1.2 Вирусология как биологическая наука

Вирусология по праву стала теперь одной из основные биологиче­ских наук. Подобно тому, как в начале нашего века из некоторой важной, но чисто практической области возникла микробиология как одна из от­раслей биологии, так и в середине прошлого века вирусология превратилась в определенную совокупность знаний и концепции со своими собственными перспективами и путями развития. Возникнув вначале как ветвь пато­логии — патологии человека и животных, с одной стороны, и фитопато­логии — с другой,— вирусология достигла того уровня, когда ее прогресс определяется логикой внутреннего развития в той же мере, как и требо­ваниями практики.

Основным стимулом к становлению вирусологии явилось накопление знаний о вирусах бактерий, или бактериофагах, и объединение изучения бактериофагов с генетикой бактерий. Вирусологи, занимающиеся изуче­нием вирусов животных и растений, при решении различных вирусоло­гических проблем пытались использовать методы работы с фагами и концепции, возникшие при исследовании этих объектов. Это способство­вало облегчению контактов между вирусологами, которые стали более плодотворными, доказательством чему служит преуспевание журнала «Virology», основанного в 1955 г.

В это же время возникла новая отрасль биологии — молекулярная биология, изучающая свойства, функции и организацию биологических макромолекул. Вирусология стала составной частью молекулярной био­логии, поскольку она изучает субклеточные объекты - вирусы, структура и организация которых лежат на макромолекулярном уровне.

Что представляет собой вирусология сегодня? Основные биологиче­ские науки можно классифицировать в соответствии с природой изучае­мого ими предмета как описательные, интегративные и редукционистские науки. Описательные науки, такие, например, как ботаника, мико­логия, энтомология, ихтиология, характеризуются тем, что изучаемый ими предмет представляет собой группу организмов, обра­зующих определенную таксономическую единицу, т. е. имеющих общее происхождение и историческое развитие. Интегративные науки — физио­логия, экология, генетика — анализируют общие или специализирован­ные свойства живых организмов в их динамических связях и превраще­ниях. Редукционистские науки, как, например, биохимия и биофизика, изучают элементарные процессы и функции организмов на уровне моле­кул, атомов, электронов, представляющих собой мельчайшие единицы материи.

Отнести вирусологию к одному из трех приведенных выше подраз­делений, на которые можно классифицировать биологические науки, не­просто. Чтобы определить предмет, который изучает вирусология, т. е. вирусы, нельзя пользоваться теми обычными критериями, которые мы применяем для определения животных или растений. Само по себе опре­деление вируса несколько произвольно, и было предложено много ва­риантов, что доказывает сложность задачи.

Львов предложил определять вирусы как «строго внутрикле­точные, потенциально патогенные агенты, обладающие инфекционной фазой, содержащие лишь один тип нуклеиновой кислоты, репродуцирую­щиеся в форме генетического материала, неспособные к росту и делению и лишенные системы Липмана» (т. е. одной из ферментных систем, уча­ствующих в производстве энергии). Это определение, подчеркивает не­клеточную природу вирусов, их зависимость от метаболизма клетки-хо­зяина и тот факт, что на определенной стадии цикла репродукции специ­фический материал вируса представлен одной только нуклеиновой кис­лотой.

Согласно другому определению, вирусы рассматриваются как «эле­менты генетического материала, которые могут детерминировать в клет­ках, где они репродуцируются, биосинтез специфического аппарата, обес­печивающего их проникновение в другие клетки». Это определение подчеркивает в большей степени способность вирусов распространяться из клетки в клетку, нежели отсутствие у них собственной метаболиче­ской активности.

В настоящее время наиболее приемлемым является следующее определение: «Вирусы — это объекты, геном которых представлен нуклеиновой кислотой — ДНК или РНК; эта нуклеиновая кислота репродуцируется в живых клетках и, используя их синтетический аппарат, заставляет клетки синтезировать специализиро­ванные частицы, или вирионы, содержащие геном вируса и способные передавать его в другие клетки». Все эти определения отражают два качества вирусов: во-первых, на­личие у вируса собственного генетического материала, который внутри клетки-хозяина ведет себя как часть данной клетки, и, во-вторых, суще­ствование внеклеточной инфекционной фазы, представленной специали­зированными частицами, или вирионами, которые репродуцируются в клетке под генетическим контролем данного вируса и служат для введе­ния генома вируса в другие клетки. Предложенные определения отли­чаются друг от друга тем, какое место в них отводится другим свойст­вам вирусов, таким, например, как субмикроскопические размеры вирус­ных частиц, (подразумевая под субмикроскопическими размерами размеры менее 2000 А, что находится на пределе разрешения обычного светового микроскопа) или патогенность— свойство вируса, без которого невозможно установить его присутствие в клетке - хозяина. Патогенность вирусов может быть либо явной, когда инфицированные клетки и орга­низмы изменяются или разрушаются, либо скрытой, когда клетки сосу­ществуют с геномом вируса на протяжении многих поколений без за­метного фенотипического проявления. Все же вирус должен, в конце концов, вызвать изменение в синтетических процессах клетки, результатом которого будет образование инфекционных вирусных частиц, или вирионов.

Внутриклеточный паразитизм свойствен не только вирусам, но и другим классам паразитов, в том числе некоторым бактериям, грибам и простейшим. Однако в определениях вирусов подчеркивается особая природа их паразитизма, который можно назвать паразитизмом на гене­тическом уровне. Такие паразиты, как малярийный плазмодий, бациллы проказы, риккетсии, имеют клеточную организацию — хромосомные ге­ны, рибосомный аппарат и митохондриальный аппарат или эквивалент последнего с более или менее сложными системами для освобождения и утилизации энергии. Очевидно, что эти паразиты являются клеточными организмами независимо от того, устроены ли они по принципу эукариотических клеток, т. с. клеток животных и растений, для которых харак­терно наличие набора хромосом и полностью развитой системы внутри­клеточных мембран, либо по принципу прокариотических клеток, подоб­ных бактериальным. Тот факт, что эти организмы способны выживать и размножаться только внутри других клеток, объясняется не отсутствием собственной клеточ­ной организации, а их потребностью в поступлении «готовых» (экзоген­ных) источников питания.

Долгое время к вирусам относили группу внутриклеточных патоген­ных агентов, таких, например, как возбудители пситтакоза, венерической лимфогранулемы и других сходных болезней. В настоящее время эти возбудители классифицируются как Chlamydozoaceae, а по самой последней классификации как род Miyagawanella (в составе клас­са риккетсий). К вирусам их нельзя относить по двум причинам: они содержат два типа нуклеиновой кислоты, что предполагает наличие у них клеточной организации, и они сохраняют эту организацию внутри клетки, где они растут, т. е. увеличиваются в размерах и размножаются делением надвое.

Репликация вирусов находится в строгой зависимости от клетки-хо­зяина. Этим они отличаются от субмикроскопических, но свободно живу­щих организмов, таких, как Mycoplasma, которые обладают клеточной организацией и, являясь бактериями, лишен­ными жесткой клеточной стенки. Зависимость Mycoplasma практически от всех метаболитов, которые могут проникать через полупроницаемую мембра­ну, привела к крайнему сокращению их генома, ферментного аппарата, клеточных структур и соответствующему уменьшению их размеров. Образование так называемых L-форм, которые представляют собой обыч­ные бактерии, утратившие в результате мутаций способность образовы­вать клеточную стенку, возможно, следует рассматривать как мо­дель того процесса, который привел к появлению Mycoplasma.

Специфичность круга хозяев у вирусов является дополнительным до­казательством того, что отношение вирус — хозяин не ограничивается лишь питанием, а носит более сложный характер. Если бы нашелся та­кой внутриклеточный паразит, который, будучи неспособен размножаться в свободном состоянии, тем не менее, мог бы размножаться в живых клетках любого типа, то мы вправе были бы допустить, что этот паразит будет размножаться и в свободном состоянии, если только он получит какие-то пока еще не известные нам (возможно, нестойкие) вещества, которые обычно ему поставляет клетка. Позднее мы увидим, однако, что взаимоотношения вирусов с клеткой-хозяином очень сложны; ожидать, что вирус будет размножаться в свободном состоянии, можно только в том случае, если нам удастся выделить из клетки и реконструировать in vitro клеточный аппарат, необходимый для того, чтобы макромолекулярные синтезы протекали упорядоченным образом.

Размеры частиц — вопрос, который мы будем детально обсуждать ниже, — являются недостаточным критерием для отнесения исследуемых частиц к категории вирусов. Это становится очевидным, если мы сопо­ставим эти размеры, с одной стороны, с мельчайшими клетками Мусоplasma (диаметр — 100 ммк, т. е. меньше, чем у самых больших вирусов) и, с другой, например, с молекулами гемоцианина (молекулярный вес 3- 106 дальтон — величина, сравнимая с массой достаточно мелкого бак­териофага).

Возможно, в растительных и животных клетках могли бы образовы­ваться вирусные частицы диаметром в несколько микронов. Но именно малые размеры вирусов сыграли в свое время важную роль в создании соответствующих вирусологических методов. С самого зарождения виру­сологии для отделения инфекционных вирусных частиц от бактерий (за­грязняющих препарат вируса) и для доказательства небактериальной природы изучаемых заболеваний использовались бактериальные фильт­ры. Отсюда и традиционное название фильтрующийся вирус, заменившее прежнее ультравирус, а затем в свою очередь замененное общепринятым в настоящее время словом вирус.