Фильтрующиеся вирусы | ТМ 1940-08/09

Профессор В. Л. Рыжков рассказывает о становлении учения о вирусах, начиная с открытия Д. Ивановского, показавшего существование инфекционных агентов, проходящих через бактериальные фильтры. Позднейшие исследования подтвердили, что такие возбудители вызывают болезни растений, животных и человека, а их природа долго оставалась предметом споров — вещество это или чрезвычайно мелкий организм.

Автор описывает, как постепенно удалось выделить вирусные белки, в том числе кристаллические формы, и доказать их способность к самовоспроизведению в клетках. Особое внимание уделено вирусу табачной мозаики, ставшему ключом к пониманию структуры и поведения этих частиц, а также роли насекомых‑переносчиков в распространении болезней.

Рыжков подчёркивает, что вирусы занимают промежуточное положение между живым и неживым, а их изучение имеет огромное значение для медицины, сельского хозяйства и теории происхождения жизни.

---

Профессор В. Л. РЫЖКОВ

12 февраля 1892 г. в Петербурге на заседании Академии наук состоялся доклад молодого учёного Д. Ивановского о его опытах над малоизвестным ещё в то время заболеванием табака, носящим название «мозаичная болезнь». Доклад был выслушан с интересом, однако никто не обратил внимания на то, что в нем заключалось великое, замечательное открытие. Ивановский профильтровал сок больного мозаичной болезнью табака через свечу Шамберлана — фарфоровый пористый цилиндр, которым пользуются бактериологи для освобождения жидкости от микробов. Фильтры такого рода задерживают даже чрезвычайно мелкие микробы. И вот неожиданным образом оказалось, что сок мозаичного табака и после фильтрации сохранил инфекционную силу. Заражение табака профильтрованным соком снова вызвало мозаичную болезнь. Так были впервые открыты фильтрующиеся вирусы. Эти вирусы представляют собой заразное начало, которое, в отличие от бактерий, проходит через бактериальные фильтры. Дальнейшие исследования показали, что существует очень много болезней, заразное начало которых обладает этой способностью.

Лист табака, больного мозаичной болезнью.

В условиях царской России работы Ивановского не получили никакого развития. Вирусные болезни растений, к числу которых принадлежит мозаичная болезнь табака, не изучались. Лишь после Октябрьской революции было уделено большое внимание работам в этой области: возник ряд лабораторий, занимающихся вирусными болезнями растений, а Академия наук создала специальную лабораторию, изучающую природу фильтрующихся вирусов.

Для того чтобы представить себе, какое огромное значение имеет вопрос о природе фильтрующихся вирусов, достаточно вспомнить, что к числу вызываемых ими болезней принадлежат оспа, бешенство, ящур и широко распространённый грипп. Не меньшее значение имеют вирусные болезни растений. Этими болезнями страдают хлебные злаки, помидоры, картофель, фруктовые деревья и декоративные растения. Не щадят вирусные болезни также и технические культуры, например хлопчатник.

Что же представляют собой фильтрующиеся вирусы? Этот вопрос во весь рост встал перед французскими бактериологами Лёффлером и Фрошем, когда они в 1898 г. обнаружили, что заразное начало ящура проходит через бактериальные фильтры точно так же, как и агент, вызывающий мозаичную болезнь табака. Этим учёным казалось, что необходимо выбирать между двумя гипотезами: либо предположить, что болезнь вызывается ядом, либо — что её возбудителем являются микробы, более мелкие, чем все известные до сих пор бактерии.

Первое предположение, однако, вскоре пришлось отвергнуть. Оказалось, что достаточно сотых долей кубического сантиметра профильтрованной жидкости, содержащей вирус ящура, чтобы вызвать заражение телёнка весом в 200 килограммов. И в то же время 0,02 куб. сантиметра инфекционной жидкости от этого телёнка могут заразить свинью весом в 30 килограммов. Заболевшая свинья становится заразной, и от неё болезнь может быть привита другим животным. Но ведь яд не может действовать, если он очень сильно разведён. Для яда существует предел разведения, за которым доза его слишком мала, чтобы действовать. Для вируса ящура такого предела не оказалось. Следовательно, фильтрующийся вирус ящура может размножаться, сделали вывод Лёффлер и Фрош. Поэтому они остановились на второй гипотезе: ящур вызывается микробами, гораздо более мелкими, чем возбудители бактериальных болезней.

В то же самое время, когда Лёффлер и Фрош открыли первую вирусную болезнь животных, в Голландии знаменитый бактериолог Бейеринк продолжал работу Ивановского, изучая мозаичную болезнь табака. Замечательными свойствами обладал вирус этой болезни. Самые тщательные поиски какого-либо микроба у больных растений не приводили ни к какому результату. Не удавалось также вызвать размножение заразного начала в пробирках, на питательной среде. И в то же время заразное начало обнаруживало способность к безграничному размножению, попав в лист табака. Если в сок табака, больного мозаикой, добавить спирт, то образуется объёмистый осадок. Вместе с ним осаждается и вирус, сохраняющий и при высушивании заразные свойства.

Бейеринк пришёл к выводу, прямо противоположному взгляду Лёффлера и Фроша. По его мнению, мозаичная болезнь табака вызывается не микробами, а особого рода веществом. В теле животных и растений находятся разнообразные ферменты, то есть вещества, играющие в живой природе роль катализаторов. Катализаторы же обладают способностью необычайно ускорять химические реакции. Бейеринк склонен был считать фильтрующиеся вирусы чем-то подобным ферментам. Он предполагал, что эти вещества, попав в живой организм, способны здесь к самовоспроизведению. Поэтому-то они и накопляются в огромных количествах.

*

Что же такое фильтрующийся вирус? Вещество или организм? В течение целых десятилетий учёные разделялись на два лагеря. Одни считали вирус столь мелким организмом, что он проходит через поры бактериальных фильтров и невидим под микроскопом. Другие же настаивали на том, что вирус — вещество. Сторонники второй точки зрения беспрерывно возобновляли попытки выделить вирус в чистом виде, тогда как первые старались заставить его размножаться вне организма, на питательных средах, и увидеть его под микроскопом.

Сделать вирусы видимыми отчасти удалось. Оказалось, что, пользуясь особыми методами окраски, в тканях животных и человека, поражённых вирусной болезнью, можно обнаружить мельчайшие зёрнышки или едва удлинённые палочки. Эти вирусные образования были названы элементарными тельцами. Их форма очень напоминала форму микробов, и, казалось, это говорило в пользу живой природы вирусов. Однако и тут возникли большие затруднения. Элементарные тельца оспы при помощи центрифуги, развивающей большую скорость вращения, можно осадить, собрать их в большом количестве и тщательно отмыть. Если эти тельца являются микробами, то, казалось бы, они должны обнаружить хоть какие-нибудь признаки жизни, но все попытки найти такие признаки в элементарных тельцах оказались тщетными. Они, например, вовсе не потребляли кислорода, не дышали, не размножались вне клетки. Стоило, однако, им снова попасть в восприимчивый организм, как они вызывали его заражение и начинали накопляться в его клетках в огромном количестве. Таким образом, строгих доказательств, что вирусы — это живые организмы, добыть не удалось. В клетках они накопляются, но никто не может утверждать, что это накопление зависит от подлинного размножения вируса, а не является биохимическим процессом.

Химической очисткой вируса успешно занимались главным образом ботаники, имевшие дело с вирусными болезнями растений. В течение ряда десятилетий эти работы дали много интересного. Оказалось, например, что вирус табачной мозаики может быть полностью осаждён из жидкости анилиновой краской — сафранином. Затем из этого соединения с краской он может быть извлечён при помощи пикриновой кислоты. Как видно, в данном случае вирус вёл себя как вещество. В самом конце 1935 г. была наконец одержана решительная победа. Американский учёный, доктор Стенли, сообщил, что ему удалось получить из табака, больного мозаичной болезнью, целых 10 граммов белкового вещества, образующего кристаллы и обладающего всеми признаками вируса табачной мозаики.

Кристалл вируса мозаичной болезни табака под микроскопом.

Казавшееся невероятным открытие Стенли было вскоре подтверждено в разных странах, в том числе и у нас в Лаборатории растительных вирусов Академии наук СССР. Из сока мозаичного табака действительно можно выделить белковое вещество, отсутствующее в здоровом растении. Это вещество вызывает заражение табака, даже будучи разведено до одной миллиардной доли. Достаточно попасть этому ничтожному количеству вирусного белка в растение, как белок начинает здесь накопляться в огромном количестве. За четыре дня количество его возрастает в миллион раз.

Таким образом, вирус табачной мозаики оказался веществом, но веществом совсем особого порядка, способным к самовоспроизведению.

*

После того как был получен вирус табачной мозаики в чистом виде, выделили и вирусы различных других болезней растений. Некоторые из этих вирусов в очищенном виде образуют настоящие кристаллы.

Вирусные белки — это заразное начало, обладающее способностью распространяться в природе. Вирус табачной мозаики очень устойчив. Он годами может сохраняться в гниющих жидкостях, не теряя своих заразных свойств. В Лаборатории растительных вирусов Института микробиологии Академии наук М. И. Гольдиным специально изучался вопрос о влиянии гнилостных микробов на вирус табачной мозаики. Оказалось, что эти микроскопические пожиратели белка, способные в короткий срок поглотить огромные количества белкового вещества, не могут разрушить вирусный белок.

Многие вирусные болезни растений распространяются только при помощи насекомых. К числу таких болезней принадлежит, например, закукливание овса. Эта страшная болезнь в отдельные годы уничтожала в целых районах Сибири весь урожай овса. Она известна в научной литературе уже лет двадцать, но долгое время о причинах закукливания существовали одни только предположения. Сотрудники Лаборатории растительных вирусов Института микробиологии тт. Сухов и Вовк в 1938 г. доказали, что это вирусная болезнь, и нашли насекомое, которое её переносит и распространяет. Тёмная цикада — так называется это насекомое — в конечном счёте является причиной того огромного ущерба, который представляет для народного хозяйства закукливание.

Тёмная цикада (увеличенная в несколько раз) — переносчик и распространитель закукливания.

В клетках больного овса накопляются многочисленные белковые кристаллы, которые мы считаем вирусом закукливания. Подобные же кристаллы можно найти в кишечнике цикады, питающейся соком больных растений. Скопление белкового вещества наблюдается и в слюнных железах цикады, из которых оно, очевидно, снова попадает в клетки овса, вызывая его заражение. Зимует вирус в личинках цикады. Так происходит циркуляция вирусного белка в природе. В этом случае вирусный белок ведёт себя наподобие малярийного плазмодия или какого-нибудь другого паразита, переносимого насекомыми.

Здоровый овёс (справа) и овёс, больной вирусной болезнью — закукливанием. Больной овёс перестаёт нормально расти, становится карликовым и кустистым. Вверху — клетки больного растения с белковыми кристаллами.

Очень интересно, как относится вирусный белок к клетке растения. Работы Лаборатории растительных вирусов Института микробиологии показали, что это отношение чисто паразитическое. Если растение лишено какого-нибудь необходимого для него элемента, например азота, то оно вынуждено расходовать свои запасы. Оно усиленно «переваривает» свой собственные запасные белки. Если лишить азота помидор, больной мозаичной болезнью, то, как оказалось, он продолжает накоплять вирусный белок. Следовательно, вопреки недостатку азота, вопреки интенсивному расходованию всех запасов, которыми располагает растение, количество вирусного белка продолжает увеличиваться. Под микроскопом можно наблюдать, как в клетках голодающих карликовых растений в огромных количествах откладываются кристаллы вирусного белка.

Кристалл одного из вирусов, поражающих помидор.

Вирусные белки обладают способностью изменяться. Экспериментально было доказано, что внезапно могут возникать новые формы вирусного белка. А раз возникнув, они сохраняются путём самовоспроизведения в больном растении. Кроме типичного вируса табачной мозаики, известен, например, возникший из него вирус, вызывающий на листьях вместо светло-зелёных пятен ярко-жёлтые.

Физические и химические свойства вирусных белков в настоящее время изучены довольно детально. Установлен также размер молекулы вируса табачной мозаики. Эта молекула имеет форму палочки, длина которой около 400 миллимикронов, а ширина всего только 12 миллимикронов. Молекулы некоторых других вирусов имеют шарообразную форму. Чтобы представить себе, как малы эти размеры, вспомним, что миллимикрон — это тысячная микрона, а микрон — тысячная миллиметра. Иными словами, миллимикрон так относится к миллиметру, как миллиметр к километру.

Благодаря электронному микроскопу и этот мир мельчайших частиц сделался видимым. Электронный микроскоп уже сейчас усовершенствован настолько, что даёт увеличение в десятки тысяч раз, тогда как при помощи обыкновенного микроскопа можно достигнуть увеличения только в две-три тысячи раз.

Частица вируса значительно меньше, чем самый маленький микроб. Одна из мельчайших бактерий имеет в поперечнике 750 миллимикронов, ширина же молекулы вируса табачной мозаики всего 12 миллимикронов. Однако среди молекул вирусы принадлежат к гигантам. Молекулярный вес вируса табачной мозаики определяется в 40 с лишним миллионов, тогда как молекулярный вес большей части белковых веществ равен нескольким десяткам тысяч. Вирусные белки можно назвать тяжёлыми белками. Фильтрующиеся вирусы, о которых идёт здесь речь, уже по размерам их частиц находятся в мире молекул, хотя и обладают некоторыми свойствами живых организмов.

*

Рассказывая о замечательных открытиях в области изучения растительных вирусов, мы совсем оставили в стороне вирусы, вызывающие заболевания у животных. Являются ли они тоже веществами, или же представляют собой простейшие микробы? Возможно, что одни из вирусов, вызывающих болезни у животных и человека, тоже белковые вещества, другие же более сложны и представляют собой мельчайшие микробы.

При одной вирусной болезни шелковичных червей в клетках накопляются белковые кристаллы. Такие болезни, вероятно, вызываются белковыми веществами такого же типа, как паразитические белки, вызывающие вирусные болезни растений. А что представляет собой элементарное тельце оспы, которое можно видеть под микроскопом: гигантскую молекулу или простейшую бактерию? Об этом ещё спорят. Не будем предрешать результатов этого спора и не будем входить во все его детали. Необычайно интересен и знаменателен самый этот спор. В мире фильтрующихся вирусов как бы теряется грань между живым и неживым. В настоящее время найдены такие мелкие микробы, которые проходят через бактериальные фильтры.

Сегодня мы ещё не знаем, каково происхождение вирусов: являются ли они чем-то переходным от неживого к живому, от мёртвого вещества к первым формам жизни, или же, наоборот, вирусы представляют собой продукт упрощения более сложных бактериальных форм жизни под влиянием паразитического образа существования. Если верно последнее, то эти гигантские молекулы паразитического белка скорее следует рассматривать как осколки живой клетки, ещё сохранившие некоторые признаки жизни.

Так или иначе, новейшие открытия в области вирусных белков создали совершенно новую область исследования этих оригинальных кристаллизирующихся веществ, способных к изменчивости, самовоспроизведению и паразитизму. Своеобразие исследуемой проблемы, прямое отношение её к основным вопросам о первичных формах жизни, её связь с актуальнейшими задачами медицины и сельского хозяйства делают её одной из самых центральных проблем науки о жизни.

Борьба с вирусными болезнями человека и животных в настоящее время успешно ведётся при помощи предохранительных прививок, уничтожения насекомых-переносчиков и другими методами. Для защиты растений от вирусных болезней особое значение имеет выведение устойчивых сортов, борьба с сорными растениями, в которых вирус может зимовать, и с насекомыми-переносчиками.