Роль вирусов и микроорганизмов в природе и

Микробиология (от греч.: микрос - малый, биос - жизнь, логос-учение)- это наука, изучающая строение, функции, химическую деятельность, распространение, условия развития, роль и значение в жизни человека очень мелких организмов, большинство которых невидимо невооруженным глазом. К ним относятся бактерии, актиномицеты, грибы, вирусы, фаги и т.д.

Наша планета населена огромным числом живых существ. Одни из них составляют макромир-это многие животные, растения и другие видимые невооруженным глазом живые организмы. Микромир образуют мельчайшие организмы, которые мы можем рассмотреть только с помощью специальных оптических приборов (микроскопы). Микроорганизмы были первыми обитателями на нашей планете. Около трех миллиардов лет назад они сформировали микробиосферу - древнейшую оболочку биосферы Земли. Биомасса таких существ превышает суммарную биомассу растений и животных. Накопившееся органическое вещество обладает высоким энергетическим потенциалом, поскольку из него образуются залежи нефти, газа, угля и других полезных ископаемых. И сегодня эти невидимые существа, благодаря своим невероятным способностям, освоили практически все, даже самые удивительные места обитания жизни на нашей планете. Их обнаружили в полярных льдах и горячих источниках, они опускаются в океанские глубины и поднимаются высоко в атмосферу, совершая трансконтинентальные перелеты. Роль микроорганизмов в важнейших природных процессах так велика и уникальна, что исчезновение из биосферы только грибов и бактерий (этих вездесущих санитаров природы) означало бы прекращение жизни на земле.

С появлением человека микробы стали его неразлучными спутниками: верными помощниками и коварными врагами. Причем врагами подчас столь грозными, что творимые ими беды по своим последствиям сопоставимы с разгулом стихии - ураганами, наводнениями или землетрясениями. Из древних рукописей мы узнаем о катастрофических эпидемиях оспы и чумы, унесших миллионы человеческих жизней. Там же находим сведения о таинственных массовых падежах домашних животных, причины которых становятся понятными только сегодня. Потрясают наше сознание и опустошительные поражения хлебных полей головней и ржавчиной, обрекавших сотни тысяч людей на голодную смерть. Но уже с древних времен наши предки, не подозревая о существовании микробов, научились приручать этих неутомимых помощников. Так у людей появились хлеб и сыр. Вино и кумыс, льняная пряжа и множество других незаменимых продуктов, которые и сегодня мы получаем с помощью микроорганизмов. Но иногда человек оказывается перед ними пока бессилен. Чумой ХХ века люди назвали вирусное заболевание СПИД (ВИЧ). Но в то же время именно вирусы и бактерии помогли генетику П. Бергу и его коллегам (1972 г.) создать первую в мире гибридную молекулу ДНК и с этого момента началась история генной инженерии - одной из стремительно развивающихся областей науки. Также опасно намеренное использование патогенных микроорганизмов как бактериологического оружия и биологического террора (сибирская язва – США, 2003г.).

С развитием торговых связей между странами и народами участились случаи непреднамеренных завозов в новые ареалы опасных микробов – возбудителей болезней человека, животных и растений. Поэтому охрану рубежей многих стран мира несут врачи - микробиологи, ветеринары и защитники растений.

Более 80 курсов для обучения Всего 20 минут в день на занятия Персональный преподаватель

В настоящее время микробиология дифференцирована на ряд самостоятельных дисциплин: общую, медицинскую, санитарную, сельскохозяйственную, ветеринарную, техническую(промышленную), водную, космическую, биотехнологию (генную инженерию). Одним из разделов технической (промышленной) микробиологии является пищевая микробиология, вопросы которой преимущественно и рассматриваются в настоящем курсе лекций.

Без знания микрофлоры исходного сырья и пищевых продуктов, специфических свойств и особенностей микроорганизмов, их биохимической деятельности, зависимости развития от внешних факторов нельзя успешно выполнять задачи, поставленные перед инженером-технологом в области контроля микробиологической безопасности качества технологического процесса, хранения, реализации пищевых продуктов и максимального сокращения их потерь.

История развития микробиологии. К использованию микробиологических процессов при изготовлении теста, вина, кисломолочных продуктов человечество прибегало с незапамятных времен.

Открытие микроорганизмов относится к концу XVII в. Открыл их голландец Антони ван Левенгук (1632—1723), который сконструировал простейший микроскоп, увеличивающий рассматриваемый объект в десятки и сотни раз.

Левенгук впервые описал в книге "Тайны природы" представителей основных групп микроорганизмов: протистов, водорослей, бактерий. Труды Антони ван Левенгука получили широкую известность при его жизни. В 1698 г. Петр I, находясь в Голландии, посетил Левенгука и привез микроскоп в Россию

Долгое время наука о микробах носила в основном описательный характер — шел так называемый морфологический период ее развития.

Начало нового направления в развитии микробиологии — физиологического периода связано с деятельностью французского ученого Луи Пастера (1822—1895). Пастер установил, что микроорганизмы различаются не только по внешнему виду, но и по характеру жизнедеятельности: они вызывают разнообразные химические превращения в субстратах. Он доказал, что происходящее в виноградном соке спиртовое брожение обусловлено жизнедеятельностью микроорганизмов — дрожжей. Это открытие опровергло господствующую в то время теорию Либиха о химической природе брожения. Большой цикл работ Пастера был посвящен изучению причин болезней вина и пива. Пастер показал, что возбудителями их являются микроорганизмы и, чтобы предотвратить порчу, предложил прогревать напитки. Этот прием применяют и в настоящее время и называют пастеризацией. Пастер впервые обнаружил бактерии, не способные развиваться в присутствии воздуха, т. е. показал, что жизнь возможна и без кислорода.

Пастер открыл природу инфекционных болезней человека и животных, установил, что эти болезни возникают вследствие заражения особыми микробами и что каждое заболевание вызывает определенный микроорганизм. Он разработал и научно обосновал метод предупреждения заразных болезней (предохраняющие прививки), изготовил вакцины против бешенства и сибирской язвы.

Значительным вкладом в микробиологию явились исследования немецкого ученого Роберта Коха (1843—1910). Им были введены в микробиологическую практику плотные питательные среды для выращивания микроорганизмов, что привело к разработке метода выделения микроорганизмов в так называемые чистые культуры, т. е. выращивания массы клеток каждого вида в отдельности. Этот метод открыл совершенно новые подходы для более углубленного изучения свойств микроорганизмов и вызвал бурное развитие микробиологии. Р. Кох открыл (1882) возбудителя туберкулеза, который в его честь назван "палочкой Коха".

Развитие микробиологии неразрывно связано с работами русских ученых. Родоначальником русской микробиологии считается И. И. Мечников (1845—1916), классические работы которого положили начало новому этапу в развитии микробиологии. Центральной проблемой его исследований было изучение взаимоотношений паразита и хозяина — человека. Он создал фагоцитарную теорию иммунитета, в основе которой лежит способность макроорганизма противостоять инородным телам, в том числе и болезнетворным микробам. И. И. Мечников и Л. Пастер положили начало изучению антагонизма микробов, что явилось основой науки об антибиотиках. И. И. Мечниковым в Одессе была организована первая в России бактериологическая лаборатория.

Ближайшим сотрудником И. И. Мечникова был Н. Ф. Гамалея (1859—1949), изучавший многие вопросы медицинской микробиологии. Н. Ф. Гамалея организовал в 1886 г. в Одессе первую в России станцию по прививкам против бешенства (вторую в мире после Пастеровской станции в Париже). Вся его деятельность была направлена на решение важнейших вопросов здравоохранения в нашей стране.

Общая микробиология, изучающая микроорганизмы почвы, воды и особенно сельскохозяйственная, получила развитие в трудах С. Н. Виноградского (1856—1953). С. Н. Виноградский открыл процесс хемосинтеза — установил существование особых бактерий, способных ассимилировать углекислый газ из воздуха, используя в процессе синтеза органических веществ химическую энергию, освобождающуюся в результате реакции окисления неорганических соединений. Он же открыл явление фиксации атмосферного азота анаэробными бактериями. С. Н. Виноградским разработан оригинальный метод выращивания микроорганизмов с применением элективных (избирательных) питательных сред и условий, приближенных к естественному обитанию микроорганизмов. Этот метод получил широкое применение во всех областях микробиологии.

Учеником и сотрудником С. Н. Виноградского был В. Л. Омелянский (1867—1928), создавший первый русский учебник по микробиологии "Основы микробиологии", изданный в 1909 г. Им же составлено первое "Практическое руководство по микробиологии".

Большой вклад в развитие микробиологии внесли А. А. Имшенецкий, Е. Н. Мишустин, С. И. Кузнецов, Н. Д. Иерусалимский, М. Н. Мейсель, Е. Н. Кондратьева и другие ученые.

В развитии технической микробиологии большую роль сыграли работы С. П. Костычева, С. Л. Иванова, А. И. Лебедева, изучавших процесс спиртового брожения. На основе исследований химизма образования органических кислот грибами, проведенных С. П. Костычевым и В. С. Буткевичем, в нашей стране в 1930 г. было организовано производство лимонной кислоты.

В. Н. Шапошников (1884—1968) и А. Я. Мантейфель изучили и внедрили в практику способ производства молочной кислоты с помощью бактерий. Исследования В. Н. Шапошникова и Ф. М. Чистякова дали возможность еще в начале 30-х годов организовать в промышленном масштабе производство ацетона и бутилового спирта с помощью бактерий. В. Н. Шапошников написал первый в СССР учебник "Техническая микробиология" (1947).

Становление пищевой микробиологии связано с трудами Я. Я. Никитинского-младшего (1878—1941). Он впервые создал курс пищевой микробиологии и много лет читал его в Институте народного хозяйства им. Г. В. Плеханова. Совместно с Б. С. Алеевым Я. Я. Никитинский написал специальный курс микробиологии скоропортящихся продуктов и руководство к практическим работам по микробиологии для студентов, изучающих товароведение продовольственных товаров. Труды Я. Я. Никитинского и его учеников положили начало широкому развитию микробиологии консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. В теорию и практику холодильного хранения продуктов питания большой вклад внес и Ф. М. Чистяков.

В микробиологию молока и молочных продуктов фундаментальный вклад внесли школы С. А. Королева (1876—1932) в Вологодском молочном институте и А. Ф. Войткевича (1875—1950) в Московской сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева.

В последующем это направление микробиологии развивалось в работах В. М. Богданова, Н. С. Королевой, А. М. Скородумовой, Л. А. Банниковой.

В настоящее время микробиология стала не только фундаментальной наукой — в стране плодотворно работают научно-исследовательские учреждения по многим разделам микробиологической науки. Заказы народного хозяйства выполняют многие промышленные производства, в технологии которых главенствуют микробиологические процессы.

Микробиологическая промышленность выпускает большое количество разнообразных, необходимых народному хозяйству страны препаратов: антибиотиков, ферментов, аминокислот, белков, органических кислот и др.

Широкое развитие получила и пищевая микробиология. Во всех крупных отраслях пищевой промышленности есть научно-исследовательские институты, в которых имеются микробиологические лаборатории. На многих предприятиях пищевой промышленности функционируют микробиологические лаборатории, контролирующие производство, качество сырья и готовой продукции.

Недалёкое будущее. Высшее руководство одной из крупнейших стран мира собралось на экстренное совещание. Высокопоставленные чиновники заметно встревожены: группа террористов захватила на одной из военных баз новейшее оружие – настолько секретное, что даже первые лица страны называют его только кодовым обозначением.

Как выяснилось, эта жидкость содержит опасный вирус, способный за считанные часы уничтожить половину человечества. К бойцам подбегают люди в специальных защитных скафандрах – учёные-вирусологи.

Они забирают опасный груз, тщательно укладывают его в металлические контейнеры и увозят для деактивации в недрах своих зашифрованных лабораторий.

Ещё одна трактовка: вирусы – внутриклеточные паразиты, которые не могут сами ничего синтезировать, и имеют, в зависимости от семейства, различные системы репликации и транскрипции. И это далеко не полный спектр определений, предложенных учёными для вируса.

Почему же для такого крошечного и, казалось бы, такого простого объекта не существует единого универсального определения? Наверное, потому, что вирус до сих пор остается одной из самых больших загадок для исследователей.

Вирусы присутствуют как зависимые паразиты в любой форме земной жизни – в бактериях, археях, простейших, растениях, грибах и животных. Несмотря на то, что они более чем доступны для исследования, учёные до сих пор спорят даже об их роли в эволюции.

Например, существует теория о том, что вирусы участвовали в появлении клеточного ядра и других компонентов эукариотической клетки. А вот эволюционное влияние вирусов на живые организмы на более поздних этапах эволюции уже доказано.

Есть основания предполагать, что интеграция генома ретровирусов в ДНК предка человека вблизи гена PRODH сыграла важную роль в развитии умственных способностей homo sapiens. Кроме того, вирусы являются важным природным средством обмена генетической информации между разными видами, что приводит к появлению генетическое разнообразие и направляет эволюцию.

Они играют определяющую роль в регуляции численности популяций некоторых видов живых организмов. В некоторых случаях вирусы образуют со своими хозяевами симбиоз. Вирусы имеют генетические связи с представителями флоры и фауны Земли.

Согласно последним исследованиям, геном человека более чем на 32% состоит из вирусоподобных элементов и транспозонов. Так, в геноме высших приматов существует ген, кодирующий белок синцитин, который считают, был привнесен ретровирусом.

На данный момент вирусы являются одним из крупнейших живых хранилищ неисследованного генетического разнообразия на Земле.

Таким образом, вирусы были и остаются важнейшей составляющей земной жизни на всех этапах эволюции. Однако, человечество начало изучать этот удивительный инфекционный агент совсем недавно. Более того – о самом факте его существования учёные узнали чуть больше века назад, хотя представления о заразности таких болезней, как оспа, корь и многих других, зародились еще у древних народов. Конечно, эти отрывочные наблюдения и догадки были очень далеки от настоящих научных знаний, и к концу XVIII века понимание природы инфекций было относительно примитивным.

Дмитрий Иосифович Ивановский
(1864-1920)

Настоящая революция в изучении вирусов произошла в 1892 г., когда выдающийся естествоиспытатель Дмитрий Иосифович Ивановский отправился в командировку на юг Украины для изучения мозаичной болезни табака. Исследуя эту болезнь, которая наносила огромный ущерб табачным плантациям, молодой учёный обнаружил, что возбудитель этой болезни проходит сквозь бактериальные фильтры.

После Ивановского и Бейеринка открытия совершались одно за другим. В 1898 г. Леффлер и Фрош открыли первый вирус животных – вирус ящура, а Род и Кэрролл в 1901-1902 гг. – первый вирус человека (вирус жёлтой лихорадки).

В том же 1902 г. были открыты вирусы чумы крупного рогатого скота, оспы коз, оспы овец; в 1905 г. – вирусы чумы собак, оспы коров; в 1907 г. – вирус натуральной оспы, вирус денге; в 1908 г. – вирусы полиомиелита, лейкоза кур и др.

И хотя царство вирусов было открыто ещё в конце XIX в., их глубокое изучение стало возможным лишь во второй половине XX века после изобретения электронного микроскопа и адекватных моделей для культивирования.

Мартин Бейеринк (1851—1931)

В настоящее время вирусологию определяют как медико-биологическую науку, изучающую вирусы и субвирусные агенты (вироиды, сателлиты и прионы): их строение, генетику, систематику, эволюцию, их способы заражать и эксплуатировать клетку-хозяина для размножения, их взаимодействие с иммунитетом организма-хозяина, болезни, которые они вызывают, методы их выделения и культивирования, а также использование вирусов в научных исследованиях и терапии.

Вирусы могут быть классифицированы в соответствии с теми хозяевами, которых они поражают: вирусы животных, вирусы растений, вирусы бактерий и др.

Наиболее распространённой является классификация вирусов в соответствии с типом их генетического материала и способа размножения (репликации) в клетке-хозяине. Классификация вирусов обновляется каждые пять лет по решению Международного комитета по таксономии вирусов (МКТВ).

Этот комитет предлагает классифицировать все известные вирусы по четырём иерархическими уровнями: вид, род, семья (иногда подсемейство) и порядок. Сейчас реестр классифицированных вирусов и вироидов включает 3704 вида, входящих в состав 609 родов, 27 подсемейств, 111 семей и 7 порядков.

Основной причиной изучения вирусов является их реальная угроза для человечества. Вирусы являются причиной острых массовых инфекций, на их долю приходится 90% всех инфекционных заболеваний.

Только от острых кишечных и респираторных вирусных инфекций в мире погибает 10-14 млн. человек. Кроме того, вирусы могут быть причиной развития злокачественных заболеваний и вызвать обострение хронических болезней.

Сегодня известно более 2 тысяч различных болезней человека, спектр которых постоянно пополняется за счёт ранее неизвестных: вирусные лихорадки Ласса, Эбола, Марбург, Зика, ВИЧ-инфекция, ряд вирусных кишечных болезней, вирусные гепатиты C, D, E и G, хантавирусная легочный синдром, ТОРС-коронавирус, болезни нервной системы, вызванные прионами.

Одновременно расширение спектра вирусных болезней происходит за счёт установления природы заболеваний, которые ранее считались неинфекционными (хронические гепатиты, лимфома Беркитта, саркома Капоши, Т-клеточные лейкозы и другие опухоли). Некоторые вирусные варианты онкопатологий так же отнесли к инфекционным болезням.

Давно обсуждается вопрос об инфекционной природе некоторых психических расстройств. Сегодня доказано, что в структуре причин самоубийств определённое место занимает инфекционный фактор – вирус Борна.

Также определена вирусная природа многих аутоиммунных (рассеянный склероз, сахарный диабет I типа) и аллергических (сенная лихорадка) болезней человека и животных.

Не менее 300 известных вирусов способны вызывать пандемии (грипп А, оспа, ВИЧ-инфекция, полиомиелит), эпидемии (лихорадка денге, жёлтая лихорадка, Западного Нила, Эбола, Зика), эпидемические вспышки (гепатит Е, вирус Нипа и др.) и спорадические заболевания.

Вирусы имеют большое значение для исследований в молекулярной и клеточной биологии. Поскольку они являются простыми системами, их используют для управления и изучения функционирования клеток.

Например, вирусы применяются в генетических исследованиях. Именно благодаря изучению вирусов были описаны ключевые механизмы молекулярной генетики, такие как: репликация ДНК, транскрипция, процессинг РНК, трансляция, транспорт белков, функционирования рибозимов.

Вирусы могут быть использованы как векторы для введения нужных генов в исследуемые клетки. Это дает возможность заставить клетку производить необходимые чужеродные вещества и изучать последствия введения нового гена в геном. Весьма вероятно, что вирусы найдут широкое применение в генотерапии.

Кроме того, вирусы используют с диагностической целью, для лечения бактериальных болезней, для борьбы с насекомыми-вредителями, и даже для регуляции численности популяции нежелательных животных (например – ограничение численности кроликов в Австралии).

Многие вирусы могут быть получены de novo, то есть с нуля. Первый искусственный вирус был получен в 2002 году.

Сегодня в свободном доступе в специализированных онлайновых базах данных опубликованы полные геномные последовательности 2408 различных вирусов (в том числе вируса натуральной оспы).

Вирусы являются самой распространенной формой существования органической материи на планете, оказывающей огромное влияние на другие формы жизни. Включая так называемых Homo sapiens, т.е. нас с вами. Их изучение и использование в интересах человечества – одна из важнейших задач для учёных.

В Украине развитие вирусологической науки исторически связано с Киевским национальным университетом. Так сложилось, что вот уже более 100 лет, наше учебное заведение занимает лидирующие позиции в этой области науки.

В 1962 г. в Киевском государственном университете имени Т. Г. Шевченко была открыта первая во всем СССР кафедра вирусологии, которая начала подготовку специалистов-вирусологов.

Организатором и первым заведующим кафедрой вирусологии была известный вирусолог и эпидемиолог, профессор, доктор медицинских наук Нина Петровна Корнюшенко. С декабря 2003 кафедру возглавляет профессор, доктор биологических наук, академик Высшей школы Украины, лауреат премии Украины в области науки и техники, премии НАНУ имени Д.К. Заболотного – Валерий Петрович Полищук.

Студенты, специализирующиеся на кафедре, получают основательную теоретическую и практическую подготовку по целому ряду научных направлений современной вирусологической науки, включая фитовирусологию, бактериофагию, медицинскую и ветеринарную вирусологию.

На этом уроке мы рассмотрим значение бактерий для человека и для среды их обитания, узнаем о роли бактерий в природе. Также узнаем, какую пользу и какой вред приносят бактерии.

Польза бактерий

Деятельность бактерий разнообразна и имеет огромное значение в природе и жизни человека. Бактерии играют большую роль в переработке молока (рис. 1), в получении его производных, таких как йогурт, творог, сметана, ряженка, простокваша, сыр и кефир.

Рис. 1. Получение производных молока с помощью бактерий

Молочнокислые бактерии, питаясь сахаром, содержащимся в молоке, образуют молочную кислоту. Под ее действием молоко превращается в простоквашу, а сливки – в сметану. Квашение овощей, силосование кормов тоже происходит с помощью молочнокислых бактерий. Образовавшаяся молочная кислота предохраняет овощи и корма от разложения. Кефир делает особый кефирный грибок, но без помощи бактерий грибок бы не справился.

Бактерии – наши замечательные соседи: на нас и внутри нас живет огромное количество бактерий, которые не только нам не вредят, но и помогают, та как их отсутствие вызывает болезнь. Самые известные из них – это бифидум-бактерии и кишечная палочка. Они укрепляют наш иммунитет, помогают пищеварению и делают много полезного для нашего организма. Ученые добились, чтобы бактерии образовывали и выделяли нужные для нас вещества – лекарства.

Вред бактерий

Самая большая опасность, которую несут в себе бактерии, – инфекционные болезни, которые вызывают бактерии-паразиты. Эти бактерии поселяются внутри нас, поедают наши ткани, отравляют наш организм, вызывая болезни, такие как чума, холера, ангина, воспаление легких. Существуют бактерии, портящие наши продукты.

Роль бактерий в природе

Самое главное, что делают бактерии в природе, – это поедание отмерших организмов, бактерии как бы работают для нас дворниками, их называют сапротрофы.

Питаясь органическими веществами мертвых тел, эти бактерии превращают погибшие растения и трупы животных в перегной. В одном кубическом сантиметре поверхностного слоя лесной почвы содержатся сотни миллионов почвенных бактерий. Эти бактерии превращают перегной в минеральные вещества, которые могут быть поглощены из почвы корнями растений (рис. 2).

Рис. 2. Роль бактерий в круговороте веществ в природе (Источник)

Бактерии участвуют в круговороте веществ на планете, в биосфере все вещества переходят от организма к организму, они находятся в постоянных круговоротах. Без бактерий эти вещества накапливались бы в больших количествах, не поступали бы дальше, то есть без них круговорот веществ был бы невозможен: примером может быть круговорот азота в природе. В почве существуют определенные бактерии, которые из азота воздуха делают азотные удобрения для растений, это клубеньковые бактерии, которые поселяются прямо в корнях растений.

Бактерии – самые многочисленные существа на земле, и они участвуют в цепях питания: есть крошечные организмы, питающиеся бактериями. Особые бактерии – цианобактерии, бактерии, способные к фотосинтезу, которые насыщают нашу землю кислородом. Бактерии оказывают на землю практически глобальное воздействие, они вездесущи и необыкновенно выносливы, бактерии определяют границы биосферы – самую нижнюю ее часть, где еще можно найти бактерии, и самую верхнюю ее часть, где бактерии существуют.

Заключение

Мы рассмотрели пользу, которую приносят бактерии человеку, опасности, которые они в себе таят, и влияние бактерий на окружающую среду.

Список литературы

1. Беркинблит М.Б., Чуб В.В. Биология. Экспериментальный учебник для учащихся VI

классов. – М.: МИРОС, 1992.

2. Корчагина В.А. Биология 6-7 классы. Растения, бактерии, грибы, лишайники. – 1993.

3. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Кучменко В.С. Биология 6 класс. – 2008.

4. Пасечник В.В., Суматохин С.В., Калинова Г.С. Биология 6 класс. – М.: Просвещение,

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет портал "Прекрасный мир растений" (Источник)

2. Интернет портал "Биология. Старые учебники по ботанике, зоологии, анатомии, общей биологии" (Источник)

3. Интернет портал "Биология в лицее" (Источник)

Домашнее задание

1. Как человек использует молочнокислые бактерии?

2. Почему без деятельности бактерий жизнь на Земле была бы невозможна?

3. В чем значение бактерий в природе?

Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта.

Доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков рассказывает, как эволюция симбиотической системы животных и вирусов привела к созданию иммунной системы, необходимой для существования теплокровного организма, и о той важнейшей роли, которую играют вирусные механизмы в жизни животных и растений.

– Александр, давайте начнем с какого-нибудь яркого примера симбиоза, в котором участвуют вирусы.

– Я могу привести просто поразительный пример такого симбиоза. Совсем недавно появилась статья американских биологов из Йелоустонского национального парка (Yellowstone National Park) Там есть горячие источники и в некоторых местах почва раскалена до 50-60 градусов. И на этой почве растет трава. Как она выдерживает такую высокую температуру? Нормальное растение не может расти на такой раскаленной почве. Было установлено, что в этой траве имеется симбиотический гриб, который живет внутри клеток травы. Если удалить гриб, то растение выжить при такой температуре не может, но и гриб тоже не может! Дальнейшее исследование показало, что есть третий участник – гриб обязательно должен быть заражен определенным вирусом. Если убрать вирус, что удалось сделать в эксперименте, то гриб вместе с растением теряют эту термоустойчивость и на раскаленной почве расти не могут. То есть действительно вирусы часто входят в состав симбиотических комплексов. И, кроме того, поскольку вирусы способны переносить фрагменты генов или целые гены от одного организма к другому, участвуют в глобальном процессе кооперации, информационного обмена. В процессе эволюции вирусы играют большую роль.

– Чем вирусы отличаются от бактерий?

– У вируса нет клетки. У них есть наследственная информация в виде молекулы РНК или ДНК и у них есть белковая оболочка, и больше ничего. Вирус – это, конечно, не самостоятельная система, можно сказать, что это часть мирового генетического банка.

– Давайте подробнее остановимся на роли вирусов в эволюции животного мира.

В эволюции животных можно привести, как минимум, три примера, когда вирусы или вирусоподобные объекты – мобильные кусочка генома – сыграли важную положительную роль.

Во-первых, знаменитый фермент – теломераза по своему происхождению, скорее всего, вирусный объект. Дело в том, что теломераза – это специальный белок, который занимается тем, что он достраивает кончики хромосом. Согласно одной из теорий, многоклеточные организмы стареют, потому что при каждом клеточном делении хромосома немножечко укорачивается и возникает опасность, что хромосомы в конце концов так укоротятся, что утратят функциональность и каким-то образом нужно эти кончики, которые не воспроизводятся при копировании, достраивать. Российский ученый Алексей Оловников предположил, что должен существовать специальный фермент для достройки кончиков хромосом. И этот фермент действительно открыли и назвали теломеразой. Это фермент, который спасает наши клетки от необратимого старения.

Но причем здесь вирусы? Дело в том, что, как сейчас считается, этот белок теломераза имеет вирусное происхождение. Вирус – это специальное устройство (я говорю сейчас о так называемых РНК-содержащих вирусах), это специальное устройство для записи информации в геном других организмов. Он содержит РНК, попадает в клетку. И та информация, которая записана в этой вирусной РНК, она переписывается в форме ДНК уже в геном, скажем, человеческой клетки. Вирус кодирует необходимые ферменты для для записи информации в геном.

Удивительно, но по последним данным, 40-45% всего генома человека – это всевозможные мобильные и повторяющиеся элементы, обладающие способностью перемещаться по геному, то есть, грубо говоря, это бывшие вирусы или размножившиеся вирусоподобные объекты, и это до 45% генома человека.

– То есть мы можем сказать, что молекула ДНК – это симбиотическая молекула. Когда мы видим сложнейшую молекулу ДНК, то непонятно как могло возникнуть столь сложное устройство? Но в действительности она возникла не под воздействием единичных мутаций, а в результате симбиотического обмена – то есть фактически собиралась из строительных блоков.

– Совершенно верно. Это – блочный принцип эволюции.

Второй случай, когда в эволюции высших позвоночных животных пригодились вирусы – это система приобретенного иммунитета. Что происходит, когда мы вырабатываем иммунитет к новой болезни? Ведь антитела вырабатываются даже к синтетическим веществам, которых в природе нет.

В геноме человека нет готовых генов антител, а есть набор заготовок. Ген антитела собирается из трех кусочков, причем в геноме есть сотни вариантов первого кусочка, несколько десятков вариантов второго кусочков и несколько вариантов третьего, их надо собрать. Вот в каждом лимфоците происходит вырезание, берется один кусочек ДНК первого типа, один второго, один третьего, и они склеиваются вместе в работающий ген, и уже с него синтезируется антитело. Оно потом еще может дополнительно доводиться до нужной кондиции, но начальный этап – это нарезание и сбор из кусочков гена. Так происходит редактирование генома.

– Необходимо подчеркнуть, что роль иммунной системы чрезвычайно важна. Она позволяет человеку выжить и противодействовать атакам микроорганизмов.

– Посудите сами: теплокровное млекопитающее – это просто инкубатор. 37 градусов постоянная температура тела – это же рай для бактерии. Если бы не иммунная система, нас бы просто съели.

И третий важный пример, того что принесли вирусы в симбиотическую систему, которой является организм животных. Недавно был обнаружен ген в геноме млекопитающих, который необходим для развития плаценты – того органа, который осуществляет обмен между организмом матери и плодом, благодаря которому сравнительно долго плод может безопасно развиваться в утробе матери. А то что это занимает довольно продолжительное, кстати, считают важнейшей предпосылкой для развития мозга и, в конечном счете, для появления разума.

– Александр, мы приходим к выводу, что симбиоз играет гораздо более важную роль, чем это может показаться. Мы все слышали, о таких симбиотических системах, в которых насекомые опыляют растения. Но то, что вы рассказали, говорит о том, что симбиоз – это действительно магистральное развитие всей эволюции, именно симбиоз может дать объяснение, почему организмы могут так быстро усложняться и приобретать совершенно новые функции и возможности.

– Мне и представляется эта тема очень важной, но до сих пор в биологии сохраняется отношение к симбиозу, как к некоему курьезу, какой-то причуде матушки-природы. Но если взять факты, то мы видим, что это не просто типично, но это основа и прогрессивной эволюции и функционирования биосферы. Это – всеобщее явление.

Когда был открыт один из первых случаев симбиоза – оказалось, что лишайник – это симбиотический комплекс гриба и водоросли –ученые очень удивились: надо же, чудеса какие. Мы думали, это растение, а это какой-то немыслимый комплекс – и гриб, и водоросли вместе переплелись, и получился лишайник. Но с тех пор уже столько открыто еще более удивительных симбиотических систем, что уже пора перестать удивляться, а включить это явление в общую теорию как неотъемлемый ее элемент.

– То есть, можно сказать, главное в природе это не всеобщая борьба и взаимное уничтожение, а синтез, взаимопомощь и сотрудничество.