Карл Циммер
Планета вирусов
Стэнли обнаружил, что его вирусные кристаллы твердые, как минерал. Они хранились месяцами, как поваренная соль в буфете. Впоследствии, когда он поместил их в воду, они растворились бесследно, снова обратившись в «живую заразную жидкость».
Результаты опыта Стэнли, опубликованные в 1935 г., озадачили весь мир. «Прежнее разграничение между живым и неживым отчасти теряет актуальность», – заявила газета The New York Times.
Но исследования Стэнли, при всей их революционности, имели свои ограничения. В частности, он допустил одну маленькую, но принципиальную ошибку. Вирусы табачной мозаики состоят не только из белка. В 1936 г. британские ученые Норман Пири и Фред Боуден обнаружили, что 5 % массы вируса составляет другое вещество – таинственная нитевидная молекула, именуемая нуклеиновой кислотой. Позже наука установит, что нуклеиновые кислоты – это материя генов, в которых содержатся инструкции по построению белков и других молекул. Наши клетки хранят свои гены в виде двуцепочечных молекул нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК. Гены многих вирусов также построены из ДНК. Другие вирусы, и среди них вирус табачной мозаики, содержат одноцепочечную форму рибонуклеиновой кислоты, или РНК. Многие вирусы несут двуцепочечную РНК или одноцепочечную ДНК. Ученым понадобились десятилетия, чтобы разобраться в том, как вирусы пользуются этим генетическим материалом с целью завладеть клетками и заставить их производить новые вирусы.
И хотя Стэнли первым увидел вирусы, он наблюдал их только скопом. Каждый созданный им кристалл мог содержать миллионы вирусов табачной мозаики, плотно соединенных друг с другом в решетке. Чтобы рассмотреть отдельные вирусы, ученым вначале понадобилось создать новое поколение микроскопов, в которых для изучения мельчайших объектов используется пучок электронов. В 1939 г. Густав Кауше, Эдгар Пфанкух и Гельмут Руска добавили кристаллы вируса табачной мозаики к каплям дистиллированной воды и поместили их под новый микроскоп. Они разглядели миниатюрные палочки, каждая длиной около 300 нанометров.
Никому еще не приходилось видеть столь мелких живых существ. Чтобы представить себе размеры вирусов, вытряхните на стол одну-единственную крупинку соли. Взгляните на этот крохотный кубик. Вдоль одной из его сторон можно расположить в ряд 10 клеток кожного эпидермиса. Или 100 бактерий. А вирусов табачной мозаики вдоль грани той же крупинки соли уместится 1000!
В последующие десятилетия вирусологи продолжали препарировать вирусы и выяснять их молекулярную географию. Хотя, подобно нашим клеткам, вирусы содержат белки и нуклеиновые кислоты, они используют эти молекулы совершенно иначе. Человеческая клетка набита миллионами различных молекул, которые пребывают в постоянном движении и вибрации, расщепляя друг друга или связываясь вместе – благодаря этому клетки воспринимают окружающую среду, передвигаются, поглощают пищу, растут и принимают решения, делиться им надвое либо кончать самоубийством ради блага клеток-собратьев. Вирусологи обнаружили, что вирусы, как правило, устроены намного проще. Обычно они представляют собой всего лишь белковые оболочки, содержащие несколько генов. Вирусологи установили, что, несмотря на скудные генетические инструкции, вирусы умеют воспроизводиться, узурпируя другие формы жизни. Они забрасывают свои гены и белки в клетку хозяина, которую перепрограммируют под производство новых копий самих себя. В клетку попадает один вирус, а через сутки из нее могут выйти тысячи вирусов.
К 1950-м гг. вирусологам были уже известны эти основные факты. Но на этом развитие вирусологии не остановилось. Например, наука почти ничего не знала о разнообразии способов, которыми вирусы вызывают у нас заболевания. Неизвестно было, почему из-за папилломавирусов у кроликов вырастают рога и ежегодно возникают сотни тысяч случаев рака шейки матки. Неизвестно было, почему одни вирусы смертельны, а другие сравнительно безобидны. Предстояло еще выяснить, как вирусы обходят защиту хозяев и умудряются эволюционировать быстрее, чем все живое на планете. В 1950-е ученые не знали, что несколькими десятилетиями раньше один вирус от шимпанзе и других обезьян перешел к человеку, и этому вирусу, известному теперь как ВИЧ, суждено было стать одним из самых смертоносных в истории. Тем более, тогда они не могли предсказать, что в 2020 г. планету охватит эпидемия нового вируса, SARS-CoV-2, угрожая вызвать величайший кризис мировой экономики со времен Великой депрессии.
Еще ученые 1950-х гг. не знали, какое значение имеют вирусы, помимо того, что они вызывают болезни. Им не приходило в голову, как много вирусов существует на Земле, не догадывались они и о том, что немалую долю генетического разнообразия жизни несут вирусы. Им было неизвестно, что вирусы помогают производить значительную часть кислорода, которым мы дышим, и участвуют в терморегуляции планеты. И безусловно, они не предполагали, что в геном человека входят тысячи участков вирусного происхождения, доставшихся нам от патогенов, которые поражали наших далеких предков, или что жизнь – такая, какой мы ее знаем, – могла начаться 4 млрд лет назад с вирусов. Теперь ученые это знают – или, точнее, что-то об этом знают. Теперь они понимают, что вся Земля, от Пещеры кристаллов до наших внутренних органов, – планета вирусов. Их знания пока еще приблизительны, но все же это начало.
Так давайте и мы начнем с начала.
Давние соседи
(Не)обычная простуда
Как риновирусы играючи завоевали мир
Примерно 3500 лет назад некий египетский врач сочинил древнейший из известных нам медицинских текстов. Среди описанных им болезней было нечто под названием реш. Хотя звучит оно и непривычно, симптомы – кашель и истечение слизи из носа – мы узнаём с первого взгляда. Реш – это обыкновенная простуда.
Некоторые из вирусов, одолевающих нас сегодня, новые для людей. Другие – малоизвестные и редкие. Но человеческие риновирусы – основные виновники простуды – наши давние соседи. Подсчитано, что каждый человек на Земле в течение жизни целый год проводит в постели с простудой. Иными словами, человеческий риновирус – один из самых успешных вирусов.
До открытия риновирусов медики никак не могли объяснить причину простуд. Древнегреческий врач Гиппократ видел источник в нарушении баланса телесных жидкостей. Через 2000 лет, в начале XX в., наши знания о простудах ушли не столь далеко. Физиолог Леонард Хилл объявил, что простуду вызывают утренние прогулки на свежем воздухе.
В 1914 г. немецкий микробиолог Вальтер Крузе получил первые достоверные данные о происхождении простуд, заставив своего шмыгающего носом ассистента высморкаться. Крузе развел сопли ассистента в солевом растворе, процедил его через фильтр, а затем закапал отфильтрованную жидкость в носы 12 коллегам. Четверо из них подцепили простуду. Позже Крузе проделал то же самое с 36 студентами, 15 из которых заболели. В ходе эксперимента Крузе также наблюдал за 35 участниками, которым ничего не закапывали. Лишь один из них подхватил простуду сам по себе. Опыты Крузе показали, что капли, полученные от простуженных людей, содержат микроскопический патоген, вызывающий заболевание.
Поначалу многие специалисты считали, что это какая-то разновидность бактерий. Но в 1927 г. американский врач Альфонс Дочез исключил этот вариант. Он пропустил слизь, полученную от простуженных людей, через фильтр, повторив то, что за тридцать лет до него Бейеринк проделал с соком из листьев табака. Даже при удалении бактерий жидкость сохраняла способность вызывать у человека заболевание. Через фильтры Дочеза могли проскочить только вирусы.
Понадобилось еще тридцать лет, чтобы ученые точно установили, какие именно вирусы просочились через фильтр. Самые типичные из них известны как риновирусы человека (от rhino-, что значит «нос»). Риновирусы поразительно примитивны. У человека около 20 000 генов, у риновируса всего 10 генов. И тем не менее этого хокку генетической информации риновирусам хватает, чтобы вторгнуться в наш организм, перехитрить иммунную систему и произвести новые вирусы, способные перепрыгнуть на новых хозяев.
К новым хозяевам риновирусы попадают капельным путем. Они могут проникать в микроскопические капли, которые мы распространяем с каждым выдохом. Могут – в более крупные капли, которые разлетаются, когда мы чихаем или кашляем. Стоит небрежно вытереть нос, как эти капли окажутся на руках, с рук они попадут на дверные ручки, кнопки лифта и другие поверхности, где другие люди подхватят их своими руками, а оттуда вирусы доберутся уже до их носов.
Оказавшись в очередном носу, риновирусы прицепляются к клеткам, выстилающим носовую полость. Они проскальзывают внутрь и используют клетки хозяина для производства копий собственного генетического материала, а также белковых оболочек, в которые он будет упакован. Затем хозяйская клетка лопается – и новые риновирусы выходят наружу. У некоторых хозяев риновирусы не распространяются дальше носа, у других пробираются в горло и даже легкие.
Риновирусы поражают сравнительно немного клеток и причиняют мало реального вреда. Так почему же они вызывают столь неприятные ощущения? Тут нам остается винить только себя. Зараженные клетки выделяют сигнальные молекулы – цитокины, привлекающие соседние иммунные клетки. Эти-то иммунные клетки и вызывают у нас отвратительное самочувствие. Они запускают воспаление, из-за которого у нас першит в горле, а в зоне очага инфекции выделяется слизь. Чтобы оправиться от простуды, нам нужно дождаться не только, пока иммунная система одолеет вирус, но и когда иммунная система сама утихомирится.
В Древнем Египте врачи лечили простуду прикладыванием смеси из меда, трав и ладана к области носа. Пятнадцать столетий спустя римский ученый Плиний Старший рекомендовал вместо этого потереть нос мышью. В Европе XVII в. одни медики применяли смесь пороха и яиц, другие – композицию из нутряного сала и прокаленного коровьего навоза. Упомянутый выше Леонард Хилл рекомендовал начинать день с холодного душа.
Ни один из этих методов не работал, но даже в наши дни доказанных способов лечения простуды не существует. В конце 1990-х некоторых исследователей обнадежило открытие, что цинк вроде бы мешал вирусам заражать клетки в чашках Петри. Вскоре аптеки принялись торговать цинковыми добавками без рецепта, хотя никому еще не удалось продемонстрировать этот эффект на людях. Позже некоторые клинические исследования на малых выборках как будто указывали, что цинк способен сократить течение простуды на пару дней. Но когда финский ученый по имени Харри Хемила провел по всем правилам эксперимент на 253 добровольцах, то не обнаружил никакой пользы. Более того, как сообщил Хемила в 2003 г., простуженные добровольцы, принимавшие цинк в таблетках, шли на поправку чуть дольше, чем те, кому достались таблетки из сахара.
Прочие популярные методы лечения простуды могут быть не только бесполезны, но даже вредны. Родители часто дают детям сироп от кашля, но исследования показывают, что он не ускоряет выздоровления. На самом деле сироп от кашля имеет широкий спектр редких, но серьезных побочных эффектов, таких как судороги, тахикардия и даже смерть. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США предупреждает, что детям до двух лет, которые простужаются чаще всего, не следует давать сироп от кашля.
Ошибочно также лечить простуду антибиотиками. Антибиотики предназначены для уничтожения бактерий и бесполезны против вирусов. Однако врачи, как это ни печально, часто прописывают их при простудах. Бывает, что по симптомам пациента сложно определить, что их вызвало – риновирус или бактерии. А иногда врачи поддаются давлению со стороны встревоженных родителей, которые требуют сделать хоть что-нибудь. Вред, причиняемый антибиотиками в таких случаях, не ограничивается одним пациентом – страдаем мы все. Наши организмы служат средой обитания для триллионов безвредных бактерий, а антибиотики могут способствовать эволюции устойчивых штаммов. Эти резистентные, устойчивые к антибиотикам, бактерии способны передавать свои гены болезнетворным микроорганизмам. В результате, когда нам и вправду понадобится действие антибиотиков, они могут нас подвести.
Одна из причин, по которой простуду так трудно лечить, возможно, в том, что мы недооценивали риновирус. У него есть множество форм, и ученые только начинают составлять истинное представление о его генетическом разнообразии. Клетка, производящая новые риновирусы, обычно делает ошибки при копировании вирусных генов. Из поколения в поколение различия между линиями вирусов накапливаются. К концу XX в. ученые описали десятки штаммов риновирусов. Они делятся на две основные линии, известные как HRV-A и HRV-B, или риновирусы человека A и B.
В 2006 г. Ян Липкин и Томас Бризе из Колумбийского университета опубликовали статью о том, как обнаружили у некоторых жителей Нью-Йорка с гриппоподобными симптомами риновирусы, не относившиеся ни к линии A, ни к линии B. Они составляли третью, ранее неизвестную линию, которую Липкин и Бризе назвали HRV–C. После их открытия исследователи стали находить эту разновидность по всему миру.
Чем больше штаммов открывают ученые, тем больше им становится известно об эволюционной истории риновирусов. Оказывается, некоторые гены у них эволюционируют очень быстро, пытаясь обогнать нашу иммунную систему. Один из видов оружия, который мы используем против вирусов, – антитела, молекулы, которые могут прикрепляться к поверхности вируса и всячески ему мешать. Мутации способны менять поверхность риновирусов так, что антитела к ним больше не прилипают. Наша иммунная система умеет вырабатывать новые антитела, но новые мутации позволяют вирусам каждый раз ускользать снова.
Эта скоростная эволюция привела к поразительному разнообразию риновирусов. Ежегодно каждый из нас может заразиться несколькими различными штаммами человеческого риновируса. Их эволюция расстраивает не только нашу иммунную систему, но и ученых, пытающихся создать противовирусные препараты для лечения простуды. Препарат, успешно подавляющий один штамм риновируса, может не помочь в борьбе с остальными. И всегда есть вероятность, что новая мутация сделает риновирус устойчивым к лекарству и он бурно размножится, в то время как другие вирусы вымрут.
Пусть у нас пока нет средства от обыкновенной простуды, не стоит отчаиваться. Хотя одни участки генома риновирусов эволюционируют ускоренно, другие почти не меняются. Мутация в этих частях генома риновируса может быть смертельной для него. Если специалисты сумеют точечно поразить эти уязвимые места риновируса, они смогут победить все риновирусы на Земле.
