Я познаю мир. Вирусы и болезни

Чирков С. Н.

Очередной том детской энциклопедии «Я познаю мир» посвящен организмам, разнообразие которых в дикой природе не поддается даже приблизительной оценке. Вирусные болезни известны не одно столетие, но и в наши дни вирусы никуда не исчезли. О том, что собой представляют эти организмы, как человек исследует их и борется с болезнями, которые они вызывают, рассказывается на страницах книги.

Издание снабжено предметно–именным указателем и может использоваться как справочник при подготовке школьных рефератов и докладов.

 

Предисловие

Вирусные болезни известны не одно столетие. В египетских папирусах, относящихся к IV тысячелетию до н. э., имеются упоминания об оспе. На мумии фараона Рамзеса V, умершего в XII веке до н. э., ясно видны следы оспенных пустул. Следы оспы изображены на глиняных человеческих фигурках, найденных в Мексике и изготовленных за шесть веков до н. э. По меньшей мере с IX века до н. э. люди знают о бешенстве и о том, что заболевание передается человеку при укусе. Похоже, что уже в Древнем Египте был известен полиомиелит – на одном из барельефов обнаружено изображение больного с ногой, искривленной от полиомиелита. Давним "другом" человека является вирус гриппа. Эпидемия гриппа среди афинских солдат в 412 году до н. э. была описана еще Гиппократом. В сочинениях Гиппократа есть и описание эпидемического паротита (свинки). Термин "герпес" впервые использован древнегреческим историком Геродотом в 100 году до н. э. для обозначения заболевания, сопровождавшегося образованием пузырьковых высыпаний на коже. Уже в X веке была известна арабским врачам корь. В основе легенд о "Летучем Голландце" лежала, возможно, желтая лихорадка, которая веками господствовала в тропической Африке и косила судовые команды торговых кораблей. Первая эпидемия желтой лихорадки, завезенной из Западной Африки, была зарегистрирована в Мексике в 1648 году. По меньшей мере с XVI века в Европе известна краснуха. Еще в 1527 году было описано вирусное заболевание тутового шелкопряда.

Искривленная нога мужчины – следствие перенесенного полиомиелита.

Высказывалось предположение, что народ майя, обитавший на территории современной Мексики и полуострове Юкатан, погиб от нескольких последовавших один за другим неурожаев кукурузы – основного продукта питания – из–за ее заражения вирусом. Голландские художники начала XVII века на своих натюрмортах часто изображали цветки тюльпанов, зараженных вирусом пестролепестности.

И в наши дни вирусы никуда не исчезли. Более того, число известных вирусов увеличивается с каждым годом. Главным их источником является дикая природа, разнообразие вирусов в которой не поддается даже приблизительной оценке. Человек вторгается в природу с целью освоения новых земель – и вирусы, о существовании которых мы и не подозревали, от которых, в худшем случае, раньше страдали единицы, да и то случайно – становятся бичом для обширных регионов мира. Человек просто обречен постоянно сталкиваться с ними, и эти столкновения еще долго будут приводить к открытию новых вирусных инфекций.

Кроме того, совершенствование методов исследования вирусных болезней часто приводит к выделению новых вирусов, вызывающих известное инфекционное заболевание. Например, то, что инфекционная желтуха имеет вирусную природу, было известно давно, но лишь сравнительно недавно стало понятно, что гепатит вызывает не один, а несколько разных вирусов, и неизвестно, сколько их еще будет обнаружено. Обнаруживают возбудителей болезней, ранее считавшихся неинфекционными, таких, например, как первичный рак печени или рак шейки матки.

Понижение иммунитета у людей в результате распространения СПИДа, массового применения антибиотиков и иммунодепрессантов (прежде всего в связи с ростом аллергических заболеваний) вызывает активизацию вирусов, ранее пребывавших в дремоте и никак себя не проявлявших.

Одни вирусные заболевания, в результате борьбы с ними или в силу естественных причин, на время отступают, но на смену им приходят другие, часто не менее опасные. Кажется, искоренили оспу, зато 20 лет назад проявился СПИД, несколько лет назад возникла серьезная озабоченность вокруг "коровьего бешенства", а весной 2003 года человечество

было взволновано эпидемией атипичной пневмонии, которая быстро распространялась из Китая по всему миру. Эту эпидемию удалось остановить, но сколько их еще ждет своего часа – не в последнюю очередь и потому, что непрерывно образуются новые разновидности вирусов.

Вирусы серьезно осложняют жизнь современного человека. Они являются возбудителями тяжелых заболеваний человека и животных. В связи с увеличением плотности населения и усилением миграции людей вирусы получают больше возможностей вызывать обширные эпидемии – как всегда, неожиданно, зачастую с высокой смертностью и ощутимыми экономическими последствиями. Вирусные болезни культурных растений вызывают огромные потери сельскохозяйственной продукции.

С вирусами мы сталкиваемся повсюду, часто самым неожиданным образом. Оставаясь незримыми, они влияют на наши планы и на результаты нашей деятельности. Поэтому иметь представление о том, что такое вирусы, важно и необходимо хотя бы для того, чтобы разумными мерами избегать заражения, где это возможно, и не способствовать распространению вирусов. Профилактика вирусных инфекций, в том числе с помощью своевременных прививок – вернейший способ избежать заболевания и важный элемент здорового образа жизни. Правильные представления о приророде вирусов помогают быстрее справиться с болезнью, а знание путей передачи вирусов от одного организма другому часто позволяет эффективно сдерживать их распространение.

Автор выражает благодарность сотрудникам издательства "Астрель", подвигнувшим его написать эту своевременную книгу.

 

Основные свойства вирусов

 

Что такое вирусы?

"Вирусы (от латинского – virus, то есть "яд") – неклеточные формы жизни. Состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и белковой оболочки (капсида). Открыты в 1892 году Д.И. Ивановским. Вирусы – внутриклеточные паразиты, они размножаются только в живых клетках, используя их ферменты для синтеза зрелых вирусных частиц – вирионов. У разных вирусов вирионы сильно различаются по форме и размерам (20–400 нанометров). Распространены повсеместно, вызывают болезни растений, животных и человека. Широко используются в генетической инженерии. Вирусы бактерий (бактериофаги) – классический объект молекулярной генетики".

Так определяет вирусы "Новый иллюстрированный энциклопедический словарь" (М.: Научное издательство "Большая Российская Энциклопедия", 2000 г.)

Это краткое определение вирусов мы попробуем объяснить более подробно.

Хотя вирусные болезни известны с незапамятных времен, о природе их невидимых возбудителей долгое время можно было только догадываться. В сущности, мало что изменилось и после открытия на рубеже XIX–XX веков первых вирусов – табачной мозаики, ящура и желтой лихорадки. Стало понятно, что вирусы очень мелкие, значительно меньше бактерий, но их устройство по–прежнему оставалось тайной, покрытой мраком. Так продолжалось вплоть до 30–х годов XX века, когда с помощью электронного микроскопа ученые, наконец, смогли увидеть, как выглядят вирусы.

Оказалось, что вирусы – это частицы. Действительно очень маленькие, так что разглядеть их можно только при увеличении в десятки и сотни тысяч раз, – но любой, даже самый мелкий вирус имеет характерную форму, структуру и размер. (Размеры вирусов сейчас принято указывать в нанометрах. Напомним, что 1 нанометр ровно в миллион раз меньше миллиметра).

Так выглядит поверхность одного из сферических вирусов. Белок оболочки собран в правильные структуры, наподобие цветка кувшинки, образуя сложный рельеф поверхности вирусной частицы

Очень многие вирусы, выделенные из животных, бактерий и растений, имеют сферическую форму. Встречаются очень мелкие вирусы с диаметром сферы 20–30 нанометров, как, например, вирус полиомиелита или вирус огуречной мозаики. А вот сферические частицы вирусов герпеса примерно в десять раз крупней. Сферические вирусы гриппа очень пластичны и могут изменять свою форму вплоть до нитевидной.

Сферическая вирусная частица ни в коей мере не похожа на биллиардный шар. Ее поверхность всегда рельефная, потому что содержит выступы различной формы и размеров. Выступы могут выглядеть как едва заметные бугорки или выдаваться очень сильно. Кроме того, если приглядеться, поверхность многих вирусных частиц на самом деле не сферическая, а многогранная. В мире вирусов самый распространенный многогранник – это икосаэдр, то есть геометрическое тело с 20 гранями, являющимися равносторонними треугольниками. Он имеет 12 вершин, где сходятся углы пяти треугольников, и 30 ребер, где смыкаются стороны двух соседних треугольников.

Поверхность многих вирусов представляет собой многогранник, обычно это икосаэдр

Частицы очень многих вирусов растений и некоторых бактериофагов выглядят как тонкие нити различной длины, характерной для каждого вида вируса. Скажем, нитевидные вирусы X ("икс") картофеля имеют длину 500 нанометров и толщину 12 нанометров, а нити вируса желтухи свеклы втрое длинней. Длина нитевидных частиц вируса – возбудителя геморрагической лихорадки Эбола достигает 14.000 нанометров, а диаметр их поперечного сечения составляет 80 нанометров. Обычно эта нить – или скорее уж канат – бывает свернута кольцами. Поверхность нитей тоже никогда не бывает совершенно гладкой; напротив, часто хорошо заметна ее поперечная исчерченность.

Некоторые вирусы растений похожи на жесткую палочку. Самой знаменитой палочкой является, конечно, вирус табачной мозаики. Длина, его частицы составляет 300, а толщина 18 нанометров. Собственно, это не палочка, а толстостенный цилиндр, потому что в центре вирусной частицы, вдоль ее длинной оси, проходит узкий сквозной канал.

Частицы вируса мозаики люцерны имеют, как говорят, бацилловидную форму, то есть выглядят как короткие круглые палочки с закругленными краями. А вот вирус бешенства или вирус морщинистости земляники по форме похожи на пистолетную пулю. Вирус натуральной оспы напоминает кирпич со сглаженными краями.

Частицы большинства бактериофагов состоят как бы из двух частей – головки сферической или вытянутой формы и хвостового отростка, который по внешнему виду напоминает нитевидную вирусную частицу, но может быть таким коротким, что сразу и не заметишь.

Бесспорно, форма вирусной частицы является важной характеристикой вируса, но не она определяет его основные биологические свойства. Для того чтобы постигнуть сущность вируса, необходимо разобраться, как устроена вирусная частица и заглянуть в ее нутро.

 

Как устроена вирусная частица

Как устроена та или иная конструкция, не всегда понятно с первого взгляда. В этом случае ее можно попытаться разобрать и собрать заново, если получится.

Вирусные частицы тоже можно разобрать на составные части и собрать вновь. Впервые такую операцию проделали с вирусом табачной мозаики. С тех пор прошло немало лет, и о структуре вирусов стало известно довольно много.

Внутри вирусной частицы находится нуклеиновая кислота, представляющая собой генетический материал вируса. В нем закодирована наследственная информация о всех свойствах вирусной частицы. Генетический материал – вещь необыкновенно ценная, которую надо беречь, как зеницу ока. Поэтому нуклеиновая кислота всегда упакована в оболочку. Оболочка собрана из нескольких десятков, или сотен, или тысяч – в зависимости от формы и размеров вируса – отдельных белковых молекул, которые называются белком оболочки вируса. Белковые молекулы уложены вплотную одна к другой, надежно защищая нуклеиновую кислоту. У нитевидных и палочковидных вирусных частиц белковые молекулы уложены в спираль, а у сферических вирусов образуют грани икосаэдра. Чаще всего белок оболочки представлен молекулами одного типа, но нередко бывает, что для заделки швов между гранями в оболочку сферических вирусов вставляются белки другой формы.

Наиболее просто устроенные вирусы этим и ограничиваются, но многие укутаны сверху еще в одну оболочку, состоящую из двойного слоя липидов. Слово "липиды" по–русски означает "жиры". Из липидов построена наружная мембрана любой клетки. Когда вирус покидает клетку, он выкраивает себе кусок клеточной мембраны и уходит, завернувшись в нее. Из липидной мембраны выступают наружу различные белки, необходимые вирусу для взаимодействия с клеткой. Часто их называют шипиками или пепломерами.

Главное содержание вирусной частицы – это его нуклеиновая кислота. Оболочка выполняет роль одежды. Она не обязательна для заражения (заразить клетку способна и голая нуклеиновая кислота), но в ней удобней и безопасней. И так же как наша одежда обычно многослойна, вирусная оболочка тоже может состоять из нескольких слоев, у каждого вида вируса по–своему.

Схема строения вируса, покрытого липидной мембраной (оболочки частично вскрыты): 1 – липидная мембрана; 2 – белок , выступающий из липидной мембраны; 3 – капсид вириона в виде многогранника; 4 – нить нуклеиновой кислоты в сердцевине вириона

 

Нуклеиновые кислоты вирусов

Молекулы нуклеиновых кислот состоят из отдельных звеньев – нуклеотидов, соединенных между собой в длинные нити. В зависимости от структуры нуклеотидов, из которых они состоят, нуклеиновые кислоты бывают двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Нуклеиновая кислота вируса может быть представлена либо молекулами РНК, либо молекулами ДНК. Вирусов, у которых имеются оба типа нуклеиновых кислот, не существует.

Нити нуклеиновой кислоты у разных вирусов имеют различную длину. Ее принято измерять количеством составляющих ее нуклеотидов или нуклеотидных пар, если нуклеиновая кислота двунитевая. РНК самых мелких вирусов состоит примерно из трех тысяч нуклеотидов. ДНК самых крупных вирусов состоит почти из 200 тысяч нуклеотидных пар.