Заболевания растений, животных и человека, вирусная природа которых в настоящее время установлена, в течение многих столетий наносили ущерб сельскому хозяйству и вред здоровью человека.
Многие из них были описаны очень давно, но попытки установить их причину и обнаружить возбудителя оставались безуспешными. Первую вакцину для предупреждения вирусной инфекции—оспы предложил английский врач Э. Дженнер в 1796 г., почти за сто лет до открытия вирусов. Он впервые осуществил мечту человечества: обуздать одну из самых страшных болезней человека — натуральную оспу с помощью вакцинации — искусственной прививки возбудителя коровьей оспы. Вторая вакцина — против бешенства была предложена основателем микробиологии Л. Пастером в 1885 г., за семь лет до открытия вирусов.
Открытие вирусов принадлежит русскому ученому-ботанику — Д. И. Ивановскому (1864—1920).
На примере мозаичной болезни табака он доказал существование нового типа возбудителя болезни. Изучая эту болезнь, Д. И. Ивановский приходит к выводу, что возбудитель имеет необычную природу: фильтруется через бактериальные фильтры, сохраняет инфекционные свойства, невидим под микроскопом и неспособен расти на искусственных средах. Он назвал новый тип возбудителя «фильтрующиеся бактерии».
В феврале 1892 г. на заседании Российской академии наук Д. И. Ивановский сообщает, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату считают днем рождения вирусологии, а Д. И. Ивановского — ее основоположником.
В 1897 г. Ф. Леффлер и П. Фрош, используя принцип фильтруемости, примененный Д. И. Ивановским, показали, что возбудитель ящура животных — вирус. Затем последовало открытие возбудителей чумы крупного рогатого скота, чумы собак, саркомы Роуса и других болезней животных. В 1915 г. Ф. Ту орт и в 1917 г. Ф. д’Эрелль открыли вирусы бактерий — бактериофаги. Появлялись многочисленные сообщения о вирусной природе кори, полиомиелита, гриппа, энцефалита и т. д.
После открытия и развития представлений о фильтрующихся возбудителях их стали называть «ультравирусами», позже — «фильтрующимися вирусами» и, наконец, с начала 1940-х годов — просто «вирусами». Таким образом, уже во втором десятилетии XX в. стали известны вирусы растений, животных, бактерий и человека.
В потоке новостей о вирусах были и затишья, продолжавшиеся до тех пор, пока не появились новые методы их выделения, культивирования и идентификации. В 30—40-х годах XX в. основной экспериментальной моделью были лабораторные животные, чувствительные к ограниченному количеству вирусов. В 40-е годы в вирусологию в качестве экспериментальной модели входят развивающиеся куриные эмбрионы, которые позволили открыть и культивировать много новых вирусов: кори, инфекционного ларинготрахеита птиц, оспы птиц, ньюкаслской болезни и др. Использование этой модели стало возможным благодаря исследованиям австралийского вирусолога и иммунолога Ф. М. Бернета и американского вирусолога А. Херши.
Подлинное революционное событие в вирусологии — открытие возможности культивировать клетки в искусственных условиях. В 1952 г. Д. Эндерс, Т. Уэллер, Ф. Роббинс получили Нобелевскую премию за разработку метода культуры клеток. Использование культуры клеток является эффективным методом для выделения многочисленных новых вирусов, их идентификации, клонирования, изучения их взаимодействия с клеткой.
По мере достижения успехов в создании новых методов исследования расширялось представление о мире вирусов, их природе, характере взаимодействия с чувствительными клетками организма, особенностях противовирусного иммунитета, экологии ряда вирусов, их роли в онкогенных процессах и эволюции ряда вирусных болезней человека и животных.
Со времени открытия вирусов по настоящее время представления о природе вирусов претерпели значительные изменения. По мере изучения природы вирусов в первые 50 лет после их открытия формировались представления о вирусах как о мельчайших организмах на основании наличия у них свойств, характерных для других организмов: 1) вирусы способны к размножению; 2) они обладают наследственностью, воспроизводя себе подобных. Наследственные признаки вирусов можно учитывать по спектру поражаемых ими хозяев и симптомов заболеваний и специфичности иммунных реакций. Сумма этих признаков позволяет определить наследственные свойства вируса; 3) вирусы обладают изменчивостью; 4) как другие организмы, они характеризуются приспособляемостью к условиям внешней среды — через организм хозяина; 5) вирусы эволюционируют, и движущий силой их эволюции является естественный отбор.
На примере вируса гриппа А можно проследить эволюцию, темпы которой измеряются не миллионами и даже не тысячами лет, а немногими годами. Незначительные изменения его антигенной структуры происходят ежегодно, а резкие смены антигенов — 1 раз в 10—15 лет. Подобных темпов естественной эволюции не знает ни одна группа других организмов.
Главным фактором естественного отбора в этом процессе является искусственный отбор, применяемый для выведения полезных пород животных и сортов растений. Классическим примером искусственного отбора являются работы J1. Пастера по получению вакцинного штамма — фикс-вируса бешенства, а также разработка живых вакцин против чумы крупного рогатого скота, чумы свиней, полиомиелита и других болезней.
На рубеже середины XX в. выход естественных наук на молекулярный уровень стимулировал дальнейшее развитие вирусологии, иммунологии, генетики. Создание электронного микроскопа сделало видным мир вирусов и макромолекулярных соединений. Использование молекулярных методов в вирусологии позволило установить строение (архитектуру) вирусных индивидуумов — вирионов (термин введен французским микробиологом А. Львовым), способы проникновения вирусов в клетку и их репродукцию. Исследования показали, что генетическое вещество вирусов — ДНК или РНК. Нуклеиновые кислоты вирусов заключены в футляр-капсид из белковых молекул, у сложных вирусов могут быть внешние оболочки (суперкапсидные), состоящие из белков, углеводов и липидов.
С развитием исследований молекулярной биологии вирусов стали накапливаться факты, противоречащие представлению о вирусах как микроорганизмах по следующим уникальным свойствам:
- наличие в вирионах в качестве генетического материала одной из двух нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), которые могут быть различной формы (линейные, спиральные, кольцевые, одно — и двухцепочные, фрагментированные, разобщенные);
- отсутствие у вирусов собственных белок-синтезирующих (рибосом) и энергетических систем;
- уровень паразитизма у вирусов иной, чем у бактерий или простейших. В отличие от внутриклеточного паразитизма последних паразитизм вирусов генетический (конкуренция вирусного и клеточных геномов). Яркий пример генетическою паразитизма — способность ряда вирусов интегрировать (объединяться) с клеточным геномом. В этом случае вирусные гены обозначаются как провирус (умеренные ДНК-содержащие фаги, онкогенные ДНК-содержащие вирусы, вирус гепатита В, ретровирусы). Пол влиянием различных факторов (УФЛ, обработка гормонами и т. д.) вирусная ДНК может «вырезаться» и существовать автономно, давая вирусное потомство;
- вирусы размножаются только в живых клетках (в клетках животного, человека, в куриных эмбрионах, культурах клеток);
- к уникальному свойству вируса относится его способ размножения, который резко отличается от размножения всех других клеток и организмов (бинарное деление, почкование и др.). Способ размножения вирусов — дисъюнктивный (разобщенный). Это подчеркивает разобщенность в пространстве (на территории клетки) и времени синтеза вирусных компонентов (нуклеиновых кислот и белков) с последующей сборкой и формирование вирионов. У вирусов нет обмена веществ.
К вирусам примыкают вироиды-агенты, открытые Т. О. Дайнером в 1972 г., вызывающие заболевание некоторых растений и способные передаваться как обычные инфекционные вирусы. Вироиды — это сравнительно небольшие молекулы РНК (300—400 нуклеотидов), лишенные белковой оболочки. Механизм репликации вироидов не вполне ясен.
Многие годы считали, что некоторые медленные инфекции у человека (Куру, болезнь Крейтцфельлта—Якоба, синдром Герстманна—Штрейусслера—Шейнкера и др.) и животных (энцефалопатия у крупного рогатого скота, норок и др.) вызывают вирусы. Однако оказалось, что причиной этих болезней является новый патогенный агент — прион, открытый в начале 80-х годов XX в. американским биохимиком Стенли Прузинером.
Несмотря на многолетнее развитие учения о вирусах, до сих пор нет общепринятого определения их. Определение «вирусы» несколько произвольно, и в разное время было предложено много его вариантов.
Вирусы являются неклеточными формами жизни. По-видимому, вирусы можно рассматривать как биологические образования, несущие генетическую информацию, которую они реализуют только в живых клетках человека, животных и растений.
О происхождении вирусов высказывались разные предположения. Одни авторы считают, что вирусы являются результатом крайнего проявления регрессивной эволюции бактерий и других одноклеточных организмов. Эту гипотезу большинство вирусологов не разделяют.
Согласно второй гипотезы вирусы — потомки древних, доклеточных форм жизни. Эту гипотезу большинство исследователей также не разделяют.
Гипотезу эндогенного происхождения вирусов поддерживают наибольшее количество вирусологов. Она предполагает, что вирусы произошли от генетических элементов клеток («взбесившихся генов»), ставших автономными. Вероятно, вирусы возникли и эволюционировали вместе с возникновением и эволюцией клеточных форм жизни.
Значение вирусов в нашей жизни очень велико. С одной стороны, это этиологические агенты большинства инфекционных болезней человека, животных и растений; с другой — вирусы, благодаря относительной простоте их строения, являются прекрасной биологической моделью для решения фундаментальных проблем биологии, генетики, биохимии, иммунологии, генной инженерии. «Вирусы дают нам единственный ключ к пониманию функции нуклеиновых кислот, а возможно, и к пониманию природы самой жизни».
В 1974 г. В. М. Жданов высказал гипотезу, согласно которой вирусы — важный фактор эволюции органического мира. Преодолевая видовые барьеры, вирусы могут переносить отдельные гены или их группы, а интеграция вирусной ДНК с хромосомами клеток может приводить к тому, что вирусные гены становятся клеточными генами, выполняющими важные функции.
Почему вирусология, которая зародилась в недрах микробиологии, за последние годы достигла такого стремительного успеха, став одной из ведущих и профилирующих дисциплин медикобиологической и ветеринарных наук? Этому способствовал ряд обстоятельств.
Во-первых, по мере сокращения роли бактерий, простейших и грибов в инфекционной патологии человека и животных, для лечения и профилактики которых имеются надежные биологические и химиотерапевтические препараты, роль вирусов возросла. Против многих вирусных болезней ни медицинская, ни ветеринарная наука еще не создала подобных препаратов. Так, до сих пор не решены проблемы с такими болезнями, как грипп, бешенство, ящур и др.
Во-вторых, возможность использования вирусов в качестве биологической модели. Таким образом, многие фундаментальные открытия в области биологии были сделаны благодаря вирусам (механизм репликации ДНК, механизм синтеза белка и др.).
В-третьих, установлено, что в широко распространенных респираторно-кишечных болезнях молодняка, наносящих огромный экономический ущерб, большую роль играют вирусы из различных таксономических групп (адено-, рота-, корона-, парамиксовирусы, вирусы диареи и др.). Оказалось, что при появлении вспышек этих заболеваний тесно взаимодействуют различные вирусы, бактерии, хламидии и стрессовые факторы.
В-четвертых, отдельные виды патологии (врожденные уродства, пороки развития и пр.), где роль вирусов даже не подозревалась, оказались вирусологическими. В медицине известно, что вирусы являются одной из причин внутриутробной патологии человека (вирус краснухи, гриппа, аденовирусы и др.). К сожалению, в ветеринарной вирусологии эта проблема не привлекла должного внимания. Хотя тератогенное действие вирусов наблюдается и в инфекционной патологии животных: вирус чумы свиней часто вызывает мертворождение и мумификацию плодов; вирус диареи крупного рогатого скота — гипоплазию мозжечка новорожденных телят; вирус инфекционного бронхита кур — патологическую форму яиц; вирус инфекционного ринотрахеита — пороки развития, слепоту у телят.
Установлена роль вирусов в возникновении некоторых хронических заболеваний. Накапливаются сведения о роли вирусов при острых сердечно-сосудистых заболеваниях, заболеваниях почек, поджелудочной железы, глаз и т. д. Только разносторонние исследования могут служить основой для суждения о роли вирусов в болезнях с неясной этиологией, которые до сих пор изучают врачи-неинфекционисты.
Очень важен как с эпидемиологической, так и эпизоотологической точки зрения факт миграции человеческих штаммов вируса гриппа в животный мир. Вирусы гриппа ускользают от действия иммунной системы организма за счет быстрого изменения своих антигенных детерминант. Это затрудняет проведение своевременных эффективных специфических методов профилактики. К сожалению, проблема гриппа до сих пор остается очень актуальной.
И наконец, накопились неоспоримые доказательства того, что многие опухолевые болезни вызывают вирусы (лейкоз птиц, крупного рогатого скота, болезнь Марека и др.). Выяснение причин возникновения злокачественных заболеваний человека, от которых во всем мире ежедневно погибают миллионы людей, остается одной из важнейших проблем современной биологии и медицины.