Задания части А. Выберите один правильный ответ из четырех предложенных

А1. Низшим уровнем организации живого является:

1) атомный

2) клеточный

3) молекулярный

4) организменный

А2. Среди пеерчисленных веществ не является биологическим полимером:

2) глюкоза

3) гликоген

4) гемоглобин

А3. Неорганическими веществами клетки являются:

1) углеводы и жиры

2) нуклеиновые кислоты и вода

3) белки и жиры

4) вода и минеральная вода

А4. Органические вещества клетки, обеспечивающие хранение наследственной информации и передачу ее потомкам, основа ее генетического аппарата:

3) углеводы

4) нуклеиновые кислоты

А5. Из перечисленных углеводом моносахаридом является:

2) крахмал

3) сахароза

4) фруктоза

А6. Молекулы липидов состоят из:

1) аминоксилот

2) моносахаридов

3) воды и минеральных веществ

4) глицерина и высших жирных кислот

А7. По сравнению с окислением 1 г углеродов при оксилении жиров такой же массы образуется энергии:

1) меньше в два раза

2) больше в два раза

3) больше в четыре раза

4) одинаковое количество

А8. Органические вещества, являющиеся основным строительным материалом структур клетки и принимающие участие в регуляции процессов ее жизнедеятельности, - это:

1) белки

3) углеводы

4) нуклеиновые кислоты

А9. Все многообразие белков образуется за счет различного сочетания в их молекулах:

1) 4 аминокислот

2) 20 аминокислот

3) 28 аминокислот

4) 56 аминокислот

А10. Нивысший уровень пространственной структурной конфигурации молекулы гемоглобина:

1) первичный

2) вторичный

3) третичный

4) четвертичный

А11. Мономерами молекул нуклеиновых кислот являются:

1) нуклеотиды

2) моносахариды

3) аминоксилоты

4) высшие жирные кислоты

А12. В состав ДНК входит сахар:

2) глюкоза

3) фруктоза

4) дезоксирибоза

А13. Укажите пару комплементарный нуклеотидов в молекуле ДНК:

2) А-Т

А14. Для участка ДНК АЦЦГТААТГ укажите комплементарую цепь:

1) ААГГТЦАГТ

2) ТГГЦТААЦЦ

3) ТЦЦГТТАЦГ

4) ТГГЦАТТАЦ

А15. В состав АТФ входиьт:

1) рибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты

2) рибоза, аденин, один остаток фосфорной кислоты

3) рибоза, дезоксирибоза, три остатка фосфорной кислоты

4) дезоксирибоза, аденин, три остатка фосфорной кислоты

А16. АТФ играет важную роль в метаболизме организмов, так как:

1) является структурной основой нуклеотидов

2) содержит микроэнергический связи

3) обычно является конечным продуктом обмена веществ

4) ее можно быстро получить из среды, окружающей организм

А17. К водорастворимым относится витамин:

2) С

А18. По химическому составу большинство ферментов являются:

2) белками

3) углеводами

4) нуклеиновыми кислотами

2) вирусы

3) бактерии

4) одноклеточные растения

А20. Вирусы состоят из:

1) целлюлозной оболочки, цитоплазмы, ядра

2) белковой оболочки и цитоплазмы

3) нуклеиновой кислоты и белковой оболочки

4) нескольктх микроскопических клеток

Задания части В. Выберите три правильных ответа из шести предложенных

В1. Молекула ДНК отличается от иРНК тем, что:

1) она свернута в спираль

2) состоит из двух полинуклеотидных цепочек

3) состоит из одной полинуклеотидной цепочки

4) обладает способностью самоудваивания

5) не обладает способностью самоудваивания

6) служит матрицей для сборки полипептидной цепи

В2. Для углеводов характерны следующие функции:

1) сигнальная

2) структурная

3) транспортная

4) регуляторная

5) энергетическая

6) ферментативная

Установите соответствие между содержанием первого и второго столбцов

В3. Соотнесите органическое вещество и функцию, выполняемую им в клетке и/или в организме

а	б	в	г	д
5	1	4	2	3

Установите правильную последовательность биологических процессов, явлений, практических действий

В4. Установите последовательность образования структуры молекулы белка гемоглобина

а) скручивание молекул белка в спираль

б) образование пептидных связей между аминокислотами и формирование пептидной цепи

в) объединение нескольких глобул

г) скручивание молекулы белка в клубок

Представители царства вирусов - особая группа жизненных форм. Они имеют не только узкоспециализированное строение, но и характеризуются специфическим обменом веществ. В данной статье мы изучим неклеточную форму жизни - вирус. Из чего состоит, как размножается и какую роль он играет в природе, вы узнаете, прочитав ее.

Открытие неклеточных форм жизни

Российский ученый Д. Ивановский в 1892 году занимался изучением возбудителя болезни табака - табачной мозаики. Он установил, что патогенный агент не относится к бактериям, а является особой формой, в последующем названной вирусом. В конце 19 века в биологии еще не использовали микроскопы с высокой разрешающей способностью, поэтому ученый не смог узнать, из каких молекул состоит вирус, а также увидеть и описать его. После создания электронного микроскопа в начале 20 столетия мир увидел первых представителей нового царства, оказавшихся причиной многих опасных и трудно излечимых болезней человека, а также других живых организмов: животных, растений, бактерий.

Положение неклеточных форм в систематике живой природы

Как было сказано ранее, эти организмы объединены в пятое - вирусы. Главный морфологический признак, характерный для всех вирусов, - отсутствие клеточного строения. До сих пор в научном мире не прекращаются дискуссии по вопросу, являются ли неклеточные формы живыми объектами в полном смысле этого понятия. Ведь все проявления метаболизма у них возможны только после проникновения в живую клетку. До этого момента вирусы ведут себя, как объекты неживой природы: у них отсутствуют реакции обмена веществ, они не размножаются. В начале 20 столетия перед учеными возникла целая группа вопросов: что такое вирус, из чего состоит его оболочка, что находится внутри вирусной частицы? Ответы были получены в результате многолетних исследований и экспериментов, послуживших основой для новой научной дисциплины. Она возникла на стыке биологии и медицины и называется вирусологией.

Особенности строения

Выражение «все гениальное просто» напрямую касается неклеточных форм жизни. Вирус состоит из молекул нуклеиновых кислот - ДНК или РНК, покрытых протеиновой оболочкой. У него нет собственного энергетического и белоксинтезирующего аппарата. Без клетки-хозяина вирусы не имеют ни одного признака живой субстанции: ни дыхания, ни роста, ни раздражимости, ни размножения. Чтобы всё это появилось, требуется только одно: найти жертву - живую клетку, подчинить её обмен веществ своей нуклеиновой кислоте и в конце концов уничтожить. Как было сказано ранее, оболочка вируса состоит из белковых молекул, имеющих упорядоченное строение (простые вирусы).

Если в состав оболочки входят еще и липопротеидные субъединицы, являющиеся на самом деле частью цитоплазматической мембраны клетки хозяина, такие вирусы называются сложными (возбудители оспы и гепатита В). Часто в состав поверхностной оболочки вируса входят и гликопротеиды. Они выполняют сигнальную функцию. Таким образом, как и оболочка, так и сам вирус состоят из молекул органического компонента - протеина и нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).

Как вирусы проникают в живые клетки

Итогом нападения возбудителя на клетку становится соединение ДНК или РНК вируса с собственными белковыми частицами. Таким образом, вновь образованный вирус состоит из молекул нуклеиновых кислот, покрытых упорядоченными частицами протеидов. Мембрана клетки-хозяина разрушается, клетка гибнет, а вышедшие из неё вирусы внедряются в здоровые клетки организма.

Явление обратной редупликации

В начале изучения представителей данного царства бытовало мнение, что вирусы состоят из клеток, но уже опыты Д. Ивановского доказали, что возбудителей невозможно выделить с помощью микробиологических фильтров: патогены проходили через их поры и оказывались в фильтрате, который сохранял вирулентные свойства.

Дальнейшими исследованиями был установлен тот факт, что вирус состоит из молекул органического вещества и проявляет признаки живой субстанции только после своего непосредственного проникновения в клетку. В ней он начинает размножаться. Большинство РНК-содержащих так, как было описано выше, но некоторые из них, например вирус СПИДа, в ядре клетки-хозяина вызывает синтез ДНК. Это явление называется обратной репликацией. Затем на молекуле ДНК синтезируется и-РНК вируса, а уже на ней начинается сборка вирусных белковых субъединиц, образующих его оболочку.

Особенности бактериофагов

Что представляет собой бактериофаг - клетку или вирус? Из чего состоит эта неклеточная форма жизни? Ответы на эти вопросы таковы: поражающий исключительно прокариотические организмы - бактерии. Строение его достаточно своеобразно. Вирус состоит из молекул органического вещества и делится на три части: головку, стержень (чехол) и хвостовые нити. В передней части - головке - находится молекула ДНК. Далее следует чехол, имеющий внутри полый стержень. Хвостовые нити, прикрепленные к нему, обеспечивают соединение вируса с рецепторными локусами плазматической мембраны бактерии. Принцип действия бактериофага напоминает шприц. После сокращения белков чехла молекула ДНК попадает в полый стержень и далее впрыскивается в цитоплазму клетки-мишени. Теперь зараженная бактерия будет синтезировать ДНК вируса и его белки, что неизбежно приведет к её гибели.

Как организм защищает себя от вирусных инфекций

Природа создала особые защитные приспособления, противостоящие вирусным заболеваниям растений, животных и человека. Сами возбудители воспринимаются их клетками как антигены. В ответ на присутствие вирусов в организме вырабатываются иммуноглобулины - защитные антитела. Органы иммунной системы - тимус, лимфатические узлы - реагируют на вирусное вторжение и способствуют выработке защитных протеинов - интерферонов. Эти вещества угнетают развитие вирусных частиц и тормозят их размножение. Оба вида защитных реакций, рассмотренных выше, относятся к гуморальному иммунитету. Другая форма защиты - клеточная. Лейкоциты, макрофаги, нейтрофилы поглощают вирусные частицы и расщепляют их.

Значение вирусов

Не секрет, что оно в основном негативное. Эти ультрамалые патогенные частицы (от 15 до 450 нм), видимые только в электронный микроскоп, вызывают целый букет опасных и трудноизлечимых заболеваний всех без исключения организмов, существующих на Земле. Так, у поражают жизненно важные органы и системы, например нервную (бешенство, энцефалит, полиомиелит) иммунную (СПИД), пищеварительную (гепатит), дыхательную (грипп, аденоинфекции). Животные болеют ящером, чумой, а растения - различными некрозами, пятнистостями, мозаичностью.

Многообразие представителей царства не изучено до конца. Доказательством служит то, что до сих пор открывают новые виды вирусов и диагностируют ранее не встречающиеся заболевания. Например, в середине 20 столетия в Африке был обнаружен вирус Зика. Он находится в организме комаров, которые при укусе заражают человека и других млекопитающих. Симптомы заболевания свидетельствуют о том, что возбудитель поражает прежде всего отделы центральной нервной системы и вызывает у новорожденных микроцефалию. Люди, являющиеся носителями этого вируса, должны помнить, что они представляют потенциальную опасность для своих партнеров, так как в медицинской практике зарегистрированы случаи передачи заболевания половым путем.

К положительной роли вирусов можно отнести их использование в борьбе против видов-вредителей, в генной инженерии.

В данной работе мы рассказали, что такое вирус, из чего состоит его частица, как организмы защищают себя от патогенных агентов. Также мы определили, какую роль играют неклеточные формы жизни в природе.

<Бактериофаг>

Обнаружены также вирусы, поражающие другие вирусы (вирусы-сателлиты.

Многие вирусы являются возбудителями заболеваний, таких как СПИД , коревая краснуха , эпидемический паротит (свинка), ветряная и натуральная оспа. Вирусы имеют микроскопические размеры, многие из них способны проходить через любые фильтры. И отличие от бактерий, вирусы нельзя выращивать на питательных средах, так как вне организма они не проявляют свойств живого. Вне живого организма (хозяина) вирусы представляют собой кристаллы веществ, не имеющих никаких свойств живых систем.

История

Впервые существование вируса (как нового типа возбудителя болезней) доказал в 1892 году русский учёный Д. И. Ивановский. После многолетних исследований заболеваний табачных растений, в работе, датированной 1892 годом, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что табачная мозаика вызывается «бактериями, проходящими через фильтр Шамберлана, которые, однако, не способны расти на искусственных субстратах». Пять лет спустя, при изучении заболеваний крупного рогатого скота, а именно - ящура, был выделен аналогичный фильтрующийся микроорганизм. А в 1898 году, при воспроизведении опытов Д. Ивановского голландским ботаником М. Бейеринком, он назвал такие микроорганизмы «фильтрующимися вирусами». В сокращённом виде, это название и стало обозначать данную группу микроорганизмов. В 1901 году было обнаружено первое вирусное заболевание человека - жёлтая лихорадка. Это открытие было сделано американским военным хирургом У. Ридом и его коллегами. В 1911 году Фрэнсис Раус доказал вирусную природу рака - саркомы Рауса (лишь в 1966 году, спустя 55 лет, ему была вручена за это открытие Нобелевская премия по физиологии и медицине). В последующие годы изучение вирусов сыграло важнейшую роль в развитии эпидемиологии, иммунологии, молекулярной генетики и других разделов биологии. Так, эксперимент Херши-Чейз стал решающим доказательством роли ДНК в передаче наследственных свойств. В разные годы еще как минимум шесть Нобелевских премий по физиологии и медицине и три Нобелевских премии по химии были вручены за исследования, непосредственно связанные с изучением вирусов. В 2002 году в Нью-Йоркском университете был создан первый синтетический вирус (вирус полиомиелита).

Строение вирусов

Просто организованные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты и нескольких белков, образующих вокруг неё оболочку - капсид. Примеров таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит один вид белка с небольшой молекулярной массой. Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку - белковую или липопротеиновую; иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы. Примером сложно организованных вирусов служат возбудители гриппа и герпеса. Их наружная оболочка - это фрагмент ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду. Зрелые вирусные частицы называются вирионами. Фактиче¬ски они представляют собой геном, покрытый сверху белковой оболочкой. Эта оболочка- капсид. Она построена из белковых молекул, защищающих генетический материал вируса от воз¬действия нуклеаз - ферментов, разрушающих нуклеиновые кис¬лоты. У некоторых вирусов поверх капсида располагается суперкапсидная оболочка, также построенная из белка. Генетический материал представлен нуклеиновой кислотой. У одних вирусов это ДНК (так называемые ДНК-овые вирусы), у других - РНК (РНК-овые вирусы). РНК-овые вирусы также называют ретровирусами, так как для синтеза вирусных белков в этом случае необходима обратная транскрипция, которая осуществляется ферментом - обратной транскриптазой (ревертазой) и представляет собой синтез ДНК на базе РНК.

Роль вирусов в биосфере

Вирусы являются одной из самых распространённых форм существования органической материи на планете по численности: воды мирового океана содержат колоссальное количество бактериофагов (около 250 миллионов частиц на миллилитр воды), их общая численность в океане - около 4×1030, а численность вирусов (бактериофагов) в донных отложениях океана практически не зависит от глубины и всюду очень высока . В океане обитают сотни тысяч видов (штаммов) вирусов, подавляющее большинство которых не описаны и тем более не изучены . Вирусы играют важную роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов (например, вирус дикования раз в несколько лет сокращает численность песцов в несколько раз).

Положение вирусов в системе органического мира

Происхождение вирусов

Структура

Вирусные частицы (вирио́ны) представляют собой белковую капсулу - капсид, содержащую геном вируса, представленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров - белковых комплексов, состоящих, в свою очередь, из протомеров. Нуклеиновая кислота в комплексе с белками обозначается термином нуклеокапсид. Некоторые вирусы имеют также внешнюю липидную оболочку. Размеры различных вирусов колеблются от 20 (парвовирусы) до 500 (мимивирусы) и более нанометров. Вирионы часто имеют правильную геометрическую форму (икосаэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими её белками, и, следовательно, может быть построена из стандартных белков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу экономить место в геноме.

Механизм инфицирования

Условно процесс вирусного инфицирования в масштабах одной клетки можно разбить на несколько взаимоперекрывающихся этапов:

1. Присоединение к клеточной мембране - так называемая адсорбция. Обычно для того, чтобы вирион адсорбировался на поверхности клетки, она должна иметь в составе своей плазматической мембраны белок (часто гликопротеин) - рецептор, специфичный для данного вируса. Наличие рецептора нередко определяет круг хозяев данного вируса, а также его тканеспецифичность. 2. Проникновение в клетку. На следующем этапе вирусу необходимо доставить внутрь клетки свою генетическую информацию. Некоторые вирусы переносят также собственные белки, необходимые для её реализации (особенно это характерно для вирусов, содержащих негативные РНК). Различные вирусы для проникновения в клетку используют разные стратегии: например, пикорнавирусы впрыскивают свою РНК через плазматическую мембрану, а вирионы ортомиксовирусов захватываются клеткой в ходе эндоцитоза, попадают в кислую среду лизосом, где происходит их окончательное созревание (депротеинизация вирусной частицы), после чего РНК в комплексе с вирусными белками преодолевает лизосомальную мембрану и попадает в цитоплазму. Вирусы также различаются по локализации их репликации, часть вирусов (например, те же пикорнавирусы) размножается в цитоплазме клетки, а часть (например, ортомиксовирусы) в её ядре. 3. Перепрограммирование клетки. При заражении вирусом в клетке активируются специальные механизмы противовирусной защиты. Заражённые клетки начинают синтезировать сигнальные молекулы - интерфероны, переводящие окружающие здоровые клетки в противовирусное состояние и активирующие системы иммунитета. Повреждения, вызываемые размножением вируса в клетке, могут быть обнаружены системами внутреннего клеточного контроля, и такая клетка должна будет «покончить жизнь самоубийством» в ходе процесса, называемого апоптозом или программируемой клеточной смерти. От способности вируса преодолевать системы противовирусной защиты напрямую зависит его выживание. Неудивительно, что многие вирусы (например, пикорнавирусы, флавивирусы) в ходе эволюции приобрели способность подавлять синтез интерферонов, апоптозную программу и так далее. Кроме подавления противовирусной защиты, вирусы стремятся создать в клетке максимально благоприятные условия для развития своего потомства. 4. Персистенция. Некоторые вирусы могут переходить в латентное состояние, слабо вмешиваясь в процессы, происходящие в клетке, и активироваться лишь при определённых условиях. Так построена, например, стратегия размножения некоторых бактериофагов - до тех пор, пока заражённая клетка находится в благоприятной среде, фаг не убивает её, наследуется дочерними клетками и нередко интегрируется в клеточный геном. Однако при попадании заражённой лизогенным фагом бактерии в неблагоприятную среду, возбудитель захватывает контроль над клеточными процессами так, что клетка начинает производить материалы, из которых строятся новые фаги. Клетка превращается в фабрику, способную производить многие тысячи фагов. Зрелые частицы, выходя из клетки, разрывают клеточную мембрану, тем самым убивая клетку. С персистенцией вирусов (например, паповавирусов) связаны некоторые онкологические заболевания. 5. Созревание вирионов и выход из клетки. В конце концов, новосинтезированные геномные РНК или ДНК одеваются соответствующими белками и выходят из клетки. Следует сказать, что активно размножающийся вирус не всегда убивает клетку-хозяина. В некоторых случаях (например, ортомиксовирусы) дочерние вирусы отпочковываются от плазматической мембраны, не вызывая её разрыва. Таким образом, клетка может продолжать жить и продуцировать вирус.

Органические вещества в живой природе

Органические вещества лежат в основе всей живой природы. Растения и животные, микроорганизмы и вирусы - все живые существа состоят из огромного количества различных органических веществ и сравнительно небольшого числа неорганических. Именно соединения углерода, благодаря их великому разнообразию и способности к многочисленным химическим превращениям, явились той основой, на которой возникла жизнь во всех ее проявлениях. Носителями тех свойств, которые включаются в понятие «жизнь», являются сложные органические вещества, молекулы которых содержат цепи из многих тысяч атомов - биополимеры.

Прежде всего это белки - носители жизни, основа живой клетки. Сложные органические полимеры - белки состоят главным образом из углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Их молекулы образованы соединением очень большого числа простых молекул - так называемых аминокислот (см. ст. «Химия жизни»).

Существует очень много разных белков. Есть белки опорные, или структурные. Такие белки входят в состав костей, образуют хрящи, кожу, волосы, рога, копыта, перья, чешую рыб. В состав мышц структурные белки входят вместе с белками, выполняющими сократительные функции. Сокращение мышц (важнейшая роль белков этого типа) - это превращение части химической энергии таких белков в механическую работу. Очень большая группа белков регулирует химические реакции в организмах. Это ферменты (биологические катализаторы). В настоящее время их известно более тысячи. Высокоразвитые организмы умеют вырабатывать еще и защитные белки - так называемые антитела, которые способны осаждать или связывать и тем обезвреживать проникшие извне в организм посторонние вещества и тела.

Наряду с белками важнейшие функции жизни несут нуклеиновые кислоты. В живом организме всегда происходит обмен веществ. Постоянно обновляется состав почти всех его клеток. Обновляются и белки клеток. Но ведь для каждого органа, для каждой ткани нужно изготовить свой особенный белок, со своим неповторимым порядком аминокислот в цепи. Хранители этого порядка - нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты являются своего рода шаблонами, по которым организмы строят свои белки. Часто образно говорят, что в них записан код синтеза белка. Для каждого белка - свой код, свой шаблон. У нуклеиновых кислот есть еще одна функция. Они шаблоны и для самих нуклеиновых кислот. Это своего рода «запоминающее устройство», при помощи которого каждый вид живых существ передает из поколения в поколение коды построения своих белков (см. ст. «Химия жизни»).

Опорные функции в живой природе выполняют не только белки. В растениях, например, опорные, скелетные вещества - целлюлоза и лигнин. Это тоже полимерные вещества, но совсем другого типа. Длинные цепи атомов целлюлозы построены из молекул глюкозы, относящейся к группе Сахаров. Поэтому целлюлозу относят к полисахаридам. Строение лигнина до сих пор окончательно не установлено. Это тоже полимер, по-видимому, с сетчатыми молекулами. А у насекомых опорные функции выполняет хитин - тоже полисахарид.

Есть большая группа веществ (жиры, сахара, или углеводы), которые переносят и запасают химическую энергию. Они (вместе с белками пищи) являются запасным строительным материалом, необходимым для образования новых клеток (см. ст. «Химия пищи»). Множество органических веществ (витамины, гормоны) в живых организмах играют роль регуляторов жизнедеятельности. Одни регулируют дыхание или пищеварение, другие - рост и деление клеток, третьи - деятельность нервной системы и т. п. В живых организмах содержатся многочисленные вещества самых разнообразных назначений: красящие, которым мир цветов обязан своей красотой, пахучие - привлекающие или отпугивающие, защищающие от внешних врагов, и много других. Растения и животные, даже каждая отдельная клетка - это маленькие, но очень сложные лаборатории, в которых возникают, превращаются и разлагаются тысячи органических веществ. Многочисленные и разнообразные химические реакции протекают в этих лабораториях в строго определенной последовательности. Создаются, растут и затем распадаются сложнейшие структуры...

Мир органических веществ окружает нас, мы сами состоим из них, и вся живая природа, среди которой мы живем и которую мы постоянно используем, состоит из органических веществ.

Вирусы - существо или вещество?

В течение последних 100 лет ученые не раз меняли свое представление о природе вирусов, микроскопических переносчиков болезней.

Вначале вирусы считали ядовитыми веществами, затем - одной из форм жизни, потом - биохимическими соединениями. Сегодня предполагают, что они существуют между живым и неживым мирами и являются основными участниками эволюции.

В конце XIX века было установлено, что некоторые болезни, в том числе бешенство и ящур, вызывают частицы, похожие на бактерии, но гораздо более мелкие. Поскольку они имели биологическую природу и передавались от одной жертвы к другой, вызывая одинаковые симптомы, вирусы стали рассматривать как мельчайшие живые организмы, несущие генетическую информацию.

Низведение вирусов до уровня безжизненных химических объектов произошло после 1935 г., когда Уэнделл Стэнли (Wendell Stanley) впервые закристаллизовал вирус табачной мозаики. Обнаружилось, что кристаллы состоят из сложных биохимических компонентов и не обладают необходимым для биологических систем свойством - метаболической активностью. В 1946 г. ученый получил за эту работу Нобелевскую премию по химии, а не по физиологии или медицине.

Дальнейшие исследования Стэнли четко показали, что любой вирус состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), упакованной в белковую оболочку. Помимо защитных белков у некоторых из них есть специфические вирусные белки, участвующие в инфицировании клетки. Если судить о вирусах только по этому описанию, то они действительно больше похожи на химические субстанции, чем на живой организм. Но когда вирус проникает в клетку (после чего ее называют клеткой-хозяином), картина меняется. Он сбрасывает белковую оболочку и подчиняет себе весь клеточный аппарат, заставляя его синтезировать вирусные ДНК или РНК и вирусные белки в соответствии с инструкциями, записанными в его геном е. Далее происходит самосборка вируса из этих компонентов и появляется новая вирусная частица, готовая инфицировать другие клетки.

Такая схема заставила многих ученых по-новому взглянуть на вирусы. Их стали рассматривать как объекты, находящиеся на границе между живым и неживым мирами. По словам вирусологов Марка ван Регенмортеля (M.H.V. van Regenmortel) из Страсбургского университета во Франции и Брайана Махи (B.W. Mahy) из центров по профилактике заболеваний и контролю за их распространением, такой способ существования можно назвать "жизнью взаймы". Интересен следующий факт: при том, что долгое время биологи рассматривали вирус как "белковую коробку", наполненную химическими деталями, они использовали его способность к репликации в хозяйской клетке для изучения механизма кодирования белков. Современная молекулярная биология во многом обязана своими успехами информации, полученной при изучении вирусов.

Ученые кристаллизовали большинство клеточных компонентов (рибосомы, митохондрии, мембранные структуры, ДНК, белки) и сегодня рассматривают их либо как "химические машины", либо как материал, который эти машины используют или производят. Подобный взгляд на сложные химические структуры, обеспечивающие жизнедеятельность клетки, и стал причиной не слишком большой озабоченности молекулярных биологов статусом вирусов. Исследователи интересовались ими только как агентами, способными использовать клетки в своих целях или служить источником инфекции. Более сложная проблема, касающаяся вклада вирусов в эволюцию, остается для большинства ученых несущественной.

Быть или не быть?

Что означает слово "живой"? Большинство ученых сходятся во мнении, что помимо способности к самовоспроизведению живые организмы должны обладать и другими свойствами. Например, жизнь любого существа всегда ограничивается во времени - оно рождается и умирает. Кроме того, живые организмы имеют определенную степень автономии в биохимическом смысл е, т.е. в какой-то мере полагаются на собственные метаболические процессы, обеспечивающие их веществами и энерги ей, которые и поддерживают их существование.

Камень, равно как и капелька жидкости, в которой протекают метаболические процессы, но которая не содержит генетического материала и не способна к самовоспроизведению, несомненно, неживой объект. Бактерия же - живой организм, и хотя она состоит всего из одной клетки, она может вырабатывать энерги ю и синтезировать вещества, обеспечивающие ее существование и воспроизведение. Что в этом контекст е можно сказать о семени? Не всякое семя проявляет признаки жизни. Однако, находясь в покое, оно содержит тот потенциал , который получило от несомненно живой субстанции и который при определенных условиях может реализоваться. В то же время семя можно необратимо разрушить, и тогда потенциал останется нереализованным. В этом плане вирус больше напоминает семя, чем живую клетку: у него есть некие возможности, которые могут и не осуществиться, однако нет способности к автономному существованию.

Можно также рассматривать живое и как состояние, в которое при определенных условиях переходит система, состоящая из неживых компонентов, обладающих определенными свойствами. В качестве примера подобных сложных (эмерджентных) систем можно привести жизнь и сознание. Чтобы достичь соответствующего статуса, у них должен быть определенный уровень сложности. Так, нейрон (сам по себе или даже в составе нейрон ной сети) не обладает сознанием, для этого необходим мозг. Но и интактный мозг может быть живым в биологическом смысл е и в то же время не обеспечивать сознание. Точно так же ни клеточные, ни вирусные гены или белки сами по себе не служат живой субстанцией, а клетка, лишенная ядра, сходна с обезглавленным человеком, поскольку не имеет критического уровня сложности. Вирус тоже не способен достичь подобного уровня. Так что жизнь можно определить как некое сложное эмерджентное состояние, включающее такие же основополагающие "строительные блоки", которыми обладает и вирус. Если следовать такой логике, то вирусы, не являясь живыми объектами в строгом смысл е этого слова, все же не могут быть отнесены к инертным системам: они находятся на границе между живым и неживым.

Вирусы и эволюция

У вирусов есть своя, очень длинная эволюционная история, восходящая к истокам возникновения одноклеточных организмов. Так, некоторые вирусные системы репарации, которые обеспечивают вырезание неправильных оснований из ДНК и ликвидацию повреждений, возникших под действием радикалов кислорода, и т.д., есть только у отдельных вирусов и существуют в неизменном виде миллиарды лет.

Исследователи не отрицают, что вирусы играли какую-то роль в эволюции. Но, считая их неживой материей, они ставят их в один ряд с такими факторами, как климатические условия. Такой фактор воздействовал на организмы, которые обладали изменяющимися, генетически детерминируемыми признаками, извне. Организмы, более стойкие к этому влиянию, успешно выживали, размножались и передавали свои гены следующим поколениям.

Однако в действительности вирусы воздействовали на генетический материал живых организмов не опосредованно, а самым что ни на есть прямым образом - они обменивались с ним своими ДНК и РНК, т.е. были игроками на биологическом поле. Большим сюрпризом для врачей и биологов-эволюционистов стало то, что большая часть вирусов оказалась вполне безобидными созданиями, не связанными ни с какими болезнями. Они спокойно дремлют внутри клеток-хозяев или используют их аппарат для своего неспешного воспроизведения без всякого ущерба для клетки. У таких вирусов есть масса ухищрений, позволяющих им избежать недремлющего ока иммунной системы клетки - для каждого этапа иммунного ответа у них заготовлен ген, который этот этап контролирует или видоизменяет в свою пользу.

Более того, в процессе совместного проживания клетки и вируса вирусный геном (ДНК или РНК) "колонизирует" геном хозяйской клетки, снабжая его все новыми и новыми генами, которые в итоге становятся неотъемлемой частью геном а данного вида организмов. Вирусы оказывают более быстрое и прямое действие на живые организмы, чем внешние факторы, которые осуществляют отбор генетических вариантов. Многочисленность популяций вирусов вкупе с их высокой скоростью репликации и высокой частотой мутаций превращает их в основной источник генетических инноваций, постоянно создающий новые гены. Какой-нибудь уникальный ген вирусного происхождения, путешествуя, переходит от одного организма к другому и вносит вклад в эволюционный процесс.

Клетка, у которой уничтожена ядерная ДНК, - настоящий "покойник": она лишена генетического материала с инструкциями о деятельности. Но вирус может использовать для своей репликации оставшиеся целыми компоненты клетки и цитоплазму. Он подчиняет себе клеточный аппарат и заставляет его использовать вирусные гены как источник инструкций для синтеза вирусных белков и репликации вирусного геном а. Уникальная способность вирусов развиваться в погибших клетках наиболее ярко проявляется, когда хозяевами служат одноклеточные организмы, прежде всего населяющие океаны. (Подавляющее число вирусов обитает на суше. По оценкам специалистов, в Мировом океане насчитывается не более 1030 вирусных частиц.)

Бактерии, фотосинтезирующие цианобактерии и водоросли, потенциал ьные хозяева морских вирусов, нередко погибают под действием ультрафиолетового излучения, которое разрушает их ДНК. При этом некоторые вирусы ("постояльцы" организмов) включают механизм синтеза ферментов, которые восстанавливают поврежденные молекулы хозяйской клетки и возвращают ее к жизни. Например, цианобактерии содержат фермент, который участвует в фотосинтезе, и под действием избыточного количества света иногда разрушается, что приводит к гибели клетки. И тогда вирусы под названием цианофаги "включают" синтез аналога бактериального фотосинтезирующего фермента, более устойчивого к УФ-излучению. Если такой вирус инфицирует только что погибшую клетку, фотосинтезирующий фермент может вернуть последнюю к жизни. Таким образом, вирус играет роль "генного реаниматора".

Избыточные дозы УФ-излучения могут привести к гибели и цианофагов, однако иногда им удается вернуться к жизни при помощи множественной репарации. Обычно в каждой хозяйской клетке присутствует несколько вирусов, и в случае их повреждения они могут собрать вирусный геном по частям. Различные части геном а способны служить поставщиками отдельных генов, которые совместно с другими генами восстановят функции геном а в полном объеме без создания целого вируса. Вирусы - единственные из всех живых организмов, способные, как птица Феникс, возрождаться из пепла.

По данным Международного консорциума по секвенированию геном а человека, от 113 до 223 генов, имеющихся у бактерий и человека, отсутствуют у таких хорошо изученных организмов, как дрожжи Sacharomyces cerevisiae, плодовая мушка Drosophila melanogaster и круглый червь Caenorhabditis elegans, которые находятся между двумя крайними линиями живых организмов. Одни ученые полагают, что дрожжи, плодовая мушка и круглый червь, появившиеся после бактерий, но до позвоночных, просто утратили соответствующие гены в какой-то момент своего эволюционного развития. Другие же считают, что гены были переданы человеку проникшими в его организм бактериями.

Вместе с коллегами из Института вакцин и генной терапии при Орегонском университете здравоохранения мы предполагаем, что существовал третий путь: исходно гены имели вирусное происхождение, но затем колонизировали представителей двух разных линий организмов, например бактерий и позвоночных. Ген, которым одарила человечество бактерия, мог быть передан двум упомянутым линиям вирусом.

Более того, мы уверены, что само клеточное ядро имеет вирусное происхождение. Появление ядра (структуры, имеющейся только у эукариот, в том числе у человека, и отсутствующей у прокариот, например у бактерий) нельзя объяснить постепенной адаптацией прокариотических организмов к изменяющимся условиям. Оно могло сформироваться на основе предсуществующей высокомолекулярной вирусной ДНК, построившей себе постоянное "жилище" внутри прокариотической клетки. Подтверждением этому служит факт, что ген ДНК-полимеразы (фермента, участвующего в репликации ДНК) фага Т4 (фагами называют вирусы, которые инфицируют бактерии) по своей нуклеотидной последовательности близок к генам ДНК-полимераз как эукариот, так и инфицирующих их вирусов. Кроме того, Патрик Фортере (Patrick Forterre) из Южного парижского университета, который исследовал ферменты, участвующие в репликации ДНК, пришел к выводу, что гены, детерминирующие их синтез у эукариот, имеют вирусное происхождение.

Вирус синего языка

Вирусы влияют абсолютно на все формы жизни на Земле, а часто и определяют их судьбу. При этом они тоже эволюционируют. Прямым доказательством служит появление новых вирусов, таких как вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий СПИД.

Вирусы постоянно видоизменяют границу между биологическим и биохимическим мирами. Чем дальше мы будем продвигаться в исследовании геном ов различных организмов, тем больше будем обнаруживать свидетельств присутствия в них генов из динамичного, очень древнего пула. Лауреат Нобелевской премии Сальвадор Лурия (Salvador Luria) в 1969 г. так говорил о влиянии вирусов на эволюцию: "Возможно, вирусы с их способностью включаться в клеточный геном и покидать его были активными участниками процесса оптимизации генетического материала всех живых существ в ходе эволюции. Просто мы этого не заметили". Независимо от того, к какому миру - живому или неживому - мы будем относить вирусы, пришло время рассматривать их не изолированно, а с учетом постоянной связи с живыми организмами.

ОБ АВТОРЕ:
Луис Вилляреал (Luis P. Villarreal) - директор Центра по изучению вирусов при Калифорнийском университете в г. Ирвайн. Получил степень кандидата биологических наук в Калифорнийском университете в Сан-Диего, затем работал в Стэнфордском университете в лаборатории лауреата Нобелевской премии Пола Берга. Активно занимается педагогической деятельностью, в настоящее время участвует в разработке программ по борьбе с угрозой биотерроризма.