Глава третья. Как устроены вирусы

Обсудив и поспорив по поводу того, "откуда они родом", пришла пора наконец представить вам нашего героя: нарисовать портрет, сообщить о внутреннем строении, об излюбленном месте жительства и родственниках... Короче, заполнить анкету. Но так же, как и анкета, предъявляемая каждым из нас при устройстве, например, на работу, лишь в очень малой степени способна охарактеризовать человека, и потому кадровики требуют дополнять ее другими документами (автобиографией, трудовой книжкой, копиями различных дипломов и справок), так и по отношению к вирусу голая анкета мало что о нем расскажет. И чтобы анкета "заговорила", мы решили не ограничивать себя узкими рамками сокращенной схемы, а попытаться достаточно подробно изложить не только сами факты, но и путь, по которому, добывая их, шла наука.

Истинные научные открытия отличаются от ложных тем, что последующие движения человеческой мысли их никогда не отметают. Никем и никогда не будет отменена ни теорема Пифагора, ни классификация растений К. Линнея, ни Периодическая система элементов Менделеева. Как бы ни был высок уровень знаний, этим творениям ума всегда найдется соответствующее место, ибо путь познания идет по спирали. Законы Ч. Дарвина действуют и в мире вирусов, о котором ученый не имел ни малейшего представления! Разве это не удивительно! Впрочем, как именно действуют, мы поговорим дальше и наверняка поспорим. А пока вернемся к структуре вириона.

Мы полагаем, что читатель достаточно хорошо представляет себе, что такое белки и нуклеиновые кислоты. Коль скоро это так, осталось их сложить - и вирус готов. Совсем, как говорится в веселой оперетте, "...к каждому слову прибавляешь частичку "ус", и латынь готова". Не нужно обучаться латинскому языку, надо только научиться складывать.

Увы! Кое-где правила арифметики бессильны. Как справедливо отметил один из крупнейших современных биологов Л. Берталанфи: "Зная все о том, что такое один, и зная, что один и один составляют два, мы еще не знаем всего о том, что такое два, ибо тут добавляется еще какое-то "и", и надо знать, что этот элемент "и" вносит с собою".

Для врача-вирусолога, имеющего дело с инфекционным вирусом, утверждение "вирус=нуклеиновая кислота+белок" просто ничего не означает. При попытках обнаружить вирусы, например заражая животных, куриные эмбрионы или тканевые культуры, слагаемые вируса (как суммы!) никак не выявляются. Разрушая клетки, убивая животное, вирус выступает как единое целое, состоящее из разных компонентов, диалектически связанных между собой. Вирусолог-биолог стихийно стоит на позиции Берталанфи, на позициях органицизма, то есть такой системы взглядов, которая исходит из невозможности сведения сложного к простому и объектом своего исследования согласна принимать лишь ту или иную степень целостности, тот уровень организации, который адекватен характеру изучаемых функций и свойств. Характеру биологических потенций вируса-паразита адекватен весь вирус как единство его компонентов. Ни один из этих компонентов не подменяет и не может заменить их единства.

Но... что же это означает? Что вирус не состоит из белка и нуклеиновых кислот? Достаточно нам слишком уж сильно запротестовать против формулы: вирус=белок+нуклеиновая кислота, как мы попадаем в дебри витализма. "И" Берталанфи становится уж слишком кантовской "вещью в себе". У биохимиков и биофизиков, занимающихся изучением структуры вирусов, есть подспудная мысль, что, познав свойства каждого компонента в отдельности, можно уяснить себе природу всего возбудителя в целом. Иными словами: эти исследователи стихийно стоят на позициях редукционизма, то есть такого принципа исследования, который основан на убеждении, что путь к познанию сложного лежит через его расчленение на все более и более простые составные части и изучение их природы и свойств.

Кто же прав?

Прямым детищем редукционизма является вся современная молекулярная биология, значение которой для науки невозможно переоценить. Крупнейший физик нашего времени Н. Блеккет справедливо заметил, что "молекулярная биология в такой же мере революционизировала науку о живом мире, как квантовая теория революционизировала ядерную физику несколько десятилетий тому назад". Может ли такое прогрессивное "дитя" родиться от порочной системы взглядов? Видимо, нет. Но что же делать нам с "и" Берталанфи? Ведь он прав: вирус все-таки не просто нуклеиновая кислота+белок.

Видимо, дело в том, что не нужно противопоставлять одну систему взглядов другой. Тысячу раз прав академик В. А. Энгельгардт, говоря, что "существенно важную... методологическую значимость надлежит признать за такой ориентацией научного поиска, которая бы от наиболее примитивных, элементарных, в основном молекулярных уровней, где господствует современный редукционизм, вела бы в обратном направлении, к уровням все более возрастающей сложности организации, к системам, приобретающим новые свойства и функции". Такую ориентацию мыслей он называет интегратизмом.

Ориентация мыслей весьма немаловажный фактор познания. Л. А. Зильбер говорил, что "идея исследования важнее, чем метод!" Ориентировать свои мысли в плане интегратизма - это значит прежде всего понять, что возникающая новая целостность обладает качественными признаками, которых не было у включенных в ее состав частей. Сейчас уже не вызывает никаких сомнений то обстоятельство, что новые качественные признаки, присущие целостности и отсутствующие в ее частях, обусловлены многообразными связями между частями возникшей целостности. Именно связи и являются теми "и" Берталанфи, которых, безусловно, нет в отдельностях до их интеграции.

Связи эти весьма разнообразны. Здесь и взаимодействие между частями, и утрата некоторых частных свойств при вхождении в состав целого, и появление новых свойств целостности за счет возникновения связей между частями и, наконец, упорядоченность частей, детерминированность их пространственного и функционального взаимоотношения. Все эти черты интеграции, так четко формулируемые В. А. Энгельгардтом, чрезвычайно легко иллюстрировать примерами из вирусологии.

Вирус не просто белок и нуклеиновая кислота! Вирус - это белок и нуклеиновая кислота, объединенные (интегрированные) в качественно новую целостность, свойства которой не сводимы к свойствам только белка и только нуклеиновой кислоты при их арифметическом сложении. Чтобы понять это до конца, нужно двигаться от углубленного знания белков и нуклеиновых кислот (то есть от редукционизма) к познанию особенностей биологической организации. Несколько перефразировав слова академика А. А. Баева, можно сказать, что путь от редукционизма к интегратизму похож на движение вверх по лестнице, ведущей вниз. И тем не менее шагать иначе в науке нельзя. Интегратизм современной биологии может развиваться только из редукционизма, основываясь на результатах изучения деталей и частностей.

И так было во всех других науках. Таблица Менделеева - высшее и непревзойденное проявление интегратизма в химии - также выросла из химического редукционизма, из бесчисленного количества частных химических сведений. Биология - моложе (хотя и старше одновременно!), но закономерность - та же. Впрочем, таковы законы познания вообще. Об этом образно говорил еще Энгельс в "Диалектике природы": от суммарного общего взгляда на природу, через метафизические углубления в частности - к диалектическому объединению частей в целое! К счастью, биология вышла уже на этот третий виток, хотя не будем преуменьшать сложностей: каждый шаг по этому витку состоит из тех же трех компонентов: "вообще" - "в частности" - "к интеграции".

Если считать, что целое не сводимо к его частям, но свойства этого целого обусловлены и частями и связями, которые между ними возникают, то нужно признать: есть нечто, определяющее правильность этих связей. Собственно, именно эта мысль и лежит в основе витализма всех мастей и оттенков. Пораженные сложностью и совершенством организации живых существ, люди издавна относили идею и выполнение столь совершенной работы только за счет божественного промысла.

Их трудно за это упрекать. Как иначе можно понять, что к молекуле РНК вируса табачной мозаики присоединяется ровно 2130 белковых субъединиц, а не 2129 или 2131? Как тут не вспомнить о боге?

Только последние десятилетия внесли ясность в вопрос о сущности сил, направляющих характер всех уровней интеграции. Эти силы - поток информации, мощно направляющий потоки энергии и веществ в общее "русло жизни". Создавая порядок из хаоса, "творец" обязан был направить поток информации в беспорядочную смесь всего и вся. Без этого никакого творения не было бы!

Создание порядка из хаоса - кардинальное свойство живого. Афоризм "единственным источником биологического порядка является сам биологический порядок" звучит подозрительно, если не оговориться, что речь идет об уже возникшей жизни (ибо когда-то биологический порядок родился не из самого себя!). Ну а если жизнь уже возникла, кто же все-таки регулирует построение белкового чехла вируса мозаичной болезни табака именно из 2130 белковых субъединиц? К счастью, сейчас на этот каверзный вопрос довольно легко ответить благодаря тому, что хорошо изучены основы интегральной информации - направляющей силы создания биологического порядка из хаоса веществ.

Явление самосборки, то есть самопроизвольно протекающий процесс образования сложных целостностей из смеси их компонентов, отчетливо демонстрирует, насколько совершенна интегративная информация, записанная в молекулах белка нуклеиновой кислоты того же вируса табачной мозаики, если при реконструкции в пробирке, так же, как и в живой клетке, на одну молекулу РНК приходится 2130 субъединиц белка (ни больше, ни меньше)!

Таковы некоторые общие соображения о структуре вирусов. Перейдем теперь к весьма существенным частностям.

...Вирусы открыл в 1892 году русский ботаник Д. И. Ивановский. Вероятно, история открытия, равно как и объект его - возбудитель мозаичной болезни табака, известны сегодня любому грамотному человеку. Но так было не всегда, что дало право академику АМН СССР В. М. Жданову написать в связи с 90-летием открытия вирусов: "Судьба открытий бывает разная. Одни рождаются с шумом и сенсацией, а затем занимают скромное место в ряду фактов, составляющих фонд той или иной научной дисциплины. Другие вначале не привлекают к себе большого внимания и даже остаются малозамеченными, и лишь в дальнейшем становится ясным их значение, и немеркнущий луч этих открытий освещает путь науки в течение десятилетий. К их числу относится открытие Д. И. Ивановским мира вирусов".

Да, долгое время казалось, что вирус табачной мозаики, так же как открытый Ф. Лефлером и П. Фрошем в 1898 году вирус ящура и даже описанные К. Д'Эррелем и Ф. Твортом в 1915 - 1917 годах бактериофаги - это все какие-то случайности, какие-то исключения из достаточно уже известного мира живой природы. И только к концу 20-х годов, а возможно, и несколько позже, среди ученых стали распространяться представления о том, что вирусы занимают в биосфере свое особое место.

Если не все, то абсолютное большинство вирусов было открыто при установлении причины какого-либо заболевания человека, животных или растений. И это наложило отпечаток и на отношение к вирусам, и к науке вирусологии, которая их изучает. В ней стали видеть прежде всего раздел патологии, вернее, раздел о причинах патологии, а мельчайшие объекты, исследуемые этой дисциплиной, назвали однозначно - яд (по-гречески яд - вирус).

Пока вирусов было известно немного и еще меньше люди знали о них, ученых вполне устраивала такая простая классификация: вирусы животных, вирусы растений, вирусы бактерий. Но уже к концу 40 - началу 50-х годов это деление перестало удовлетворять. Во-первых, были обнаружены вирусы, которые могли поражать и растения и животных; во-вторых, среди каждой из этих групп их набиралось столько, что требовалась дальнейшая градация. И то один, то другой специалист предлагал свою классификацию.

Кто-то закладывал в ее основу способность вирусов передаваться тем или иным путем, и отсюда пошли и сегодня употребляемые названия - респираторные вирусы (от латинского респиро - дыхание), кишечные вирусы, вирусы, переносимые членистоногими... Другие главным критерием считали клинические признаки вызываемых вирусами заболеваний, что нашло отражение в названиях, которые живут и сегодня: вирусы клещевого энцефалита, геморрагической лихорадки, гепатита, бородавок... Но и эти классификации были недостаточно полными. И потому к концу 60-х годов работа по совершенствованию номенклатуры вирусов вновь активизировалась.

Но в 60-е годы техника вирусологических исследований достигла уже весьма высокого уровня. В это время вирусология перестает быть только опосредованной и описательной, на вооружении ученых появляются методы, чуть ли не в буквальном смысле позволяющие разглядеть каждый отдельный вирион "в лицо" (а измеряются вирионы, между прочим, в нанометрах, то есть миллионных долях метра); а кроме того, расчленить вирион на составляющие его компоненты и исследовать их: в первую очередь нуклеиновые кислоты и белки (вот только когда это стало очевидным!). Так что новые классификации стали строиться на принципиально иной основе.

Хорошо известно, что наследственность всех живых организмов связана с молекулами ДНК, в которой хранится генетическая информация, и РНК, которая служит инструментом выражения этой информации, ее экспрессии. Так устроен и кит, и совсем крохотная вирусоподобная хламидия. И только в истинных вирусах, как мы уже говорили, содержатся молекулы лишь какого-то одного типа нуклеиновой кислоты: либо ДНК, либо РНК. Таким образом, кардинальное отличие вирусов от всех других форм живого состоит в том, что функции разных нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) совмещены в одной, которая одновременно является и хранителем генетической информации, и ведущим инструментом ее экспрессии.

Мы употребили выражение истинные вирусы не случайно, хотя в специальной литературе такого термина нет. Дело в том, что к миру вирусов примыкают еще более примитивные формы, состоящие либо из одной РНК (вироиды), либо из одного белка (прионы). Первые вызывают болезни растений, вторые - некоторые формы так называемых медленных инфекций животных (в частности, скрэпи - почесуху овец). Природа этих агентов мало понятна. Они, бесспорно, вирусоподобны, но большего о них мы пока сказать не можем.

Рис. 1

Вернемся к "истинным" вирусам, то есть агентам, состоящим (как минимум) из нуклеиновой кислоты какого-то одного типа и белка. Все они составляют самостоятельный тип (царство) живой природы (Vira - Вира), распадающийся на два самостоятельных подтипа: подтип РНК-содержащих и подтип ДНК-содержащих вирусов. Именно этот молекулярно-биологический критерий лег в основу классификации вирусов, разработанной в начале 60-х годов тремя крупными вирусологами: А. Львовым, Р. Хорном и П. Турнье (система ЛХТ). Заметим: такое деление вирусов было бы невозможно раньше, когда не было ни фактических данных о химическом составе вирусов, ни понимания роли нуклеиновых кислот в организации и функционировании живой материи. Прогрессивный взгляд на классификацию вирусов стал просто необходим лишь в 60-е годы.

Изучение молекулярной организации вирусов с помощью электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и других современных методов исследования позволило авторам системы ЛХТ в рамках отдельных подтипов - РНК-содержащих и ДНК-содержащих вирусов - выделить классы, различающиеся по типу симметрии белковой оболочки нуклеокапсида: спиральной или кубической. Нам нечего добавить к этим названиям, кроме: спиральной симметрией обладает винт, кубической - любой многогранник, вписанный в шар.

Рис. 2. Схематическое изображение 'сферического' вируса (а) и вируса со спиральной симметрией (б). 1 - структурная единица (субъединица); 2 - капсомер (морфологическая единица); 3 - капсид; 4 - нуклеиновая кислота; 5 - оболочка

Рассмотрим теперь структуру вируса. Как мы уже говорили, в химическом отношении это нуклеопротеид: соединение нуклеиновой кислоты с белком. Но поверх этого нуклеопротеидного "тела" могут быть расположены поверхностные, внешние оболочки. Это так называемый "пеплос" (накидка по-гречески), состоящий из липоидов, полисахаридов или липополисахаридов. (Вот почему мы говорим, что вирусы состоят как минимум (!) из нуклеиновой кислоты и белка.) В зависимости от того, имеются у вириона липополисахаридные оболочки или отсутствуют, классы вирусов распадаются на порядки. В свою очередь, последние подразделяются на различные семейства: в зависимости от диаметра нуклеокапсида (для вирусов со спиральной симметрией) или числа капсомеров (для вирусов с кубической симметрией); семейства делятся на роды, роды - на виды. "Впрочем, - как говорят А. Г. Букринская и В. М. Жданов, - понятие биологического вида можно лишь условно применить к вирусам - простейшим формам жизни на Земле". Так ли это?

Рис. 3. Схематическое изображение строения основных вирусов человека и животных. 1 - группы оспы; 2 - подгруппы паравакцины; 3 - группы герпеса; 4 - аденовирусы; 5 - паповавирусы; 6 - пикоднавирусы; 7 - вирус гриппа; 8 - вирус Сендай; 9 - вирус везикулярного стоматита; 10 - реовирус; 11 - вирус энцефалита; 12 - пикорнавирусы

Если вопрос о виде вирусов является спорным, то общепринятым считается, что понятий класс и порядок для вирусов не существует. Зато семейство стало основным и ведущим.

Поскольку мы пишем не учебник по вирусологии, а популярную книгу о роли и значении вирусов в биосфере, думается, нет необходимости приводить здесь детальную классификацию вирусов и называть по-латыни все 17 семейств вирусов позвоночных и семь семейств вирусов беспозвоночных животных, 20 родов вирусов растений и 10 семейств вирусов бактерий, а также 5 родов вирусов грибов... Тем, кто интересуется вирусологией всерьез, найти такую классификацию нетрудно, всем же остальным она попросту не нужна. Избыточная информация часто даже вредна, как и недостаток таковой...