Как несколько больных табачных растений помогли учёным раскрыть правду о вирусах

Когда в 1882 году немецкий патолог Роберт Кох открыл бактерию, стоящую за туберкулёзом, он создал краткое руководство, в котором связал микроорганизмы с болезнями, которые они вызывают. Это был существенный прогресс в теории микробов – современного понимания того, что патогены могут делать нас больными. Его открытие потрясло не только область медицины: ботаники также обратили на него внимание.

В середине 1800-х годов эпидемия табачной мозаики угрожала европейским табачным культурам. Фитопатологи задались целью выявить его первопричину. Спустя несколько десятилетий только один дальновидный ботаник, Мартинус Бейеринк, понял, что источником была не бактериальная или грибковая инфекция, а нечто совершенно иное: вирус.

Сегодня мы знаем, что вирусы можно обнаружить практически везде – в воздухе, океанах и почве. Ничтожный процент из них – это опасные патогены, вызывающие болезни. Однако исследование вирусов инициировали вовсе не представители медицины, а ботаники, которые занимаются изучением растений. Поскольку вирусы являются маленькими и странными, потребовались десятилетия, прежде чем учёные пришли к единогласному выводу, что они вообще существуют.




Идея о том, что микроорганизмы могут вызывать болезни растений, была не совсем новой даже для конца XIX века. В 1840-х годах преподобный Майлз Беркли, также ботаник, определил грибок, вызывавший фитофтороз картофеля, вопреки мнению духовенства, которое верило, что во всём виноват дьявол.

В 1857 году фермеры в Нидерландах сообщили о болезни, угрожающей другой экономически важной культуре – табаку. Листья начали покрываться тёмно-зелёными, жёлтыми и серыми пятнами, в результате чего фермеры теряли до 80 процентов урожая на поражённых полях. Особенно восприимчивыми были огромные поля табака, которые неоднократно засевались одной и той же культурой. Как только болезнь достигала фермерского поля, она быстро распространялась.

«Она очень легко распространяется, – говорит вирусолог Карен-Бет Шолтхоф из Техасского университета A&M. – Если при поливе шланг коснётся поражённого растения, вы можете в конечном итоге повредить растение, которое находится рядом с ним».

Фитопатолог из Нидерландов Адольф Майер начал исследовать эту болезнь в 1879 году и назвал её «табачной мозаикой». Он попытался использовать рекомендации Коха, которые требуют серии изоляций микробов и повторных инфекций, чтобы найти первопричину. Но у Майера ничего не вышло. И хотя он показал, что сок из больного табачного листа может передать болезнь здоровому листу, он не смог произвести чистую культуру возбудителя и определить виновника под микроскопом.

«Инструментов, позволявших увидеть вирус, не существовало, – говорит биолог-антрополог Сабрина Шольц, куратор из Смитсоновского национального музея естественной истории. – Это была невидимая зараза».

Когда ботаник Дмитрий Ивановский приступил к исследованию табачной мозаики в Крыму в 1887 году, он решил применить другой подход. Он процеживал сок через тонкие фильтры, сделанные из неглазурованного фарфора, материала с порами, которые были слишком маленькими для бактерий, чтобы протиснуться через них. Но когда Ивановский капнул отфильтрованный сок на здоровый табачный лист, тот стал пятнисто-жёлтым от болезни. Ивановский едва мог поверить полученным данным, которые он опубликовал в 1892 году. Он пришёл к выводу, что болезнь была вызвана токсином, который прошёл через фильтр, или что нескольким бактериям удалось проскользнуть через трещину.




Голландский микробиолог Бейеринк провёл почти такие же эксперименты, что и Ивановский, но пришёл к совершенно другому выводу. Он добавил к экспериментам с фарфоровым фильтром второй вид фильтрующей системы, с агаром, чтобы доказать, что ни один микроорганизм не пережил первую фильтрацию. Бактерии застревали на поверхности агара, но таинственный патоген, вызывавший мозаику, прошёл через него.

Бейеринк также представил доказательства того, что возбудитель болезни использует растущие листья для размножения. Получив путём фильтрации патоген из заражённого листа и используя его для того, чтобы вызвать табачную мозаику на другом растении, он показал, что возбудитель может распространяться, не ослабляя своей болезнетворной силы. Он доказал, что патоген растёт в листьях, но, как ни странно, он не может размножаться без них.

Когда он опубликовал своё открытие в 1898 году, Бейеринк назвал инфекционное фильтрованное вещество contagium vivum fluidum – «заразной живой жидкостью». Он решил взять слово "virus" («вирус») из латинского языка, означающее жидкий яд, чтобы обозначить новый вид патогена.

«Я не думаю, что Ивановский на самом деле понимал результаты своих исследований, – говорит Шолтхоф. – Бейеринк ставил эксперименты и доверял тому, что видел... Он был первым, кто ввёл термин "вирус" в современный контекст, и я бы отдал ему должное за начало вирусологии».




Смелая гипотеза

И хотя Бейеринк ошибочно считал вирусы жидкостью (это частицы), его результаты были близки к истине. И всё же его идея не прижилась. Его предположение о патогене без клетки противоречило ранней микробной теории и было радикальным для того времени.

Ивановский продолжал искать бактериальную причину табачной мозаики, утверждая, что «проблема решится без такой смелой гипотезы», как у Бейеринка. В 1898 году, когда была опубликована работа Бейеринка, ящур у крупного рогатого скота стал первой болезнью животных, связанной с фильтруемым агентом, или микробом, достаточно маленьким, чтобы пройти через фарфоровый фильтр. В 1901 году американские исследователи, изучавшие жёлтую лихорадку на Кубе, пришли к выводу, что болезнь, переносимая комарами, была вызвана чем-то настолько мелким, что фильтры не способны были удержать это.

В то время исследователи не считали свои открытия вирусами, а преобладающая теория состояла в том, что существуют бактерии, которые способны проходить через фильтр. Ранние обзорные статьи о невидимых возбудителях инфекций иногда объединяли едва заметные бактерии с вирусами Бейеринка.

«Поначалу было много путаницы, поскольку вы не могли их видеть», – поясняет Шолтхоф. Вопросы о том, были ли эти крошечные микробы маленькими бактериями, молекулами, выделяемыми бактериями, или чем-то другим, оставались без ответа в 1920-е годы. «Ситуация изменилась с появлением электронного микроскопа», – утверждает она.

Образец вируса

В 1929 году биолог Фрэнсис Холмс использовал вирус табачной мозаики для разработки метода, доказывающего, что вирусы представляют собой дискретные частицы, смешанные в фильтрованном соке, и что они оказывают более сильное воздействие при более высоких концентрациях. В 1935 году химик Венделл М. Стэнли создал кристаллический образец вируса, который можно было увидеть с помощью рентгеновских лучей, что принесло ему Нобелевскую премию в 1946 году. (Самое чёткое рентгеновское изображение вируса табачной мозаики было получено Розалиндой Франклин в 1955 году, после того как она внесла свой вклад в открытие двойной спирали ДНК.) Первые чёткие фотографии вируса табачной мозаики появились только в 1941 году, когда были изобретены мощные просвечивающие электронные микроскопы, которые показали возбудителя, похожего на тонкую палочку.

Это был переломный момент в научном понимании вирусов, потому что визуальное доказательство рассеивало любые сомнения в их существовании. Снимки показали, что вирусы – это простые структуры из генетического материала, обёрнутого в твёрдую оболочку белковых молекул – далеко не то же самое, что мягкие клеточные бактерии. Но Бейеринк не дожил до подтверждения своей теории: он умер в 1931 году.

«В некотором смысле нам повезло, что мы установили причину болезни табачных растений, – говорит Шольтхоф. – Это была экономическая проблема». Поскольку вирус так долго был предметом исследований, его использовали для разработки фундаментальных идей вирусологии. Он до сих пор остаётся инструментом в вирусологии растений.

Майер, Ивановский и Бейеринк не смогли остановить распространение табачной мозаики при жизни; производство табака в Нидерландах полностью прекратилось. Тем не менее, их новаторская работа над вирусом табачной мозаики положила начало столетним исследованиям, которые выявили широкий спектр вирусных структур и стратегий выживания.

В то время как вирус табачной мозаики имеет палочковидную форму и состоит только из генов и белка, другие, такие как коронавирус COVID-19, имеют круглую форму и завёрнуты в жировую оболочку, что делает их особенно чувствительными к мылу, когда вы моете руки. Прогресс в понимании того, как распространяются вирусы, позволил искоренить оспу и изобрести вакцины.

«За прошедшее столетие было сделано немало удивительных достижений, и это произошло настолько быстро и кардинально, что мы не успели соотнести их с тем, каким был мир, – говорит Шольц. – Сейчас нам есть о чём беспокоиться. Но я обычно нахожу то, что делают учёные, одним из самых ярких элементов того, на что вы можете посмотреть».

Специально для читателей моего блога Muz4in.Net – по материалам сайта smithsonianmag.com

Copyright Muz4in.Net © - Данная новость принадлежит Muz4in.Net, и являются интеллектуальной собственностью блога, охраняется законом об авторском праве и не может быть использована где-либо без активной ссылки на источник. Подробнее читать - "об Авторстве"

Почитать ещё:

• Где живёт речь?
• 10 странных археологических открытий
• Китайские медицинские куклы
• Английская потливая горячка: история забытой эпидемии