Карл Циммер: Планета вирусов
Вирус табачной мозаики
В пятидесяти милях к юго-востоку от мексиканского города Чиуауа находятся пустынные горные хребты Сьерра-де-Найка. В 2000 году шахтеры проводили разработки в пещерах под горами. Когда они углубились примерно на 300 метров, им показалось, что они попали в совершенно другой мир.Они очутились в зале десять на шесть метров. Его потолок, пол и стены были покрыты слоем гладких полупрозрачных кристаллов гипса. Кристаллы встречаются во многих пещерах, но кристаллы Сьерра-де-Найка были непохожи на другие. Каждый из них был длиной в двенадцать метров и весил не меньше пятидесяти пяти тонн. Эти кристаллы были малопригодны для изготовления украшений, зато отлично подходили для альпинизма.
Со времени открытия лишь немногим ученым удалось получить доступ к этому удивительному залу, получившему название Пещера Кристаллов. Хуан Мануэль Гарсия-Руис (Juan Manuel Garcia-Ruiz), геолог Университета Гренады, совершив путешествие, чтобы увидеть эту пещеру, установил, что кристаллы образовались около 26 миллионов лет назад, когда вулканическая деятельность сформировала горную цепь. Подземные залы были вымыты в толще скалы горячими потоками воды с минеральными примесями. Жар вулканической магмы поддерживал температуру воды в пещерах на уровне 146 градусов, что создало идеальные условия для того, чтобы из воды кристаллизовались содержавшиеся в ней минералы. Каким-то образом вода оставалась в идеальном состоянии для роста кристаллов на протяжении тысяч лет, что и позволило им вырасти до таких нереальных размеров.
В 2009-м другой ученый, Кертис Саттл (Curtis Suttle), посетил Пещеру Кристаллов. Саттл вместе со своими коллегами взяли пробы воды и привезли их в лабораторию Британской Колумбии для анализа. Если учесть специализацию Саттла, то его затея казалась пустой тратой времени. Саттл не интересовался ни кристаллами, ни минералами, ни геологией вообще. Он изучал вирусы.
В Пещере Кристаллов не было людей, которых вирусы могли бы инфицировать. Там не было даже рыбы. Пещера была отрезана от живого мира на протяжении миллионов лет. Поэтому все приготовления Саттла стоили затраченных усилий. Препарировав образцы кристаллической воды, он поместил их под микроскоп. В каждой капле воды из пещеры содержалось до двухсот миллионов вирусов.
Где бы ученые ни искали: глубоко под землей, в песках пустыни Сахара, под километровыми толщами антарктического льда - они находили вирусы. А в уже знакомых местах обнаруживали новые. В 2009 году Дана Виллнер (Dana Willner), биолог из Городского университета Сан-Диего, решила провести исследование человеческого организма на предмет обнаружения вирусов. Десять человек должны были плюнуть в чашку. Пятеро из них были больны муковисцидозом (фиброзно-кистозной дегенерацией), а пятеро других были здоровы. Из полученной жидкости Виллнер и ее коллеги выделили фрагменты ДНК, которые сравнили с базами данных, содержавшими миллионы генов, известных науке. До исследования, проведенного Виллнер, считалось, что легкие здоровых людей стерильны. Но Виллнер и ее коллегам удалось доказать, что легкие всех исследуемых людей, как здоровых, так и больных, являлись рассадником вирусов. В среднем, у каждого человека в легких обитает 174 вида вирусов, причем лишь 10% из них имели отношение к вирусам, известным науке, остальные же 90% были такими же необычными, как те, что были обнаружены в Пещере Кристаллов.
Наука вирусология еще очень молода. Ученые обнаруживают новые виды вирусов быстрее, чем им удается исследовать их должным образом. Но все-таки этой молодости предшествовало долгое детство, так как мы знали о вирусах на протяжении тысяч лет. А знали о них, так как наблюдали болезни и смерть. Но очень долго мы не знали, как связать причину со следствием. Само слово «вирус» является противоречивым. Оно было заимствовано из латинского языка, с которого его можно перевести как «змеиный яд», или «человеческое семя». Рождение и смерть в одном слове. По прошествии сотен лет слово «вирус» приобрело другое значение: им стали обозначать любую субстанцию, которая могла быть носителем болезни. Им называли жидкость, выделявшуюся из раны, вещество, таинственным образом перемещавшееся в воздухе, и даже листок бумаги, заражающий всякого, кто его коснется. Понятие «вирус» стало приобретать смысл, близкий к современному, лишь с наступлением XIX века благодаря сельскохозяйственной катастрофе. В Голландии табачные фермы были «выкошены» болезнью, поражавшей растения, и превращавшей их в мозаику из живых и мертвых участков ткани. Целые фермы были опустошены.
В 1879 году голландские фермеры обратились к Адольфу Мейеру (Adolph Mayer), молодому агрохимику, умоляя его помочь им. Он тщательно изучил чуму, поразившую растения, назвав ее болезнью табачной мозаики. Он исследовал условия, в которых рос табак: почву, температуру воздуха, количество солнечного света. Однако не мог обнаружить ничего, что бы отличало здоровые растения от больных. Возможно, думал он, растения поразила какая-то неведомая инфекция. Ботаниками к тому времени уже было доказано, что плесень может поражать картофель и другие растения. Но он ее не нашел. Он искал червей-паразитов, атаковавших листья. И опять ничего.
В конце концов, Мейер взял сок из больного растения и впрыснул его в здоровый табак. Здоровое растение, как и предполагал Мейер, также заболело. Должно быть, внутри больных растений живет какой-то болезнетворный микроорганизм. Сок, взятый из больного растения, Мейер поместил в инкубатор. Колонии бактерий начали расти и вскоре увеличились настолько, что стали видны невооруженным глазом. Мейер привил бактерии здоровым растениям, чтобы выяснить, вызовет ли это заболевание. Однако эксперимент закончился неудачно. Эта неудача завела исследования Мейера в тупик.
Несколько лет спустя другой голландский исследователь, Мартинус Бейеринк (Martinus Beijerinck), продолжил работу Мейера. Он предположил, что не бактерии вызывают болезнь табачной мозаики, а что-то, что намного меньше их. Он выкопал зараженные растения и прогнал полученную из них жидкость через фильтр, не пропускавший ни клетки растений, ни бактерии. Впрыснув очищенную таким образом жидкость в здоровый табак, он обнаружил, что растение заболело.
Бейеринк отфильтровал сок из только что инфицированных растений и обнаружил, что им можно заразить другие растения. В соке зараженных растений находилось что-то, что было гораздо мельче, чем бактерия, способное к самокопированию и распространяющее болезнь. Бейеринк назвал это «живым заразным флюидом».
Что бы ни находилось в живом заразном флюиде, оно принципиально отличалось от всех известных науке типов живых существ. Оно было не только невообразимо маленьким, но и невероятно живучим. Бейеринк добавлял в отфильтрованную жидкость спирт, но она все равно оставалась заразной. Кипячение также не принесло результатов. Бейеринк погружал пористую бумагу в жидкость, высушивал ее, и через три месяца вода, в которой была вымочена эта бумага, была способна заражать растения.
Бейеринк использовал слово «вирус» для описания загадочного вещества, содержавшегося в живом заразном флюиде. Впервые данное слово было использовано в его современном значении. Однако, в известном смысле, Бейеринк просто использовал его для того, чтобы определить, чем вирусы не являлись. Они не являлись животными, растениями, грибами или бактериями. Чем именно они были, Бейеринк сказать не мог. Он дошел до того предела, которого могла достичь наука XIX века.
Более глубокое изучение вирусов требовало лучшего оборудования и лучших научных достижений. Электронные микроскопы позволили ученым увидеть вирусы такими, какими они и являлись: частицами невероятно малого размера. Для сравнения: вытряхните из солонки одну крупинку соли. Вдоль нее может выстроиться десять клеток кожи. Около сотни бактерий. Если сравнивать их с вирусами, то бактерии просто гиганты. Вдоль одной крупинки соли может выстроиться более тысячи вирусов.
Несмотря на его малый размер, ученые нашли способы вскрыть вирус и заглянуть внутрь. Клетка человеческого тела состоит из миллионов разных молекул, которые она использует для «ощупывания» окружающей среды, ползания туда-сюда, питания, роста, а также для того, чтобы решить, стоит ли делиться на две или пожертвовать собой для благе своих «сестер». Вирусологи обнаружили, что большинство вирусов, которые они исследовали, состояли только из белковой оболочки и нескольких генов. Также им стало известно, что вирусы могут воспроизводить себя, несмотря на бедный набор генов, путем захвата клеток других живых организмов. Они наблюдали, как вирусы вводят в клетку свой генетический материал, заставляя ее производить новые вирусы. В клетку проникает один вирус, а выйти могут тысячи.
Вирусологи получили эти фундаментальные знания к 1950-м годам. Однако вирусология как наука не зашла в тупик. Для начала вирусологи почти ничего не знали о множестве способов, которыми вирусы нас заражают. Они не знали, почему вирус папилломы «выращивает» рога на кроликах и вызывает сотни тысяч случаев рака шейки матки ежегодно. Они не знали, что делает некоторые вирусы смертельно опасными, а другие практически безвредными. Им еще предстояло узнать, как вирусам удается обходить системы защиты своих носителей и эволюционировать быстрее, чем что-либо на планете. В 1950-х ученые не знали, что вирус, который впоследствии назовут ВИЧ, уже перешел от шимпанзе к человеку. Также они не знали, что через тридцать лет он станет самым смертоносным вирусом в истории человечества. Они даже не могли предположить, сколько различных вирусов обитает на нашей планете, не представляли себе, что большая часть генетического разнообразия жизни на Земле может быть обнаружена в генотипе различных вирусов. Они не знали, что вирусы участвуют в процессе выработки кислорода, которым мы дышим, и сохраняют температурный баланс на планете. И, конечно, они не могли догадаться, что геном человека частично сформирован тысячами вирусов, заражавших наших далеких предков. Или, что жизнь, какой мы ее знаем, могла произойти 4 миллиарда лет назад от вирусов.
Теперь ученые знают об этом, точнее, знают что-то об этом. Теперь они осознают, что от Пещеры Кристаллов до человеческого организма вся наша планета - это планета вирусов.
------------------
Эндогенные ретровирусы могут быть опасными паразитами, но ученые нашли несколько приносящих нам пользу. Когда оплодотворенная яйцеклетка формирует плод, часть его клеток становятся плацентой, которая предназначена для передачи зародышу питательных веществ. Клетки внешнего слоя плаценты сплавляются воедино, разделяя ДНК и другие молекулы. Хайдман и другие исследователи обнаружили, что эндогенные ретровирусы человека играют в этом процессе решающую роль. Клетки верхнего слоя плаценты используют ген для формирования белковой оболочки, связывающей их вместе. В один из самых интимных моментов, когда новая жизнь начинается путем слияния двух других, вирусы обеспечивают наше выживание. Нет деления на нас и них - есть только всеобъемлющее непрекращающееся смешение генов.
-------------------
Обнаруженные недавно новые виды вирусов, такие как мимивирусы, заставляют ученых пересмотреть свои взгляды на то, что такое вирусы. Законы природы, казавшиеся такими незыблемыми, расшатываются на глазах. За спорным вопросом: «Что такое вирус?» - встает гораздо более масштабный: «Что такое жизнь?»
Долгое время ученые считали, что между вирусами и «настоящими» живыми организмами, такими как бактерии, простейшие, растения, животные и грибы, лежит непреодолимая пропасть. Многие отмечали крайне малое количество генов у вирусов, доказывая, что при их способе размножения быть больше у них и не может. Так как вирусы размножаются, захватывая другие клетки, они подходят к копированию своих генов крайне небрежно. У них, например, отсутствует репаративный фермент, который мог бы исправлять возникающие при этом ошибки. Вследствие этого они гораздо в большей мере подвержены смертельным мутациям. Если у вируса будет несколько тысяч генов, то такой вирус будет нежизнеспособным из-за огромного шанса возникновения такой мутации.
Количество генов, имевшихся у обнаруженных на тот момент вирусов, служило данной теории хорошим подтверждением. Гены вирусов находятся в закодированном виде либо в ДНК, либо в ее однонитиевой версии - РНК. По целому ряду причин РНК, по своей сути, гораздо больше подвержена ошибкам при копировании. Как выяснилось, вирусы, строящиеся на основе РНК, такие как грипп или ВИЧ, имеют гораздо меньшее количество генов, чем вирусы, имеющие ДНК.
Вынужденные обходиться малым количеством генов, вирусы отказались от генов, отвечающих за функции, отличные от размножения и выживания. Так, у них не может быть генов, позволяющих им, например, есть. Они не могут самостоятельно преобразовывать вещества в новые гены и белок. Они не могут расти. Они не могут выводить продукты распада. Они не могут противостоять низким и высоким температурам. Они не могут размножаться делением. Все эти «не» не складываются в одно ошеломляющее «не». Вирусы не живые.
Чтобы считаться живым организмом, утверждали ученые, нужно обладать настоящими клетками. «Организм состоит из клеток», - заявлял в своей лекции, посвященной получению им Нобелевской премии в 1967 году, микробиолог Андре Львов (Andre Lwoff). Так как у вирусов нет клеток, они воспринимались просто как изолированный генетический материал, который обладал необходимыми химическими свойствами, позволяющими ему воспроизводить себя внутри настоящих клеток. Ученым удавалось кристаллизовать вирусы таким же образом, как они получали соль из ДНК. А вот кристаллизовать клетки почему-то никому не удалось. В 2000 году Международная комиссия по таксономии вирусов объявила, что «вирусы не являются живыми организмами».
В течение десяти лет после этого заявления множеству ученых удалось его опровергнуть. В свете открытия новых вирусов старые правила уже не работали. Мимивирусы, например, скрывались от взглядов исследователей так долго отчасти из-за того, что были в сотни раз крупнее, чем обычные вирусы. Также у них было слишком много генов, чтобы они могли отвечать представлениям о том, как устроены вирусы. Ученые точно не знают, что мимивирусы делают со всеми своими генами, но предполагают, что благодаря им в мимивирусах протекают процессы, схожие с процессами, протекающими в живых клетках. Некоторые белки мимивирусов напоминают белки, которые в наших клетках служат для синтезирования новых генов и белков.