Открытие фильтрующихся вирусов

Открытие фильтрующихся вирусов

Вирусы… Живые существа, увидеть которые позволил лишь электронный микроскоп при увеличении в десятки тысяч раз, а тонкую структуру — в сто тысяч раз и более. Вирусология — наука о вирусах, расцвет которой стал возможным лишь в наш век величайших технических достижений. Но основы всего этого были заложены Д. И. Ивановским в конце XIX столетия. Сколько нужно было гениальной догадки, чтобы, не располагая теми методами и аппаратурой, которые сейчас применяются для изучения вирусов, доказать существование нового класса микробов — фильтрующихся вирусов. И открыл он вирусы, не видя их.

К открытию Д. И. Ивановского можно отнести слова Н. И. Пирогова: «Все высокое и прекрасное в нашей жизни, науке и искусстве создано умом с помощью фантазии». Не случайно открытие Д. И. Ивановским вирусов было встречено некоторыми учеными как событие фантастическое, далекое от реальности. Но упорный исследователь был готов бороться за свою идею и защищать ее перед самыми крупными авторитетами в мировой науке. Главное для молодого ученого было убедить себя в достоверности полученных результатов, а убедить других ему казалось более легкой задачей.

Когда он задумался над сущностью того, что происходило в пораженных мозаичной болезнью листьях табака, ему казалось, что доказать микробную природу этого поражения будет не очень трудной задачей. Микроскоп есть, методы приготовления препаратов и окраски Их известны. И вот началась «охота за микробами». До боли в глазах всматривался он в огромное количество препаратов, приготовленных из экстрактов пораженных листьев. Неудача следовала за неудачей. Микроскопия не давала ответа на вопрос: есть ли в экстрактах из пораженных листьев микробы? Вернее, он приходил к заключению, что здесь никаких микробов нет, но доказывает ли это, что мозаичная болезнь листьев табака это болезнь незаразная?

Много раз наносил он на здоровые листья сок из больных, вводил этот сок с помощью стеклянной капиллярной трубки или шприца в толщу здоровых листьев.

Результат оказывался одинаковым и закономерным — здоровые листья заболевали. Значит, это заражение, да есть и другие тому доказательства. Ведь не сразу же после заражения происходит заболевание листьев, а через 11–15 дней. Значит, это не что иное, как скрытый инкубационный период, присущий всякому инфекционному заболеванию, во время которого микробы размножаются, проникают внутрь организма и вызывают заболевание. Но почему же нет прямого доказательства? Почему не удается выявить самих возбудителей? А быть может, их мало и надо увеличить количество?

Упорный молодой исследователь берется за новые методы. Капли сока или экстракта из больных листьев он засевает на искусственные питательные среды. Опыт, накопленный микробиологией, уже давал возможность культивировать микробы и выращивать большие их количества. Но ученого в этом направлении преследует неудача за неудачей. Неужели это тупик? Нет, не все еще изучено, нельзя складывать оружия. Надо искать другие пути. До сих пор Ивановский изучал сок листьев в надежде найти там микробов. Но что если пойти в обратном направлении и постараться удалить микробы из листьев… Как будет действовать освобожденный от микробов сок, т. е. профильтрованный? Выделив сок из больных листьев, он профильтровал его через бактериальные фильтры, отверстия которых были столь малы, что через них не могли пройти даже самые маленькие из видимых в микроскоп микробы. Следовательно, если в прозрачной жидкости, прошедшей через бактериальные фильтры, уже нет никаких микробов, то она не должна оказать никакого вредного воздействия на здоровые листья табака, не должна заражать их. Но предположение не оправдалось. Когда каплю такой абсолютно прозрачной жидкости Д. И. Ивановский нанес на здоровые листья, то на них появились бурые пятна. Развивалась мозаичная болезнь. В прозрачной жидкости были какие-то микробы, но они, по-видимому, в тысячу раз меньше тех, которые известны. Поэтому микробы — возбудители мозаичной болезни и прошли через бактериальный фильтр. Значит, открыты новые микробы — фильтрующиеся вирусы.

Прежде чем опубликовать свою работу о фильтрующихся вирусах, Д. И. Ивановский проделал множество проверочных опытов. Следовало выяснить такой вопрос: раз в фильтратах[5] сока больных листьев нет видимых микробов, то не вызывается ли мозаичная болезнь микробным ядом? Возможно, что именно он как жидкое вещество проходит через бактериальные фильтры и при нанесении на здоровые листья вызывает их поражение. Но если бы это было так, то яд как вещество вызывал бы болезнь у одного растения, а затем прекратил или ослабил свое действие. Однако наблюдения свидетельствовали не в пользу этого предположения. Результаты исследований блестяще оправдали мысль ученого о микробной природе этого процесса. Сотни раз повторяя опыт с заражением здоровых листьев фильтратом сока больных, Ивановский убедился в закономерности полученных результатов. Можно было заражать фильтратом от больных листьев одного растения другое, от второго — третье, от сотого — сто первое и т. д. в любом «поколении». Сила вируса, как установил ученый, не слабеет, значит, фильтрующийся вирус мозаичной болезни табака живое существо — микроб, который размножается и поражает его.

Вооруженный убедительными доводами, он поведал миру о своем открытии. Не сразу мир признал и подтвердил это важнейшее и поистине великое научное открытие конца XIX столетия. Причиной было то, что ни сам Ивановский, ни те, кто повторил его опыты, не видели возбудителей мозаичной болезни листьев табачных растений. Ивановский доказывал микробную природу косвенными путями, а в микробиологии господствовала известная «триада Коха» и из трех принципов этой доктрины надо было выделить хотя бы микробы в чистой культуре и вызвать ею экспериментальное заболевание. Второе было доказано, а первое нет. Д. И. Ивановский был убежден, что фильтрующийся вирус — микроб и имеет корпускулярную[6] природу. Будущее полностью подтвердило его точку зрения: фильтрующиеся вирусы оказались ультрамикроскопическими микробами, имеющими корпускулярную природу, определенное строение и ряд очень своеобразных свойств живых существ.

Д. И. Ивановский упорно продолжал работать. Темой его докторской диссертации по-прежнему являлась «Мозаичная болезнь табака». Наметив большую программу исследований, Ивановский строго и неуклонно следовал ей. Молодому ученому приходилось не только обосновывать свою идею, но и защищать ее от противников, не сумевших понять новизны необычных представлений о микроорганизмах. Сказывался консерватизм мышления многих микробиологов, привыкших считать микробами лишь те формы, которые удавалось видеть под микроскопом.

Большой популярностью в те годы пользовалась теория голландского ученого М. Бейеринка о «жидком живом контагии», заразном начале, вызывавшем мозаичную болезнь листьев табака. Гипотеза Бейеринка легко увязывалась с представлениями об известных в то время микробных токсинах (ядах). Но Ивановский продолжал исследования и поиски доказательств ультрамикроскопической природы фильтрующихся вирусов — возбудителей мозаичной болезни табака. Лишь в 1903 г. после десятилетних исканий Ивановский завершает диссертацию, которая получила весьма высокую оценку передовых ученых. В диссертации были заложены основы методики вирусологических исследований и ряда представлений о свойствах фильтрующихся вирусов. Ивановский опроверг гипотезу Бейеринка о «неорганизованном заразном начале». К чести Бейеринка, который, внимательно ознакомившись с опытами и доводами Ивановского, признал не только его правоту, но и приоритет в открытии вирусов. Признание было полным, хотя и поздним. Оно пришло после смерти ученого. И прав был У. Стэнли, когда говорил, что «право Ивановского на славу растет с годами».

В «Известиях Киевского университета» за 1903 г. можно прочитать, что это подлинно научное открытие «всецело принадлежит Ивановскому, и работа его поэтому выигрывает в значении как исследование биологическое». Эти слова принадлежат профессору С. Г. Навашину. Другой профессор К. А. Пуриевич, высоко оценивая труд Д. И. Ивановского, писал: «Труд Ивановского обнаруживает в нем добросовестного и внимательного исследователя и представляет интерес как в чисто научном, так и в практическом отношении».

В научной борьбе со своими противниками Ивановский большое внимание уделял методике их исследований. Найдя в исследованиях ошибки, Ивановский тщательно проверял их и лишь потом выступал с критикой. Так было с опытами Майера, так было и с опытами главного, его противника Бейеринка. Убедившись в недостаточности двухслойной фильтровальной бумаги, которой в качестве фильтра пользовался Майер, Ивановский применил более совершенные фильтры. В своей статье «О двух болезнях табака», опубликованной в 1892 г., он писал о важности и решающем значении фильтрования для изучения вирусов: «Я обратился тогда к более надежным способам отделения организованных образований от растворенных, именно к так называемым бактериальным фильтрам, так как само собой понятно, что фильтровальной бумагой могут задерживаться только сравнительно крупице из микробов, бактериальным же фильтром бумага, хотя б и в два слоя, служить не может. Это, конечно, было наиболее слабое место в работе Майера. Если бы подобное фильтрование действительно устраняло заразительные свойства сока, то микроб легко было бы открыть и микроскопическими наблюдениями. Сверх всякого ожидания оказалось, что и после фильтрования через глиняные фильтры Шамберлана способность сока передавать болезнь не уничтожалась…».

С таким же экспериментаторским мастерством Ивановский, работая со свечами Шамберлана, доказал, что через эти надежные бактериальные фильтры все же проходит вирус корпускулярной природы. Удивительными кажутся методика, рассуждения и проницательность Ивановского, позволившие ему делать свои выводы. Фильтруя заразный сок через надежные свечи Шамберлана, он убедился, что первые порции фильтрата более заражены, нежели последние. Чем же можно объяснить столь странное явление? Ученый объясняет его тем, что в начале фильтрования более свободно проходят возбудители, а затем поры фильтра забиваются явно корпускулярными частичками, имеющими какую-то форму, величину и, по-видимому, объемность. Если бы возбудитель был растворимым веществом, он свободно проходил бы во все порции фильтрата. Говоря словами самого Ивановского, «нет ни одного факта, который подтверждал бы гипотезу о растворимости контагия мозаичной болезни…» Д. И. Ивановский, не видя (в буквальном смысле слова) возбудителя, но зная благодаря косвенным методам исследования некоторые свойства фильтрующегося вируса мозаичной болезни листьев табака, упорно стремился доказать, что это не вещество, а живое существо. Если возбудитель — живое существо, рассуждал он, то его можно убить химическими веществами, как это удается с видимыми в микроскоп многими микробами. И действительно, обработав соки и экстракты из пораженных листьев дезинфицирующими веществами, Ивановский убедился, что вызвать заражение свежих листьев уже не удается. Возбудители оказывались убитыми. В этом убедились и все те, кто повторял и проверял опыты Ивановского. Значит, вирус обладает не только корпускулярностью, но и свойствами живого.

Поразительным в открытии Д. И Ивановского было и такое наблюдение: изучая клетки листьев табака, пораженных мозаикой, он нашел в них скопление нерастворимых кристаллов. В клетках здоровых листьев кристаллы никогда не обнаруживались. Ученый рассматривал это явление как одно из свойств фильтрующихся вирусов мозаичной болезни. Тщательно проверяя свое наблюдение, он описал кристаллизацию вирусов табачной мозаики как закономерность. Надо отметить, что и это открытие оставалось непонятым современниками и лишь много лет спустя засияло в новом свете. В 1935 г. знаменитый вирусолог У. Стэнли выделил вирус мозаичной болезни листьев табака в кристаллическом виде и доказал свойство ряда вирусов образовывать настоящие кристаллы и существовать в кристаллическом виде. Тогда вспомнили и об открытии Ивановского, внесшего в науку необычные и принципиально новые представления о живом. История увековечила это открытие, и термин «кристаллы Ивановского» прочно вошел в обиход вирусологии.

В докторской диссертации Ивановского наряду с историческим фактом открытия нового класса невидимых живых существ важен был физический метод исследования — фильтрация, получивший широкое развитие и применение в вирусологии. В дальнейшем появились фильтровальные свечи Берюефельда, фильтры Зейтца и др.

Новые бактериальные фильтры позволили уже иметь поры определенной величины, точно измеряющиеся в микронах, через которые не проходили бактерии, грибки и простейшие микроорганизмы. Затем появились мембранные фильтры из органических веществ, с помощью которых был создан метод ультрафильтрации через коллодийные мембраны. Градуировка размеров пор давала возможность точно определять величину вирусов, проходящих через эти поры. Определение величины вирусов позволило в наше время использовать суперцентрифуги с оборотами до 100 000 в минуту для осаждения различных вирусов.

Вирусология обогатилась и другими методами выделения вирусов. Советские ученые В. Л. Рыжков и Е. П. Громыко разработали метод высаливания вирусов, В. И. Товарницкий и Н. П. Глухарев — адсорбционный метод выделения вирусов, а М. И. Соколов — очистку вируса гриппа адсорбцией на эритроцитах.

В настоящее время вирусология располагает и другими тончайшими методами выделения и очистки вирусов. Стало возможным изучать химический состав вирусов — возбудителей болезней человека, животных и растений. Важной вехой в этом направлении является установление фактов, что вирусы человека и животных содержат дезоксирибонуклеиновую — ДНК либо рибонуклеиновую кислоту — РНК, а вирусы растений — только последнюю.

Жизнь вирусов тесно связана с клетками организма, в которых они паразитируют. Вирусы могут жить и размножаться только внутри живой клетки «хозяина» и только за счет ее. Бесконечные попытки культивировать вирусы на искусственных питательных средах, самых сложных и богатых питательными веществами, терпели полное крушение. В процессе эволюции вирусы, приспособившись к паразитарному существованию в клетках организма человека, животных, растений, не только в них живут, но и поражают их, приспособление это оказалось столь тонким, что если говорить о заболеваниях человека, то одни вирусы поражают клетки кожи, другие — клетки нервной системы, третьи — клетки тканей дыхательных путей, четвертые — различные внутренние органы, пятые — кровеносные сосуды и т. д. Иначе говоря, для каждого вируса известны чувствительные ткани и органы. Все это наложило свой отпечаток и на методы культивирования вирусов.

Вирусологи в этой труднейшей из трудных проблем одержали большие победы. Созданы различные методы выращивания вирусов, и один из них — выращивание в культурах тканей. Само по себе создание метода культуры тканей явилось величайшим достижением науки. Ведь это значит, что клетки, например, мышечной ткани сердца или других органов растут… в пробирке.

Да, живут вне организма и размножаются. Мы не будем останавливаться на технике культивирования. Скажем лишь, что если клетки культуры тканей заразить вирусами, то вирусы начнут также размножаться в них. Используя особые питательные растворы для культуры ткани и время от времени обновляя их, можно создать условия для жизни клеток, а с ними и для жизни вирусов.

Особенно широко используются для культивирования вирусов куриные яйца. Здесь вирусы находят столь хорошие условия для своей жизни в тканях и жидкостях развивающегося куриного зародыша, что «забывают» о своей чрезмерной «привередливости» и «разборчивости» к клеткам и тканям. Благодаря этому методу можно изучать вирусы и получать их в огромных количествах. Да и техника культивирования вирусов в тканях куриного зародыша оказалась сравнительно не очень сложной. Надо иметь куриные зародыши на 8-9-й день их развития. Со строгими правилами стерильности иглой шприца прокалывают яйцо и вводят исследуемый материал. В термостате при температуре +37 °C происходит столь бурное развитие вирусов, что за двое-трое суток произойдет увеличение вируса в миллионы раз. Производя пересевы из одного яйца в другое, из второго в третье и т. д., можно бесконечно культивировать вирусы. В производственных условиях этот метод может дать огромное количество вирусов.

Огромный ущерб микробы наносят народному хозяйству. Болеют лошади, крупный и мелкий рогатый скот, свиньи, домашняя птица, пушные звери, живущие на воле и разводимые в специальных хозяйствах. Не щадят микробы рыб и насекомых, большие потери несут шелководство и пчеловодство.

Д. И. Ивановский открыл первый вирус, поражающий растения, — возбудителя мозаичной болезни табака. А теперь известно множество вирусов, которые губят урожаи плодов, ягод и овощей. Вирусы поражают технические и зерновые культуры. Можно было бы еще продолжить перечень «злодеяний» вирусов в природе, но и этого достаточно, чтобы представить себе, какие огромные задачи стоят перед наукой в борьбе с вирусами.

В 1918–1920 гг. вирус гриппа обрушил на человечество страшные бедствия. Эпидемическим вирусным гриппом переболело на земном шаре более 500 млн. человек, а погибло около 20 млн. По официальным данным эпидемиологической комиссии Лиги наций, лишь за пятилетие с 1929 по 1934 г. вирусными болезнями: гриппом, корью, полиомиелитом и оспой заболели 25 142 650 человек, в то же время такими бактериальными инфекциями, как брюшной тиф, дизентерия, дифтерия, коклюш, — 4 072 446 человек.

Перечень лишь одних названий заразных болезней человека и животных занял бы много страниц, но нет необходимости делать это. Широко известно, какими опасными врагами являются болезнетворные микробы и, в частности, вирусы.

Раскрыв многие тайны микробов, наука дала замечательные средства борьбы с инфекционными болезнями человека и животных — вакцины. Миллионы человеческих жизней спасают прививки, которые делаются с помощью вакцин против оспы, бешенства, полиомиелита, энцефалитов, кори, гриппа, сибирской язвы, туляремии, бруцеллеза, сыпного тифа и др. Из чего готовят вакцины? Вакцины — это ослабленные или убитые микробы, в том числе вирусы, не способные заражать, но вызывающие защиту — иммунитет против заразных болезней.

Итак, микробы — против микробов, вирусы — против вирусов. О том, как ученые добивались этого, какими путями шли к заветной цели, будет рассказано в следующей главе.