генома стали распространенной моделью для молекулярной биологии. Ни одно открытие молекулярной биологии не обходится без вирусной модели, включая генетический код, всего механизма внутриклеточной экспрессии генома, репликации ДНК, процессинга (созревания) информационных и т. д.
В свою очередь использование молекулярных методов в вирусологии позволило установить принципы строения (архитектуры) вирусных индивидуумов - , способы проникновения вирусов в клетку и их репродукции.
Субмолекулярный уровень (70-80 гг. XX века).
Стремительное развитие молекулярной биологии открывает возможности изучения первичной структуры нуклеиновых кислот и белков. Появляются методы секвенирования ДНК, определения аминокислотных последовательностей белка. Получают первые генетические карты геномов ДНК-содержащих вирусов.
В 1970 г. Д. Балтимором и одновременно Г. Теминым и С. Мизутани была открыта обратная транскриптаза в составе РНК-содержащих онкогенных вирусов, фермент, переписывающий на ДНК. Становится реальным синтез гена с помощью этого фермента на матрице, выделенной из полисом иРНК. Появляется возможность переписать РНК в ДНК и провести ее секвенирование.
В 1972 г. возникает новый раздел молекулярной биологии - генная инженерия. В этом году публикуется сообщение П. Берга в США о создании рекомбинантной молекулы ДНК, которое положило начало эре генной инженерии. Появляется возможность получения большого количества нуклеиновых кислот и белков путем введения рекомбинантных ДНК в состав генома прокариот и простых эукариот. Одним из основных практических приложений нового метода является получение дешевых препаратов белков, имеющих значение в медицине (, интерферон) и сельском хозяйстве (дешевые белковые корма для скота).
Этот период характеризуется важными открытиями в области медицинской вирусологии. В фокусе изучения - три наиболее массовых болезни, наносящих огромный ущерб здоровью людей и народному хозяйству - , рак, гепатит.
Установлены причины регулярно повторяющихся пандемий гриппа. Детально изучены вирусы рака животных (птиц, грызунов), установлена структура их генома и идентифицирован ген, ответственный за злокачественную трансформацию клеток - онкоген. Установлено, что причиной гепатитов А и В являются разные вирусы: вызывает РНК-содержащий вирус, отнесенный к семейству пикорнавирусов, а гепатит В - ДНК-содержащий вирус, отнесенный к семейству гепаднавирусов. В 1976 г. Бламберг, исследуя антигены крови у аборигенов Австралии, обнаружил так называемый австралийский антиген, который он принял за один из крови. Позже было выявлено, что этот является антигеном гепатита В, носительство которого распространено во всех странах мира. За открытие австралийского антигена Бламбергу в 1976 г. была присуждена Нобелевская премия.
Другая Нобелевская премия в 1976 г. присуждена американскому ученому К. Гайдушеку, который установил вирусную этиологию одной из медленных инфекций человека - куру, наблюдающейся в одном из туземных племен на острове Новая Гвинея и связанной с ритуальным обрядом - поеданием зараженного мозга умерших родственников.
Начиная со второй половины 80-х годов вирусологи активно включились в разработку неожиданно возникшей в мире проблемы ВИЧ-инфекции. Этому способствовал значительный опыт работы отечественных ученых с ретровирусами.
Медицинская микробиология, вирусология и во многом обязаны исследованиям отечественным ученым таким как Н.Ф. Гамалея (1859-1949), П.Ф. Здродовский (1890-1976), Л.А. Зильбер (1894-1966), Д.И. Ивановский (1864-1920), Л.А. Тарасевич (1869-1927), В.Д. Тимаков (1904-1977), Е.И. Марциновский (1874-1934), В.М. Жданов (1914-1987), З.В. Ермольева (1898-1979), А.А. Смородинцев (1901-1989), М.П. Чумаков (1909-1990), П.Н. Кашкин (1902-1991), Б.П. Первушин (1895-1961) и многих других.
НАУЧНЫЕ ВИРУСОЛОГИЧЕСКИЕ УЧРЕЖДЕНИЯ
Первые вирусологические лаборатории в нашей стране были созданы в 30-е годы: в 1930 г. - лаборатория по изучению вирусов растений в Украинском институте защиты растений, в 1935 г. - отдел вирусов в Институте микробиологии АН СССР, а в 1938 г. он был реорганизован в отдел вирусов растений, которым в течение многих лет руководил В.Л. Рыжков. В 1935 г. была организована Центральная вирусологическая лаборатория Наркомздрава РСФСР в Москве, которой заведовал Л.А. Зильбер, а в 1938 г. эта лаборатория реорганизована в отдел вирусов Всесоюзного института экспериментальной медицины, его руководителем был назначен А.А. Смородинцев. В 1946 г. на базе отдела вирусов был создан Институт вирусологии АМН СССР, которому в 1950 г. присвоено имя Д.И. Ивановского.
В течение 50-х и 60-х годов созданы научные и производственные вирусологические учреждения в нашей стране: Институт и вирусных энцефалитов АМН СССР, Институт вирусных препаратов Министерства здравоохранения СССР, Киевский институт инфекционных болезней, Всесоюзный научно-исследовательский институт гриппа Министерства здравоохранения СССР в Ленинграде и ряд других.
Важную роль в подготовке кадров вирусологов сыграла организация в 1955 г. кафедры вирусологии в Центральном институте усовершенствования врачей МЗ СССР. Кафедры вирусологии были созданы на биологических факультетах Московского и Киевского университетов.
Заболевания растений, животных и человека, вирусная природа которых в настоящее время установлена, в течение многих столетий наносили ущерб сельскому хозяйству и вред здоровью человека.
Многие из них были описаны очень давно, но попытки установить их причину и обнаружить возбудителя оставались безуспешными. Первую вакцину для предупреждения вирусной инфекции-оспы предложил английский врач Э. Дженнер в 1796 г., почти за сто лет до открытия вирусов. Он впервые осуществил мечту человечества: обуздать одну из самых страшных болезней человека - натуральную оспу с помощью вакцинации - искусственной прививки возбудителя коровьей оспы. Вторая вакцина - против бешенства была предложена основателем микробиологии Л. Пастером в 1885 г., за семь лет до открытия вирусов.
Открытие вирусов принадлежит русскому ученому-ботанику - Д. И. Ивановскому (1864-1920).
На примере мозаичной болезни табака он доказал существование нового типа возбудителя болезни. Изучая эту болезнь, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что возбудитель имеет необычную природу: фильтруется через бактериальные фильтры, сохраняет инфекционные свойства, невидим под микроскопом и неспособен расти на искусственных средах. Он назвал новый тип возбудителя «фильтрующиеся бактерии».
В феврале 1892 г. на заседании Российской академии наук Д. И. Ивановский сообщает, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату считают днем рождения вирусологии, а Д. И. Ивановского - ее основоположником.
В 1897 г. Ф. Леффлер и П. Фрош, используя принцип фильтруемости, примененный Д. И. Ивановским, показали, что возбудитель ящура животных - вирус. Затем последовало открытие возбудителей чумы крупного рогатого скота, чумы собак, саркомы Роуса и других болезней животных. В 1915 г. Ф. Ту орт и в 1917 г. Ф. д’Эрелль открыли вирусы бактерий - бактериофаги. Появлялись многочисленные сообщения о вирусной природе кори, полиомиелита, гриппа, энцефалита и т. д.
После открытия и развития представлений о фильтрующихся возбудителях их стали называть «ультравирусами», позже - «фильтрующимися вирусами» и, наконец, с начала 1940-х годов - просто «вирусами». Таким образом, уже во втором десятилетии XX в. стали известны вирусы растений, животных, бактерий и человека.
В потоке новостей о вирусах были и затишья, продолжавшиеся до тех пор, пока не появились новые методы их выделения, культивирования и идентификации. В 30-40-х годах XX в. основной экспериментальной моделью были лабораторные животные, чувствительные к ограниченному количеству вирусов. В 40-е годы в вирусологию в качестве экспериментальной модели входят развивающиеся куриные эмбрионы, которые позволили открыть и культивировать много новых вирусов: кори, инфекционного ларинготрахеита птиц, оспы птиц, ньюкаслской болезни и др. Использование этой модели стало возможным благодаря исследованиям австралийского вирусолога и иммунолога Ф. М. Бернета и американского вирусолога А. Херши.
Подлинное революционное событие в вирусологии - открытие возможности культивировать клетки в искусственных условиях. В 1952 г. Д. Эндерс, Т. Уэллер, Ф. Роббинс получили Нобелевскую премию за разработку метода культуры клеток. Использование культуры клеток является эффективным методом для выделения многочисленных новых вирусов, их идентификации, клонирования, изучения их взаимодействия с клеткой.
По мере достижения успехов в создании новых методов исследования расширялось представление о мире вирусов, их природе, характере взаимодействия с чувствительными клетками организма, особенностях противовирусного иммунитета, экологии ряда вирусов, их роли в онкогенных процессах и эволюции ряда вирусных болезней человека и животных.
Со времени открытия вирусов по настоящее время представления о природе вирусов претерпели значительные изменения. По мере изучения природы вирусов в первые 50 лет после их открытия формировались представления о вирусах как о мельчайших организмах на основании наличия у них свойств, характерных для других организмов: 1) вирусы способны к размножению; 2) они обладают наследственностью, воспроизводя себе подобных. Наследственные признаки вирусов можно учитывать по спектру поражаемых ими хозяев и симптомов заболеваний и специфичности иммунных реакций. Сумма этих признаков позволяет определить наследственные свойства вируса; 3) вирусы обладают изменчивостью; 4) как другие организмы, они характеризуются приспособляемостью к условиям внешней среды - через организм хозяина; 5) вирусы эволюционируют, и движущий силой их эволюции является естественный отбор.
На примере вируса гриппа А можно проследить эволюцию, темпы которой измеряются не миллионами и даже не тысячами лет, а немногими годами. Незначительные изменения его антигенной структуры происходят ежегодно, а резкие смены антигенов - 1 раз в 10-15 лет. Подобных темпов естественной эволюции не знает ни одна группа других организмов.
Главным фактором естественного отбора в этом процессе является искусственный отбор, применяемый для выведения полезных пород животных и сортов растений. Классическим примером искусственного отбора являются работы J1. Пастера по получению вакцинного штамма - фикс-вируса бешенства, а также разработка живых вакцин против чумы крупного рогатого скота, чумы свиней, полиомиелита и других болезней.
На рубеже середины XX в. выход естественных наук на молекулярный уровень стимулировал дальнейшее развитие вирусологии, иммунологии, генетики. Создание электронного микроскопа сделало видным мир вирусов и макромолекулярных соединений. Использование молекулярных методов в вирусологии позволило установить строение (архитектуру) вирусных индивидуумов - вирионов (термин введен французским микробиологом А. Львовым), способы проникновения вирусов в клетку и их репродукцию. Исследования показали, что генетическое вещество вирусов - ДНК или РНК. Нуклеиновые кислоты вирусов заключены в футляр-капсид из белковых молекул, у сложных вирусов могут быть внешние оболочки (суперкапсидные), состоящие из белков, углеводов и липидов.
С развитием исследований молекулярной биологии вирусов стали накапливаться факты, противоречащие представлению о вирусах как микроорганизмах по следующим уникальным свойствам:
К вирусам примыкают вироиды-агенты, открытые Т. О. Дайнером в 1972 г., вызывающие заболевание некоторых растений и способные передаваться как обычные инфекционные вирусы. Вироиды - это сравнительно небольшие молекулы РНК (300-400 нуклеотидов), лишенные белковой оболочки. Механизм репликации вироидов не вполне ясен.
Многие годы считали, что некоторые медленные инфекции у человека (Куру, болезнь Крейтцфельлта-Якоба, синдром Герстманна-Штрейусслера-Шейнкера и др.) и животных (энцефалопатия у крупного рогатого скота, норок и др.) вызывают вирусы. Однако оказалось, что причиной этих болезней является новый патогенный агент - прион, открытый в начале 80-х годов XX в. американским биохимиком Стенли Прузинером.
Несмотря на многолетнее развитие учения о вирусах, до сих пор нет общепринятого определения их. Определение «вирусы» несколько произвольно, и в разное время было предложено много его вариантов.
Вирусы являются неклеточными формами жизни. По-видимому, вирусы можно рассматривать как биологические образования, несущие генетическую информацию, которую они реализуют только в живых клетках человека, животных и растений.
О происхождении вирусов высказывались разные предположения. Одни авторы считают, что вирусы являются результатом крайнего проявления регрессивной эволюции бактерий и других одноклеточных организмов. Эту гипотезу большинство вирусологов не разделяют.
Согласно второй гипотезы вирусы - потомки древних, доклеточных форм жизни. Эту гипотезу большинство исследователей также не разделяют.
Гипотезу эндогенного происхождения вирусов поддерживают наибольшее количество вирусологов. Она предполагает, что вирусы произошли от генетических элементов клеток («взбесившихся генов»), ставших автономными. Вероятно, вирусы возникли и эволюционировали вместе с возникновением и эволюцией клеточных форм жизни.
Значение вирусов в нашей жизни очень велико. С одной стороны, это этиологические агенты большинства инфекционных болезней человека, животных и растений; с другой - вирусы, благодаря относительной простоте их строения, являются прекрасной биологической моделью для решения фундаментальных проблем биологии, генетики, биохимии, иммунологии, генной инженерии. «Вирусы дают нам единственный ключ к пониманию функции нуклеиновых кислот, а возможно, и к пониманию природы самой жизни».
В 1974 г. В. М. Жданов высказал гипотезу, согласно которой вирусы - важный фактор эволюции органического мира. Преодолевая видовые барьеры, вирусы могут переносить отдельные гены или их группы, а интеграция вирусной ДНК с хромосомами клеток может приводить к тому, что вирусные гены становятся клеточными генами, выполняющими важные функции.
Почему вирусология, которая зародилась в недрах микробиологии, за последние годы достигла такого стремительного успеха, став одной из ведущих и профилирующих дисциплин медикобиологической и ветеринарных наук? Этому способствовал ряд обстоятельств.
Во-первых, по мере сокращения роли бактерий, простейших и грибов в инфекционной патологии человека и животных, для лечения и профилактики которых имеются надежные биологические и химиотерапевтические препараты, роль вирусов возросла. Против многих вирусных болезней ни медицинская, ни ветеринарная наука еще не создала подобных препаратов. Так, до сих пор не решены проблемы с такими болезнями, как грипп, бешенство, ящур и др.
Во-вторых, возможность использования вирусов в качестве биологической модели. Таким образом, многие фундаментальные открытия в области биологии были сделаны благодаря вирусам (механизм репликации ДНК, механизм синтеза белка и др.).
В-третьих, установлено, что в широко распространенных респираторно-кишечных болезнях молодняка, наносящих огромный экономический ущерб, большую роль играют вирусы из различных таксономических групп (адено-, рота-, корона-, парамиксовирусы, вирусы диареи и др.). Оказалось, что при появлении вспышек этих заболеваний тесно взаимодействуют различные вирусы, бактерии, хламидии и стрессовые факторы.
В-четвертых, отдельные виды патологии (врожденные уродства, пороки развития и пр.), где роль вирусов даже не подозревалась, оказались вирусологическими. В медицине известно, что вирусы являются одной из причин внутриутробной патологии человека (вирус краснухи, гриппа, аденовирусы и др.). К сожалению, в ветеринарной вирусологии эта проблема не привлекла должного внимания. Хотя тератогенное действие вирусов наблюдается и в инфекционной патологии животных: вирус чумы свиней часто вызывает мертворождение и мумификацию плодов; вирус диареи крупного рогатого скота - гипоплазию мозжечка новорожденных телят; вирус инфекционного бронхита кур - патологическую форму яиц; вирус инфекционного ринотрахеита - пороки развития, слепоту у телят.
Установлена роль вирусов в возникновении некоторых хронических заболеваний. Накапливаются сведения о роли вирусов при острых сердечно-сосудистых заболеваниях, заболеваниях почек, поджелудочной железы, глаз и т. д. Только разносторонние исследования могут служить основой для суждения о роли вирусов в болезнях с неясной этиологией, которые до сих пор изучают врачи-неинфекционисты.
Очень важен как с эпидемиологической, так и эпизоотологической точки зрения факт миграции человеческих штаммов вируса гриппа в животный мир. Вирусы гриппа ускользают от действия иммунной системы организма за счет быстрого изменения своих антигенных детерминант. Это затрудняет проведение своевременных эффективных специфических методов профилактики. К сожалению, проблема гриппа до сих пор остается очень актуальной.
И наконец, накопились неоспоримые доказательства того, что многие опухолевые болезни вызывают вирусы (лейкоз птиц, крупного рогатого скота, болезнь Марека и др.). Выяснение причин возникновения злокачественных заболеваний человека, от которых во всем мире ежедневно погибают миллионы людей, остается одной из важнейших проблем современной биологии и медицины.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
