Система органического мира. Вирусы

Обновлено: 24.09.2022

Вспомните! Что такое органический мир?

Ил. 138. Представители крупнейших вирусов: 1 - мегавирус; 2 - мимивирус

Новый вирус, открытый в 2011 г. недалеко от побережья Чили, был назван Megavirus chilensis. Его геном содержит 1 259 197 пар нуклеотидов, размеры - около 680 нм. По этим показателям вирус - рекордсмен среди неклеточных форм жизни. В 2003 г. описан мимивирус, паразитирующий в клетках амёб. Его геном содержит 1,2 млн пар нуклеотидов, а размеры составляют около 600 нм (ил. 138). Каково место этих форм жизни в системе органического мира?

СОДЕРЖАНИЕ

В чём суть принципов построения системы органического мира?

СИСТЕМА ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА - это деление на группы всех живых существ с учётом их родства и использованием систематических категорий. Создание системы органического мира - главная задача биосистематики. Очевидно, завершённой такая система никогда не будет, но к этому нужно стремиться. Основные принципы построения системы органического мира таковы.

1. Принцип филогенетичности. В системе органического мира живые существа классифицируются не только по комплексу морфологических, физиологических, биохимических и молекулярно-генетических признаков, но и с учётом филогенетического родства организмов.

2. Принцип иерархичности. Систематические категории низшего порядка объединяются в категории более высокого порядка.

3. Принцип номенклатурной упорядоченности. Все названия таксонов должны соответствовать правилам, прописанным в специальных международных кодексах биологической номенклатуры. Общепризнанной системы органического мира в современной биологической классификации нет. Чаще всего используются Система двух империй (прокариотов и эукариотов) и Система трёх доменов (Бактерии, Археи и Эукариоты). Согласно одной из классификаций все живые организмы (Biota) подразделяют на четыре группы: Неклеточные, Бактерии, Археи и Эукариоты.

Итак, система органического мира создаётся на основе принципов филогенетичности, иерархичности и номенклатурной упорядоченности.

Каковы особенности и значение вирусов?

Неклеточные - совокупность форм жизни, не имеющих клеточного строения. Кроме вирусов к группе Неклеточные относят и субвирусные частицы - вироиды и прионы.

Особенности вирусов

1. Неклеточное строение

2. Простой химический состав

3. Разнообразие генома

4. Простое строение

5. Отсутствие синтеза белков

6. Относительная специфичность

7. Особый жизненный цикл

8. Способность к самосборке

Ил. 139. Схематическое строение вируса табачной мозаики: 1 - сердцевина; 2 - капсомеры; 3 - капсид

ВИРУСЫ (от. лат. virus - яд) - это неклеточные формы жизни являющиеся внутриклеточными абсолютными паразитами. Вирусы поражают все клеточные организмы. Обнаружены также вирусы, способные воспроизводиться только в присутствии других вирусов (вирусы-сателлиты). Вирусы были открыты в 1892 г. Д. И. Ивановским. Вирусы, которых на сегодня описано более 5 000 видов, изучает вирусология.

Каковы особенности вирусов? По особенностям строения вирусы делят на простые и сложные. Простые вирусы состоят из белков и нуклеиновой кислоты одного типа, а сложные вирусы содержат ещё липиды, углеводы. Простые вирусы имеют капсид из белковых частиц - капсомеров и нуклеиновую кислоту - сердцевину (ил. 139). Сложные вирусы могут иметь дополнительные оболочки, молекулы углеводов, ферменты и т. п. Вирусная нуклеиновая кислота представлена одно- или двухцепочечными молекулами ДНК или РНК.

Вирусные белки бывают нескольких типов: белки-ферменты для самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот, белки-гемагглютинины для распознавания клеток, белки-нейроминидазы для разрушения рецепторов клеток, структурные белки для построения капсида. У вирусов нет собственных белоксинтезирующих систем, то есть собственных иРНК, тРНК, рибосом. Для вирусов характерна такая специфичность, как возможность взаимодействия вирусов только с определёнными рецепторами клеточных мембран. В жизненном цикле вирусов имеются 2 фазы - внеклеточная (вирион) и внутриклеточная (проявляет отдельные признаки живого: изменчивость, размножение).

Каково значение вирусов? Вирусы вызывают различные, часто массовые (эпидемические) заболевания (ил. 140). У человека вирусы поражают органы дыхания (вирусы гриппа), пищеварительную (гастроэнтериты, гепатиты) или нервную (полиомиелит, энцефалиты, бешенство) системы, кожу и слизистые оболочки (корь, герпес, папилломы, ветряная оспа), подавляют иммунные реакции организма (СПИД), приводят к раковым заболеваниям (онковирусы). У животных вирусы вызывают ящур, чумку собак, чумку кур, у растений - желтушность, мозаичность, пятнистость, некрозы, опухоли и др.


Ил. 140. Разнообразие вирусов: 1 - аденовирус; 2 - вирус гриппа; 3 - бактериофаг Т-4

Мерами борьбы с вирусными болезнями являются: а) изоляция больных организмов от здоровых (карантин); б) лечение с помощью антивирусных препаратов (химиотерапия); в) профилактические прививки для повышения устойчивости организма (иммунизация).

Человек использует вирусы в биологическом методе борьбы с вредными видами (личинками кровососущих комаров, гусеницами шелкопрядов и т.п.). Вирусы используют и в генетической инженерии для переноса генов в клетки бактерий. Учёные считают, что вирусы играют большую роль в эволюции организмов, поскольку могут передавать наследственную информацию от одних особей этих организмов к другим, как в пределах одного вида, так и между разными.

Итак, вирусы являются давней, важной и недостаточно изученной формой жизни.

Что общего и отличного между субвирусными частицами?

Прионы (от англ. proteinaceous infectious particles - белковые заразные частицы) - класс инфекционных агентов, которые являются низкомолекулярными белковыми частицами (ил. 141). Это возбудители тяжёлых заболеваний ЦНС, мышечной, кровеносной и других систем у людей и ряда высших животных (так называемые медленные инфекции), и всегда заканчиваются летально. Открыты прионы в 1982 г. американским биологом С. Прузинером (род. 1992). Наиболее известные прионные инфекции, связанные с поражением головного мозга: губчатая энцефалопатия, фатальная семейная бессонница.

Ил. 141. Два варианта пространственной структуры прионного белка: 1 - нормальная структура (преобладают альфа-спирали); 2 - патологическая структура (преобладают бета-листы)

Вироиды - неклеточные формы жизни, представляющие собой низкомолекулярную одноцепочечную кольцевую РНК, не кодирующую белки. Вироиды открыто в 1971 г. Т. Динером (род. 1926). Эти частицы, в отличие от РНК-вирусов, белковой оболочки не имеют. Вироиды попадают в клетку растения-хозяина при вегетативном размножении, с помощью насекомых или механическим путём в случае повреждения тканей. Большинство учёных считает, что они происходят от интронов или мобильных генетических элементов. Вироидными болезнями являются веретенообразность клубней картофеля, болезнь жёлтых пятен риса и др.

Итак, прионы и вироиды - это заразные субвирусные частицы, различной химической природы.

ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

Работа с иллюстрацией


Рассмотрите схему жизненного цикла вируса гриппа и определите суть таких стадий, как: прикрепление к клетке, проникновение в клетку, транскрипция, трансляция, репликация, сборка вирусных частиц, выход из клетки. Объясните, почему создание антивирусных лекарств является очень трудной задачей.

Задание на применение знаний

Для бактериофагов типичным признаком является использование генов бактерий, в которых они паразитируют и размножаются. Учёные открыли бактериофаг WO, который в своём геноме имеет часть ДНК паука чёрная вдова и гены, подавляющие иммунную систему паука. Это довольно странный факт, так как гены животных ещё не обнаружены в геноме бактериофагов. Предложите собственные объяснения этого факта и суждения о единстве органического мира.

ОТНОШЕНИЕ

Биология + Здоровье

Грипп (инфлюэнца) - вирусное заболевание, сопровождающееся поражением слизистых оболочек верхних дыхательных путей. Чаще всего грипп распространяется в виде эпидемий и пандемий. Вследствие наихудшей из них - эпидемии испанского гриппа - в 1918 г. погибли от 50 до 100 млн человек. Сегодня ситуация такова, что обычный вирус сезонного гриппа вызывает около 500 тысяч смертей ежегодно. Каковы этиология и основные средства борьбы с гриппом?

РЕЗУЛЬТАТ

Оценка

Задания для самоконтроля

1. Что такое система органического мира? 2. Назовите принципы построения современных систем органического мира. 3. Что такое неклеточные формы жизни? 4. Приведите примеры неклеточных форм жизни. 5. Что такое прионы? 6. Что такое вироиды?

7. В чём суть принципов построения системы органического мира? 8. Назовите особенности и значение вирусов? 9. Что общего и отличного между открытыми субвирусными частицами?

10. Докажите, что вирусы являются необходимой и важной частью биоразнообразия Земли.

Положение вирусов в системе живой природы

Спорным на протяжении истории биологии является положение в мегасистеме вирусов. Одни авторы считают вирусы особой «неклеточной» формой жизни, другие – что их нельзя относить к живым организмам в полном понимании этого слова, поскольку вирусы не способны самостоятельно расти и размножаться. Авторы теории «автопоэза» У. Матурана и Ф. Варела, анализируя вирусы с позиций системного подхода, считают, что определяющим критерием жизни является наличие физической оболочки, ограничивающей метаболические процессы. Вирусы, не обладая собственным метаболизмом, за пределами живой клетки представляют собой просто молекулярные структуры (Maturana U., Varela F., 1980).

Не вдаваясь в детали долгого спора: «существо или вещество», – отметим, что, несмотря на простое строение, вирусы произошли после возникновения клетки.

Предполагается, что вирусы образовались около 3 млрд лет назад из фрагментов генетического материала клеточных организмов. Эти фрагменты приобрели способность синтезировать белковую оболочку и реплицироваться при использовании систем синтеза клетки-хозяина. Вероятно, вирусы возникали неоднократно в ходе эволюции, причем от разных групп организмов и в разное время. Возможно, крупные вирусы представляют собой сильно дегенерировавшие клетки, которые в ходе приспособления к паразитизму утратили все, кроме своего наследственного аппарата.

В общем виде строение вируса можно представить в виде нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), окруженной белковой оболочкой. Размер вируса колеблется в диапазоне 15–300 нм. В настоящее время вирусам придается большая роль в эволюционном процессе, благодаря их способности воздействовать на геном других организмов. Более подробно механизм функционирования вирусов рассматривается в курсе генетики (Курчанов Н. А., 2006).

Классификация вирусов в значительной мере умозрительна. Существует Международный комитет по таксономии вирусов, в задачу которого входит создание универсальной системы. Но в настоящее время нет оснований признавать за вирусами общее происхождение. Поскольку классификация живых организмов должна отражать их филогению, мы не можем считать вирусы единой группой.

Необычность биологии и происхождения ставит вирусы особняком в системе органического мира. Подавляющее большинство авторов в своих филогенетических системах их вообще не рассматривают.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

IV. Положение вопроса о зарождении жизни после Пастера

IV. Положение вопроса о зарождении жизни после Пастера Своими безупречными опытами Пастер, как мы видели, окончательно установил, что произвольного зарождения не происходит. Но такое решение не было утешительным для тех, кто мучился над вопросом о начале жизни: как же

Происхождение растений и животных Три мира живой природы

Происхождение растений и животных Три мира живой природы Первые самые простые существа, или живые белки, которые образовались на земле, ещё нельзя было отнести ни к растениям, ни к животным. Эти живые белки возникали из более простых неживых белков, и за их же счёт

Угроза вирусов

Угроза вирусов Одна из книг о вирусах очень метко названа «Вирусы — враги жизни». И не только у вирусов гриппа, но и у других вирусов, поражающих человека, «на совести» десятки тысяч, а может быть, и миллионы жизней.Небезопасной болезнью следует считать краснуху. Это

Географическое положение Савельевского рудника

Географическое положение Савельевского рудника В 1931 г. была организована добыча горючего сланца в Саратовской области на Савельевском месторождении горючих сланцев, расположенном на правом берегу р. Сакмы (левого притока р. Б. Иргиза) в 35 км к юго-западу от г. Пугачева,

1. Дарвинизм — общее учение о развитии живой природы и действенное орудие ее переделки

1. Дарвинизм — общее учение о развитии живой природы и действенное орудие ее переделки Великий английский естествоиспытатель Чарлз Дарвин (1809–1882) был одним из тех мужественных людей науки, которые «умели ломать старое и создавать новое, несмотря ни на какие препятствия,

3. Культивирование вирусов

3. Культивирование вирусов Основные методы культивирования вирусов:1) биологический – заражение лабораторных животных. При заражении вирусом животное заболевает. Если болезнь не развивается, то патологические изменения можно обнаружить при вскрытии. У животных

2.6. Место человека в системе живой природы

2.6. Место человека в системе живой природы Человек, естественно, имеет свою «прописку» в филогенетическом древе живой природы, где он относится к отряду приматов (Primates) класса млекопитающих (Mammalia). Чтобы понять систематическое положение человека, необходимо представлять

2.6. Основное положение теории активной памяти

2.6. Основное положение теории активной памяти Основные положения концепции активной памяти заключаются в следующем.Память выступает как единое свойство, т.е. не существует разделения на кратковременную и долговременную. Временной градиент ухудшения памяти показывает

6.2. Система живой природы

6.2. Система живой природы Систематика – это важнейший раздел биологии, без которого все остальные разделы оставались бы лишь описательными дисциплинами. Знания о строении, функциях и развитии живых организмов имеют прогностическую ценность только тогда, когда они

Глава 7. Место человека в системе живой природы

Глава 7. Место человека в системе живой природы Положение человека в системе живой природы отражает его долгий путь эволюции. Это положение мы начнем рассматривать с характеристики класса млекопитающих, к которому принадлежит

Четыре царства живой природы

Четыре царства живой природы Картина преобразования растениями земного шара требует некоторых уточнений.Дело в том, что настоящие растения включились в процесс фотосинтеза довольно поздно: лишь два миллиарда лет назад (это меньше половины всей истории Земли). До них

18. Положение человека в системе животного мира

18. Положение человека в системе животного мира Вспомните!Назовите общие признаки представителей типа Хордовые; класса Млекопитающие.Данные сравнительной эмбриологии и анатомии человека и других животных позволяют чётко определить, что по критериям зоологической

6.2. Положение и законы термодинамики

6.2. Положение и законы термодинамики Общеизвестно, что термодинамику определяют как науку о законах превращения энергии из одного вида в другой. Существование живых организмов, все разнообразие проявлений жизни также сопровождаются превращением энергии, хотя данная

Вирусы

В конце $ХІХ$ века российский ученый Д. И. Ивановский занимался исследованиями болезней растений. Он с помощью специальных микробиологических фильтров пытался выделить возбудителя заболевания табака – листовой мозаики. Но фильтры с даже самым маленьким диаметром пор не могли его задержать. Отфильтрованный материал зараженого растения приводил к заболеванию здоровых. На основе этих опытов Ивановский предположил существование неизвестного науке организма, который значительно меньший по размеру, чем бактерии.

Все эти, незаметные в обычный микроскоп, организмы получили название вирусов (от латинского слова «virus» - «яд»). Но регулярное и тщательное изучение вирусов началось лишь в $30$-е годы $ХХ$ века, когда был изобретен электронный микроскоп.

Положение вирусов в системе органического мира

Вирусы нельзя отнести ни к растениям, ни к грибам, ни к животным, ни к бактериям. Они чрезвычайно мелкие. Они способны жить только в клетках живых организмов. Вне клеток животных и растений вирусы жить не могут. От других групп организмов вирусы отличаются отсутствием клеточного строения.

Вирусы – это, собствено, внутриклеточные паразиты. Вне клетки или вне организма они не проявляют признаков живого, характерных для других организмов. Только после проникновения в клетки и взаимодействия с их аппаратом синтеза белка, вирусные частички могут проявлять отдельные признаки живого – способность к размножению.

Поэтому вирусы считаются особыми, неклеточными формами жизни и объединяются в отдельное царство Вира (Vira).

Особенности строения и функционирования вирусов

Готовые работы на аналогичную тему

Каждый вирус состоит из оболочки, которая окружает молекулу нуклеиновой кислоты. Эти нуклеиновые кислоты имеют различный вид: одиночной или двойной спирали, которые бывают линейными, кольцевыми или вторично скрученными. Молекула нуклеиновой кислоты является наследственным аппаратом вируса.

Размеры вирусных частичек у разных вирусов варьируют от $15$ до $2000$ нанометров. В зависимости от структуры и химического состава вирусы разделяют на простые и сложные.

У простых вирусов оболочка состоит из однотипных белковых образований (субъединиц). Простые вирусы имеют разную форму – палочкообразную, нитевидную, шарообразную.

Сложные вирусы покрыты дополнительной мембраной. Эта мембрана состоит из белков и липидов. Она может также содержать соединения, которые служат для распознавания специфических рецепторов на мембране клетки-хозяина и прикрепления к ней вирусной частицы. Вирусы способны длительное время существовать вне организма хозяина и выдерживать неблагоприятные условия среды: солнечный свет, очень низкие и высокие температуры (некоторые – даже кратковременное кипячение).

Стадии жизненного цикла вируса

Жизненные циклы у вирусов очень отличаются между собой. Но большинство вирусов проходит три стадии развития (три стадии вирусной инфекции).

  1. Первой стадией является адсорбция вируса на клеточной мембране и проникновение вируса в клетку.
  2. На второй стадии происходит угнетение синтеза клеточного белка и налаживание синтеза вирусных нуклеиновых кислот и вирусных белков с использованием ресурсов клетки-хозяина. Этот процесс носит название экспрессии и репликации вирусного генома. Собственно происходит размножение вируса в клетке и истощение клеточных ресурсов.
  3. На третьей стадии происходит собирание вирусов и выход их из клетки. Это сопровождается разрушением клеточной мембраны и гибелью клетки. Поэтому вирусные заболевания чрезвычайно опасны.

Значение вирусов

Вирусы, являясь внутриклеточными паразитами, вызывают заболевания живых организмов и, зачастую, их гибель. Но они могут приносить для человека и пользу. Человек может использовать вирусы для борьбы с болезнетворными бактериями, для биологической защиты растений. Последнее время проводятся исследование по применению вирусов в генной инженерии.

Роль и место вирусов в биосфере


Представлены современные сведения о происхождении и таксономии вирусов. Рассмотрены генетическое разнообразие и распространение вирусов в биосфере и их роль в эволюции всего живого на Земле.

Вирусы – наиболее многочисленные и генетически разнообразные организмы на Земле. Они распространены повсеместно (убиквитарны ) и поражают все живые существа. Вирусы являются неклеточными формами жизни, способными размножаться в клетках прокариот (безъядерные организмы) и эукариот (ядерные организмы), используя их биосинтетический аппарат. Вирион (вирусная частица) – это покоящаяся стадия жизненного цикла вируса. Основная активная стадия жизни вируса проходит в зараженной клетке. Вне клетки вирусы не проявляют признаки живого – мертвые как камень [7, 11].

Первый вирус – вирус табачной мозаики был открыт Д.И. Ивановским 128 лет назад (1892 г.). В 1897 г. немецкие исследователи Ф. Леффер и П. Фрош открыли первый вирус животных – вирус ящура. В последующие 50 лет обнаружили более 40 видов вирусов, поражающих человека, животных, насекомых, растения и бактерии. Во второй половине ХХ века было открыто свыше 2000 видов вирусов [9, 11].

Таксономия вирусов

Все вирусы по своим фундаментальным признакам группируются независимо от круга естественных хозяев. Главными из них являются тип и структура нуклеиновой кислоты, стратегия вирусного генома (способ репликации), симметрия нуклеокапсида (спиральная , кубическая, смешанная), наличие или отсутствие липопротеиновой оболочки. В таксономии вирусов используют пять таксонов: порядок, семейство, подсемейство, род и вид [11, 12].

В настоящее время известно более 8000 видов вирусов позвоночных, беспозвоночных, простейших, растений, грибов, водорослей, бактерий и архей, из которых 4853 классифицированы и распределены в 9 порядках, 131 семействе, 46 подсемействах, 803 родах и свыше 3000 не классифицированы [15]. Возможно, на нашей планете существуют миллионы видов вирусов.

Для открытия новых вирусов широко используется метагеномный подход, который основан на секвенировании всей ДНК и РНК, содержащейся в пробе, и обработке данных биоинформационными методами. Нет необходимости в изоляции и культивировании возбудителя. Анализ метагеномных данных проводится путем поиска гомологичных последовательностей среди геномов известных вирусов, депонированных в базе геномных данных. Число известных вирусов, вероятно, составляет менее 1% от вирома (всех вирусов) [1, 13].

Подавляющее большинство вирусов находится в Мировом океане и размножается в планктоне – совокупности организмов, населяющих морскую воду. В одном литре морской воды содержится до 10 миллиардов вирусных частиц, а общее их количество в Мировом океане составляет астрономическое число – 10 30 , масса которых оценивается в 8 х 10 12 кг (в 10 раз больше массы всего человечества). Число вирусных частиц на Земле – 10 33 , а число бактерий – 10 31 [4, 9].

Вирусы размножаются внутри клеток дизъюнктивным способом, т.е. разобщенным во времени и пространстве синтезом их структурных компонентов (нуклеиновых кислот и белков), из которых формируются вирионы потомства. Синтез вирусных белков осуществляется на клеточных рибосомах из аминокислот клетки, а нуклеиновых кислот – из клеточных нуклеотидов. Источником энергии для биосинтетических процессов является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ ), вырабатываемая в митохондриях клеток [3, 12].

Происхождение вирусов

Вирусы не оставили после себя никаких остатков, которые можно было бы соотнести с геологической хронологией, и их происхождение до сих пор остается предметом умозрительных рассуждений. В настоящее время дискутируются три основные гипотезы происхождения вирусов: вирусы являются потомками бактерий или других одноклеточных организмов; вирусы возникли из первичных генетических элементов, или доклеточного пула генов; вирусы являются дериватами клеточных генетических структур ( «сбежавшие гены»), которые приобрели капсидные белки и возможность реплицироваться автономно [11, 12, 14].

Первая гипотеза мало убедительна из-за отсутствия кандидата на роль протовируса и большое разнообразие геномов у вирусов. Вторая самая популярная и наиболее аргументированная. Вирусы, вероятно, возникли раньше клеток. Третья гипотеза достаточно убедительна в отношении ДНК-содержащих вирусов.

Разнообразие генетического материала у вирусов свидетельствует об их полифилетическом (от нескольких предков) происхождении. Полагают, что оно было не единовременным событием, а многократным. Вероятно, РНК-содержащие вирусы произошли из самореплицирующихся молекул РНК (мира РНК) в доклеточный период. Более 4 млрд лет назад молекулы РНК выступали в качестве носителей информации и катализаторов химических реакций. Возможно, вирусы эукариот произошли из генов эукариот, в то время как бактериофаги – из генов бактерий. РНК-содержащие плюс-геномные вирусы могли произойти из клеточных информационных РНК, которые приобрели РНК-полимеразную активность, а ДНК-содержащие вирусы – из транспозонов (мобильных генетических элементов) эукариот, или бактериальных плазмид.

У недавно открытого вируса амеб (мимивируса ) имеются клеточные гены для компонентов трансляционного комплекса и факторов инициации транскрипции. Диаметр вирионов составляет 750 нм, что превышает размеры некоторых бактерий. Геном мимивируса состоит из линейной двунитевой молекулы ДНК длиной 1,2 млн пар нуклеотидов и кодирует около 1000 белков. У двух гигантских вирусов (пандоравирусов ), открытых в 2013 г., длина генома составляет 1,9 и 2,5 млн пар нуклеотидов. Больший геном кодирует 2500 белков. Эти вирусы видимы под световым микроскопом [9, 17]. Открытие гигантских вирусов размыло границы между вирусами и бактериальными клетками в отношении их размера и длины геномной ДНК.

Биосфера

Биосфера – оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она начала формироваться 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые живые организмы. Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы (20 -25 км), верхнюю часть литосферы (2 -5 км) и всю гидросферу. Современная биосфера возникла в результате длительной эволюции. В биосфере обитает 8,7 млн видов живых организмов (эукариот ). Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4 х 10 18 г (в пересчете на сухое вещество). Биомасса подземных микробов сравнима со всей биомассой суши, включая деревья. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик В.И. Вернадский. Он впервые отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля [2].

На основании нуклеотидной последовательности рибосомных РНК многих тысяч видов все живые организмы в биосфере подразделяют на три домена (надцарства ): археи, бактерии и эукариоты [19]. Археи и бактерии относятся к прокариотам – организмам без ядра, митохондрий и других внутриклеточных структур. Их геном находится в цитоплазме и представлен кольцевой молекулой ДНК. У прокариот нет полового размножения, в их жизненном цикле отсутствует фаза образования половых клеток и их слияния с образованием зиготы – диплоидной клетки с двумя копиями генома. Археи сильно отличаются от бактерий на молекулярном уровне (нуклеотидной последовательности геномов, строению клеточной мембраны и рибосом), не образуют спор, часто встречаются в гидротермальных источниках и среди них нет возбудителей инфекционных заболеваний [8, 10].

Эукариоты – организмы, в клетках которых есть ядро, митохондрии и множество других сложных внутренних структур. К эукариотам относятся разнообразные одноклеточные организмы (амебы , инфузории, радиолярии и др.) и многоклеточные – грибы, растения и животные. Все они имеют общее происхождение. В жизненном цикле эукариот есть половое размножение. Половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды) образуются путем мейоза – особого способа деления клеток, в результате которого из одной исходной диплоидной клетки (с двумя наборами хромосом) образуются четыре дочерние гаплоидные клетки (с одним набором хромосом). Слияние двух половых клеток (яйцеклетки и сперматозоида) называют оплодотворением и образующаяся зигота размножается путем митоза, при котором в родительской и дочерней клетках сохраняется диплоидный набор хромосом [7, 8].

Большая часть видов (90 %), обитавших на Земле, вымерла. Вероятно, вымирание – судьба любого вида. Современные темпы вымирания весьма высокие и к середине XXI века может исчезнуть до 30% видов. Деятельность человека является главной причиной нынешнего вымирания видов.

Структура геномов живых организмов

Геном любого организма (от бактерий до млекопитающих) представляет собой двунитевую ДНК, состоящую из четырех нуклеотидов: аденина, гуанина, тимина и цитозина. В свою очередь нуклеотиды состоят из азотистого основания, сахара дезоксирибозы и фосфата. Основания в двунитевой ДНК образуют комплементарные пары: аденин всегда находится в паре с тимином, а гуанин всегда связан с цитозином. У вирусов геном может быть представлен или ДНК (ДНК -содержащие вирусы) или РНК (РНК -содержащие вирусы). В клеточных РНК (информационных , рибосомных, транспортных) и вирусных РНК вместо тимина используется урацил.

Генетический код (система записи генетической информации в виде последовательности нуклеотидов) универсален для всех живых существ, то есть он един. Он состоит из 64 кодонов (триплетов нуклеотидов): 61 из них кодирует 20 аминокислот и 3 являются терминирующими. Большинство аминокислот кодируются не одним, а несколькими вариантами (от 2 до 6) кодонов (вырожденность генетического кода). Считывание генетической информации происходит в результате транскрипции – синтеза информационной РНК на матрице ДНК на основе комплементарности – и трансляции – синтеза на рибосомах белка, в котором порядок аминокислот соответствует порядку кодирующих триплетов информационной РНК [5].

Основные этапы эволюции жизни на Земле

Земля образовалась из газопылевого облака 4,6 млрд лет назад. В течение 300 млн лет она остывала. Вероятно жизнь зародилась в океане в гидротермальных источниках ( «колыбель жизни»), называемых «черные курильщики». Первыми самовоспроизводящимися молекулами являлись короткие РНК с каталитической активностью (рибозимы ), которые возникли 4 млрд лет назад. Каталитическая активность этих РНК была аналогична ферментам. Уникальными свойствами рибозимов является то, что они сочетают в себе информационные и каталитические функции. В настоящее время рибозимы (мир РНК) рассматриваются как самые важные строительные блоки в начале формирования жизни [8, 10].

Первые одноклеточные безъядерные организмы (прокариоты – археи и бактерии) возникли 3,5 млрд лет назад. Они приспособились к разным условиям обитания. Бактерии расселились по поверхности суши и океанов и совершенствовали механизмы использования энергии света, а археи осваивали подземные местообитания и питались неорганическими веществами, выходящими из глубин Земли. Археи похожи на бактерии, но отличаются от них по нуклеотидной последовательности генов, строению рибосом, клеточной стенки и мембраны. Эволюционные линии архей и бактерий разделились на заре клеточной жизни. Первые ископаемые, очень похожие на цианобактерии, были обнаружены в осадочных породах, возраст которых составлял 3,4 млрд лет. Кислородные фотосинтезирующие бактерии (цианобактерии , сине-зеленые водоросли) появились 2,5-2,7 млрд лет назад. С появлением кислорода стало возможным возникновение эукариот – ядерных организмов.

Первые ядерные одноклеточные организмы возникли 2,0-2,4 млрд лет назад. Они произошли путем слияния архейного предка и альфа-протеобактерии. Последняя дала начало митохондриям, обеспечивающим организм энергией. Эукариоты способны к фагоцитозу – поглощению твердых частиц из внешней среды внутрь клетки. Приобретение фагоцитоза – ключевое событие в эволюции эукариот. Археи и бактерии не способны к фагоцитозу и поглощают из внешней среды только растворенные вещества. Появление эукариотической клетки было таким же крупным эволюционным событием, как переход от РНК-мира к первым клеткам (прокариотам ). В дальнейшем из эукариотической клетки развились все высшие формы жизни – животные, растения, грибы и протисты (одноклеточные эукариоты). В последующем роль симбиоза в развитии жизни не снижалась. Важные функциональные блоки современной биосферы держатся на симбиозе или симбиотических комплексах: симбиотические бактерии и одноклеточные эукариоты переваривают клетчатку у растительноядных животных, азотофиксирующие бактерии в кооперации с растениями способны переводить азот из атмосферы в доступную для растений форму (аммоний ). Самые первые наземные растения жили в симбиозе с грибами [8].

Первые многоклеточные организмы появились 600-800 млн лет назад. Многоклеточная жизнь зародилась в океане, а на суше безраздельно господствовали прокариоты еще примерно 150-200 млн лет. Полагают, что одноклеточные эукариоты переходили к многоклеточности более 20 раз, однако современные животные – это результат лишь одного из этих событий, а остальные достались грибам и растениям. Самыми примитивными многоклеточными организмами, вероятно, были губки, у которых нет настоящих тканей, нервной системы и кишечника. Взаимодействия между клетками у губок осуществляются с помощью так называемых «коммуникационных белков».

Позвоночные возникли 542 млн лет назад и произошло лавинообразное возрастание разнообразия и сложности животных ( «кембрийский взрыв»). Среди них появились представители практически всех современных типов животных. В этот период концентрация кислорода превысила половину от современной. Лишь 360 млн лет назад позвоночные вышли из океана на сушу и от них произошли все сухопутные позвоночные, обладающие четырьмя конечностями. В настоящее время насчитывают 62305 видов позвоночных.

Первые млекопитающие появились 250 млн лет назад почти одновременно с первыми динозаврами, однако господство на суше они получили после вымирания древних (мезозойских ) рептилий 65 млн лет назад. Млекопитающие пережили собственный эволюционный взрыв и стали наиболее распространенными на Земле. Сейчас насчитывают 5506 видов млекопитающих [7, 8, 10].

Факторы эволюции

Важнейшими факторами эволюции являются изменения в последовательности нуклеотидов в геномах любых организмов и естественный отбор. Элементарной единицей эволюции служит популяция организмов. Изменения в последовательности нуклеотидов возникают в результате мутаций, рекомбинаций, горизонтального переноса и дупликации генов [5]. Спонтанные мутации обусловлены случайными изменениями в последовательности нуклеотидов и возникают из-за ошибок ферментов во время репликации ДНК. Возможны замены, выпадения (делеции ), вставки (инсерции ) и перестановки пар нуклеотидов в молекулах ДНК. Скорость мутирования определяют по числу мутаций на нуклеотид за репликацию.

Рекомбинация – обмен участками гомологичных хромосом в процессе мейоза – специального деления клеток с образованием половых клеток с гаплоидным набором хромосом. В основе гомологичной рекомбинации молекул ДНК лежит точное соответствие гомологов и функционирование ряда ферментов, которые разрезают, воссоединяют и восстанавливают молекулы ДНК. В результате рекомбинации происходит перераспределение генов и образование новых интегрированных генотипов, которые играют важную роль в эволюции.

Горизонтальный (латеральный ) перенос генов (ГПГ ) представляет собой передачу генетического материала от одних одновременно существующих организмов другим. Он широко распространен у прокариот (архей и бактерий) и осуществляется путем трансдукции, трансформации и конъюгации. Трансдукция связана с переносом генов бактериольного генома из одной клетки в другую с помощью вирусов (фагов ). Трансформация осуществляется путем поглощения бактерией фрагмента ДНК из окружающей среды и встраивания его в свой геном. При конъюгации бактерия-донор передает бактерии-реципиенту часть своего генома при помощи специальных белковых трубочек – конъюгационных пилей. ГПГ возможен между организмами всех трех доменов – архей, бактерий и эукариот. Очень редко в ГПГ вовлекаются гены, ответственные за репликацию, транскрипцию и трансляцию.

Дупликация генов – один из главных путей эволюции для всех форм жизни и играет важную роль в эволюции эукариот. После дупликации одна из двух копий может мутировать и выполнять другую функцию.

Все изменения в последовательности нуклеотидов от простых точечных мутаций до различных перестроек генов являются исходным материалом для эволюции [5, 8].

Роль вирусов в биосфере

Вирусы – это самый успешный биологический вид и самая крупная популяция на Земле. Нет ни одного живого существа без вирусов. Подавляющее большинство уникальной генетической информации в биосфере является вирусной. Они создали хранилище генетического разнообразия планеты. В вирусных геномах больше генетической информации, чем в геномах всех живых организмов вместе взятых [6, 7, 9].

Представление о вирусах, как только о возбудителях болезней, далеко от действительности. Абсолютное большинство вирусов не приносит видимого вреда хозяевам (вирусы -симбионты). С их помощью происходит обмен генетической информацией между различными биологическими видами. Они выступают в качестве основного переносчика генов в биосфере. На развитие каждого биологического вида в течение эволюции вирусы оказывали решающее влияние. Они являются драйверами (двигателями ) эволюции [3, 6, 16, 18].

В геноме человека, расшифрованном к 2001 г. и содержащем 3,2 млрд пар нуклеотидов, эндогенные ретровирусные последовательности составляют примерно 9% – 280 млн пар нуклеотидов. Это 450 тысяч фрагментов вирусных геномов, из которых интактными являются около 40 тысяч. Около половины генома человека состоит из мобильных генетических элементов – транспозонов и ретротранспозонов ( «прыгающие » гены), которые перемещаются с места на место в геноме человека, являются источником генетического разнообразия и играют важную роль в эволюции [3, 6, 9, 13].

Заключение. Вирусы составляют значительную и очень разнообразную часть биосферы. Общее количество вирусных частиц на планете оценивается в 10 33 – это миллионы различных видов вирусов. Они являются резервуаром генетического разнообразия и драйверами эволюции всего живого на Земле.

Вирусы и механизмы возникновения их мутаций

Вирусы и механизмы возникновения их мутаций

Вирусология занимает важное место среди биологических дисциплин. Современный медицинский или ветеринарный специалист должен знать не только клинико–патологическую сторону заболевания, но и иметь четкое представление о вирусах, их свойствах, методах лабораторной диагностики и свойствах постинфекционного и поствакцинального иммунитета.

Вирус (от лат. virus — яд) является простейшей неклеточной формой жизни в виде микроскопической биологической частицы, представляющей собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключённых в защитную белковую оболочку (капсид) и способные инфицировать живые организма.

  1. мутации, то есть изменении последовательности нуклеотидов в определенной области генома вируса, что приводит к фенотипически выраженному изменению свойства;
  2. рекомбинации, то есть обменом генетическим материалом между двумя вирусами, близкими, но различными по наследственным свойствам.

Мутации у вирусов

  • спонтанные;
  • индуцированные (вызванные).

Но точечные мутации не всегда приводят к изменению фенотипа. Существует целый ряд причин, по которым такие мутации не могут проявляться. Одна из них - вырождение генетического кода. Код синтеза белка вырождается, что означает, что некоторые аминокислоты могут быть закодированы несколькими триплетами (кодонами). Например, аминокислота лейцин может быть закодирована шестью триплетами. Поэтому, если молекула РНК заменяет триплет ЦУУ на ЦУЦ, ЦУА на ЦУГ, то синтезированная молекула белка все еще будет содержать аминокислоту лейцин.

Поэтому ни структура белка, ни его биологические свойства не нарушаются. Природа использует своего рода синонимичный язык и, заменяя один кодон другим, закладывает в них одно и то же понятие (аминокислоту), тем самым сохраняя естественную структуру и функцию синтезируемого белка.

Другое дело, если аминокислота кодируется только одним триплетом, например, синтез триптофана кодируется и заменяется только триплетом УГГ, то есть синонимом, который отсутствует. В этом случае в белок включается еще одна какаялибо аминокислота, которая может привести к появлению мутантного признака.

Аберрация в фагах вызвана делециями (потерями) различного числа нуклеотидов, от одной пары до последовательности, вызывающей одну или несколько функций вируса. Как спонтанные, так и индуцированные мутации также делятся на прямые и обратные мутации. Мутации могут иметь разные последствия. В некоторых случаях они приводят к изменению фенотипических проявлений в нормальных условиях.

Например, увеличивается или уменьшается размер бляшек под агарным покрытием; увеличивается или ослабевает вирулентность для определенного вида животных; вирус становится более чувствительным к действию химиотерапевтического агента и т. д.

В других случаях мутация является фатальной, поскольку она нарушает синтез или функцию жизненно важного вирусного белка, например, такого как вирусная полимераза. В некоторых случаях мутации являются условно летальными, так как вирусспецифический белок сохраняет свои функции при определенных условиях и теряет эту способность в неразрешающих (непермиссивных) условиях.

Типичным примером таких мутаций являются термочувствительные – ТS-мутации, при которых вирус теряет способность к размножению при повышенных температурах (+39-42°С), сохраняя эту способность при нормальных температурах роста (+36-37°С). Морфологические или структурные мутации могут влиять на размер вириона, первичную структуру вирусных белков и изменения в генах, определяющих ранние и поздние вирусные ферменты, обеспечивающие размножение вируса. Мутации также могут быть различными по своему механизму.

В одних случаях происходит делеция, то есть потеря одного или нескольких нуклеотидов, в других - встраивание одного или нескольких нуклеотидов, а в некоторых случаях один нуклеотид заменяется другим. Мутации могут быть прямыми или обратными. Прямые мутации меняют фенотип, а обратные мутации – реверсии) - восстанавливаются. Реальная реверсия возможна, когда обратная мутация происходит вместе с первичным повреждением, и псевдореверсия, когда мутация происходит в другой области дефектного гена (интрагенное торможение мутации) или в другом гене (экстрагенное подавление мутации).

Реверсия - не редкое явление, потому что ревертанты обычно лучше приспособлены к данной клеточной системе. Поэтому при создании мутантов с определенными свой ствами, например, вакцинных штаммов, следует ожидать возможного превращения их в дикий тип. Вирусы отличаются не только своими небольшими размерами, селективной способностью к размножению в живых клетках, особенностями строения наследственного вещества, но и значительной изменчивостью от других представителей живого мира.

Изменения могут влиять на размер, форму, патогенность, антигенную структуру, тканевую тропность, устойчивость к физико-химическим воздействиям и на другие свойства вирусов. Значение причин, механизмов и характера изменений имеет большое значение при получении необходимых вакцин для вирусных штаммов, а также для разработки эффективных мер борьбы с вирусными эпизодами, в ходе которых, как известно, свойства вирусов могут существенно изменяться.

Мутация вирусов может происходить в результате химических изменений цистронов или нарушения последовательности их расположения в структуре молекулы вирусной нуклеиновой кислоты. В зависимости от условий различают естественную изменчивость вирусов, наблюдаемую в нормальных условиях размножения, и искусственную изменчивость, получаемую в результате многочисленных специальных пассажей или воздействия на вирусы определенных физических или химических факторов (мутагенов). В обычных природных условиях изменчивость проявляется не во всех вирусах одинаково.

Этот признак наиболее заметен у вируса гриппа и вирус ящера. Значительная изменчивость отмечается у вируса гриппа. Об этом свидетельствует большое количество вариантов у разных типов этих вирусов, а также значительные изменения его антигенных свойств в конце почти каждой эпизоотии.

Частота мутаций и механизмы их возникновения

Мутации бактериофагов изучались очень интенсивно не только с целью генетического анализа, но и с целью получения информации о свойствах самих фагов. Частота появления мутантов в потомстве фагов варьируется очень сильно: например, одни мутанты образуются с частотой не более 10, а другие-с частотой 10 и выше. Неблагоприятное воздействие высокочастотных мутаций обычно компенсируется эффектом отбора. Например, мутантный фаг может быть заменен диким типом, что дает более высокий выход фага. Высокая частота вспышек обычно характерна для таких мутаций, которые могут происходить как во многих локусах, так в одном и том же локусе.

В тех случаях, когда нормальный признак соответствует функциональной форме гена, а мутант появляется в результате изменения в любой точке локуса, частота прямых мутаций окажется выше, чем частота обратных мутаций, так как обратные мутации должны приводить к восстановлению нормального состояния. Иногда ревертанты на самом деле являются псевдоревертантами: это происходит либо из-за изменений в другом гене (мутации-супрессоры), либо из-за изменений в том же гене, которые вызывают другую, но также активную форму продукта.

У зрелых фагов частота спонтанных мутаций очень мала, но они могут быть индуцированы под влиянием таких мутагенных факторов, как рентгеновские или ультрафиолетовые лучи, азотистая кислота, гидроксиламин или алкилирующие агенты. Азотистая кислота дезаминирует основания нуклеотидов, а этилметилсульфат их этилирует. Гидроксиламин превращает шитозин в урацил. В результате ошибок, допущенных при репликации химически модифицированной нуклеиновой кислоты, происходят мутации, и потомство фагов, полученное из бактерии, содержит как нормальные, так и мутантные частицы. Однако, как и при обработке мутагенного фага, содержащего одноцепочную ДНК, образуется чистый мутантный клон.

Изучение мутационного процесса, происходящего при размножении фагов, непосредственно связано с анализом развития фагов. Давайте рассмотрим процесс спонтанной мутации. В бактериальной клетке, в которой произошла мутация фага, 6 образуются как нормальный, так и мутировавший фаги. Количество мутантных фаговых частиц, содержащихся в популяции фагов, происходящих из этой отдельной бактериальной клетки, очевидно, определяется характером размножения фагов, поскольку новые гены могут быть сформированы только путем репликации уже существующих. Если вероятность мутации одинакова для каждой репликации, то число мутантов зависит от механизма репликации.

Например, если каждая новая копия гена формируется независимо от других, то распределение мутантных копий в потомках фагов от разных инфицированных бактерий будет случайным. Если же, наоборот, каждая из полученных копий воспроизводится, то в свою очередь мутантные копии будут разделены на группы или клоны, состоящие из мутантных "сибсов".

Индуцированные хозяином модификации бактериофагов

Помимо мутаций, бактериофаги подвержены негенетическим изменениям, в которых главная роль принадлежит клетке-хозяину. Это явление было названо модификациями, вызванными хозяином. Значение этих модификаций для молекулярной биологии состоит в том, что они показали способность внутриклеточной среды вызывать такие изменения в химической структуре генетического материала, которые могут быть использованы для идентификации клеточных линий, синтезирующих ДНК.

Подобные явления были впервые обнаружены на фаговой ДНК, но они также справедливы и для каждой бактериальной клеточной ДНК. Есть также наблюдения, при которых это явление относится и к эукариотическим клеткам. В особых случаях могут возникнуть более сложные ситуации. Двустороннее ограничение фага двумя хозяевами иногда наблюдается, но оно не обязательно. Фаги, отторгнутые клетками, способны адсорбироваться на них и проникать в их ДНК добавляя часть собственной ДНК. Однако последняя часть быстро разрушается, и репликация не происходит.

Деградация ДНК вызывается специфическими эндонуклеазами (рестриктазами или R-нуклеазами), которые могут обнаруживать и расщеплять определенные участки ДНК, если они не были модифицированы под влиянием М-ферментов. После этого ДНК расщепляется экзонуклеазами на отдельные нуклеотиды. Бактериальный штамм может иметь одну или несколько R-нуклеаз и в то же время M-ферменты, которые защищают собственную ДНК клетки. Предложена удобная номенклатура этих ферментов. Согласно ряду данных, области детекции R-нуклеазы не всегда совпадают с областями расщепления ДНК; возможно, что фермент может мигрировать по цепочке до того, как найдет область, где происходит расщепление ДНК. Функциональная роль индуцированных хозяином модификаций неясна.

Они способны защитить этот штамм бактерий от массового уничтожения фагами, растущими на различных бактериях. В более общем плане роль модификаций можно определить как защиту от проникновения неприемлемой чужеродной ДНК в бактериальную клетку и ее последующего «приживления». Бактерия А, которая отвергает фаги, размноженные на штамме В, также отвергает ДНК бактерии В, когда она вводится путем конъюгации или трансдукции.

Как видим, мутирование вирусов проходит достаточно сложный и тернистый путь в приобретении новых вирулентных свойств. Эти свойства могут быть как ослабляющими для развития инфекционного процесса, так и крайне агрессивными в своём новом виде.

Пожалуйста, не занимайтесь самолечением!
При симпотмах заболевания - обратитесь к врачу.

Читайте также: