Вирусы не живые. Вирус - это живой организм или нет? состоят их отдельных вирусных частиц – вирионов
Урок для дистанционного изучения.
Учитель Никандрова Н.Н.
Школа №576 Василеостровского района.
Тема: В И Р У С Ы.
В И Р У С Ы ------ Ч Т О или К Т О это?
ЖИВОЕ или НЕЖИВОЕ?
Попробуем выяснить это вместе.
Цель: Сформировать знания о вирусах: об особенностях строения и жизнедеятельности, отметить заболевания вызываемые вирусами, сообщить об опасности заражения вирусом СПИДа.
Вы должны знать:
История открытия вирусов
Строение вируса
Особенности жизнедеятельности вирусов
Отрицательное воздействие вирусов на живые организмы: заболевания, вызываемые вирусами.
Что такое бактериофаг.
1. Немного истории
Ох уж эти болезни: грипп, корь, гепатит, оспа. Какие неведомые микроорганизмы вызывают эти заболевания? Как их остановить? Этот вопрос стоял перед учёными с давних времён.
что даже невиден в микроскоп при самом
большом увеличении. Это либо мельчайшая
бактерия, либо ядовитые вещества, которые
они выделяют. Но это оказалась не бактерия.
Позже учёным удалось установить, что по
химической структуре это нуклеопротеины
(нуклеиновые кислоты и белки).
Увидеть вирусы удалось в электронный
микроскоп спустя 50 лет после их открытия.
И именно вирус табачной мозаики был Растение, пораженное вирусом табачной
сфотографирован первым. А дал название мозаики.
«VIRUS» - яд – Луи Пастер.
2. Строение вируса
А теперь давайте и мы с вами побудем немного учёными и попробуем описать строение вируса.Опишите строение вируса табачной мозаики.
Группы вирусов по строению
простые сложные
состоят из нуклеиновой кислоты - состоят из нуклеиновой кислоты -
ДНК или РНК и белковой оболочки ДНК или РНК, белковой оболочки,
(капсида) могут содержать липопротеидную
(вирус табачной мозаики) мембрану, углеводы и ферменты
(вирус гриппа, герпеса)
В состав вирусов входят двухцепочечные ДНК и одноцепочечные РНК, встречаются одноцепочечные ДНК и двухцепочечные РНК. Капсид защищает генетичесий материал вируса от действия ферментов и ультрафиолетового излучения.
3. Особенности жизнедеятельности вирусов
Работа с текстом. Прочтите текст и заполните таблицу.
Вирусы способны размножаться только в клетках других организмов.
Проникнув в клетку, вирус изменяет в ней обмен веществ, направляя всю её деятельность на производство вирусной нуклеиновой кислоты и вирусных белков. Внутри клетки происходит самосборка вирусных частиц из синтезированных молекул нуклеиновой кислоты и белков. До момента гибели в клетке успевает синтезироваться огромное число вирусных частиц. В конечном итоге клетка гибнет, оболочка её лопается и вирусы выходят из клетки хозяина.
Сравнение вирусов с живой и неживой природой
Заболевания человека, животных и растений, вызываемые вирусами.
|
Болезни человека |
Болезни животных |
Болезни растений |
|
Инфекционная анемия лошадей Чума свиней и птиц |
1. Мозаичная болезнь табака, огурцов, томатов, карликовость, скручивание листьев, желтуха. |
В последние годы обнаружен вирус ВИЧ – вирус иммунодефицита человека, вызывающий заболевание СПИД – синдром приобретённого иммунодефицита.
При этом заболевании происходит повреждение системы клеточного иммунитета.
Вирус, вызывающий СПИД, содержит 2 молекулы РНК. Он специфически связывается с клетками крови, поражая Т-лимфоциты. Вследствие этого снижается их функциональная активность.
5. Бактериофаги.
Известны вирусы, которые поселяются в клетки бактерий. Они называются БАКТЕРИОФАГАМИ. Бактериофаги полностью разрушают бактериальные клетки.
Поэтому их используют для лечения бактериальных заболеваний таких как дизентерия, брюшной тиф, холера.
Строение бактериофага поселившегося в клетку кишечной палочки.
З А К Р Е П Л Е Н И Е И З У Ч Е Н О Г О М А Т Е Р И А Л А
1. Сравните вирусы с клеткой и ответьте на вопрос : в чём отличие вируса от клетки?
2. Выберите вариант правильного ответа:
1. Вирусами называют:
1. эукариоты
2. неклеточные формы жизни
3. прокариоты.
4. мельчайшие бактерии
2. Вирусы размножаются:
1. самостоятельно
2. только в бактериальной клетке
3. в клетке хозяина
4. не размножаются вовсе
3. В строение вирусов обязательно входит
1. ДНК, РНК
4. углеводы
4. Бактериофагом называют:
1. Определённый вид вируса
2. Определённый вид бактерий
3. Вирусы, поселившиеся в клетку бактерий
4. Бактерию, поселившуюся в капсид вируса
5. Заболевание, вызываемое вирусом
1. Гепатит
3. Дизентерия
4. Сколиоз
3. Вставьте пропущенные слова: Вирусы считают_________________ формами жизни.
Они не потребляют _______________, не вырабатывают ________________________, не растут, у них нет _____________________________________. Поселившийся вирус в бактериальную клетку называют _____________________________________.
Дополнительная литература для изучения данной темы.
А.А. Каменский, Е.А.Криксунов, В.В. Пасечник «Общая биология» 10-11 классы п.20 с. 78.
А.О.Рувинский «Общая биология» для учащихся 10-11 классов. П18, с. 106-112.
Ю.И. Полянский «Общая биология» 10-11 классы. П. 36.с 144.
Д.К.Беляев. Общая биология 10-11 классы. П.18.с.67.
А.А. Каменский, Е,А. Криксунов, В.В.Пасечник «БИОЛОГИЯ. Введение в общую
Биологию и экологию» с 37-39.
Пояснительная записка.
Урок по теме «Вирусы» разработан как для учащихся 9 класса, так и для
учащихся 11 класса с учётом самостоятельного изучения. Материал
изучения отражает самые основные моменты открытия, строения,
жизнедеятельности, размножения вирусов,
строения бактериофага, перечислены заболевания передаваемые вирусами.
Информация изложена простым доступным для учащихся языком.
Информационный материал пересекается с предложением выполнить те или
иные задания, а в конце материала проверить знания изученной темы.
Для закрепления материала предложены задания разной формы: вопрос со
свободным ответом, вопросы в форме теста и биологического диктанта.
Материалы для подготовки учащихся к ЕГЭ
Тема: вирусы
1. Задания части А
1) вирус 2)бактерия 3)клетка
гриба 4)органоид клетки
1) бактериофаги 2) хемотрофы 3) автотрофы 4) цианобактерии
1) синезелёные 2) вирусы 3) бактерии 4) простейшие
1) вирусы 2) бактерии 3) лишайники 4) грибы
1) вирусы 2) бактерии 3) лишайники 4) грибы
4) его ДНК встраивается в ДНК клетки хозяина и осуществляет синтез собственных молекул белка
1)гриппа 2)бешенства 3)полиомиелита 4)натуральной оспы
4) не вырабатывают энергию
Ответы к заданию части А.
1. Задания части А , с выбором одного верного ответа.
1. Какой объект изображён на рисунке
1) вирус 2)бактерия 3)клетка гриба 4)органоид клетки
2. Встраивание своей нуклеиновой кислоты в ДНК клетки хозяина осуществляют
1) бактериофаги 2) хемотрофы 3) автотрофы 4) цианобактерии
3. Не имеют клеточного строения
1) синезелёные 2) вирусы 3) бактерии 4) простейшие
4. Какие формы жизни занимают промежуточное положение между телами живой и неживой природы?
1) вирусы
5. Попав в клетку живого организма, вирус изменяет её обмен веществ, поэтому его относят к
6.Функционируют только в клетке другого организма, используют его аминокислоты, нуклеотиды, ферменты и энергию для синтеза нуклеиновых кислот и белков –
1) вирусы 2) бактерии 3) лишайники 4) грибы
7. Вирус нарушает функционирование клетки хозяина, так как
1) разрушает клеточную оболочку
2) клетка теряет способность к редупликации
3) разрушает митохондрии в клетке хозяина
4) его ДНК встраивается в ДНК клетки хозяина и осуществляет синтез собственных молекул белка
8. К ДНК-содержащим вирусам относится возбудитель
1)гриппа 2)бешенства 3)полиомиелита 4)натуральной оспы
9. Наука, изучающая неклеточные формы жизни.
10. Вирусы сходны с неживыми структурами тем, что:
1) способны размножаться 2) способны развиваться
3) обладают наследственностью и изменчивостью
4) не вырабатывают энергию
Задания части В.
.
1. Вирусы – это формы жизни, которые:
состоят их отдельных вирусных частиц – вирионов.
могут вызывать заболевания у растений, животных и человека.
имеют ядро и органоиды
1. Не способны расти
2. Способны размножаться в клетке хозяина
4. Обладают наследственностью и изменчивостью
5. Не способны расти
6. Синтезируют свои белки.
В) синтез вирусных белков
в клетку организма 2. Вирусы
Б) встраивают своё ДНК в ДНК клетки хозяина
В) являются прокариотами
Г) имеют рибосомы
Ответы к заданиям части В.
Задания с выбором нескольких верных ответов .
Вирусы – это формы жизни, которые:
могут функционировать как вне клетки, так и попав в клетку хозяина.
состоят их отдельных вирусных частиц – вирионов.
могут вызывать заболевания у растений, животных и человека.
имеют ядро и органоиды
вызывают заболевание – дизентерия.
2. Вирусы сходны с живыми организмами тем, что:
1. Не способны расти
2. Способны размножаться в клетке хозяина
3. Образуют кристаллическую форму существования
4. Обладают наследственностью и изменчивостью
5. Не способны расти
6. Синтезируют свои белки.
Установите последовательность жизненного цикла вируса в клетке хозяина.
А) прикрепление вируса своими отростками к оболочке клетки.
Б) проникновение ДНК вируса в клетку
В) синтез вирусных белков
Г) встраивание ДНК вируса в ДНК клетки хозяина
Д) формирование новых вирусов
Задание на установление соответствия
Установите соответствие между строением и функцией форм жизни и их представителей
Строение и функции форм жизни формы жизни
А) могут функционировать, только попав 1. Бактерии
в клетку организма 2. Вирусы
Б) встраивают свою ДНК в ДНК клетки хозяина
В) являются прокариотами
Г) имеют рибосомы
Д) генетический материал окружён капсидом
Е) вызывают заболевание туберкулёз
Задания части С со свободным развёрнутым ответом.
Задания со свободным ответом, контролирующие умения работать с текстом.
Какие признаки характерны для вирусов?
Каково действие вируса СПИДа на организм?
О тветы к заданиям части С.
Задания со свободным ответом, контролирующие умения работать с текстом.
1. Найдите ошибки в приведённом тексте, укажите номера предложений, в которых они сделаны, запишите эти предложения без ошибок.
В 1892 году В.И.Вернадский описал свойства вирусов.
Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию.
Отдельные вирусные частицы – вирионы представляют собой симметричные тела, состоящие из повторяющихся элементов.
Внутри каждого вириона находится генетический материал, представленный молекулами белка.
Генетический материал вируса окружён капсидом – липидной оболочкой.
|
(допускаются другие варианты ответа) |
|
|
Элементы ответа: 1 – В 1092 году описал свойства вирусов Д.И.Ивановский. 4 – Внутри каждого вириона находится генетический материал, представленный молекулами ДНК. 5 – Генетический материал вируса окружён капсидом – белковой оболочкой. |
|
|
В ответе указаны и исправлены все три ошибки |
|
|
В ответе указаны и исправлены две ошибки, ИЛИ указаны три ошибки, но исправлены только две из них |
|
|
В ответе указана и исправлена 1 ошибка, ИЛИ указаны 2 – 3 ошибки, но исправлена 1 из них |
|
|
Ошибки не указаны, ИЛИ указаны 1 – 3 ошибки, но не исправлена ни одна из них |
|
|
Максимальный балл |
Какие признаки характерны для вирусов.
|
(допускаются другие формулировки ответа не искажающие его смысла) |
|||||||||||||||||||||||
|
Элементы ответа: 1) неклеточные формы жизни; 2) генетический материал (ДНК или РНК) окружён белковой оболочкой; 4) не имеют собственного обмена веществ (могут функционировать только в клетках хозяина) |
|||||||||||||||||||||||
|
Ответ неправильный |
|||||||||||||||||||||||
|
Максимальный балл |
Каково действие вируса СПИДа на организм.
|
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)
ВИРУС: 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, 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 геноме. 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. 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.
Бактерия же - живой организм, и хотя она состоит всего из одной клетки, она может вырабатывать энергию и синтезировать вещества, обеспечивающие ее существование и воспроизведение. Что в этом контексте 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.
Доводы за то, что они живые:
- Молекулярная организация такая же, как у клетки живого организма: НК, белки, мембраны. С молекулярной точки зрения = это нормальный вариант жизни. Внутри живых объектов находят нуклеотидные последовательности сходные с нуклеотидными последовательностями вирусов.
- Вирусы имеют почти все свойства живого кроме развития.
Доводы за то, что они неживые:
- Не имеют клеточного строения
- Если поместить вирус под микроскоп и наблюдать за ним, то ничего не происходит. Для того, чтобы оно «начало жить», его нужно ввести в клетку. НО! Клетка – окружающая среда вируса. Если поместить живой организм в вакуум, то он умрет. Точно так же и вирус, для него воздушная среда – вакуум. Сухое семя растения может тысячелетиями лежать не проявляя свойств живого, до тех пор, пока не попадет в воду, замерзшая во льду лягушка, высохший в коконе чешуйчатник, всех можно оживить, поместив в подходящую среду, как и вирус.
Признак живого – большая степень самоупорядоченности. Матричный синтез – высшая степень упорядоченности, следовательно вирусы – живые. Однако наиболее просто устроенные вирусы – это молекулы ДНК, если вирусы живые, то и ДНК – живое.
Главный смысл жизни – продолжение жизни! Продолжение жизни – воспроизведение генетической информации. В эту схему хорошо укладывается то, что ДНК – живая. Некоторые транспозоны способны воспроизводиться по принципу репликации ДНК (ДНК – транскрипция). Смысл существованья транспозона вообще – воспроизведение отдельных участков генетической информации, причем каждый участок сам по себе. Все это привело к возникновению Selfish DNA – эгоистичная ДНК. ДНК способно к интенсивному воспроизведению; ДНК в ходе эволюции выработало такую среду, чтобы существовать – КЛЕТКА .
Итог: если принять, что вирусы живые то – клеточная теория живого отвергается; если вирусы живые, то и ДНК – живая; все более сложные структуры (кроме ДНК) имеют лишь одну цель – способствовать воспроизведению ДНК. В ходе эволюции создается клетка и ДНК «поняла», что это хорошо. Потом хорошо бы разделить на компартменты – возникли эукариоты. Хорошо бы рекомбинироваться – половое размножение. Потом многоклеточные существа. Среды обитания ДНК приспосабливались к окружающей среде, т. к. взаимоотношения с окружающей средой очень сложные, то возник разум. Следовательно, человек живет лишь для воспроизведения собственной генетической информации.
Выдвинута в 60 годы. Некоторые вирусы способны инфицировать клетку в виде голой ДНК, следовательно, основа жизни – это ДНК, следовательно, ДНК – живая. Доводы за эту концепцию:
- Существование вирусов
- В клетках разных живых организмов есть нуклеотидные последовательности, не предназначенные ни для чего, кроме своего воспроизведения – транспозоны, они содержат генетическую информацию, которая отвечает за перемещение транспозона. Есть 2 типа транспозонов:
- Транспозоны 1 класса, ретротранспозоны. Ретротранспозоны– мобильные генетические элементы. Могут легко менять последовательность генетической информации. Перемещаются по геному путём обратной транскрипции с их РНК. Они мигрируют, при этом исходная копия остается на месте, а другая интегрируется в другое место. Внутренняя область очень похожа на генетический материал ретровирусов, но без области, кодирующей белок капсида. Ретровирусы – идет метод обратной транскрипции (ДНК по РНК). Сначала были ретровирусы. Они были в клетках и со временем утратили капсид, став транспозонами. Другая точка зрения – сначала были транспозоны. Но со временем по каким-то причинам появился капсид, позволяющий выйти транспозонам из клетки в виде ретровирусов.
- ДНК-транспозоны, вырезаемые белками и переносимые ими в другое место, имеют только функцию самораспространения.
- ДНК – живой объект, который строит вокруг себя подходящую среду – клетку. ДНК отслеживает процессы размножения ДНК без размножения организма, пример бесплодные муравьи.
- Важно, насколько эффективно воспроизводится ДНК, судьба организма не важна.
- Концепция Вейсмана: в организме высшего животного можно выделить 2 типа структур:
- Зародышевый путь – более ценный, от клеток эмбриона к репродуктивным клеткам
- Сома – все остальные клетки, с генетической информацией можно делать что угодно
У аскариды клетки сомы выбрасывается множество фрагментов ДНК – диминуция ДНК.
Информация – это неоднородность пространства, созданная специально. Вирусы обладают генетической информацией, которая устроена так же как и у других живых существ.
У вирусов
| Нет | Есть | Нет |
Биология развития
Детерминированное дробление – дробление, которое начинает быть видным очень рано. Наиболее яркий пример: нематоды. У них можно до клеток просчитать, сколько их в каждом сегменте (считают ядра).
Caenorhabditis ebgans (нематода). У взрослой особи количество соматических ядер – 959. Если на одно меньше или больше – мутант по развитию. Для каждой клетки определена судьба. Некоторые клетки, образовавшиеся из первых, должны умереть. Это явление получило название апоптоз . У человека апоптоз проявляется как разделение кисти (лопаточка на ранних стадиях) на пальцы. Некоторые клетки отмирают, что позволяет образовываться пальцам.
У млекопитающих детерминация намного слабее, есть стволовые клетки, но, получив специализацию, они уже не могут вернуться обратно, это называется терминальная дифференцировка .
Экология
Экология изучает взаимоотношение живых организмов с окружающей средой. Любые трофические отношения состоят из элементарных частей. Центральным звеном любых экологических отношений являются разнообразные биологические ответы – это система адекватных реакций организма на определенный внешний или внутренний сигнал.
Биология – наука о жизни. Не известно, кто впервые ввел этот термин в науку. Считают, что это понятие ввели независимо друг от друга два ученых (один из них Ламарк). Применяли это понятие и до Ламарка, например, Линней, но, скорее всего, в другом значение.
Каждую науку можно раздробить на более «мелкие» (узкоспециализированные). На пересечение строк и столбцов получаем реально существующую науку.
Есть науки, которые в этот способ классификации не вписываются. Науки, возникшие на границе естественных наук.
В какой-то степени эти науки синтетические.
Науки, которые изучают все многообразие сразу, используя методы всех наук: молекулярная биология, эволюционное учение, систематика – описание существующего и существовавшего многообразия видов и их распределение в системе в зависимости от их филогении. Эволюционное учение, систематика – это синтетические наука.
Cynthia Goldsmith This colorized transmission electron micrograph (TEM) revealed some of the ultrastructural morphology displayed by an Ebola virus virion. See PHIL 1832 for a black and white version of this image. Where is Ebola virus found in nature?
The exact origin, locations, and natural habitat (known as the «natural reservoir») of Ebola virus remain unknown. However, on the basis of available evidence and the nature of similar viruses, researchers believe that the virus is zoonotic (animal-borne) and is normally maintained in an animal host that is native to the African continent. A similar host is probably associated with Ebola-Reston which was isolated from infected cynomolgous monkeys that were imported to the United States and Italy from the Philippines. The virus is not known to be native to other continents, such as North America.
Попадают под определение жизни: они находятся где-то посредине между сверхмолекулярными комплексами и очень простыми биологическими организмами. Вирусы содержат некоторые структуры и демонстрируют определенные виды деятельности, которые являются общими для органической жизни, но им не хватает многих других характеристик. Они полностью состоят из одной цепи генетической информации, заключенной в оболочку белка. Вирусы испытывают недостаток большей части внутренней структуры и процессов, которые характеризуют «жизнь», включая биосинтетический процесс, необходимый для размножения. Чтобы (воспроизводится), вирус должен инфицировать подходящую клетку-хозяина.
Когда исследователи впервые обнаружили вирусы, которые вели себя как , но были намного меньше и вызывали такие заболевания, как бешенство и ящур, стало общеизвестно, что вирусы биологически «живы». Однако это восприятие изменилось в 1935 году, когда вирус табачной мозаики кристаллизировали, и показали, что у частиц не было механизмов, необходимых для метаболической функции. Как только было установлено, что вирусы состоят только из ДНК или РНК, окруженной белковой оболочкой, научной точкой зрения стало, что они являются более сложными биохимическими механизмами, чем живые организмы.
Вирусы существуют в двух разных состояниях. Когда он не контактируют с клеткой-хозяином, вирус остается полностью бездействующим. В это время внутри вируса нет внутренней биологической активности, и по существу вирус является не более чем статической органической частицей. В этом простом, явно неживом состоянии вирусы называются «вирионами». Вирионы могут оставаться в этом состоянии бездействия в течение продолжительных периодов времени, терпеливо ожидая контакта с соответствующим хозяином. Когда вирион входит в контакт с соответствующим хозяином, он становится активным вирусом. С этого момента вирус отображает свойства, типичные для живых организмов, такие как реагирование на окружающую среду и направление усилий на саморепликацию.
Что определяет жизнь?
Нет четкого определения того, что отделяет живое от неживого. Одним из определений может быть точка, в которой субъект имеет самосознание. В этом смысле, тяжелая травма головы, может классифицироваться, как смерть мозга. Тело и мозг могут все еще функционируют на базовом уровне, а также заметна метаболическая активность во всех клетках, составляющих большой организм, но предполагается, что нет самосознания, и следовательно, мозг мертв. На другом конце спектра критерием определения жизни является возможность передать генетический материал будущим поколениям, тем самым восстановив свое подобие. Во втором, более упрощенном определении, вирусы несомненно живы. Они, бесспорно, являются наиболее эффективными на Земле при распространении своей генетической информации.
Хотя нет окончательного решения вопроса о том, можно ли считать вирусы живыми существами, их способность передавать генетическую информацию будущим поколениям делает их основными игроками в разрезе эволюции.
Доминирование вирусов
Организация и сложность медленно увеличивались с того момента, когда макромолекулы начали собираться в изначальном супе жизни. Нужно задуматься о существовании необъяснимого принципа, прямо противоположного второму , который ведет эволюцию к высшей организации. Мало того, что вирусы были чрезвычайно эффективны при распространении собственного генетического материала, они также несли ответственность за несказанное перемещение и смешивание генетического кода между другими организмами. Вариабельность генетического кода, возможно, является движущей силой . Благодаря выражению переменных , организмы способны адаптироваться и стать более эффективными в изменяющихся условиях окружающей среды.
Заключительная мысль
Может быть, актуальный вопрос заключается не в том, живы ли вирусы, сколько в том, какова их роль в движении и формировании жизни на Земле, как мы ее воспринимаем сегодня?
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.
| РЕПЛИКАЦИЯ ВИРУСА |
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.