За гранью светового микроскопа

Благодаря работам гениальных «охотников за микробами», главным образом Пастера и Коха, к концу XIX века в медицине сложилось стройное учение об инфекциях. Суть его проста: любая инфекционная болезнь должна иметь своего возбудителя. И действительно, один за другим открывались возбудители различных заразных заболеваний.

Микробиологи уже знали возбудителей сибирской язвы, туберкулеза, столбняка, чумы человека, сапа, рожи свиней и многих других болезней. Выделение все новых и новых микроорганизмов шло столь стремительными темпами, что к началу нашего столетия были выявлены возбудители большинства распространенных болезней человека и животных.

Исследователи научились не только выделять болезнетворных микробов, но и культивировать их в искусственных лабораторных условиях на питательных средах.

Казалось бы, путь борьбы человека с опасными представителями мира микробов предопределен. И хотя в то же время как бы в подтверждение положения, что нет правил без исключения, накапливались факты, не соответствующие классической теории инфекций, на них особого внимания не обращали. Не удается выделить и охарактеризовать возбудителей бешенства или ящура — неважно! Ведь это все равно должны быть микробы, и рано или поздно их удастся получить в чистой культуре, нужно лишь создать подходящую среду. Поиски продолжались. Никто не мог даже допустить мысли, что природа и здесь приготовила человеку «сюрприз» и существует огромнейший мир организмов, в тысячи и сотни тысяч раз более мелких, чем микробы. На этот раз из состояния неведения вывел человечество не любознательный дилетант, как это случилось с миром микробов, открытым Левенгуком, а ученый-экспериментатор.

Все началось с событий, не имеющих, казалось бы, никакого отношения к медицине и волновавших людей, довольно далеких от нее. Это были промышленники-табаководы, начавшие терпеть убытки от болезней табака, которые снижают урожай и ухудшают качество продукции. Многочисленные курильщики выражали недовольство.

Но табаководы ничего не могли поделать. Болезнь распространялась, охватывая все новые плантации. Называлась она табачной мозаикой. Название древнее и довольно удачное. Чередование здоровых и больных участков на листьях табака, пораженных болезнью, действительно похоже на мозаику. Этим сравнением исчерпывались почти все сведения о заболевании.

Впрочем, не совсем так. Относительно причин болезни у табаководов некоторые соображения были. Однако мнения разделились. Одни винили солнце; другие, наоборот, видели все зло в холодных ночах и туманах; третьим казались подозрительными парники, в которых выращивалась рассада. Были и такие, кто полагал, что болезнь просто необъяснима и возникает из-за колдовства.

Но как лечить растения? Классическая теория инфекций требовала прежде всего найти возбудителя-микроба. И промышленники позвали на помощь ученых.

В Голландии мозаичной болезнью табака занялся в 1886 году немецкий микробиолог Майер. Довольно быстро ему удалось установить инфекционный характер заболевания. Нашел он и что сок больных растений, профильтрованный через двойной бумажный фильтр, теряет свое заразное начало.

Майер делает вывод: возбудителем болезни является бактерия. Начинаются безуспешные поиски бактерии и попытки выделить ее в чистую культуру. Так, подойдя к порогу великого открытия, ученый свернул в сторону. Почтение перед классической теорией инфекций, уверенность, что все болезни вызываются микробами, которых можно увидеть в микроскоп, не позволили Майеру сделать последнего шага и испробовать иные способы фильтрации сока больных растений.

Изучение табачной мозаики было организовано также и в России, где болезнь особенно распространилась на табачных плантациях Крыма и Молдавии. Вот туда-то Департамент сельского хозяйства и промышленности и послал начинающего способного ученого Дмитрия Иосифовича Ивановского. Вначале он пошел по пути Майера.

Много дней провел Дмитрий Иосифович за микроскопом, отыскивая в соке больных растений микроба-возбудителя. Но микроб был неуловим. Безуспешными оказались попытки вырастить культуру возбудителя на питательных средах. Среды готовились самые разнообразные, но посевы сока больных растений ничего не давали, предполагаемый возбудитель не появлялся.

«Все эти опыты, потребовавшие массу времени и труда, — писал впоследствии ученый, — дали отрицательный результат; микроорганизм, очевидно, не способен расти на искусственных субстратах».

Тогда Ивановский перешел к опытам с фильтрацией. Он растер листья с небольшим количеством кипяченой воды и профильтровал через бактериальный фильтр, так называемую свечу Шамберлена.

Фарфоровые цилиндры этого прибора имеют отверстия меньше размеров любого микроба. Если в листьях есть бактерии, они останутся внутри фильтра и их можно будет выделить. Фильтрат же, прозрачная жидкость, полученная после прохождения сока через фильтр, должен стать стерильным и не вызывать заражения — так гласила классическая теория инфекции.

Исходя из этого, Ивановскому не было никакого смысла пробовать заразить здоровые растения, нанося фильтрат на листья. Это было просто нелогично. Ведь ясно, что никаких бактерий там нет. Да и Майер уже однажды убедился в стерильности профильтрованного сока, о чем Ивановский знал. И все-таки вопреки правилам Ивановский решил испробовать полученный фильтрат. Он сделал царапины на здоровых листьях и нанес на них несколько капель профильтрованного сока. Через некоторое время листья оказались пораженными табачной мозаикой. Несколько раз подряд повторил ученый свои эксперименты, но результат был один и тот же: картина табачной мозаики неизменно воспроизводилась.

Чем же руководствовался молодой исследователь?

Толчком послужили работы французского бактериолога Эмиля Ру, недавно прочитанные Ивановским. Ру впервые доказал, что болезнетворное действие дифтерийных бактерий может определяться не самим микробом, а выделяемым им ядом — токсином.

Казалось бы, что при заболевании табака картина такая же: виновник — какой-то токсин. Но интуиция ученого подсказывает Ивановскому, что это все-таки не так. Он верит, что находящееся в профильтрованном соке заразное начало — какие-то существа, пусть во много раз более мелкие, чем бактерии, и способные проходить даже через фарфоровые поры свечи Шамберлена, но именно живые существа.

И Ивановский решает доказать, что он прав. Однако возбудителя не удается ни вырастить в культуре, ни увидеть под микроскопом.

Но почему обязательно видеть? Ведь есть и другие пути доказательства. И вот в течение нескольких повторяющихся опытов (такой метод носит название пассирования) исследователь переносит сок от больных растений к здоровым.

Расчет здесь прост: если в каком-то из пассажей, в ходе которых первоначальный сок от больных растений все более разбавляется, не появится картина заболевания, тогда можно считать, что причиной болезни является яд, количество которого при многократном разведении стало слишком малым. Если же окажется, что бесконечное количество пассажей вновь и вновь приводит к заражению здоровых растений, нужно будет говорить о живом агенте, организме, развивающемся в растении от пассажа к пассажу.

Так был открыт первый вирус, существо невидимое, лежащее за гранью светового микроскопа, но именно существо. Тайна табачной мозаики получила разгадку. Ни солнце, ни холодные ночи, ни тем более колдуны оказались ни при чем.

Кстати, как теперь установлено, переносчиком этого вируса служит сам человек. Достаточно прикоснуться сначала к больному, а потом к здоровому растению, чтобы перенести инфекцию.

Очень велика и устойчивость вируса табачной мозаики. Он сохраняет свою инфекционность даже через много лет после высушивания табачных листьев. А потому распространению болезни невольно способствуют и сами курильщики. К тому же вирус табачной мозаики весьма заразителен и для многих других растений. Известен случай, когда листья зараженного табачной мозаикой помидора сохранили активный вирус после того, как 25 лет (!) пролежали засушенными и упакованными в ящик.

Вирусы в истории человечества

За 70 лет, отделяющих нас от работ Ивановского, учение о вирусах разрослось в самостоятельную науку — вирусологию. Днем ее рождения принято считать 12 февраля 1892 года, когда Ивановский доложил результаты своих исследований на одном из заседаний Академии наук.

Нужно сказать, что ученые того времени да и сам Дмитрий Иосифович не поняли всей грандиозности открытия. Не получило оно признания и в ближайшие годы, хотя уже через шесть лет крупный авторитет голландский микробиолог Бейеринк повторил работу Ивановского и подтвердил ее результаты, а в том же году немцам Леффлеру и Форшу удалось установить, что возбудитель ящура у крупного рогатого скота — тоже фильтрующийся вирус.

Даже через 20 лет после открытия Ивановского в обзорах по микробиологии можно было прочесть буквально следующее:

«По настоящее время известно не менее восемнадцати болезней (ящур, желтая лихорадка, детский паралич, повальное воспаление легких рогатого скота, чума птиц и т. д.), обусловливаемых, как не без основания полагают, ультрамикроскопическими организмами, величина которых колеблется в пределах между 0,0014 и 0,000014 миллиметра.

За исключением микроорганизма, вызывающего желтую лихорадку, который, как известно, одну из стадий своей жизни проводит в теле комара и представляет собой, по всей вероятности, простейшее животное, прочие ультрамикроскопические паразиты относятся, вероятно, к бактериям. Кроме болезней человека и животных, так называемая мозаическая болезнь табака также обусловливается действием фильтрующихся микробов».

Итак, пусть мельчайшие, пусть невидимые, а все-таки бактерии!

Микробиологам, воспитанным на постулатах классической теории инфекций, даже на миг трудно было предположить, что за этими первыми открытиями стоит огромный и совершенно новый мир существ, скрытый в глубинах микрокосма. Мир не менее своеобразный, чем тот, который открыло науке применение светового микроскопа.

Что же несли людям представители этого неведомого мира?

Сейчас можно твердо сказать, что потери человечества от вирусных инфекций намного превышают урон от заразных заболеваний, вызываемых бактериями, патогенными грибами и простейшими. Вот несколько примеров.

Оспа. Это вирусное заболевание описано еще за 1000 лет до нашей эры. Потери человечества от вируса оспы огромны. По неполным подсчетам, в одном лишь XVIII веке от этого заболевания умерло около 60 миллионов человек.

Грипп. Хотя вирусная природа гриппа была окончательно установлена в 1933 году, само заболевание известно уже несколько столетий. Распространяется вирус гриппа с необыкновенной быстротой, иногда вызывая пандемии — эпидемии в глобальных масштабах.

Особенно страшной по своим последствиям была пандемия 1918–1919 годов, охватившая тогда почти половину населения земного шара. В эти годы от гриппа и его осложнений погибло около 20 миллионов человек, больше, чем на полях сражений за всю первую мировую войну. По счастью, более легко протекала вспыхнувшая в 1957 году пандемия так называемого азиатского гриппа, хотя число заболевших на этот раз превысило миллиард.

Только в Соединенных Штатах азиатским гриппом переболело 80 миллионов человек, то есть половина жителей страны.

Желтая лихорадка. Моряки прошлого века дали этому тяжелому заболеванию свое имя — «Желтый Джек».

На протяжении нескольких столетий «Желтый Джек» был буквально бичом мореходов, торговавших с Африкой. Есть предположение, что именно этой болезни обязаны своим возникновением легенды о неприкаянных «мертвых» кораблях «Летучем Голландце» и «Старом моряке».

Во время французской революции, когда был отменен карантин в европейских портах, вирус желтой лихорадки проник в Европу и одновременно распространился также в Северной и Южной Америке. Здесь «Желтый Джек» сыграл свою зловещую роль при строительстве Панамского канала. Из-за вспыхнувшей эпидемии строительство пришлось прекратить.

Вот некоторые подробности этой трагедии, приведенные в одном из журналов того времени: «Желтая лихорадка на Панамском перешейке не так давно еще свирепствовала с необычайной силой; достаточно сказать, что в 1851 году из 2000 рабочих (африканских негров и китайцев), привезенных на перешеек для постройки железной дороги, уже через 6 месяцев после начала работы ни одного не осталось в живых. В 1881 году явились французы для прорытия Панамского канала; вскоре же у инженера Дигнера скончались от желтой лихорадки жена и трое детей. Другой инженер, прибывший с 70 молодыми, полными сил помощниками, тоже стал жертвой желтой лихорадки; в первый же месяц по приезде и он и все его помощники погибли. Из 25 сестер милосердия 24 вскоре же не стало. Французская компания ставила на работы ежегодно 10 200 рабочих: в 9 лет от желтой лихорадки погибло 22 169 рабочих, что составляет в среднем 240 человек на каждую тысячу ежегодно!»

Известны случаи, когда вирусные инфекции даже влияли на развитие исторических событий.

Возникновение Республики Гаити также связано с желтой лихорадкой.

Эпидемия распространилась в рядах французской армии, посланной Наполеоном на усмирение местных повстанцев. Закрепить одержанные военные победы французы не смогли: против «Желтого Джека» их ружья были бессильны, и французы покинули остров. Из 25 тысяч человек только 3 тысячам удалось выжить и вернуться на родину.

Сказанного достаточно, чтобы представить, какие страшные бедствия несут человечеству вирусные инфекции. Можно только добавить, что энцефалит, корь, полиомиелит, трахома и десятки других заболеваний своим происхождением обязаны вирусам. Есть серьезные основания полагать, что в основе образования раковых опухолей также лежит деятельность вирусов.

И великая заслуга русского ботаника Дмитрия Иосифовича Ивановского перед человечеством заключается в том, что он первый нашел путь в дотоле неведомый, а потом еще долго и невидимый мир ультрамалых существ, среди которых природа скрыла некоторых злейших врагов жизни и здоровья человека.

Неисчислимый урон наносят вирусы и хозяйственной деятельности человека — ведь вирусные инфекции поражают и животных, и птиц, и насекомых, и растения.

В одной только Англии ежегодные потери от вирусных болезней в картофелеводстве составляют сотни тысяч тонн. На территории Республики Гана в 1945–1947 годах каждый год гибло около 15 миллионов деревьев какао, пораженных вирусной болезнью.

Разразившаяся в 1959 году в Англии вспышка так называемой птичьей чумы привела к тому, что было уничтожено 1,5 миллиона голов домашней птицы. Общий убыток составил 1250 тысяч фунтов стерлингов. И здесь ничего нельзя было поделать. Уничтожение больных птиц — это пока единственное известное средство, дающее возможность ограничить распространение заболевания. Такие же меры применяются в Англии и при заболеваниях крупного рогатого скота ящуром — болезнью, способной передаваться человеку.

Большую угрозу для шелководства представляют вирусные заболевания шелковичных червей.

Здесь мы привели всего лишь несколько примеров вирусных инфекций, поражающих человека, животных, растения и насекомых.

Не вдаваясь в подробности, сейчас можно смело сказать, что вся, буквально вся, живая природа пронизана и пропитана вирусами. Количество их видов исчисляется многими сотнями, и каждый год приносит все новые и новые открытия. Лишь за последние пять лет найдено около 70 новых вирусов, обитающих в организме человека, и многие из них способны вызывать тяжелые заболевания. Не минула эта общая участь и представителей мира микробов.

Микробы микробов

Второй год первой мировой войны. Парижские клиники и инфекционные госпитали забиты больными сыпным тифом, малярией, кишечными заболеваниями.

Переполнена и больница Пастеровского института. Потери в войсках от заразных болезней, вызываемых грязью, скученной окопной жизнью, не меньше, чем от огнестрельного оружия. В одном из полков, расположенных в окрестностях Парижа, вспыхнула эпидемия дизентерии. Установить ее источник поручили сотруднику Пастеровского института молодому врачу канадцу д’Эреллю.

Прежде всего, конечно, необходимо выделить возбудителя заболевания. Это несложно: испражнения больных кишмя кишат дизентерийными палочками. Но уже на первых этапах работы исследователя подстерегала неожиданность. Дизентерийные культуры, засеянные на плотную питательную среду, давали иногда довольно странную картину роста. Культуры оказывались испещренными какими-то прозрачными пятнами. Создавалось впечатление, что бактерии в этих местах культуры явно чем-то уничтожены.

Но чем? Почему дизентерийный микроб, заполняя собой всю площадь посева, отказывается расти на некоторых участках? Что это — случайность? Причина появления «пустых» пятен заинтересовала д’Эрелля, как и семью годами позже Александра Флеминга, когда он обнаружил пенициллин. Дальше работа шла по определенному плану.

Обследуя больных дизентерией, находящихся в клинике Пастеровского института, д’Эрелль ежедневно брал от одного и того же больного несколько капель испражнений и помещал их в пробирку с питательным бульоном.

Пробирка с посевом ставилась на ночь в термостат при температуре 37 градусов. Бактерии размножались, а утром культура фильтровалась через фарфоровую свечу Шамберлена. В результате все бактерии оставались внутри фильтра. А что содержал фильтрат? Д’Эрелль не знал. Но именно это он и хотел выяснить. Опыт продолжался. 10 капель фильтрата вносились в пробирку с чистым питательным бульоном, а затем туда же засевалась свежая культура дизентерийных палочек. Расчет прост. Если в фильтрате присутствует какой-то агент, убивающий бактерий, то дизентерийный микроб погибнет и бульон станет прозрачным.

День шел за днем, а результаты неизменно были неутешительными. Несмотря на то, что в бульон добавлялся фильтрат, бактерии благополучно размножались. Начиненный бульон становился еще более мутным.

И все-таки однажды утром, подойдя к термостату, д’Эрелль обнаружил, что пробирка с культурой, куда накануне добавили фильтрат, стала прозрачной.

Что это — победа или случайная ошибка, «грязный» опыт?

Долго, до поздней ночи ждал взволнованный исследователь, когда же все-таки дизентерийный микроб начнет развиваться и среда помутнеет. Но бульон оставался прозрачным, будто в него никогда и не поселяли микробов. Еще не веря в успех, д’Эрелль решил добавить в эту пробирку новую, свежую порцию дизентерийных палочек.

Прошло 12 часов, и содержимое пробирки снова полностью просветлело!

Сомнений не могло быть: фильтрат, добытый из испражнений больного, содержит что-то убивающее дизентерийную палочку. И удивительное совпадение: именно в этот день больной почувствовал себя лучше, а в скором времени и полностью выздоровел.

Теперь уже опыт следовал за опытом. Д’Эрелль брал растворенную неизвестным агентом культуру дизентерийных палочек, фильтровал ее и каплю фильтрата переносил в свежую культуру. Через 15 часов дизентерийные микробы растворялись. Из этой культуры также готовился фильтрат. Опыты повторялись многократно, но с каждым последующим переносом капли фильтрата из предыдущего посева в свежую культуру активность неизвестного агента не только не ослабевала, но, наоборот, возрастала.

Было ясно (вспомните пассажи Ивановского), что в фильтрате присутствует нечто живое, способное к размножению за счет гибели дизентерийной палочки. Бактериофаг — пожиратель бактерий, так назвал д’Эрелль открытое им существо. «Я потому называю его живым существом, — писал в 1921 году д’Эрелль, — что ассимиляция пищи, способность размножаться принадлежат к числу важнейших признаков жизни».

Сообщение об открытом д’Эреллем живом агенте, «пожирающем» бактерий, появилось в докладах французской Академии наук в 1917 году и сразу же привлекло внимание ученых. К этому моменту микробиология как наука уже, если можно так выразиться, достаточно созрела, чтобы принять столь удивительное открытие. Со времени первых работ Ивановского прошло четверть века, и фактов, показывающих, что многие болезни человека, животных и растений вызываются вирусами, накопилось немало.

И все-таки не каждый микробиолог мог сразу поверить, что микроскопические живые существа — бактерии, являющиеся виновниками болезней высших организмов, сами подвержены болезням, вызываемым вирусами.

Но факты — вещь упрямая, тем более что открытие д’Эрелля быстро получило подтверждение в работах других исследователей.

Вспомнили и не замеченную в сумятице войны статью английского бактериолога Туорта, описавшего еще в 1915 году растворение стафилококков. Растворяющий агент в этих опытах так же действовал и при переносе фильтрата исходной культуры в свежую. Выяснилось, что еще в конце прошлого века в журнале «Русский архив патологической и клинической медицины» подобные же наблюдения над культурой возбудителя сибирской язвы в дистиллированной воде были опубликованы русским микробиологом Николаем Федоровичем Гамалеей. Просветлявшаяся при этом жидкость, так же как и в опытах д’Эрелля, приобретала способность растворять свежую культуру бацилл сибирской язвы. Непонятное исчезновение холерных вибрионов наблюдал при исследовании вод реки Куры талантливый грузинский микробиолог Элиава.

Казалось бы, д’Эрелль не открыл ничего нового. Думать так было бы большой ошибкой и несправедливостью. Огромная заслуга д’Эрелля перед наукой в том, что он был первым, кто сумел понять общебиологическое значение открытого им вируса бактерий, сумел правильно описать природу наблюдавшегося явления и объяснить ее действием именно живого начала.

Работы д’Эрелля послужили резким толчком к развитию общей вирусологии. К настоящему времени бактериальные вирусы подверглись, пожалуй, более интенсивному исследованию, чем какие-либо другие, так как бактерии представляют идеальный объект для работ такого рода. Условия существования, механизмы размножения и даже морфология (строение) фагов теперь уже изучены весьма подробно.

С открытием бактериофагов раздвинулись и границы познания человеком органической природы, границы жизни. Стало ясно, что, кроме мира микробов, видимых в микроскоп, существует столь же огромный и принципиально иной мир вирусов, поражающих как все высшие организмы, так и самих микробов. А если вспомнить, что в те времена медицина еще не имела «магических пуль» — сульфамидов, что антибиотики еще предстояло открыть, станет понятно, какие большие надежды связывались с открытыми д’Эреллем бактериофагами — пожирателями болезнетворных бактерий.

Казалось, что ключ к победе над бактериальными инфекциями найден.

Вирусы против микробов

12 июля 1925 года в египетский порт Александрия вошел греческий пароход. Обычный карантинный осмотр команды, и дежурный врач с ужасом констатирует: на судне чума, больны двое матросов. О случившемся сразу же сообщают директору располагающегося в Александрии Международного санитарного комитета. Этот пост занимает теперь уже знаменитый д’Эрелль.

Немедленно он приступает к изготовлению противочумного бактериофага, а на корабле в ту же ночь к двум больным чумой прибавляется третий — судовой офицер. Опасность эпидемии назревает.

Прежде всего д’Эреллю необходимо вырастить культуру чумного микроба. Возбудитель взят у одного из больных, посеян в питательный бульон и помещен на сутки в термостат. Когда культура хорошо развилась, д’Эрелль добавил к ней каплю взвеси противочумного бактериофага, выделенного им из испражнений крысы еще в 1920 году.

Проходит несколько часов, и культура чумной палочки светлеет. Бактериофаг свое дело сделал. Теперь остается культуру отфильтровать, ввести фильтрат больным и ждать результатов, надеясь на успех.

А есть ли надежда? Д’Эрелль считает, что да, и у него есть к тому основания. Ведь это уже не первый случай применения бактериофага в качестве лечебного средства. Попытку лечения при помощи «живого лекарства» — фага — д’Эрелль предпринял еще в 1918 году на больных дизентерией в клинике Пастеровского института. Попытка была удачной. После приема бактериофага в состоянии больных наступало значительное улучшение, за которым следовало быстрое выздоровление.

А 1919 год? Тогда во Франции распространился так называемый тиф пернатых. Д’Эрелль приготовил бактериофаг против возбудителя заболевания и испытал его на 100 птицефермах. Эффект был поразительным. Смертность кур, достигавшая прежде 95 процентов, снизилась до 5!

Успех сопутствовал д’Эреллю и на этот раз, в Александрии. Больные греческие моряки уже на следующий день почувствовали себя лучше. Еще через два-три дня у них снизилась температура, а вскоре они выздоровели окончательно. Страшная чума, как правило приводившая к смерти, отступила перед «живым лекарством» д’Эрелля. Попав в организм больного, армия бактериофагов уничтожила чумные бациллы.

1927 год. Эпидемия азиатской холеры свирепствует в провинции Пенджаб. И неутомимый д’Эрелль направляется в Индию, чтобы испытать свое открытие на холерных вибрионах. Вмешательство д’Эрелля дает много: применение противохолерного бактериофага приводит к снижению смертности с 62,9 процента до 8,1!

После того как в печати появились работы д’Эрелля о терапевтическом действии фагов, применение бактериальных вирусов в качестве лекарственного средства получило широкое распространение во многих странах мира. Бактериофаг стали использовать для предупреждения и лечения самых различных болезней: холеры, чумы, бациллярной дизентерии, брюшного тифа и других инфекций.

Особенно широко терапевтическое и профилактическое действие фагов изучалось в нашей стране. В Тбилиси под руководством профессора Элиавы и при участии самого д’Эрелля был создан первый в мире Научно-исследовательский институт бактериофагии.

Испытание препаратов фага, выяснение лечебной ценности велось в самых разных районах страны. Теоретические проблемы бактериофагии разрабатывали такие крупные советские микробиологи, как Николай Федорович Гамалея, Зинаида Виссарионовна Ермольева и многие другие.

Результаты применения фагов порой были просто блестящими. В 1938 году в нескольких районах Афганистана, граничащих с нашей страной, вспыхнула эпидемия холеры. Чтобы предупредить распространение заболевания на советскую территорию, было решено использовать бактериофаг. Работы проводили Ермольева и Якобсон. Холерный бактериофаг давали пить населению, выливали в колодцы и водоемы. В итоге ни одного случая заболевания холерой в пограничных районах не наблюдалось. Возникновение возможной эпидемии было предотвращено.

И все-таки в качестве лечебного препарата бактериофаг не оправдал всех возлагавшихся на него надежд.

Случалось, что бактериофаг не только не облегчал течения заболевания, но даже и ухудшал состояние больного. Происходило это потому, что в организме больного иногда взамен разрушенных бактериофагом бактерий развивались новые, устойчивые к фагу формы, обладавшие еще большей болезнетворностью, чем формы исходные. К тому же со временем у бактериофага как средства лечения болезней появились серьезные «конкуренты» — сначала сульфамидные препараты, а затем и антибиотики.

Но следует ли из сказанного, что терапевтическое использование фага невозможно в принципе? Может быть, бактериофаг способен активно уничтожать бактерии только в условиях эксперимента, в пробирке, а при попадании в организм его активность снижается или исчезает совсем? Отнюдь нет!

Эксперименты показывают, что фаги способны разрушать бактерии и размножаться за их счет в живом организме с не меньшим успехом, чем в пробирке.

Причины случавшихся неудач применения бактериофагов в качестве лекарственных препаратов совсем иные. И, пожалуй, главная из них — необычайно высокая специфичность фагов, их исключительно жесткая приспособленность к строго определенным видам и разновидностям бактерий. Стоит микробу лишь незначительно измениться, выделить из своей среды новые генетические формы, и они становятся недоступными для данного фага, причем различия между исходной и изменившейся формами совершенно не касаются их внешнего вида, морфологии. Даже самый опытный микробиолог скажет: «Это одни и те же бактерии». Но фаг сразу «чувствует», что это уже не «его», а иная форма.

Почему так происходит? Чем объяснить высокую специфичность действия фагов? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно хотя бы в общих чертах познакомиться с образом жизни, способами существования бактериофагов и вирусов, понять, что отличает эти ультрамалые существа от всей остальной органической природы. А различия эти весьма существенны.

Прежде всего давайте попробуем представить себе размеры вирусов.

Как известно, в сантиметре 10 миллиметров. Одна тысячная доля миллиметра представляет собою микрон. А тысячная доля микрона называется миллимикроном. Другими словами, миллимикрон равен миллионной доли миллиметра. Вот это и есть единица, в которой измеряются вирусы.

Не следует, однако, думать, что раз вирусы столь малы, то все они имеют одинаковые или близкие размеры. Нет. Даже в этом мире ультрамалых существ есть свои «великаны» и «карлики». Так, к «великанам» следует отнести вирусы оспы, имеющие диаметр 260 миллимикрон, и пситтакоза (опасное заболевание, которым человек может заразиться от попугаев), достигающие размеров в 500 миллимикрон. По сравнению с ними абсолютными малютками выглядят вирусы некроза табака и японского энцефалита — 16–18 миллимикрон. Это, пожалуй, самые мелкие из известных науке вирусов.

Промежуточное положение среди вирусов занимают фаги. Их величина в зависимости, от расы колеблется от 30 до 100 миллимикрон. У каждой расы все фаговые частицы имеют одинаковые и строго определенные размеры.

В общем размеры вирусов так малы, что наиболее мелкие из них приближаются к крупным молекулам органических веществ. Удалось установить, что одна клетка листа табака, пораженного мозаичной болезнью, содержит около 600 миллионов вирусных частиц. И, естественно, возникает вопрос: а как же они существуют? Вот об этом следует сказать особо.

Все представители мира вирусов: вирусы человека, животных, растений и насекомых; бактериофаги (вирусы бактерий); актинофаги (вирусы грибов актиномицетов) — все они по образу жизни являются паразитами. Но это не паразитизм, который можно часто встретить в мире существ более высокоорганизованных, когда какой-то животный, растительный или микробный организм существует за счет другого. Червь печеночный сосальщик обитает в печени свиньи, а гриб, называемый ржавчиной пшеницы, поражает листья и стебли этого растения.

Печеночный сосальщик и ржавчинный гриб — паразиты, сами они добывать пищу не могут, а потому существуют, «высасывая соки» из своих хозяев. Но ведь эти организмы получают от своего хозяина лишь средства питания. В то же время у них есть собственный обмен веществ, свои ферменты, биохимические реакции — словом, все то, что позволяет им извлечь из пищи энергию и за счет ее жить.

Иное дело вирусы. Паразитируют они внутри клеток, используя для своего размножения и энергию клетки и находящиеся в ней химические вещества. Здесь взаимодействие происходит на уровне молекулярного строения клеток. Вирусы вступают в связь не с целостным организмом и даже не с его клетками, а с отдельными химическими соединениями, молекулами, из которых клетка построена. Здесь идет, если можно так выразиться, разбой на уровне молекул. И вот в этом-то главная особенность существования вирусов, отличающая их от остальных существ живой природы.

Каков же механизм взаимодействия вирусов с клеткой, какие вещества участвуют в нем и к сколь серьезным по своей общебиологической значимости обобщениям и открытиям привело познание строения и способов размножения вирусов, мы расскажем в одной из следующих глав. А пока вернемся к бактериофагу.

Итак, необыкновенно высокая специфичность действия фагов объясняется их образом жизни, тем, что, будучи внутриклеточными паразитами, они взаимодействуют с клеткой-хозяином на уровне ее молекулярного строения.

И достаточно бактерии изменить свой обмен веществ, достаточно в поверхностной оболочке бактерии произойти каким-то химическим перестройкам, как она становится неуязвимой для данного фага.

Такова одна из причин неудач, случавшихся при применении бактериофагов в качестве лекарственных препаратов. И путь здесь один: дальнейшее тщательное и глубокое изучение условий взаимодействия бактериофагов с бактериями. Многое здесь уже познано, но многое еще предстоит понять и познать, чтобы представить себе всю сложность и своеобразие этого процесса, протекающего на молекулярном уровне.

Однако нет сомнения, что со временем, когда все стороны поведения фагов как в пробирке, так и в живом организме будут достаточно изучены, медицина вновь вернется к использованию «живого лекарства» д’Эрелля. В борьбе с бактериями бактериофаг еще не сказал своего последнего слова. А удивительное свойство фагов, их исключительная верность строго определенному типу бактерий уже сейчас находят применение в борьбе с болезнями.

Фаг в роли ищейки

Есть такая отрасль медицины — эпидемиология. Однако не надо думать, что врачи-эпидемиологи занимаются только изучением эпидемий, как это может показаться из названия их специальности. Основная задача эпидемиологов в наше время — предотвращение эпидемий. Мы уже рассказывали о роли, которую сыграл бактериофаг в 1938 году, когда вспыхнувшая в Афганистане эпидемия холеры грозила перекинуться в нашу страну. Тогда применение бактериофага остановило распространение заболевания на государственной границе.

Казалось бы, это история. 30 лет в наш век — срок большой. Да и о холере мы знаем в основном по книгам. В нашей стране ее нет. Но холерный вибрион не сгинул начисто. В природе он существует. И время от времени то в одной, то в другой азиатской стране происходят вспышки этого страшного заболевания. Вот и сегодня, когда я пишу эти строки, радио сообщило об эпидемии холеры в одной из провинций Индии.

Для советского человека стало привычным, что эпидемий инфекционных заболеваний в нашей стране не возникает, и мы редко задумываемся над вопросом: а почему? Мы забываем, что, как пограничники, охраняют наш мирный труд, целая армия врачей эпидемиологов и бактериологов стоит на страже здоровья.

Вот случай из работы английских эпидемиологов.

Трое детей, проживавших в районе города Винчестер, в июне 1948 года почти одновременно заболели брюшным тифом. Детишки признались, что пили речную воду. Так в руки врачей попала первая нить для поисков источника инфекции. Вскоре удалось установить, что бактерии брюшного тифа, выделенные из организма заболевших, сходны с возбудителями тифа, полученными из воды, которую взяли в местах, где гуляли дети. Поиск пошел дальше. Нужно было выяснить, каким путем бациллы брюшного тифа попадают в реку. Вначале следы привели к одному из речных притоков, потом к стоку нечистот и оттуда через длинную канализационную систему к одинокому домику, где проживал человек, оказавшийся носителем бактерий брюшного тифа.

Работу проделали огромную, обследование продолжалось более года. А источник инфекции был расположен всего в трех километрах вверх по течению от места, где заразились дети.

Каким же образом бактериологам удалось проследить весь путь распространения возбудителя, исключая многие и многие побочные варианты? Что им давало возможность из десятков присутствовавших в нечистотах, кишечнике больных, речной воде других бактерий брюшного тифа опознать именно виновников этих случаев заболевания?

Здесь на помощь врачу приходит бактериофаг. И если выше мы сравнили бактериологов и эпидемиологов с пограничниками, то фага можно уподобить их верному помощнику, собаке-ищейке, способной среди сотен посторонних следов найти след нарушителя и вести по нему своего хозяина.

Так же безошибочно бактериофаг среди многих штаммов возбудителей отыскивает представителей одной, строго определенной группы и позволяет установить их присутствие в кишечнике человека, нечистотах, речной воде, молоке и т. д.

Исключительно высокая специфичность действия, о которой говорилось выше, необыкновенная привязанность к определенным типам микробов делает фага незаменимым помощником бактериолога в трудной работе выяснения путей распространения инфекций. Сейчас известно 58 различных типов брюшнотифозных бактерий и столько же соответствующих им типовых фагов.

Имея в распоряжении такую коллекцию, можно всегда точно определить фаготип той или иной культуры возбудителя брюшного тифа; прием этот так и называется — фаготипирование и в своем исполнении довольно прост.

Чашку Петри заполняют питательной средой, а дно расчерчивается на отдельные участки. Затем над каждым участком по поверхности среды размазываются капельки испытываемых культур, а через некоторое время в центр подсохших пятен наносятся капельки фага. Теперь остается поместить чашку в термостат при температуре 37 градусов и через несколько часов проверить результаты анализа.

За это время бактерии успеют разрастись и образовать колонии (газоны), видимые простым глазом. Если испытуемые штаммы к фагу нечувствительны, то бактериальные газоны останутся целыми и неповрежденными. В случае же, когда бактериофаг встретился со своим типом, бактериальный газон будет либо растворен бактериофагом, либо окажется поврежденным.

Именно таким методом и был прослежен путь возбудителя в случае заболевания английских детей. Таким способом легко отличить возбудителей паратифа B1 от бактерий брюшного тифа, в то время как симптомы этих болезней очень схожи.

Удалось недавно подобрать фаг, помогающий определять бациллы сибирской язвы. Советский микробиолог Дрожжевкина приготовила смесь фагов (поливалентный фаг), использование которой позволяет отличать возбудителей бруцеллеза — бруцелл от так называемых нетипичных форм. В этом случае фаг выполняет работу, с которой раньше справлялся не каждый бактериолог. Применяется метод фаготипирования для опознавания возбудителей и некоторых других опасных заболеваний.

Но научная мысль работает дальше.

Ведь чтобы определить, к какому типу относится, допустим, брюшнотифозный микроб, его нужно сначала выделить из среды обитания в чистую культуру, разобраться во всем пестром и многообразном микробном населении, скажем, той же речной воды. А представляете, сколь сложна и кропотлива такая работа? И хотя с тех пор, как стало известно, что сотни болезней передаются от человека к человеку бактериями, предложено много методов, с помощью которых можно обнаружить болезнетворных микробов в воде, продуктах питания и других средах, наиболее достоверным до самого последнего времени оставался именно бактериологический анализ.

Но он же и самый трудоемкий.

Вот вроде бы простая задача: установить, есть ли в данной пробе воды дизентерийный микроб. Начинается работа. Прежде всего готовится питательная среда и разливается в чашки Петри. Все делается, разумеется, стерильно, чтобы никакой посторонний микроб не помешал последующему анализу. Наконец питательная среда остыла и затвердела, для микробов готовы и кров и пища. Теперь в чашки помещают капельки воды, которую предстоит исследовать, и ставят их в термостат, где поддерживается температура человеческого тела. Через сутки на питательной среде появляются окрашенные и неокрашенные налеты — колонии размножившихся бактерий. Тогда берут заранее приготовленные пробирки с питательной средой, пересевают в них подозрительные по виду и форме колонии и опять ставят в термостат.

Наконец через сутки наступает последний этап анализа — надо определить: какие же бактерии размножились в пробирке? Однако внешне микробы, как правило, очень сходны, и, чтобы окончательно установить, с кем в данном случае имеешь дело, нередко приходится прибегать к новой серии трудоемких анализов. Каждый из них в отдельности обычно тоже не дает четкого ответа. О том, какая же найдена бактерия, приходится судить по совокупности признаков. Одним из них является взаимодействие с фагом.

Если дизентерийный фаг уничтожает выделенную бактерию и сам размножается — значит, это была дизентерийная палочка. Все, казалось бы, хорошо.

Однако медлительность и сложность бактериологического анализа почти всегда приходит в столкновение с запросами практики. Врачу важно поскорее узнать, возбудитель какой болезни находится в крови больного, в воде колодца или реки, в пищевых продуктах.

А нельзя ли изменить весь подход и отказаться от предварительного выращивания подозрительных бактерий на питательных средах?

Нельзя ли узнать о присутствии искомой бактерии в воде или продуктах питания по каким-то косвенным признакам? Мысль исследователей обратилась к бактериофагу.

Метод фагодиагностики болезнетворных микробов кишечной группы был предложен в 1955 году советскими микробиологами Владимиром Дмитриевичем Тимаковым и Давидом Моисеевичем Гольдфарбом и назван авторами реакцией нарастания титра фага. Чувствительность этого метода очень высока и превышает чувствительность обычного бактериологического анализа иногда в 10 тысяч раз. Даже в случаях, когда количество возбудителя брюшного тифа составляет всего несколько бактерий на 0,5 литра воды, их удается обнаружить уже через 16–20 часов. Минимальные количества дизентерийных бактерий в воде определяются через 14–20 часов, а в испражнениях — спустя 9–10 часов. И это когда обычным методом бактерий не удается обнаружить вообще: так мала их концентрация. С успехом применяется реакция нарастания титра фага и для выявления в воде возбудителя холеры.

Так изучение бактериофагов привело к разработке дешевых, быстрых, а главное — точных методов опознавания типов и видов болезнетворных бактерий и в окружающей среде и в организме человека. У врачей-эпидемиологов появился верный союзник, помогающий быстро и безошибочно отыскивать источники инфекции, а значит, и предотвращать развитие эпидемий.

Расшифровав и познав характер взаимоотношений между бактериями и бактериальными вирусами, наука привлекла бактериофагов на службу охраны здоровья человека.

Впрочем, изучение отношений между самими вирусами, по-видимому, может дать медицине также немало. Перспективы здесь многообещающие.

Интерферон

Пожалуй, в наше время вряд ли можно найти вирусолога, который не знал бы, что означает это слово. А каких-нибудь десять лет назад его не существовало вовсе. Так же, как не было слова «пенициллин», пока Александр Флеминг не дал это название антибиотику, вырабатываемому плесневым грибом.

Интерферон тоже «родился» в Лондоне, но совсем недавно — в 1957 году.

Четверть века назад двое английских ученых — Финдлей и Мак-Каллум, работая с вирусными инфекциями, описали необъяснимое, но весьма интересное явление. По их наблюдениям, обезьяны, зараженные лихорадкой долины Рифт (есть и такое вирусное заболевание), становятся невосприимчивыми к вирусам желтой лихорадки. Почему? Может быть, здесь какую-нибудь роль играет иммунитет? Но нет, антитела, вызванные вирусами одной лихорадки, иммунитета к другой не создают: их действие специфично.

Так в чем же дело? Проанализировав свои наблюдения, исследователи выдвинули гипотезу: по-видимому, решили они, завладевший «жизненным пространством» вирус лихорадки долины Рифт просто не впускает своего соперника.

Это явление получило название «интерференции вирусов». А вскоре было установлено, что распространено оно довольно широко.

Лабораторные опыты четко показывали, что вирус, завладевший клеткой, «не впускает» в нее другого. Как? Может, здесь происходит борьба вирусов и тот, кто первым попал в клетку, имеет более выгодную позицию? Ведь побеждает всегда он.

Вопрос совсем запутался, когда американские исследователи установили, что даже убитые вирусы успешно сопротивляются «сосуществованию» и мешают проникновению в клетку вирусов других рас. Значит, никакой вражды между вирусами нет. Они не борются друг с другом. От вторжения новых «жильцов» обороняется сама клетка. Но как?

Разгадка была найдена в 1957 году в лаборатории лондонского исследователя Алека Айзекса. Вначале родилась рабочая идея. Ученый рассуждал так: «Если клетка, уже зараженная одним вирусом, не допускает вторжения другого, то должен же быть какой-то материальный субстрат, вещество, при помощи которого клетка обороняется. Другого-то объяснения явлению интерференции вирусов нет. А раз так, то вся задача сводится к тому, чтобы это вещество найти и выделить».

Вместе со своим сотрудником Линдеманом Айзекс приступил к опытам. На культуру клеток воздействовал вирусом гриппа, предварительно убитым, или, как говорят вирусологи, инактивированным, высокой температурой.

И вот эта среда, в которой существовали клетки, через несколько часов после начала опыта вдруг стала губительно действовать на испытуемые вирусы. В ней имелось что-то такое, что не позволяло новым вирусам проникать в ранее зараженные клетки. Это «нечто» и было выделено в чистом виде. Айзекс и Линдеман дали ему звучное название «интерферон».

Интерферон сразу же заинтересовал вирусологов, и его дальнейшее изучение пошло довольно быстро.

Прежде всего было установлено, что вещество это белковой природы. Возникает оно в результате взаимодействия вируса с клеткой и, попав в клетку, лишает возможности развиваться любому другому вирусу.

Заметьте, любому!

Вскоре выяснились и другие удивительные свойства интерферона. Хотя это по своей природе белок, его тем не менее можно безбоязненно вводить в животные организмы. Он не вызывает при этом отрицательной реакции, как всегда случается при попадании чужеродного белка. И еще одно: интерферон, образуемый клетками обезьяны, оказывается активным при испытании на клетках человека. Вирус, которым пытались заразить обработанные интерфероном ткани человека, не размножался и погибал. В общем все свойства интерферона говорили, что со временем он может стать прекрасным лечебным препаратом против вирусных инфекций.

Впрочем, более правильным будет сказать, что именно изучение интерферона в качестве возможного лекарственного препарата и привело к выяснению всех его перечисленных свойств.

У нас в стране сразу же после открытия Айзекса интерфероном заинтересовалась член-корреспондент Академии медицинских наук СССР Зинаида Виссарионовна Ермольева.

С группой сотрудников — Фурер, Болезиной и Фадеевой — профессор Ермольева отработала методику получения интерферона, выяснила его антивирусную активность и другие свойства. А когда исследователи получили 18 экспериментальных серий интерферона, наступил момент испытания его целебных свойств на лабораторных животных.

Прежде всего необходимо было выяснить степень токсичности самого лекарства. Вспомните, как часто случалось, что химические препараты или антибиотики, уничтожая возбудителей болезни, оказывались также ядовитыми и для самого организма.

История эта повторялась и при попытках воздействовать химическими препаратами на вирусы. В пробирке вирусы погибали, но вместе с тем препараты убивали и клетку.

А как поведет себя в организме интерферон?

Но на этот раз опасения были напрасны: интерферон оказался абсолютно нетоксичным и не причинил организму никакого вреда. Теперь встал вопрос о его ценности как лечебного препарата.

Грипп для мышей — смертельное заболевание, животные гибнут от жесточайшего воспаления легких. Но стоило мыши ввести в нос или в лапку интерферон, как заболевания гриппом не возникало. После длительной проверки на животных решено было испытать интерферон на людях.

Тридцать четыре человека, больных тяжелой формой токсического гриппа, подверглись в клинике вирусных инфекций Института имени Дмитрия Иосифовича Ивановского лечению интерфероном, и в ряде случаев целебное действие препарата не вызвало сомнения.

В год, когда проводилась первая клиническая проверка интерферона, гриппозных больных было мало, и поэтому препарат удалось испытать лишь на малом количестве людей: больше не нашлось. А чтобы препарат считался безусловно прошедшим клиническую проверку, он должен излечить или предупредить заболевание по меньшей мере у нескольких сотен человек. Изучение целебного действия интерферона продолжается.

Клинические испытания нового препарата проводились и в Англии. Здесь изучалось, способен ли интерферон противостоять вирусу оспы. 38 добровольцам был впрыснут интерферон, и на следующий день в этот же участок кожи ввели ослабленный вирус оспы. Как и следовало ожидать, интерферон подавил вирус оспы, и у испытуемых не наблюдалось даже местной реакции на введение вируса.

Итак, «магическая пуля» против вирусных инфекций в принципе найдена. То, что мы здесь рассказали, только начало. Сейчас к изучению профилактического и клинического действия интерферона, выяснению механизма его влияния на вирусы привлечено внимание ученых многих стран. И хотя основное — интерферон действует на проникший внутрь клетки вирус губительно, не позволяя ему размножаться, — установлено, многие моменты этого сложного, проходящего на молекулярном уровне процесса взаимодействия в треугольнике «клетка — вирус — интерферон» еще предстоит познать. Но время это не за горами.

Залог тому — успехи вирусологии последних лет. Они столь огромны, что переросли уже рамки науки о вирусах и повлекли за собой решение самых кардинальных биологических проблем. И связано это прежде всего с выяснением строения и биологической роли нуклеиновых кислот.

ДНК

Если посмотреть высказывания крупнейших современные ученых о перспективах развития мировой науки, то большинство из них сводится к одному: после революции, происшедшей в физических науках в результате создания теории относительности, квантовой механики и расщепления атомного ядра, предстоит не менее грандиозная революция в биологии, именно в науке о наследственности — генетике.

По-видимому, тенденция развития естествознания действительно такова. Мало того, революция эта уже началась, и как лозунг совершившегося переворота на ее знамени написано: ДНК.

ДНК — всего три буквы — телеграфно краткое обозначение одного из химических веществ. Но сколько надежд ученых самых разных специальностей сейчас связано с этим веществом! И не только ученых. Сложившись в лучах последних достижений физики, химии, биологии и математики, эти три буквы так ярко засверкали на небосклоне науки, что сразу стали известны и неспециалистам. Ведь где бы ни упоминались эти три буквы, с ними были связаны ответы на извечные, волнующие всех вопросы. Вопросы, которые задает себе человечество уже несколько тысячелетий, а наука только сейчас начинает находить на них ответы.

Действительно, почему организмы, ежесекундно обновляясь в ходе обмена веществ, остаются самими собой? Почему, наконец, при всем огромном многообразии живых форм в природе мы наблюдаем их постоянство? Каждый вид животных характеризуется множеством определенных признаков, и они передаются из поколения в поколение. Почему? Почему дети, как правило, похожи на своих родителей? Как происходит передача наследственных признаков и свойств? Какие удивительные вещества и «механизмы» обеспечивают точность процесса наследования?

За всеми этими вопросами стоят три буквы — ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), вещество, изучение строения и роли которого привело науку к раскрытию одной из самых сокровенных тайн живой природы — наследственности.

О том, как это произошло, каков в представлении современной науки «механизм» наследственной передачи признаков и свойств, об огромном вкладе микробов, вирусов и бактериофагов в решение этой проблемы и пойдет дальше речь. Но сначала оставим на время мир ультрамалых существ и коротко познакомимся с некоторыми фактами из генетики (науки о наследственности) и цитологии (науки о строении клетки).

Единица жизни

Говорят, что мысль о существовании закона всемирного тяготения пришла Ньютону в голову, когда он увидел падающее яблоко. В физике наступила новая эра, а Ньютоново яблоко вошло в историю как пример мелочи, могущей натолкнуть ученого на великое открытие. Чаще же этот случай рассматривается просто как исторический анекдот.

Однако есть в истории науки факт, не менее разительный, чем Ньютоново яблоко, и в то же время абсолютно достоверный. Речь пойдет о кусочке пробки. Да, обыкновенной бутылочной пробки, приведшей к открытиям, пожалуй, столь же грандиозным и важным для биологии, как и установление закона всемирного тяготения для физики.

Но расскажем обо всем по порядку.

Событие это произошло в Англии в 1667 году и, как часто бывает, вначале не привлекло к себе внимания. В самом деле, что особенного можно было усмотреть в том, что некто Гук, по должности всего лишь ассистент известного физика профессора Бойля, издал книгу, в которой описывал сконструированный им микроскоп?

Чтобы привлечь внимание современников к своему микроскопу, Гук, как человек предприимчивый, не только описал конструкцию прибора, но и снабдил книгу рисунками тех удивительных вещей, которые можно было увидеть при помощи микроскопа. Был среди них и рисунок, изображавший кусочек пробки. Под микроскопом она выглядела совсем необычно. Не пробка, а пчелиные соты! Весь кусок — сплошные ячейки, плотно прилегающие друг к другу. Между ячейками тонкие перегородки, а внутри — пустоты. «Клетки» — так назвал Гук эти ячейки, с той поры слово «клетка» не сходит со страниц научных трудов биологов. Клетка стала предметом самого тщательного изучения исследователей всех стран. Создалась целая наука о клетке — цитология.

Что же так привлекает ученых в клетке? Почему они, не жалея труда и сил, стремятся познать тайны строения и жизнедеятельности клеток? Какие общебиологические закономерности стоят за этой микроскопической ячейкой?

Чтобы ответить на эти вопросы, придется хотя бы несколько слов сказать и о других открытиях, к которым вскоре привело применение микроскопа в биологии.

В конце XVII века голландские ученые Свамердам и Левенгук, рассматривая под микроскопом каплю воды из пруда, заметили в ней массу крохотных, разнообразных по форме животных, быстро двигающихся в разных направлениях. Микроскоп открыл целый мир существ, дотоле неизвестных. Свамердам чуть не сошел с ума при виде чудес этого «невидимого» мира. Он сжег свои рисунки, изображающие его обитателей, считая, что человек не должен проникать в тайны, скрытые от него богом. Менее суеверный Левенгук продолжал наблюдения. Вскоре он издал большой труд под названием: «Тайны природы, открытые при помощи микроскопа». В ней были описаны представители мира одноклеточных — инфузории и коловратки.

Известные человеку границы жизни расширились. И опять открытие было связано с клеткой — найденные Левенгуком животные состояли всего из одной клетки.

Вскоре были найдены и одноклеточные растения — микроскопические водоросли.

Итак, в капле воды, взятой из пруда, существовал целый мир микроскопических существ — одноклеточных животных и растений. Казалось бы, пределы распространения жизни найдены.

Но вскоре тот же Левенгук открывает еще один, дотоле неведомый мир живой природы, мир бактерий. И опять каждая бактерия представляет собой отдельную клетку.

Итак, уже первые десятилетия использования микроскопа привели к величайшим открытиям. Мир одноклеточных животных. Мир одноклеточных растений. Мир бактерий. Жизнь. Везде жизнь! И везде она связана с клеткой.

Благодаря тому же Левенгуку наука узнает, что в крови плавает несметное количество кругловатых телец, известных теперь под именем красных и белых кровяных шариков. Это тоже отдельные клетки.

Изучает Левенгук и строение мышц и нервов. Оказывается, они построены из не видимых простым глазом волокон. И только слабый микроскоп не позволил Левенгуку увидеть мышечные клетки.

Шло время.

Микроскопы совершенствовались. В работу включались все новые и новые исследователи, и шаг за шагом набирался и нарастал материал, из которого возникло лучшее и красивейшее из творений науки XIX века — клеточная теория строения организмов. Теория, которую Энгельс отнес к числу величайших открытий человечества.

Суть клеточной теории заключена в нескольких положениях. Каждое живое существо — будь то растение, животное или человек — состоит из клеток, то есть таких же или подобных им маленьких ячеек, которые разглядел Гук под своим микроскопом в пробке.

Другими словами, мир един в своем многообразии: все живые существа либо построены из множества клеток, либо представляют собой одну клетку. Так в бесконечной внешней несхожести бесчисленных видов живых существ, населяющих нашу планету, несхожести, объясняемой до этого прихотью божьей, была найдена общность, открывающая путь к дальнейшему познанию живой природы.

Не менее важно для биологии и другое обобщение клеточной теории. Коротко его можно сформулировать так.

Развитие каждого организма, какое бы сложное строение он ни имел впоследствии, всегда начинается с одной клетки. И если трудно уловить сходство, допустим, между слоном и ежом, то, когда каждый из этих организмов представлял собой всего лишь одну клетку, их почти невозможно было различить. Затем эти клетки делились, размножались, их становилось все больше, организмы развивались, и в одном случае получился еж, а в другом слон. Тело этих животных построено из очень многих клеток. Образно можно сказать, что клетки — это кирпичи, из которых сложено здание организма, его ткани и органы. Поэтому не удивительно, что еще в прошлом веке клетку называли «единицей жизни».

«Стало общепризнанной истиной, законом природы, что клетка — органическая единица — необходимое условие существования всего растительного и животного царства, — альфа и омега органической жизни; с нею занимается заря этой жизни, с нею же угасает и последний луч ея; весь мир растений и животных — собрание клеточек». Эти слова были сказаны почти сто лет назад.

Логика пути

Пожалуй, ни одна биологическая структура не привлекла к себе столь пристального внимания ученых, как ядро клетки и хромосомы. Уже более ста лет (клеточное ядро было открыто в 1835 году Робертом Брауном) идет непрерывный штурм этой микроскопической крепости. Сейчас проблемой занимаются тысячи ученых самых различных специальностей: цитологи, генетики, вирусологи, физико-химики, биохимики, математики.

Какие же факты заставляют ученых именно в клеточном ядре и хромосомах искать механизмы наследственной передачи?

Прежде всего некоторые общие закономерности развития организмов, которые уже сравнительно давно удалось выявить биологам.

Ближайшие потомки всегда в той или иной степени похожи на своих предков. Во всяком случае, потомство всегда повторяет основные черты строения родителей. Это так привычно, что часто даже не вызывает вопроса: почему? Причиной такого сходства является наследственность. Что же такое наследственность? Как протекает процесс передачи наследственных признаков от отцов и матерей к детям? Какие структуры в клетках организмов являются носителями индивидуальных признаков всякого существа? Или, другими словами, каковы материальные, вещественные основы наследственности? Ответить на эти вопросы стало возможным лишь после того, как были установлены основные положения клеточной теории строения организмов, а главное, изучено строение самих клеток, этих микроскопических «единиц жизни».

Сходство детей с родителями является едва ли не самой общей биологической закономерностью. Все живые существа — от примитивнейшего вируса до человека — обладают способностью передавать потомкам по наследству основные черты своего строения. Вот эта способность воспроизводить себя в потомках и называется наследственностью.

Следует сказать, что понятие наследственности применимо не только к целостным организмам. Наследственностью обладает и каждая отдельная клетка организма.

Известно, например, что в процессе жизни организма мышечные клетки делятся и количество их увеличивается, но мышца остается мышцей. Это значит, что каждая клетка при делении производит новую клетку, как правило похожую на себя, себе подобную.

Однако, если способность живых организмов повторять свои наследственные особенности в поколениях — одна из самых общих закономерностей живой природы, то не менее общей закономерностью является и их способность изменяться.

Изменчивость и наследственность представляют собой как бы две стороны одного явления. В природе идет постоянный процесс передачи наследственных свойств от родителей к детям и так же постоянно идет процесс изменчивости. Ведь дети никогда не представляют собой абсолютных копий родителей.

Биологическая дисциплина, занимающаяся явлениями наследственности и изучением законов, управляющих сходствами и различиями между родственными органами, называется генетикой.

Итак, развитие каждого организма, как бы сложно он ни был построен, всегда начинается с клетки. Клетка, дающая начало каждому сложному организму, называется яйцом, или яйцеклеткой. Яйцеклетки вырабатываются в теле женской особи. Но чтобы яйцо начало развиваться, необходимо оплодотворение его другой половой клеткой — мужской.

В результате слияния женской и мужской половых клеток (яйцеклетки и сперматозоида) образуется одна новая клетка — оплодотворенное яйцо, или, как его еще называют, зигота. Из нее путем многочисленных делений развивается сложный организм, состоящий иногда из многих миллиардов клеток, составляющих его ткани и органы.

Таким образом, преемственность, связь между различными поколениями организмов, осуществляется через одну клетку. И поскольку из этой клетки, как правило, развивается организм, имеющий черты сходства с родителями, естественно сделать вывод, что основные черты строения будущего организма заложены уже в зиготе и половых клетках, в результате слияния которых она образовалась. К такому пониманию биологическая наука пришла давно.

Но это только общее, хотя и правильное, заключение. Оно ведь не может объяснить, как, в виде каких материальных структур качества и признаки родителей заложены в половых клетках. И пока наука не была вооружена микроскопической техникой, ученые серьезно полагали, что в половых клетках уже в готовом виде присутствует миниатюрный организм с зачатками всех будущих органов, а поэтому развитие — лишь рост этих зачатков. Спорили лишь о том, где помещается этот микроскопический организмик — в яйцеклетке или сперматозоиде. Когда же для изучения половых клеток применили сильные микроскопы, спор решился сам собой — обе стороны были не правы.

Оказалось, что по своему строению половые клетки в принципе не отличаются от других клеток тела. Никакого маленького организмика, который потом должен вырасти, в них нет. Они, как почти все клетки, имеют оболочку, протоплазму, ядро.

Какая же часть клетки играет основную роль в передаче наследственных признаков от материнской клетки к дочерней, от родителей к детям: ядро или протоплазма? Этот вопрос давно волновал ученых.

В настоящее время, когда процесс деления клеток у различных видов животных и растений детально изучен, можно считать общепризнанным, что в большинстве случаев ведущую роль в передаче наследственных признаков играет именно клеточное ядро.

О роли ядра можно судить по тем последствиям, которые влечет за собой удаление его из клетки или пересадка ядра из одной клетки в другую.

При современной технике микрохирургии такие операции вполне доступны. Можно проделать, например, следующую операцию. Взять амебу и при помощи стеклянной иглы разрезать на две части: безъядерную и содержащую ядро.

Теперь, наблюдая за поведением полученных частей, мы увидим такую картину. Безъядерная часть некоторое время двигается, но вскоре округляется, становится нечувствительной к воздействиям внешней среды и гибнет. Та же, где осталось ядро, нормально реагирует на внешние раздражители, двигается, поглощает пищу и вовремя делится. Итак, протоплазма без ядра существовать не может.

Но здесь возможны и возражения. Дескать, это все равно, что отрезать кому-то ногу и ожидать, что она будет самостоятельно жить. Но вот другой опыт. При помощи микроскопического стеклянного кружочка из амебы удаляется ядро. Амеба сейчас же округляется и начинает вести себя, как безъядерная часть в предыдущем опыте. Однако, если осторожно ввести ядро обратно, нормальная жизнедеятельность амебы восстанавливается. Здесь уже совершенно четко видно, что изолированная протоплазма нежизнеспособна и что ее жизнедеятельность каким-то образом вызывается и регулируется ядром.

Опыты по пересадке ядра в некоторых случаях помогают также установить, на какие функции клетки оно влияет. Таковы, например, опыты, проделанные на водорослях ацетобуляриях. Каждая из этих водорослей, хотя и имеет подошву, стебелек и шапочку, представляет собой всего одну клетку. Шапочка у этих водорослей восстанавливается заново, если ее удалить механическим путем, допустим, оборвать. Кроме того, форма шапочки является характерной для каждого вида ацетобулярий.

Водоросли эти довольно велики для одноклеточных и достигают шести сантиметров.

Итак, у водоросли одного вида удаляли шапочку, и, до того как она успеет регенерировать (восстановиться), в эту водоросль пересаживали ядро, взятое от ацетобулярии другого вида. Теперь легко наблюдать интересное явление: восстановившаяся заново шапочка имела форму, среднюю для этих двух видов.

Мало того, если водоросли с удаленной шапочкой пересаживали не одно, а несколько ядер другого вида, то ее новая шапочка становилась больше похожей на шапочки тех водорослей, от которых брали ядра, чем на шапочки своего вида.

Совершенно очевидным образом клеточное ядро влияло на процессы формообразования. Но ведь форма шапочки — признак наследственный, характерный для каждого вида ацетобулярий!

Вопрос о том, какая же часть клетки (ядро или протоплазма) играет основную роль в передаче наследственных признаков от материнской клетки к дочерней, от родителей к детям, явился предметом многих споров и дискуссий в самом недавнем прошлом. Сейчас мало у кого вызывает сомнение, что такая роль принадлежит именно ядру.

Особенно это становится ясным, если познакомиться со строением ядра и его поведением в процессе деления клетки.

Если поместить под микроскоп живую клетку и попытаться рассмотреть структуру ее ядра, то в большинстве случаев такая попытка окажется безуспешной.

Во многих живых клетках часто невозможно различить не только внутреннее строение ядра, но и само ядро. Чтобы ядро стало ясно видно и доступно изучению, клетки обрабатывают специальными красками, которые впитываются веществом ядра гораздо лучше, чем цитоплазмой.

Теперь на окрашенном препарате можно различить нежную ядерную оболочку, а в самом ядре одно или несколько крошечных телец, так называемых ядрышек. Но этого мало. Все ядро оказывается пронизанным пересекающимися по разным направлениям и переплетающимися нитями, зернами и глыбками. Это ядерная сеть. Она очень хорошо красится ядерными красками, и поэтому получила название «хроматина» (от греческого «хрома» — цвет). Все остальное пространство в ядре заполнено вязкой жидкостью — ядерным соком.

Таково вкратце строение «покоящегося» ядра, когда клетка не делится.

Но вот клетка начинает делиться, и весь ядерный аппарат приходит в движение. Ядро увеличивается в размерах и становится почти шарообразным, если в покоящейся клетке его форма была иной. Количество хроматина в ядре быстро нарастает. Отдельные хроматиновые зерна слипаются друг с другом, образуя нить, свернутую в тугой клубок. Но процесс идет дальше. Постепенно плотный клубок хроматиновой нити делается рыхлым, а сама нить становится короче и толще. Это уже не нить, а лента. Проходит еще некоторое время, и лента хроматина распадается, дробится на отдельные участки всегда определенного количества. Образующиеся таким путем куски хроматиновой ленты получили название хромосом. «Хрома», как вы помните, по-гречески — цвет; «сома» — тело. Хромосома — красящееся тельце. Ничего больше, кроме обозначения реально существующих и возникающих в ходе деления клетки отдельных участков хроматиновой ленты, это слово не значит. Однако запомните его хорошенько, ибо очень многое как в судьбе отдельной клетки, так и в судьбе сложнейших многоклеточных организмов связано именно с хромосомами.

Но вернемся к процессу деления клетки.

Обычно для его изучения используются, так сказать, «мертвые», окрашенные препараты. Однако современная техника микроскопирования и киносъемок позволяет в некоторых случаях наблюдать и деление живой клетки. Несколько лет назад мне довелось присутствовать на демонстрации одного из первых фильмов такого рода.

…Клетка жила на экране. Ее цитоплазма мягко колыхалась, переливаясь и мерцая возникающими и пропадающими бликами гранул и вакуолей. Ядро выглядело то более светлым, то вдруг начинало темнеть. Иногда оно как будто вздрагивало. Его строение ни на минуту не оставалось постоянным: шел процесс образования хромосом, шла полная реконструкция ядра. Вот вдруг исчезло ядрышко. Затем, совершенно неожиданно для наблюдателей, пропала и ядерная оболочка. Ядра как такового уже не стало: ядерный сок смешался с цитоплазмой. И весь вид клетки стал иным. Там, где когда-то было ядро, теперь лежали хромосомы. Они располагались почти правильной звездой, напоминая одну из фигур хоровода «Березка».

Зал замер. И, хотя здесь собрались цитологи, люди, просмотревшие под микроскопом не одну тысячу препаратов, все глядели на экран с напряженным вниманием. Наступал самый существенный и замечательный момент — деление ядра. На глазах у всех должно было произойти чудо, на котором природой основано существование всего живого. И оно произошло. Изображение вдруг дрогнуло, и хромосом стало вдвое больше. Из одной звезды образовались две, наложенные друг на друга. Каждая хромосома расщепилась вдоль строго пополам, и теперь на ее месте лежали две дочерние хромосомы, абсолютно похожие друг на друга и на свою прародительницу. Так все хромосомы клетки воспроизвели самих себя.

Но картина двух «звезд» держалась недолго. Вначале незаметно, а потом все быстрее и быстрее хромосомы начали расходиться к противоположным полюсам клетки. Пары хоровода распались, дочерние хромосомы неотвратимо удалялись друг от друга. Клетка делила свое наследство. Происходило это все удивительно четко. Как будто на двух половинах экрана показывали из двух аппаратов один и тот же фильм. И в левой и в правой сторонах клетки хромосомы совершали одинаковые движения. Но вот, наконец, они остановились, собравшись в кучку у противоположных полюсов клетки. Здесь между хромосомами начали образовываться соединения и перемычки. Хромосомы теряли свою индивидуальность, складываясь в хроматиновые ленты, свернутые в клубок. Затем каждый из клубочков оделся нежной ядерной оболочкой. Так в результате сложных превращений из одного материнского ядра образовались два новых.

Параллельно с делением ядра протоплазматическое тело клетки также подвергалось изменениям. В момент расхождения хромосом к полюсам клетки на ней по экватору появились перетяжки (бороздки). Они все больше и больше углублялись в тело клетки, и в конечном итоге она оказалась расчлененной пополам. Процесс деления клетки завершился. Теперь вместо одной материнской клетки на экране были две новые. Каждая из них жила своей жизнью. И в каждой ритмично пульсировало свое ядро.

Дочерние клетки, как правило, очень похожи друг на друга, а также на ту исходную, из которой они произошли. И, наблюдая процесс деления клетки, легко понять, откуда возникает такое сходство. Ведь весь механизм деления был направлен именно на то, чтобы вещество материнской клетки распределилось между дочерними как можно более точно. И особенно это относится к веществу ядра, к его хроматиновой части. Вспомним, как распределялся хроматин. Хроматиновая лента распалась на сегменты — хромосомы; хромосомы расщепились вдоль на половинки, из которых и образовались новые ядра. Таким образом, количество хроматина было разделено предельно точно. И что особенно важно подчеркнуть, произошло не только точное распределение хроматина по количеству, но он оказался также точно распределенным и качественно. Ведь вновь образовавшиеся хромосомы (половинки) расходились всегда в противоположные стороны.

На основании изучения механизма деления клеток и роли хромосом в равномерном распределении ядерного вещества в биологии возникло представление, что именно через хромосомы и происходит передача наследственных признаков от клетки к клетке. Такое представление получило название хромосомной теории наследственности.

Давайте посмотрим, на какие же еще факты опирается эта теория. А факты интересные. Так, изучение количества хромосом в клетках различных животных и растительных органов выявило удивительную закономерность. Выяснилось, что в каждой клетке (любого организма данного вида) содержится строго определенное число хромосом, характерное для данного вида. Например, в клетках тела кролика всегда присутствуют 44 хромосомы. У кошки их 36, у лошади — 60. Твердые пшеницы имеют 28 хромосом, мягкие — 42 хромосомы, а у кукурузы их 20.

Но числовой разброс велик. И вот границы. У одного из видов круглых червей в клетках тела имеется всего лишь 2 хромосомы, в то время как у микроскопического морского животного радиолярии их около 1600. Таким образом, число хромосом в клетках тела характерно для каждого вида животных и растений. На этом основании утвердилось правило, что все особи внутри каждого вида должны иметь одинаковое число хромосом. Это положение получило название «закона постоянства числа хромосом».

Число хромосом в клетках тела человека равно 46. Такое число хромосом содержат все клетки тела человека, независимо от того, идет ли речь о клетках сердца или печени, пальца или легкого. Почему? На этом стоит остановиться подробнее.

Под микроскопом легко видеть, что присутствующие в клетках хромосомы далеко не одинаковы. Они отличаются друг от друга по длине, форме, наличию утолщений или перетяжек и т. д. Каждая хромосома имеет как бы свое лицо. Однако, присмотревшись внимательно, можно найти и «лица», похожие друг на друга. Еще внимательнее: и вы видите, что таких похожих не больше двух. Пары! Да, в каждой клетке нашего тела не просто 46 хромосом, а 23 различные пары. Как бы двойной набор одного определенного ассортимента. Такой двойной набор хромосом называется диплоидным, а отсюда и содержащие его клетки диплоидными. Все клетки нашего тела диплоидны. Исключение составляют только зрелые половые клетки, или гаметы (яйцеклетки и сперматозоиды), в которых содержится не двойной, а одинарный, или гаплоидный, набор хромосом (у человека 23 хромосомы).

В чем же смысл такой, всегда двукратной, разницы в количестве хромосом между воспроизводящими (половыми) и телесными клетками?

Давайте рассуждать. Как вы помните, развитие любого организма начинается с одной клетки — зиготы. Образуется зигота в результате слияния двух клеток: мужской и женской. И каждая из них привносит в зиготу свой (одинарный) гаплоидный набор хромосом.

Уже в первичной клетке, из которой впоследствии разовьется новый организм, наследственные признаки родителей представлены на равных началах. Зигота имеет уже двойной (диплоидный) набор хромосом, который и будет воспроизведен во всех клетках тела при последующем росте и развитии. Следовательно, биологический смысл присутствия в клетках тела всегда двойного набора хромосом заключается в том, чтобы представить в потомстве наследственность обоих родителей.

Итак, детальное изучение процесса деления клетки приводило к выводу, что передача наследственных признаков и свойств исходной клетки связана с распределением вещества ее ядра между клетками дочерними. Было бесспорно установлено, что важнейшими структурами, обеспечивающими необходимую точность такого распределения, являются хромосомы.

И естественно, следующим логическим шагом было выяснение химического состава хромосом. Оказалось, что они построены главным образом из двух химических соединений: белка и нуклеиновой кислоты. Оба эти органические соединения представляют собой гигантские молекулы с огромными (миллионными) атомными весами.

Итак, по химическому строению хромосомы — нуклеопротеиды, соединение белка с нуклеиновой кислотой.

Но какое из этих веществ ответственно за передачу наследственных признаков? Белок или нуклеиновая кислота? А может, оба вместе? И наконец, каким образом на микроскопически маленьких образованиях, хромосомах, «записано» огромное число «сведений» о чертах строения будущего взрослого организма или пусть даже отдельной клетки?

Загадка казалась неразрешимой. Решить ее одной генетике (науке о наследственности) было не под силу. Здесь нужны разносторонний, комплексный подход, усилия ученых многих специальностей. И особенно это было необходимо по отношению к нуклеиновой кислоте. Биологическая роль и строение белков во многом не представляли секрета. А что можно сказать о нуклеиновых кислотах?

70 лет… первого знакомства

В 1871 году двадцатипятилетний физиолог швейцарец Мишер, работавший в лаборатории немецкого биохимика Гоппе-Зейлера, опубликовал несколько работ. Он сообщил, что нашел в ядрах лейкоцитов неизвестные вещества, содержащие фосфор. Мишер назвал их нуклеинами («нуклеус» — ядро). Конечно, он тогда не знал, что открыл новую главу в биологии. Не подозревал он и о том, что глава эта долго еще останется открытой на первой странице.

Почти 70 лет с момента открытия нуклеиновых кислот (так их стали называть впоследствии) оставалось неизвестным их назначение.

Между тем нуклеиновые кислоты находили в составе буквально каждого живого организма, каждой его клетки. Их нашли и у животных, и у растений, и у микробов, и даже у мельчайших живых существ — вирусов. Некоторые вирусы вообще состояли только из белка и нуклеиновой кислоты. Значит, догадывались ученые, нуклеиновые кислоты должны иметь какое-то очень важное значение. Но какое? Этого никто не мог сказать. Назначение нуклеиновых кислот оставалось загадкой. И в учебниках после описания химического состава этих соединений и некоторых их химических свойств, хотя и говорилось, что они играют важную биологическую роль, никогда не конкретизировалась — какую.

Только перед самой войной, в 1941 году, советский ученый Кедровский и швед Касперсон высказали догадку, что нуклеиновые кислоты принимают участие в синтезе белка. Кроме того, удалось установить, что существуют два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота, располагающаяся всегда в клеточных ядрах, и рибонуклеиновая, находящаяся в протоплазме. Сокращенно их обозначают теперь как ДНК и РНК.

Вот, пожалуй, и все, что знали биологи об этих соединениях до 1944 года, когда были опубликованы поразительные работы английского микробиолога Эвери с сотрудниками.

Результаты, которых никто не ожидал

По установившейся в науке о микробах терминологии кокки — это бактерии, имеющие круглую форму. Пневмококки — бактерии, вызывающие крупозную пневмонию, воспаление легких. Микробиологи давно выяснили, что у пневмококков существуют разновидности, или типы, которые и были обозначены римскими цифрами I, II, III, IV и т. д. Различия, стоящие за этими цифрами, довольно четкие, а для высших организмов и весьма ощутимые, так как связаны они с вирулентностью микробов, то есть их способностью распространяться в организме и вызывать болезнь. Но есть и различия, которые можно просто увидеть и по ним отличить один тип от другого.

У III типа есть массивная полисахаридная капсула, окружающая клетки, которая у пневмококков II типа под микроскопом имеет вид узкой полоски. Вирулентность пневмококков, их способность вызвать болезнь как раз зависит от наличия или отсутствия полисахаридной капсулы.

Английский микробиолог Гриффит работал с пневмококками, изучая их способность поражать мышей. И привлекали Гриффита именно пневмококки II и III типа. Результаты своих опытов он опубликовал в 1928 году. Они были столь разительны, что объяснить их автор не мог. И не удивительно.

Понадобилось еще 16 лет усилий целых коллективов ученых и сложнейшие исследования, чтобы понять, что же все-таки произошло в опытах Гриффита. А опыты были не ахти какие сложные. Повторить их не составляло большого труда. Но вот объяснить?!

…Итак, в распоряжении Гриффита пневмококки II и III типов.

Вначале проводится проверка штаммов на их вредоносность.

Вот мышам вводится взвесь пневмококков II, бескапсульного типа (авирулентного). Как и следовало ожидать, все животные остаются живы. Применение штамма III (вирулентного) типа, имеющего массивные полисахаридные капсулы, приводит к поголовной гибели мышей.

Теперь Гриффит берет пробирку со взвесью пневмококков этого штамма и нагревает ее на газовой горелке. Температура должна убить культуру микробов, и они станут безвредными. И действительно, введя животным убитых нагреванием пневмококков, Гриффит убеждается, что ни одна из мышей не гибнет. Собственно говоря, пока ничего поразительного не происходит, все естественно и закономерно. Но Гриффит продолжает эксперимент дальше.

В пробирку с убитыми температурой пневмококками III типа добавляется взвесь живой культуры II типа пневмококков. Они живые, но, как показывает контроль, для мышей безвредны (авирулентны). Теперь мышам вводится смесь пневмококков двух штаммов; вирулентного, но мертвого III и живого, но авирулентного II типа. И неожиданный результат — все животные гибнут. Почему? Казалось бы, такая смесь не должна причинять животным никакого вреда, ведь порознь ни убитые огнем пневмококки III типа, ни живые, но вообще безвредные пневмококки II типа не дали ни одного случая гибели.

Может быть, в опыте допущена какая-нибудь ошибка? Ну, например, нагревание убило не всех пневмококков III типа? Гриффит тщательно проверяет каждый этап эксперимента, ставит его несколько раз подряд, но эффект все тот же: смесь штаммов вызывает безусловную гибель подопытных мышей. В группах контрольных, где используется каждый штамм отдельно, все животные живы. Необъяснимо, но факт! И совсем уже поразительно другое: когда из погибших животных Гриффит выделяет пневмококков, то все они оказываются… III типа.

Под микроскопом видны массивные полисахаридные капсулы, а гибель мышей, которым Гриффит вводит этих микробов, подтверждает их высокую вирулентность. Что же произошло? Почему ранее убитые нагреванием пневмококки III типа «воскресли»? Объяснить этого Гриффит не в состоянии. Не могут найти объяснения и другие исследователи, повторившие опыты Гриффита. Но странное явление установлено, и его надо изучить и понять. Конечно, мертвые пневмококки III типа не «воскресали». Но что же тогда? Может быть, в смеси штаммов, используемых Гриффитом, живые авирулентные пневмококки II типа в присутствии убитых нагреванием превращались в III тип, приобретая его капсулу и вирулентность? Но ведь это же невероятно. Такого никогда не бывало. И все-таки английский микробиолог Эвери с сотрудниками решает вести работу, исходя именно из такого невероятного предположения.

Причем Эвери хочет изучить возможность такого превращения не в опытах на животных, что у биологов называется in vivo, а исследовать это явление вне организма, то есть in vitro, в пробирке. Задача заключалась в том, чтобы выделить и определить химическую природу веществ, под влиянием которых может произойти превращение (трансформация) одного типа пневмококков в другой. И вот, проработав несколько лет и преодолев огромные технические трудности, Эвери и его сотрудники на нескольких парах штаммов пневмококков доказали, что трансформация одного типа в другой существует.

Насколько это была кропотливая и трудоемкая работа, можно судить хотя бы по тому, что в первых опытах Эвери частота трансформации составляла лишь одну на миллион обрабатываемых клеток.

Вещество, под влиянием которого происходит превращение пневмококков, Эвери назвал трансформирующим фактором. Дальнейшее изучение химической природы выделенного вещества, проведенное Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти, анализы, проделанные другими исследователями, позволили установить, что это дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Произошло это в 1944 году.

Итак, если из пневмококков III типа выделить дезоксирибонуклеиновую кислоту и добавить ее в питательную среду, где растут пневмококки II типа, то эти последние приобретают некоторые ранее им не свойственные признаки, в точности соответствующие признакам III типа пневмококков, из которых была выделена ДНК. В частности, пневмококки II типа «одеваются» в массивные полисахаридные капсулы, которых у них до этого никогда не было.

После выделения и дальнейшего выращивания трансформированные клетки не только сохраняли капсулу, но и приготовленные из них экстракты обладали той же трансформирующей способностью, как и полученные из исходного штамма. Тем самым было показано, что трансформация in vitro приводит к точно такому же наследственному изменению, какое происходило in vivo шестнадцать лет назад в опытах Гриффита.

Наследственный для одного типа пневмококков признак наличия капсул стал наследственным уже для другого типа. Это был первый в истории случай наследственной передачи признаков с одной разновидности микробов на другую через искусственно выделенное химическое вещество. Дезоксирибонуклеиновая кислота — вещество, через которое передаются наследственные признаки, — материальный субстрат наследственности. Только такой вывод можно было сделать из опытов Эвери. Вывод этот был столь разительным, что не все генетики с ним сразу согласились. Действительно, почему следует отдать предпочтение какой-то нуклеиновой кислоте, когда в экстрактах, которыми пользовался Эвери, имелась, хотя и очень незначительная, примесь белков? Белок и нужно считать тем веществом, которое передало наследственные признаки от одного типа пневмококков другому. Ведь белок — основа жизни.

Жизнь — форма существования белковых тел. Вся живая природа — от гигантского дуба до маленькой былинки, от слона и кита до микроскопической бактерии — построена из белков. Да и строение самих белковых молекул известно. Немногим более 20 «строительных кирпичиков» — аминокислот, из которых складываются молекулы белков, встречается в природе. Как будто очень немного. Однако если допустить, что в образовании существующих в живой природе белков принимают участие всего лишь 16 аминокислот, и то число возможных сочетаний, в которые способны вступить эти соединения в различных количественных отношениях, будет поистине астрономическим. Оно выражается цифрой 24 с 17 нулями! Поскольку каждая такая комбинация дает определенный белок, не удивительно, что белки различных видов животных и растений, а также индивидуумов данного вида и различных тканей каждого индивида представляют собой нечто более или менее своеобразное, специфическое. Так обстоит дело с белками.

А что можно сказать про нуклеиновые кислоты? Строение их молекул неизвестно, их место в общей цепи обмена веществ в клетке непонятно. И приписывать ДНК участие в передаче наследственных признаков просто абсурдно.

Так рассуждали некоторые биологи, и в тот период в какой-то мере их можно было понять. Для доказательства наследственной роли ДНК опытов Эвери было мало.

Новые факты

Всего несколько лет прошло со времени опубликования работ Эвери, как биологию потрясла новая сенсация. На этот раз героем дня оказались бактериофаги — самые мельчайшие и примитивнейшие существа в природе. Каких-нибудь 25 лет назад некоторые биологи не признавали их даже за живые организмы и считали просто соединением нескольких белковых молекул. И вот теперь этому существу было суждено сыграть важную роль в развитии генетической науки.

Выяснилось, что бактериофаг — организм, но столь примитивный, что построен только из белка и нуклеиновой кислоты. Так была найдена «живая модель хромосомы». Как вы помните, хромосома по своему химическому строению тоже нуклеопротеид — соединение белка с нуклеиновой кислотой. Теперь, исследуя бактериофаг, можно было полученные результаты (разумеется, с какой-то долей приближенности) переносить на хромосомы сложных организмов. Например, мы знаем, что при делении клеточного ядра происходит расщепление хромосом и их становится вдвое больше.

А как размножается бактериофаг? Это явление исследовали английские ученые Хершей и Чейз в 1952 году.

Прежде всего они решили выяснить, что же, собственно, проникает в бактериальную клетку: весь фаг или только какая-то его часть? Вот как проходил этот эксперимент.

Сначала исследователи вырастили бактерий на питательной среде, содержащей радиоактивную серу и радиоактивный фосфор. Затем размножили там фаг. Он вобрал в себя оба радиоактивных элемента: серу — в белки, фосфор — в нуклеиновую кислоту. Меченый фаг пустили на бактерий, выращенных на обычной среде. А через некоторое время (достаточное, чтобы фаг успел проникнуть внутрь бактерий) отделили остатки фагов, задерживающиеся на поверхности клеток. И что же? Почти весь фосфор фага (97 процентов) оказался внутри бактерий, а вся сера — вне клеток. Но ведь фосфор метил только нуклеиновую кислоту. Значит, она внедрилась в клетки, а белок фага, меченный серой, остался «за бортом».

Изящно поставленный эксперимент дал четкий ответ: при заражении бактерий фагом внутрь бактериальной клетки проникает только стержень фага — нить, состоящая из ДНК. Почти вся белковая оболочка (97 процентов) остается снаружи и в бактериальную клетку не попадает.

Впоследствии эти опыты были подтверждены и при помощи электронного микроскопа, позволяющего видеть пустые белковые оболочки (тени) фагов, после того как их нуклеиновая кислота проникла внутрь бактериальной клетки. А в 1962 году данные, полученные на бактериофаге, были подтверждены и на вирусах животных.

Советский ученый Виктор Михайлович Жданов совместно со своей сотрудницей Букринской, применив тот же метод радиоактивной метки гриппоподобного вируса Сидней, пришел к заключению, что и в этом случае в клетку проникает лишь нуклеиновая кислота вируса. Проходя затем в клеточное ядро, она обеспечивает образование вирусного потомства.

Однако вернемся к размножению фага. Итак, фаг (вернее, его ДНК) проникает в бактериальную клетку. Теперь, когда бактерия погибает, из нее выходят молодые фаги. Они имеют такое же строение, как и бывший родительский организм. Их ДНК одета уже белковой оболочкой.

Что же произошло?

Вывод напрашивался сам собой: родительская ДНК, внедрившаяся в бактериальную клетку, во-первых, размножилась там и, во-вторых, каким-то образом приобрела оболочку из бактериальных белков.

Здесь многое казалось неясным. И прежде всего трудно было объяснить, как происходит размножение нуклеиновой кислоты внутри бактериальной клетки: принятая в то время в химии структурная формула ДНК исключала эту возможность. Однако факт оставался фактом.

Молодые фаги обладали всеми признаками своего прародителя, и в передаче этих признаков участвовала ДНК — ведь белок в бактериальную клетку почти не попадал. Отсюда снова был сделан очень важный для генетической науки вывод: передача признаков по наследству связана с дезоксирибонуклеиновой кислотой, обладающей способностью к самовоспроизведению (редупликации). Видимо, и генетически активной частью хромосом, представляющих по своему строению нуклеопротеид, следует считать ДНК.

Хромосомы, как известно, при делении ядра самоудваиваются. На примере бактериофага можно видеть, что молекулы ДНК тоже способны воспроизводить самих себя. Но как это происходит? Каково строение этих удивительных молекул, которые в отличие от других химических соединений могут размножаться?

Многие крупнейшие ученые бились над разрешением этого вопроса, применялись самые новейшие методы исследования, высказывалось много остроумных предположений о структуре нуклеиновых кислот. Но решение не приходило. Ни одна из предложенных моделей не могла объяснить все свойства этих соединений. И только в 1953 году английский физик Крик, занимавшийся во время войны разработкой способов обнаружения немецких подводных лодок, и молодой американский ученый Уотсон, проведя рентгеноструктурный анализ нуклеиновых кислот и собрав все сведения об их строении, предложили свою модель структуры ДНК, которая оказалась столь удачной, что в настоящее время стала общепризнанной.

Исходя из модели Уотсона и Крика, можно объяснить все разнообразие свойств нуклеиновых кислот, в том числе и участие в передаче признаков по наследству.

Особенности строения молекулы ДНК таковы: во-первых, она состоит из двух параллельно расположенных цепочек, и, во-вторых, эти цепочки, соединяясь через «перекладины» — основания, взаимодополняют друг друга. Такое строение называется комплементарным. Установление комплементарной структуры молекулы ДНК позволило понять, как происходит размножение бактериофага.

Проникшая внутрь бактериальной клетки ДНК «размножается» в результате расхождения скелетных цепочек молекулы и затем «покрывается» белковой оболочкой, образуя новые нуклеопротеиды-бактериофаги. Однако для сходства дочерних бактериофагов со своими предками необходимо не только, чтобы их ДНК была такой же, как у родителей, но и белок по своему строению не отличался от родительского, имел бы одинаковые с ним химический состав и строение.

И действительно, при размножении бактериофага возникают новые особи, похожие на родительские, имеющие тот же специфический, так сказать, «бактериофаговый» белок. Отсюда легко предположить, что синтез фаговых белков внутри бактериальной клетки, после того как туда проникла ДНК фага, идет под ее контролем.

Как же осуществляется этот контроль? Как объяснить, что из имеющегося в бактериальной клетке огромного множества «кирпичиков-аминокислот» для построения оболочки фага «выбираются» именно те и именно в таком порядке, какие существуют в фаговом белке?

Здесь в работу вступают законы взаимодействия биологических полимеров между собой — законы так называемой биологической информации.

Аминокислоты бактериальных белков размещаются относительно друг друга в строгом соответствии с чередованием оснований, в молекуле фаговой ДНК. Возникает фаговый белок. Бактериофаг размножается. Молодые особи имеют то же строение, что и бывший прародитель.

Конечно, картину размножения бактериофага и передачу наследственных признаков мы нарисовали очень грубыми мазками. Упущены многие частные и мелкие детали. Однако в принципе многие ученые-генетики в настоящее время представляют механизм передачи наследственных признаков именно так.

Если мы вспомним, что хромосомы по своему химическому строению являются нуклеопротеидами, то станет легко перенести закономерности, полученные при изучении микроорганизмов, на высшие организмы.

Следует только предположить, что на ДНК хромосомы половых клеток высших организмов как бы «записаны» все качества, признаки и свойства, которые должны быть переданы от родителей к детям. «Запись» эта сделана определенным чередованием пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК. В данном случае делается допущение о существовании так называемого «генетического кода», или «генетической информации». Было установлено, что число комбинаций оснований в молекуле ДНК столь велико, что может обеспечить зависимый синтез любых специфических белков всех органических форм от вируса до человека.

Забегая вперед, скажем, что гипотеза генетического кода не только оправдала себя, но и, по-видимому, сам код скоро будет до конца расшифрован, и мы узнаем, какое сочетание пуринов и пиримидинов в молекуле ДНК определяет место каждой аминокислоты при синтезе белковых молекул.

Итак, в пятидесятых годах нашего столетия вещество наследственности, через которое передаются признаки и свойства от поколения к поколению, было найдено. Материальные основы наследственности обрели химическую форму. Но эксперименты продолжались. В ходе работ шло не только подтверждение генетической роли нуклеиновых кислот, но и были сделаны новые, до этого, казалось бы, невероятные, открытия.

Существо, созданное руками человека

ВТМ — вирус табачной мозаики — как уже говорилось, был открыт в 1892 году русским ученым Дмитрием Иосифовичем Ивановским. В 1935 году американский вирусолог Стенли выделил ВТМ в чистом виде и даже получил его кристаллы.

Этот первый случай выделения вируса в химически чистом виде поставил тогда в тупик многих микробиологов. Трудно было сочетать представление о биологически активном возбудителе, обладающем основными признаками живого — размножением, наследственностью, изменчивостью, — с его, казалось бы, относительно простым химическим строением, молекулярной структурой и способностью кристаллизоваться. Лишь через 20 лет при помощи электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа и тонких химических исследований было установлено, что гигантская молекула ВТМ представляет собой весьма сложное образование. Она состоит из 22 тысяч одинаковых по форме и размерам белковых субъединиц — своеобразных «кирпичиков», уложенных по спирали. Молекулярный вес каждой такой субъединицы достигает 18 тысяч, то есть в 1000 раз превышает молекулярный вес воды. На наружной поверхности вирусной частицы видны спирали, выступы и углубления, а в ее центральной части находится длинный, уложенный по спирали тяж нуклеиновой кислоты. И если отвлечься от деталей, строение вируса табачной мозаики можно представить как конструкцию простого школьного карандаша. Внутри грифель, сверху дерево. Дерево — белок, грифель — рибонуклеиновая кислота (РНК), родная сестра ДНК.

А нельзя ли разложить вирус на составные части и попробовать заразить растение только одной РНК или одним белком? Такую задачу поставили перед собой американский ученый Френкель-Конрад и биолог из ФРГ Шрамм. Эта вроде бы простая идея оказалась весьма трудной в техническом исполнении. Разделить нуклеопротеид на белок и нуклеиновую кислоту, сохранив каждое из этих веществ неповрежденным, удалось лишь после очень сложных манипуляций, но все-таки удалось. Теперь можно было попробовать заразить растения отдельно белковой и нуклеиновой фракциями экстрактов.

Выяснилось, что пустой карандаш — белковая оболочка вируса — не может развиваться и размножаться в растении. Но затем Френкель-Конрад ухитрился вновь вставить грифель (РНК) в пустой карандаш. И после этого вирус как ни в чем не бывало активно размножался на листьях табака. Отсюда напрашивается естественный вывод, что наследственные свойства вируса табачной мозаики определяются нуклеиновой кислотой.

Но есть и другая, может быть не менее важная, сторона этих экспериментов. Впервые в истории биологии в пробирке живой вирус был восстановлен (реконструирован) из его неактивных компонентов.

Это является крупнейшим достижением науки. Без большой натяжки можно сказать: впервые в истории Земли ученый искусственно получил живые существа. Кстати сказать, в то время, когда Френкель-Конрад занимался реконструкцией вируса табачной мозаики, советскому исследователю Гершензону удалась подобная же «разборка и сборка» вируса, вызывающего заболевание шелковичных червей.

Но вернемся к работам Френкель-Конрада. Воссоздав живой вирус из его составных частей, исследователь на этом не успокоился. Он взял два вида ВТМ, которые обычно дают при развитии на листьях табака разную мозаику, и поменял в них грифели. Иначе говоря, РНК одного вида была соединена с белком другого вида ВТМ. Так был «собран» уже комбинированный вирус. Существо, никогда до этого не существовавшее в природе, было создано в 1956 году руками человека из химических веществ, взятых от разных организмов.

И когда новым вирусом заражали табак, на листьях всегда развивался тот вирус, чья РНК использовалась в качестве грифеля. Этот опыт снова показал, что активной частью вируса является РНК. Так еще раз, и теперь уже окончательно, было доказано участие нуклеиновой кислоты в передаче наследственных признаков. В этом случае — инфекционности вируса.

И все-таки эксперименты Френкель-Конрада и Шрамма не были последними удивительными открытиями, которые касались нуклеиновых кислот и вирусов.

Гибридизация на уровне молекул

Создание новых живых существ оказалось не окончательным сюрпризом преподнесенным генетике вирусами. Теперь уже мало кто сомневался в генетической роли нуклеиновых кислот. Но в структурной форме ДНК, предложенной Уотсоном и Криком, еще оставались слабые места. Так, не было понятно, как развертываются двухспиральные молекулы ДНК. За счет какой энергии происходит разделение и самоудваивание молекул? Недостаточно выяснено это и сейчас. И все-таки факт, что ДНК имеет двухспиральную комплементарную структуру молекул, теперь уже ни у кого не вызывает сомнений.

Исходя из этого, английский ученый Дотти поставил перед собой цель: развернуть молекулу ДНК на две цепочки, составляющие спираль, а потом попробовать собрать ее заново. Эту трудную задачу удалось решить, используя реакцию молекул ДНК на разность температурного перепада. В результате действия определенных температур в растворе оказывались односпиральные цепочки молекул ДНК. Никакой биологической активностью такие «полумолекулы» не обладали. Однако, меняя условия опыта, можно было вновь собрать половинки в двухспиральные молекулы. Восстановившаяся таким образом нуклеиновая кислота снова обладала биологическими свойствами. Она воспроизводила в потомстве все признаки микроорганизмов, из которых была ранее выделена. Так был найден способ «разборки» и «сборки» молекул нуклеиновых кислот.

Но Дотти пошел дальше. А что, если для опытов взять ДНК от разных микроорганизмов, обладающих разными свойствами? Допустим, от микробов, невосприимчивых к пенициллину, и от микробов, невосприимчивых к стрептомицину. Поместив их ДНК в один раствор, попробовать затем разделить их на «полумолекулы», а потом собрать заново в молекулы целостные. Что произойдет? Ведь обязательно случайно какие-нибудь чужие половинки соединятся вместе. Тогда должен возникнуть организм, обладающий новыми свойствами. Он будет невосприимчив и к стрептомицину и пенициллину. Такова была идея эксперимента.

После многих трудов опыт, когда из десятков тысяч молекул нужно было выделить лишь единичные гибридные молекулы, обладающие смешанными свойствами, удался. Это был новый шаг по сравнению с работами Френкель-Конрада и Шрамма. Здесь удалось создать организмы, которые сочетают свойства двух исходных форм, используя при этом только чистую ДНК. И если Шрамм и Френкель-Конрад сумели провести гибридизацию на уровне молекул, создавая новый нуклеопротеид, то Дотти удалось из половинок молекул создать новую гибридную молекулу ДНК.

Так на наших глазах были сделаны первые шаги к расшифровке тайны наследственности и синтеза белка. Благодаря успехам молекулярной биологии перед наукой открылись необозримые горизонты управления наследственностью микроорганизмов, растений и животных, излечения наследственных болезней, новых методов борьбы с вредными вирусами и бактериями.

Может быть, некоторым это покажется фантастикой, но я уверен, что недалеко время, когда наука начнет создавать живые клетки ранее неизвестных растений и животных.

Вспомните, в какие глубокие тайны микромира проникли ученые всего за 70 лет, прошедших со времени открытия Ивановским первого вируса. А с каждым годом темпы развития науки нарастают. Можно смело сказать, что за последние 15 лет в области познания физико-химических основ жизни сделано больше, чем за все время развития биологии.