Сначала вирус прикрепляется к клетке будущего хозяина. Устанавливается специфичная связь между белками вирусного капсида (оболочки) и рецепторами на поверхности клетки-хозяина. Вирус может прикрепиться не к любой клетке. От того, к кому он может прикрепиться, и зависит, кто может заболеть. Например, ВИЧ поражает только определенный тип человеческих лейкоцитов – T-лимфоциты.
Вирус пробирается только в те клетки, которые способны осуществить его копирование (репликацию).
Далее следует проникновение в клетку. Различные вирусы применяют для этого разные стратегии, что подробно было изучено. При этом часть вирусов размножается в цитоплазме клетки, а часть в ее ядре.
Репликация (воспроизведение) вируса включает синтез матричной РНК ранних генов вируса, синтез вирусных белков, возможно, сборку сложных белков и репликацию вирусного генома, которая запускается после активации ранних или регуляторных генов. Вслед за этим может последовать еще один или несколько кругов дополнительного синтеза матричной РНК.
Вслед за этим происходит сборка вирусных частиц, потом – определенные модификации белков. У некоторых вирусов модификация (иногда называемая созреванием) происходит после выхода вируса из клетки-хозяина.
Выход из клетки может происходить разными путями. Вирус может покинуть клетку после лизиса, когда клетка погибает из-за разрыва мембраны и клеточной стенки. Эта особенность есть у многих бактериальных и некоторых животных вирусов.
Однако активно размножающийся вирус не всегда убивает клетку-хозяина. Оболочечные вирусы обычно отделяются от клетки путем отпочковывания. В ходе этого процесса вирус обзаводится своей оболочкой, которая представляет собой модифицированный фрагмент клеточной мембраны хозяина или другой внутренней мембраны. Таким образом, клетка может продолжать жить и производить вирус дальше.
Воспроизведение генома у большинства ДНК-содержащих вирусов происходит в клеточном ядре. Вос про из ведение РНК-содержащих вирусов обычно происходит в цитоплазме.
Эффекты, оказываемые вирусом на инфицированную клетку, называются цитопатическими эффектами. Большинство вирусных инфекций приводят к гибели клеток-хозяев. Часто причиной гибели клетки является подавление ее нормальной активности белками вируса.
Некоторые вирусы не вызывают никаких видимых изменений в пораженной клетке. Клетки, в которых вирус находится в неактивном состоянии, нормально функционируют. Вирус может никак себя не проявлять многие месяцы или годы. Но при ослаблении иммунитета хозяина он активизируется. Так часто бывает, например, с вирусом герпеса.
Вирусы поражают все формы клеточных организмов, включая животных, растения, бактерии и грибы. Вирусы грибов называются миковирусами. Однако различные типы вирусов могут поражать только ограниченный круг хозяев. Например, вирус оспы поражает только людей. Вирусы растений безвредны для животных, а большинство вирусов животных безопасны для человека.
Существует много типов вирусов растений. Часто они вызывают снижение урожайности, принося большие убытки сельскому хозяйству, поэтому контроль таких вирусов очень важен с экономической точки зрения. Вирусы растений часто распространяются от растения к растению переносчиками. Обычно ими выступают насекомые, но могут быть также грибы, черви-нематоды и одноклеточные организмы. Если контроль вируса растений признается экономически выгодным, то пытаются уничтожить переносчиков или альтернативных хозяев. Вирусы растений не могут поражать человека и других животных, так как они могут размножаться лишь в живых растительных клетках.
Растения имеют сложные и эффективные механизмы защиты от вирусов. Наиболее эффективно наличие так называемого гена устойчивости (R от англ. resistance – «устойчивость»). Каждый R-ген отвечает за устойчивость к отдельному вирусу и вызывает гибель клеток, соседних с пораженной, что невооруженным глазом видно как большое пятно. Это останавливает развитие болезни вследствие остановки распространения вируса. Другой вариант, когда, будучи пораженными вирусом, растения начинают вырабатывать природные противовирусные вещества, такие как салициловая кислота, оксид азота и активные формы кислорода.
Диапазон хозяев некоторых бактериофагов ограничивается одним штаммом бактерий, и они могут использоваться для определения штаммов, вызывающих вспышки инфекционных заболеваний методом фагового типирования.
Вирусы распространяются многими способами: вирусы растений часто передаются от растения к растению насекомыми, питающимися растительными соками, к примеру, тлями; вирусы животных могут распространяться кровососущими насекомыми-переносчиками. Вирус гриппа распространяется воздушно-капельным путем при кашле и чихании. Норовирус и ротавирус, обычно вызывающие вирусные гастроэнтериты, передаются фекально-оральным путем при контакте с зараженной пищей или водой. ВИЧ передается половым путем и при переливании зараженной крови.
Вирусы в морской воде необходимы для регуляции пресноводных и морских экосистем. Большая их часть является бактериофагами, безвредными для растений и животных. Они поражают и разрушают бактерии в мировом океане, участвуя в процессе круговорота углерода в морской среде. Органические молекулы, освободившиеся из бактериальных клеток благодаря вирусам, стимулируют рост новых бактерий и водорослей.
Микроорганизмы составляют более 90 % биомассы в море. Каждый день вирусы убивают около 20 % этой биомассы. В основном они и вызывают быстрое прекращение цветения воды, а ведь такое цветение убивает другую жизнь в море. Численность вирусов убывает с удалением от берега и с увеличением глубины, поскольку там меньше организмов-хозяев.
Регулируя процесс фотосинтеза, морские вирусы играют определенную роль в сокращении количества углекислого газа в атмосфере приблизительно на 3 гигатонны углерода в год.
Но морские млекопитающие восприимчивы к вирусным инфекциям, и среди них бывают настоящие эпидемии.
Вирусные инфекции человека
Наиболее известные вирусные заболевания – это простуда (хотя ее могут вызывать и бактерии), грипп, ветряная оспа и простой герпес.
Относительная способность вируса вызывать заболевание называется вирулентностью.
Некоторые заболевания исследуются на наличие вирусов, поскольку заболевание может быть как вирусным, так и нет. Например, пневмония. Меньше известно, что возможна связь между человеческим герпесвирусом 6 типа и нейрологическими заболеваниями, такими как рассеянный склероз и синдром хронической усталости.
У вирусов есть разные механизмы, вызывающие болезнь у хозяина, и эти механизмы сильно зависят от вида. При этом некоторые вирусы могут долгие годы существовать в организме хозяина относительно безвредно. Это так называемые «условно патогенные» вирусы. Такое состояние называется латентностью. Оно характерно для вирусов герпеса, в том числе вируса Эпштейна – Барр, вызывающего инфекционный мононуклеоз и синдром хронической усталости, а также родственных ему вирусов, вызывающих ветрянку и опоясывающий лишай.
Большинство людей за жизнь переболевают одним из этих заболеваний, и как ни странно, такие латентные вирусы могут и принести пользу, поскольку их присутствие может вызвать иммунный ответ против опасных бактерий, например чумной палочки.
Некоторые вирусы могут вызывать хронические инфекции, при которых вирус продолжает размножаться, несмотря на все защитные механизмы в организме. Так происходит, например, при инфекциях, вызванных вирусами гепатита B и C. Хронически больные люди становятся носителями вируса.
Передача вирусов может осуществляться вертикально, то есть от матери к ребенку, или горизонтально, то есть от человека к человеку. Горизонтальная передача наиболее распространена. Скорость передачи вирусной инфекции зависит от плотности популяции (количества людей, проживающих на определенной территории), количества чувствительных людей (то есть не имеющих иммунитета), качества здравоохранения и погоды.
Если начинается эпидемия, то важно найти источник (или источники) вспышки и идентифицировать вирус. Когда вирус определен, можно остановить инфекцию при помощи вакцин. Если вакцины нет, могут быть эффективными санация и дезинфекция. Часто зараженных людей изолируют от остального общества, то есть вирус помещается в карантин. У большинства инфекций человека и животных есть инкубационный период, в течение которого не проявляется никаких симптомов инфекции. Инкубационный период вирусных заболеваний может длиться от нескольких дней до недель.
Если вспышка приводит к высокому числу случаев заболевания в популяции или регионе, то она называется эпидемией. Если вспышка распространилась на многие страны, то говорят о пандемии (всемирной эпидемии).
Вирусы могут вызывать злокачественные новообразования у человека и других видов, хотя они возникают лишь у небольшой части инфицированных. Эти вирусы относятся к различным семействам; они включают и РНК-, и ДНК-содержащие вирусы, поэтому единого типа «онковирус» не существует.
Первой защитной линией организма против вируса является врожденный иммунитет. Однако в отличие от приобретенного иммунитета врожденный иммунитет не дает продолжительной и надежной защиты.
Когда система приобретенного иммунитета человека сталкивается с вирусом, то образуются специфические антитела, присоединяющиеся к вирусу и часто делающие его неопасным. Это называется гуморальным иммунитетом. Наиболее важными являются два типа антител. Первый, называемый IgM, эффективно нейтрализует вирусы, но образуется клетками иммунной системы только несколько недель. Синтез второго – IgG – продолжается неопределенно долго. Если у человека в крови находят IgM, то у него была или продолжается острая инфекция, а если есть IgG, то он перенес инфекцию в прошлом. Именно количество IgG измеряется при анализах на иммунитет.
Второй защитный механизм против вирусов называется клеточным иммунитетом. Его носители – особые иммунные клетки, T-лимфоциты. Клетки тела постоянно несут короткие фрагменты собственных белков на своих поверхностях, и, если Т-лимфоциты распознают здесь подозрительные вирусные фрагменты, клетка-хозяин разрушается Т-киллерами и начинается образование специфичных к вирусу T-лимфоцитов.
Важной защитной реакцией является производство интерферона. Интерферон – это гормон, образуемый организмом в ответ на присутствие вируса. Он останавливает вирус, прекращая образование новых вирусов пораженными клетками, убивая их и их близких соседей.
Не против всех вирусов работает такой иммунный ответ. Вирусу иммунодефицита человека удается избежать иммунного ответа, постоянно меняя последовательность аминокислот поверхностных белков вириона. Такие устойчивые вирусы уходят от иммунной системы. Другие вирусы, называемые нейротропными вирусами, распространяются среди нервных клеток, то есть там, где иммунная система не в состоянии добраться до них.
Так как вирусы используют для размножения клетки организма хозяина, то их сложно уничтожить без применения препаратов, токсичных для самих клеток-хозяев. Наиболее эффективными мерами против вирусных инфекций являются вакцинации, создающие иммунитет к инфекции, и противовирусные препараты, тормозящие воспроизводство вирусов.
Вакцины для предотвращения вирусных инфекций применялись еще задолго до открытия самих вирусов. С помощью вакцин можно предотвратить более 30 вирусных инфекций у человека, а еще больше вакцин используется для предотвращения вирусных заболеваний животных. Вакцины могут включать ослабленные и убитые вирусы, а также вирусные белки (антигены). Живые вакцины содержат ослабленные формы вирусов, которые не вызывают болезни, но, тем не менее, вызывают иммунный ответ. Такие вирусы называются аттенуированными. Живые вакцины могут быть опасны для людей со слабым иммунитетом (то есть имеющих иммунодефицит), так как даже ослабленный вирус у них может вызвать заболевание.
Для производства субъединичных вакцин используются только белки оболочек вирусов. Такова, например, вакцина против вируса гепатита B. Субъединичные вакцины безвредны для людей с иммунодефицитом, так как они не могут вызвать заболевание.
Противовирусные препараты часто представляют собой аналоги нуклеозидов. Они встраиваются в геном вируса в ходе репликации (то есть его воспроизведения вклетке), и на этом жизненный цикл вируса останавливается, поскольку новосинтезированная ДНК неактивна. Так действуют ацикловир, применяющийся против инфекций, вызванных простым вирусом герпеса, и ламивудин (против ВИЧ и вируса гепатита B). Другие противовирусные препараты воздействуют на другие стадии жизненного цикла вирусов.
Бактерии
Хоть они и являются одними из древнейших созданий, но известно о них стало совсем недавно, а первым бактерии увидел голландец Антони ван Левенгук в 1676 году с помощью микроскопа с одной линзой, который он изобрел. Он описал свои наблюдения в серии писем Лондонскому королевскому обществу. Размеры бактерий были почти на пределе разрешающей способности простых линз Левенгука, и еще сто лет после него никто не занимался их изучением. Левенгук также описал простейших, которых назвал «анималкули».
Сам термин «бактерии» предложил Христиан Готфрид Эренберг в 1828 году.
В 1859 году Луи Пастер показал, что в основе брожения лежит рост микроорганизмов. Он и его современник Роберт Кох стали первыми пропагандистами микробной теории болезней.
Роберт Кох работал с возбудителями холеры, сибирской язвы и туберкулеза. Он выяснил возбудителя туберкулеза, за что в 1905 году ему была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Так называемые постулаты Коха, которые он ввел как критерии для установления связи между микробом и болезнью, используются и по сей день.
Основателем бактериологии считается Фердинанд Кон, занимавшийся изучением бактерий с 1870 года. Он стал автором классификации бактерий.
Хотя в XIX веке стало известно, что многие болезни вызываются бактериями, эффективных антибактериальных препаратов не существовало. В 1910 году Пауль Эрлих получил первый антибиотик, превратив красители для специфического окрашивания бледной трепонемы (возбудителя сифилиса) в соединения, которые убивали бактерию. В 1908 году он был удостоен Нобелевской премии за свои работы в области иммунологии.
Когда бактерии только открыли, их отнесли к растениям и назвали «шизомицеты» (от греческих слов «делить» и «гриб»). В 1866 году Эрнст Геккель выделил бактерий в тип дробянки (Monera), который рассматривал в составе царства протисты (простейшие). Термин «прокариоты» для обозначения организмов, не имеющих клеточного ядра, был предложен Эдуардом Шаттоном в 1925 году наряду с термином «эукариоты». В 1938 году Херберт Коупленд выделил дробянок из царства протистов, которое переименовал в протоктисты.
В 1969 году Роберт Уиттекер предложил деление живого мира на пять царств: дробянки, протисты, растения, грибы и животные. А в 1977 году Карл Везе разделил прокариот (которых по-прежнему нередко называли дробянками) на бактерий и архей.
Бактерии, паразитирующие на других организмах, называют патогенами. Они вызывают такие инфекции, как столбняк, брюшной тиф, дифтерия, сифилис, холера, проказа и туберкулез.
Организм человека содержит более 1000 различных бактерий, и лишь 1 % из этого числа приходится на патогенную микрофлору.
Чтобы бактерии вызывали заболевание, они должны обладать определенными свойствами:
– патогенностью, то есть способностью внедряться в живой организм, размножаться и провоцировать развитие болезни;
– вирулентностью – способностью заражать;
– токсичностью – способностью вырабатывать биологический яд;
– контагиозностью – способностью передаваться от больного к здоровому организму.
Также важна степень устойчивости бактерий к воздействию внешних факторов (высоких и низких температур, солнечного излучения и уровня влажности). Бактерицидными, то есть убивающими бактерий свойствами обладают различные химические дезинфицирующие средства (хлорамин, формалин и т. п.).
По типу выделяемых токсинов бактерии могут быть:
– выделяющие экзотоксины, то есть ядовитые продукты жизнедеятельности бактерий;
– источники эндотоксинов, когда ядовитые вещества образуются при разрушении этих бактерий.
Наиболее известные бактерии, выделяющие экзотоксины: возбудители столбняка, ботулизма и дифтерии, а продуцирующие эндотоксины: возбудители брюшного тифа, дизентерии и холеры.
Риккетсии
Они относятся к бактериям, но живут внутри клетки-хозяина, как вирусы. Назвали эту группу по имени Ховарда Тейлора Риккетса (1871–1910). В 1909 году он первым описал возбудителя пятнистой лихорадки Скалистых гор. В 1910 году Риккетс погиб от сыпного тифа, который изучал в Мексике. В честь заслуг ученого возбудители этих инфекций были названы «риккетсиями».
В обычных условиях клетки риккетсий имеют форму коротких палочек размером в среднем 0,2–0,6 – 0,4–2,0 мкм, что сравнимо с размерами наиболее крупных вирусов (около 0,3 мкм). Их форма и размеры могут несколько меняться в зависимости от фазы роста.
У риккетсий есть две стадии: вегетативная и покоящаяся. В вегетативной стадии это палочковидные подвижные клетки. В покоящейся фазе это сферические неподвижные клетки, находящиеся в клетках членистоногих и теплокровных животных.
Как и вирусы, риккетсии растут и размножаются в клетках подходящего хозяина. У человека риккетсии вызывают острые лихорадочные заболевания – риккетсиозы. Наибольшее серьезные: возбудители эпидемического сыпного тифа, клещевого риккетсиоза, пятнистой лихорадки Скалистых гор.
Эти риккетсии, за редким исключением, передаются при укусе зараженных вшей, клещей и блох. Иногда заражение происходит через промежуточных хозяев, таких как крысы, мыши или собаки. Причем они выраженно не болеют, потому считается, что инфекция протекает у них в латентной (скрытой) форме. В случае сыпного тифа человек сам иногда служит резервуаром инфекции; она может оставаться латентной, но в соответствующих «благоприятных» условиях проявляется и, распространяясь, приобретает характер эпидемии.
Единственное известное заболевание млекопитающих, связанное с риккетсиями, – клещевая лихорадка овец, коз и крупного рогатого скота – встречается только в Африке.
Спирохеты
В этом классе объединяются три основных рода грамотрицательных микроорганизмов, имеющих спиралевидную форму тела. Все спирохеты – безъядерные одноклеточные организмы, которые размножаются поперечным делением и вырабатывают эндотоксины.
Три рода – это боррелии, лептоспиры и трепонемы. Каждый род включает в себя несколько видов.
Некоторые из них являются возбудителями болезней человека и животных. Они вызывают лептоспироз, лихорадку укуса крыс, болезнь Лайма (боррелиоз), сифилис, возвратный тиф и другие.
Спирохеты обитают в почве, воде, могут инфицировать человека и животных. Переносчиками некоторых видов являются насекомые.
Возвратный тиф отличается от других видов тифа тем, что возбудитель попадает в лимфатическую систему человека и размножается, после чего проникает в кровь. В крови боррелии частично погибают и высвобождают яд (эндотоксин). Этот токсин в крови провоцирует менингит, геморрагический инфаркт в печени и селезенке. Через 7–10 дней после инфицирования организм человека вырабатывает антитела к боррелиям, и те в большинстве своем гибнут. Наступает период улучшения состояния. Но оставшиеся боррелии дают новое потомство, и происходит повторное заражение крови. Такое противостояние организма и инфекции может длиться несколько недель (до 10 возвратных заражений).
Грибы
Патогенные грибки являются возбудителями микозов разных типов, от поверхностных до более глубоких. Они обитают на коже как человека, так и животных. При этом они не могут самостоятельно производить необходимые им питательные вещества, поэтому питаются клетками кожи организма-хозяина (такие грибки называют дерматофитами).
Все грибки разделяют на три крупные группы:
– актиномицеты. Самый обширный отряд, включающий в себя дрожжевые и плесневые грибки и определенные виды дерматофитов. Практически все они являются составной частью микрофлоры желудочно-кишечного тракта животных, много их и в почве;
– зигомицеты. В этот отряд входит более 600 разновидностей патогенных грибов. Они паразитируют не только на теле человека, их нередко можно встретить у животных, насекомых и на растениях;
– дейтеромицеты, также называемые незавершенными грибами. Они не имеют возможности размножаться половым путем. И сюда же относят несортированные грибы, способ размножения которых не был установлен в ходе исследований.
Патогенные грибки вызывают различные заболевания:
– кератомикозы, к которым относятся все виды лишая. Они поражают верхние слои кожи и волосы;
– эпидермомикозы затрагивают более глубокие слои эпидермиса, ногти и волосы. Это наиболее распространенные виды микозов. К ним относятся микроспория, трихофития, эпидермофития, рубромикоз;
– подкожные поражения (субкутанные микозы). Они затрагивают не только эпидермис, но также подкожную клетчатку и даже кости;
– оппортунистические заболевания. К ним относятся те болезни, которые провоцируются условно-патогенной микрофлорой организма при понижении имунитета. Самые распространенные из них: кандидоз, аспергилез, мукороз;
– глубокие микозы затрагивают практические любые органы и ткани. Это могут быть пневмомикозы, поражающие органы дыхания, гистоплазмоз, бластоплазмозы, кокцидиоидный микоз.
Однако в истории наиболее известен грибок, заражающий рожь, – спорынья, который вызывал характерное заболевание в Средние века и вплоть до наших дней.
Простейшие
Они имеют размер около 5–45 микрометров и видны в микроскоп. Некоторые одиночные и колониальные виды (крупные инфузории, радиолярии и др.) могут также достигать нескольких миллиметров, и их можно видеть даже невооруженным глазом. Наиболее мелкие простейшие (токсоплазмы и пироплазмиды) имеют размеры 1–2 мкм.
