Мифы о микробах и вирусах. Как живет наш внутренний мир

Микробы едва не подорвали научный авторитет Левенгука. Дело в том, что он описывал результаты своих наблюдений в микроскоп и отсылал эти записки в Лондонское королевское общество по развитию знаний о природе. Некоторые наблюдения публиковались в журнале Общества. Довольно скоро у Левенгука сложилась репутация выдающегося натуралиста, но когда он в 1676 году прислал в Лондон описание одноклеточных организмов, открытых в ходе своих наблюдений, то ему не поверили. Уж больно невероятным казалось существование таких «крошек». Для проверки в голландский город Делфт, где жил Левенгук, из Лондона была направлена целая комиссия – группа уважаемых членов Общества. Левенгук показал лондонским коллегам «крошек» в микроскопе, после чего доверие к его отчетам было восстановлено. А не пришли бы дотошные британцы на комиссию, тема микроорганизмов могла бы быть надолго «закрыта» и кому-то впоследствии пришлось бы открывать их снова.

Левенгук был натуралистом – он открывал, зарисовывал и описывал, но не изучал детально. Да и не было у него такой возможности. Опираясь на сведения, полученные Левенгуком, Карл Линней объединил все микроорганизмы в род Хаос. При всем желании (а оно у пытливого ученого явно было) Линней не мог добавить ничего существенного к тому, что сделал Левенгук. Развиваться наука микробиология начала только в ХIХ веке. Да так начала, что до сих пор остановиться не может – все развивается да развивается. Микробиологи почти не шутят, когда говорят, что тайны микроскопической Вселенной, то есть тайны микроорганизмов, сложнее раскрыть, чем тайны «большой» Вселенной. Так оно и есть. И чем дальше погружаешься в микроскопическую Вселенную, тем больше перед тобой открывается тайн.

Хаос – вещее название. Действительно, если собрать все микроорганизмы в один род, то получится именно хаос и ничего, кроме хаоса. Однако, несмотря на то что со времени создания Линнеем его классификации прошло почти три сотни лет и многое за это время успело измениться, миф о всеобщем равенстве микробов еще живет в сознании широких масс общественности. Люди считают, что все микробы похожи друг на друга и еще считают слова «микроб» и «бактерия» синонимами.

Все микробы похожи друг на друга? Да чем они могут вообще отличаться, эти простейшие одноклеточные создания?

Много чем. В первую очередь – наличием ядра.

Каждая клетка, будь то клетка многоклеточного организма или самостоятельный одноклеточный организм, содержит наследственную информацию, закодированную в виде определенной последовательности фрагментов молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (сокращенно – ДНК). Участок молекулы ДНК, в котором закодирован один отдельный признак, называется геном. Количество молекул ДНК у разных организмов сильно варьируется – от одной до нескольких десятков, а иногда и сотен. Так, например, у сибирского осетра их двести сорок!

Молекулы ДНК могут быть компактно упакованы в клеточное ядро, и в таком случае клетка будет называться эукариотической или эукариотом. Если же молекулы ДНК находятся в цитоплазме – полужидкой внутренней среде клетки – в «неупакованном» виде, то такая безъядерная клетка называется прокариотической или прокариотом.

К прокариотам относятся бактерии и археи, которые существенно отличаются по ряду физиолого-биохимических свойств от бактерий. К эукариотам относятся грибы, растения, животные и протисты. Клетки прокариот имеют весьма малые размеры – от 0,5 до 5 мкм в диаметре.

В эволюционном отношении прокариотические клетки считаются более древними, чем эукариотические, то есть эукариоты произошли от прокариотов. Эволюция идет по направлению от простого к сложному, поэтому эукариотические клетки устроены сложнее прокариотических, у них больше клеточных органов, называемых органеллами или органоидами. Но, с другой стороны, клетки, представляющие собой отдельный одноклеточный организм, устроены сложнее, чем клетки многоклеточного организма. Принципиальное отличие одноклеточных организмов от клеток многоклеточных организмов состоит в наличии у одноклеточных органоидов специального назначения, помогающих им выполнять все необходимые функции. Передвижение и захват пищи обеспечивают выросты – ложноножки, жгутики и реснички. Выделительную функцию обеспечивают сократительные пузырьки-вакуоли, а пищеварительную – другие вакуоли, содержащие вещества, способные расщеплять «проглоченные» питательные вещества. Есть специализированные внутриклеточные структуры, обеспечивающие раздражимость и так далее.

Рис. 5. Строение амебы и инфузории-туфельки

На рисунке представлено строение двух одноклеточных организмов – амебы обыкновенной и инфузории-туфельки, получившей такое название за внешнее сходство с этим предметом обуви. «Инфузории» – это название биологического типа, объединяющего одноклеточных эукариотов, мембрана (оболочка) которых снаружи покрыта ресничками.

Обратите внимание на то, что инфузория-туфелька имеет более сложное строение, нежели амеба. У «туфельки» есть рот с глоткой, есть порошица – аналог прямой кишки, а кроме основного ядра имеется еще и малое.

Похожи ли друг на друга амеба и туфелька? Не очень-то, верно?

А теперь – о синонимах.

Считать слова «микроб» и «бактерия» синонимами, это все равно, что считать синонимами слова «птица» и «воробей». Да, бактерия – это микроб, а воробей – птица, но далеко не каждый микроб является бактерией, точно так же, как далеко не все птицы – воробьи.

Бактерии – это всего лишь одна из разновидностей прокариотических микроорганизмов. Кроме бактерий к прокариотам относятся археи. Кто-нибудь слышал раньше это название? Вряд ли.

Археи – это одноклеточные микроорганизмы, не имеющие ядра и каких-либо других мембранных органелл. Мембранными органеллами, как несложно догадаться по названию, называются клеточные «органы», ограниченные от цитоплазмы мембраной, то есть оболочкой. Вакуоли, о которых было упомянуто выше, – пример мембранных органелл.

Углубляться в клеточное строение мы не станем, поскольку нам это не нужно. Образно говоря, эта книга посвящена не столько разбору вопросов «микробной анатомии», сколько «микробной социологии». Знайте, что есть такие наиболее просто устроенные микроорганизмы, как археи, и знайте, что каждый десятый прокариот в нашем желудочно-кишечном тракте относится к археям. Кстати, название «археи» переводится как «древние». Это ясно – наиболее просто организованные микроорганизмы должны иметь древнейшее происхождение.

Почему бактерии известны всем, а археи – только биологам? Ответ прост – у археев нет такой скандальной славы, как у бактерий. Археи не вызывают заболеваний у человека (во всяком случае, таковые пока не описаны), сидят тихо-мирно в кишечнике, ничем не вредят. Кому, скажите пожалуйста, интересны эти благопристойные тихони? Совсем другое дело – эпатирующие скандалисты-бактерии! В мире микробов все устроено точно так же, как в мире людей, разница только в размерах обитателей.

В тексте мелькнуло еще одно малопонятное слово – «протисты».

К протистам (то есть к первейшим) относятся все эукариотические микроорганизмы, за исключением одноклеточных грибов. Амебы и инфузории, с которыми мы недавно познакомились, относятся к протистам. Среди амеб с инфузориями есть и патогенные, то есть такие, которые вызывают болезни. Так, например, дизентерийная амеба, поселяясь в клетках толстой кишки, вызывает амебную дизентерию, а инфузория Балантидиум коли, проникая в клетки тонкой кишки, вызывает балантидиаз или инфузорную дизентерию.

Про малярию все слышали? Ее возбудителем является еще один протист – малярийный плазмодий, который предпочитает жить в эритроцитах (красных кровяных тельцах) человека. Для малярии характерны регулярные приступы лихорадки, которые возникают при массовом разрушении эритроцитов размножившимися в них плазмодиями.

Все мелкие протисты, размерами от двух до четырех микрометров, являются внутриклеточными паразитами. Есть среди протистов и такие гиганты, которые, при всей их одноклеточности, к микроорганизмам не относятся. Так, например, ксенофиофоры, живущие на дне Мирового океана (в том числе и на дне Марианской впадины), могут достигать до десяти сантиметров в диаметре. Получается биологический парадокс – одноклеточные ксенофиофоры являются средой обитания различных многоклеточных организмов.

К грибам-микроорганизмам, а если по-научному, то к одноклеточным грибам, относятся хорошо известные всем дрожжи – пивные, винные и прочие. Некоторые дрожжи способны вызывать заболевания. Так, например, дрожжи рода Кандида, являющиеся компонентом нормальной микрофлоры человека, при ослаблении иммунитета или же при длительном применении антибиотиков, могут вызывать заболевание, называемое кандидозом.

Рис. 6. Ксенофиофора – самая большая клетка на нашей планете

Какая связь между антибиотиками и кандидозом? Дело в том, что в норме в любой экологической системе[4 - Нередко в околонаучной и ненаучной литературе вместо термина «экологическая система» используется термин «экологическая ниша», что совершенно безграмотно, поскольку экологической нишей называют место, занимаемое конкретным видом в экологической системе.] существует определенный баланс, устоявшееся соотношение различных микроорганизмов. Антибиотики действуют на бактерии, но не действуют на грибы. Если бактерии начинают массово гибнуть, то их место в экологической нише занимают другие микроорганизмы, в частности – грибы. Как говорится, «свято место пусто не бывает».

Напрашивается вопрос – почему дрожжи считаются одноклеточными грибами, а не протистами? Дело в том, что дрожжи имеют ряд особенностей, присущих грибам. Например – могут размножаться почкованием, при котором дочерние клетки формируются из выростов материнской клетки, называемых почками. Протисты же (и бактерии с археями тоже) размножаются путем деления материнской клетки на две дочерние.

Как по-вашему, какая проблема на сегодняшний день является основным «камнем преткновения» в микробиологии? Даже не только в микробиологии, но и во всей биологии в целом. По какому поводу биологи постоянно скрещивают воображаемые мечи и копья? Кто виноват в раздоре, расколовшем научное биологическое сообщество на два лагеря?

Виноваты вирусы, которые не имеют клеточного строения и этим отличаются от всех других организмов.

Вирус – не клетка! Наиболее просто организованные вирусы представляют собой генетический материал – дезоксирибонуклеиновую или рибонуклеиновую кислоту – упакованный в белковую оболочку, называемую капсидом.

Рис. 7. Схематическое изображение различных вирусов

Капсид выполняет не только защитную функцию. Он также обеспечивает прикрепление вируса к поверхности клеточных мембран. Капсид прикрепляется к мембране, но в клетку не проникает. В клетку внедряется только нуклеиновая кислота, которая вынуждает клетку ее «тиражировать», то есть, по сути, производить новые вирусы. У вирусов нет клеточной мембраны и цитоплазмы с органоидами, нет собственного обмена веществ, а есть только упакованный в капсид генетический материал – матрица для синтеза новых вирусов. Вирус «подчиняет» себе клетку и только в клетке он живет «полноценной жизнью». Вне клетки вирус находится в неактивном состоянии.

Наиболее сложные вирусы – паразитирующие на бактериях бактериофаги (что переводится как «пожиратели бактерий»), имеют аппарат для транспортировки своего генетического материала в бактерии. Тело бактериофага имеет головку, в которой находится нуклеиновая кислота, хвост – белковую трубку, являющуюся продолжением белковой оболочки головки, и хвостовые отростки. Посредством хвоста происходит проталкивание генетического материала вируса, содержащегося в головке бактериофага, в клетку-хозяина. Этот процесс называют инъекцией и он в самом деле напоминает медицинскую инъекцию, производимую при помощи шприца.

На сегодняшний день известно несколько тысяч вирусов, но этот «список» далеко не полон, к нему постоянно добавляются новые виды. Считается, то есть предполагается, что вирусы представляют собой самую многочисленную биологическую форму на нашей планете и что счет их видам идет на миллионы.

Размеры вирусов очень малы, их выражают в нанометрах (один нанометр это 10-9 м). «Мелкий» вирус полимиелита имеет размер около двадцати нанометров, а «гигантский» вирус желтухи свеклы вымахал до полутора тысяч нанометров. Бактериофаги в среднем длиной около ста нанометров. Благодаря столь малым размерам, в одной клетке могут одновременно жить несколько десятков вирусов одного и того же вида, места всем хватает.

Вирусы поражают все живое – животных, растения, микроорганизмы. Паразитируя в клетках, вирусы нарушают нормальную жизнедеятельность организмов, вызывая болезни. Грипп, различные гепатиты, СПИД – это все вирусные заболевания.

Каждый вирус имеет строго определенный круг хозяев, организмы которых являются для него окружающей средой. Есть бактериофаги-«привереды», паразитирующие только на одном виде бактерий, а вот вирус бешенства поражает всех млекопитающих (и человека в том числе) без исключения.

Даже совершенно далекие от медицины люди знают о том, что вирусные заболевания с трудом поддаются лечению, а некоторые на сегодняшний день считаются неизлечимыми.

Казалось бы – парадокс. Много ли надо этим мелким вирусам для того, чтобы сдохнуть? По логике избавить организм от таких простейших вредителей должно быть очень просто. Но у природы своя логика. Вирусы очень малы и имеют простейшее строение, поэтому очень трудно вызвать их гибель. Вне клетки вирус находится в неактивном состоянии, в нем не происходит никаких биологических процессов. А что такое те же антибиотики? Это вещества, нарушающие нормальное течение жизненно важных процессов у бактерий или, скажем, у протистов. Процесс нарушен – организм гибнет. А что можно нарушить у вируса? И разрушить его очень сложно – мелок да увертлив. Вдобавок борьбу с вирусами сильно осложняет то обстоятельство, что они обитают внутри клеток и надо действовать на них таким образом, чтобы не нанести дополнительного вреда клеткам.

Современные противовирусные препараты по принципу действия подразделяются на две группы: стимулирующие иммунную систему для борьбы с вирусами и поражающие вирусы напрямую (препятствующие проникновению вируса в клетку, размножению вируса в пораженной клетке и выходу копий вируса из клетки).

В шутку биологи говорят о вирусах так: «они живые, но не совсем».

Если говорить серьезно, то «не совсем» живым быть невозможно – или ты живой, или неживой.

Одни биологи относят вирусы к живым существам с оговоркой, что это неклеточная форма жизни. Вирусы способны размножаться? Способны! Вирусы способны приспосабливаться к условиям окружающей среды? Способны! Вирусы обладают наследственностью? Обладают! Все, точка! Значит, они живые и их можно отнести к микроорганизмам.

Оппоненты возражают – ну какие же они живые? Вирусы – это не форма жизни, а комплексы органических[5 - Органические вещества – класс химических соединений, объединяющий почти все химические соединения, в состав которых входит углерод (за исключением карбидов, угольной кислоты, карбонатов, оксидов углерода и цианидов).] молекул, взаимодействующие с живыми организмами. Самостоятельно, без использования чужих ресурсов, вирусы воспроизводиться не могут? Не могут! Собственного обмена веществ и энергии не имеют? Не имеют! Значит, живыми их считать нельзя!

Хорошо подходит к вирусам поэтичное определение «организмы на краю жизни».

Автор этой книги разделяет мнение тех биологов, которые считают вирусы особой формой жизни. «Комплекс органических молекул» – понятие расплывчатое. Бульон – это тоже комплекс органических молекул, и когда вы едите бульон, он взаимодействует с вашим организмом – разве не так? Как ни крути, с какой стороны ни гляди, а главной особенностью всего живого является способность к размножению. Пускай и внутри «чужих» клеток. Если нечто обладает такой способностью, то его надо считать живым.

А вот прионы – это органические молекулы, взаимодействующие с живыми организмами. И не более того. Или, если выразиться иначе – инфекционные агенты белковой природы.

Прионы к микроорганизмам не относятся и упомянуты здесь только для сравнения с вирусами. Прионы представляют собой белковые молекулы, способные, подобно вирусам, увеличивать свою численность, используя функции и ресурсы живых клеток. Нуклеиновой кислоты, то есть генетической информации, прионы не содержат. Прион – это одна молекула и ничего, кроме молекулы. Молекулу живым организмом считать нельзя, для этого она слишком проста.

Мало кто слышал о прионах, но почти все слышали о болезни, которую они могут вызывать. Это «коровье бешенство», а если по-научному, то губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота. У людей аналогичное заболевание называется болезнью Крейтцфельдта-Якоба. Возбудителями «коровьего бешенства» являются не микробы, а прионы.

С биологической точки зрения прионы интересны как единственные агенты (назвать их живыми организмами язык не поворачивается), размножение которых происходит без участия генетического материала, содержащегося в нуклеиновых кислотах. Генетический код прионам для самовоспроизведения не нужен, копирование их молекул в клетках происходит без матрицы. Просто чудеса какие-то! Да, реально – чудеса. Все, что наука пока еще не объяснила, можно считать чудесами.