Строение доклеточных организмов

1. Понятие доклеточного организма

Самое заглавие этой статьи может оспариваться. Существуют ли действительно доклеточные организмы и какие формы жизни должны быть отнесены к этой категории? Необходимо сказать, что ответ на этот вопрос будет зависеть от определения клетки. В последнее время важнейшие определения, применяемые в цитологии, были подробно разобраны П. Миловидовым (1964). Приведем только два определения. Одно из них очень старое, оно высказано в 1861 г. Шульце: «Клетка — это комочек протоплазмы, внутри которого лежит ядро»^[1]. Второе определение новейшее, принадлежит самому Миловидову: «Клетка — это комочек живого вещества — протоплазмы, которая, наряду с белковым основным веществом, обязательно имеет хроматин, т. е. дезоксирибозную нуклеиновую кислоту, и у большого числа живых существ он сосредоточен в ядре, однако у акарионтов он находится в комочке протоплазмы, который может существовать как самостоятельный организм или в зависящем от него комплексе и никогда не может возникнуть наново, но всегда возникает из подобного ему»^[2].

Первое определение кратко. Согласно ему образования, подходящие под него, однородны. Второе определение заключает в себе разделение форм клеток на имеющие настоящее ядро и не имеющие его (акарионты). Мне кажется, что удобнее для характеристики клетки пользоваться первым из этих определений, так как, если мы примем второе, мы должны будем все равно внутри понятия о клетке провести разделение на две категории весьма различных организмов. Поэтому мы будем отстаивать нашу характеристику рассматриваемых в этой статье форм жизни, как форм доклеточных, или цитод, как они были обозначаемы в свое время Э. Геккелем, Б. Козо-Полянским и др.^[3]

Все обсуждаемые здесь формы клеток не имеют настоящего ядра, хотя все они имеют эквиваленты этого ядра в виде нитей ДНК или РНК. У последних отсутствует даже такой признак ядра, как ДНК. Дадим здесь общий обзор весьма разнообразных организмов, рассмотрением которых придется заняться:

I. Дробянки:

а) бактерии, включая актиномицеты;

б) сине-зеленые дробянки.

II. Вирусы (хорошо изучены только споровые стадии).

III. Риккетсии.

IV. Организмы группы пситтакоза.

V. Бартонеллии.

VI. Цистицеты или микопласты.

Что касается дробянок, то они относительно крупны и могут изучаться при помощи световой оптики. Положение их в природе довольно хорошо известно и мы вправе их относить к миру растений. Остальные формы, перечисленные здесь, либо совсем недоступны для световой оптики, либо доступны для нее лишь в незначительной степени. Положение их в природе, их отношение к миру растений или миру животных недостаточно хорошо выяснено. Только о риккетсиях и представителях группы пситтакоза можно сказать, что они близки к бактериям и, вероятно, произошли от них. Организмы, принадлежащие к II, III, IV и V группам этого перечня, все паразиты.

Что касается остальных групп, то там встречаются и свободно живущие, и паразитирующие формы. Особое положение занимают вирусы. Вирусные частицы изучены хорошо, но только на одной из стадий развития, приспособленной для перенесения неблагоприятных условий. Поэтому вирусные частицы мы можем сравнивать только с какими-то аналогичными стадиями развития.

Сколь бы ни были различны эти организмы, у них есть, по крайней мере, то общее, что размеры их меньше, чем самых маленьких настоящих клеточных организмов. Так, кишечная палочка (бактерия) имеет вес 25∙10^—14 г. В состав этого организма входит 0,75∙10^—14 г ДНК и 4,4∙10^—14 г белка. Были сделаны подсчеты составных частей самой маленькой споры бактерии, которая имеет в поперечнике 0,124 мк и вес которой равняется 10^—15 г. Она состоит после удаления из нее воды примерно из 5∙10⁷ атомов. Различные по размеру их молекул соединения, как было подсчитано, в такой споре распределяются следующим образом: 30% макромолекул с 10⁶ атомов, т. е. всего 15 таких макромолекул на спору; 30% макромолекул с 10⁴ атомов, т. е. 150 макромолекул такого размера; 10% макромолекул с 10⁴ атомов в каждой макромолекуле, всего 500 таких макромолекул; 10% макромолекул с 10³ атомов, всего 5 000 макромолекул, 10% молекул с 102 атомов, всего 50 000 молекул и, наконец, 10% молекул с 10 атомами в каждой, таких мелких молекул в этой споре примерно 500 000. Такие расчеты были сделаны Шаудингером^[4].

Что касается цистицетов, то имеются такие данные о размерах одного из них: диаметр этого организма 0,25 мк, сухой вес его 2∙10^—15 г, число атомов в одном организме 2∙10⁷. Вирусные частицы содержат 10⁶—10⁷ атомов^[5].

Выше было упомянуто, что мы имеем в виду организмы, которые мы определяли как доклеточные. Это понятие требует некоторых пояснений, тем более что оно находится в противоречии с таким общепринятым выражением, как «клетка бактерии». Дело в том, что в процессе эволюции у высших организмов, начиная с одноклеточных, и особенно у многоклеточных, вырабатывается некоторый стандарт того образования, которое мы называем клеткой. Это выражается прежде всего в строении ядра. Эти организмы имеют в клетках ядра, снабженные оболочкой, в которых в ядерном соке находятся хромосомы, а также имеется одно или несколько ядрышек, каждое из которых тесно связано с определенным участком определенной хромосомы.

Если мы возьмем клетку зелено-окрашенного высшего растения, мы увидим хлорофильные зерна, или хлоропласты, размеры которых от вида к виду не очень сильно варьируют. Можно сказать, что клетка одноклеточных несколько менее стандартна, чем клетка высших форм жизни. Так, клетки водорослей вместо однотипных хлоропластов в виде зернышек часто имеют разнообразной формы хроматофоры, несущие хлорофилл.

Изредка встречаются некоторые вариации в строении ядра у водорослей. Но в общем все-таки, начиная с одноклеточных, мы имеем дело с довольно однотипной клеткой. Когда мы переходим к рассмотрению форм, которым посвящена эта статья, то мы сталкиваемся с трудностями идентифицировать структурные особенности этих форм жизни с тем, что мы знаем относительно настоящих клеток. Так, например, продолжается спор о том, есть ли у бактерии ядро или нет. В этом смысле и позволительно говорить о всех организмах, которые будут ниже рассматриваться, как об организмах доклеточных.

2. Бактерии^[6]

У бактерий довольно простая форма тела. Одни из них имеют вид палочек, другие — шариков, третьи —более или менее спирально закручены.

Рассматривая бактерии, прежде всего следует остановиться на составе их оболочек (рис. 1)^[7]. Оболочка у бактерий занимает существенную часть всего тела бактерии. Так, например, золотистый стафилококк имеет 20% сухого веса в оболочке, у стрептококков вес сухой оболочки достигает 25%. Толщина оболочки бактерии равна 15—20 ммк. В состав оболочки бактерии входят нуклеотид, содержащий урацил, разнообразные полисахариды, состоящие из остатков разных видов сахара, например глюкозы, рамнозы, галактозы и т. д. Эти полисахариды образуют комплексы с жироподобными веществами, причем этих последних в оболочке некоторых бактерий до 20%. Кроме того, в оболочке бактерий имеются полипептиды, образованные остатками таких аминокислот, как глутаминовая, аланин и т. д. Некоторые вещества, входящие в состав оболочки, весьма своеобразны — тейхоиевая кислота, которая представляет собой полимер, состоящий из остатков рибозы, а также аланина и ряда других веществ. Эти последние у разных тейхоиевых кислот могут различаться.

Говоря об оболочках, необходимо также остановиться на жгутиках. Эти органы движения у разных бактерий встречаются в разном количестве и занимают различное положение (рис. 2). Жгутиконосные бактерии могут на каких-то этапах своего развития утрачивать жгутики.

Жгутики являются органом движения, они производят волнообразные движения, которые распространяются от основания жгутика вверх. Главной составной частью жгутиков является белковое вещество. Жгутики отходят от так называемого базального тельца, находящегося в протоплазме бактерии. Электронный микроскоп дал возможность довольно подробно изучить строение жгутиков. Жгутики состоят из двух или большего количества спирально извитых нитей, которые лежат по периферии, оставляя в центре жгутика не заполненное нитями пространство. При помощи различных методов обработки жгутики могут быть разложены на большее или меньшее, количество еще более тонких нитей. Если подвергнуть при помощи кислот жгутики дезинтеграции, то мы получим большое количество сферических или овальных молекул белка, имеющих молекулярный вес 20 000—45 000. Интересно, что при изменении pH среды можно наблюдать, как из этих белковых молекул складываются жгутикоподобные структуры. Эта реакция идет также при весьма низкой температуре (2° С). Поэтому нельзя думать, что в ней принимает участие какой-то ферментативный процесс. Очевидно, из молекулярных частиц восстанавливаются жгутики благодаря чисто физическим силам притяжения.

Некоторые бактерии, не имеющие жгутиков, тем не менее обладают способностью двигаться. Эти движения изучены сравнительно мало, так же как и движения сине-зеленых дробянок, о которых речь будет идти ниже и которые не имеют жгутиков. Движения безжгутиковых дробянок зависят от процессов сокращения, которые, по-видимому, близки тому сокращению, которое мы наблюдаем в мышечных волокнах. Некоторые бактерии, не имеющие жгутиков, имеют очень тонкие реснички. Эти реснички имеют в поперечнике всего 80—110 Å. Значение их мало выяснено.

Особенно характерной для оболочек бактерий является мурамовая кислота, которая входит в состав оболочки только бактерий и организмов, близко стоящих к ним. Мурамовая кислота представляет собой глюкозамин, находящийся в эфирной связи с молочной кислотой. Надо сказать, что все перечисленные соединения образуют очень сложные высокополимерные комплексы, которые по своему составу могут довольно сильно различаться у разных видов. Под электронным микроскопом в оболочке бактерий можно видеть многочисленные поры, а при больших увеличениях — молекулярную структуру.

Такому сложному составу оболочек бактерий соответствует и довольно большая биохимическая их активность. Очень многие ферменты бактерий тесно связаны с оболочкой. Так, например, дегидрогеноза янтарной кислоты находится преимущественно в оболочке. То же самое можно сказать о дегидрогенозе яблочной кислоты. Зато другие ферменты находятся главным образом в протоплазме, например кислая фосфатаза.

Обсуждая вопрос о биохимической функции оболочки, нельзя забывать, что обычно нам не удается отделить оболочку при препаративном ее получении от бактерии в достаточно чистом виде и к оболочке оказываются прилипшими другие органоиды, которые общи и для бактерий и для клеток высших организмов, например митохондрии. Существование их в клетках бактерий было открыто М. Н. Мейселем и его сотрудниками еще в 1945 г.^[8] Митохондрии бактерий выполняют примерно ту же функцию активных центров окисления и других ферментативных реакций, которую они выполняют и в клетках высших организмов. Так как митохондрии трудно отделять от оболочек бактерии, то некоторые авторы, по-видимому, неправильно приписывали оболочке бактерии функцию, как бы заменяющую митохондрии. Но разными способами мы можем удалить большую часть оболочки бактерии.

Такие как бы «раздетые» бактерии представляют собой нежные протоплазмические шарики, которые удается сохранить только в растворах с высоким осмотическим давлением, например растворе сахарозы. Только морские бактерии, нормально обитающие в жидкости с высоким осмотическим давлением, могут быть безболезненно «раздеты» и оставлены в своей собственной среде. Бактерии, освобожденные от оболочки, могут продолжать жить, размножаться делением и даже в некоторых случаях воссоздавать себе оболочку и превращаться в нормальные формы. Поэтому мы должны сказать, что оболочка бактерий в том виде, как она существует в норме, несмотря на ее сложность и то, что она выполняет целый ряд важных функций, не является совершенно необходимой для бактерии.

Надо все же иметь в виду, что эти протопласты бактерии, как мы их называем, не полностью лишены оболочки. Под электронным микроскопом удавалось обнаружить и у таких протопластов тоненькие оболочки. Очевидно, скорее речь идет о глубоком изменении оболочки, об утрате ею механической функции прочности, однако, может быть, без утраты других важных для бактерий функций.

Следующий орган, на котором мы должны остановиться и, — это рибосома. Рибосомы представляют собой частицы, которые также общи и для бактерии, и для клеток всех организмов. Рибосомы бактерий изучены гораздо лучше, чем у других организмов. Рибосомы представляют собой маленькие тельца. Размеры рибосом различны. В основном в клетке бактерии имеется 4 разных сорта рибосом, отличающихся по своим размерам. Все рибосомы содержат около 60% РНК и 40% белка, причем РНК находится на поверхности рибосомы. Размеры рибосом зависят от разной степени их агрегации, а она зависит от pH среды и от других условий. Если мы очень сильно уменьшим в среде концентрацию ионов магния, то можно наблюдать дальнейший распад рибосомы. С другой стороны, в известных физиологических условиях рибосомы могут складываться в так называемые полирибосомы. Одна кишечная палочка имеет около рибосом.

В настоящее время хорошо известно, что рибосомы являются центрами, на которых в клетке идет синтез белковых веществ. Этот синтез белков контролируется при помощи РНК-посредника. РНК-посредник образуется на ДНК ядра и выходит в цитоплазму. Нити РНК-посредника значительно длиннее, чем длина одной рибосомы, и объединяют несколько рибосом, вследствие чего получается полирибосома, возникающая, когда идет синтез белка.

Рибосомы бактерий могут быть использованы в бесклеточных препаратах для осуществления синтеза белка, причем в эти препараты может быть добавлена РНК-посредник не бактерии, а какого-нибудь другого организма, чем доказывается, что рибосомы могут выполнять функцию и в системах с РНК других форм жизни, будь то РНК животного или какого-нибудь вируса.

Именно удобство получения рибосом из клетки бактерии послужило основанием для использования их в многочисленных опытах по синтезу белка в пробирке. Таким образом, рибосомы являются одними из наиболее хорошо изученных органоидов бактерии.

Мы должны перейти сейчас к вопросу, который волновал биологов на протяжении почти целого столетия, к вопросу о ядре у бактерий. В этой связи хочется вспомнить цитату из Клода Бернара, которую приводит автор монографии «Бактериальная клетка» Р. Дюбо: «Анатомическая локализация часто обнаруживается только через анализ физиологических процессов»^[9]. Собственно, именно изучение физиологической функции органоидов у бактерий сняло вопрос о том, есть ли у бактерии ядро или нет, который долго служил источником многочисленных, иногда приобретавших особую остроту споров.

Забегая несколько вперед, скажем, что если у бактерии есть рибосомы и если они реагируют на РНК-посредника, то у бактерий должны быть и органоиды, которые создают эту РНК-посредника, т. е. нити ДНК.

Вернемся, однако, к вопросу о ядре у бактерии. Этому вопросу придавалось с самого первого момента, когда сложилась клеточная теория в современном виде, очень большое значение. В самом деле, каждая ли клетка обязательно имеет ядро? Бактерия в силу своих маленьких размеров не давала исследователям вполне ясного ответа на этот вопрос. Не только маленькие размеры бактерии затрудняли исследование ее внутреннего строения, но также и богатство цитоплазмы бактерии веществами, которые красятся основными красками, как и ядро. Эти вещества маскировали бы ядро, если бы даже оно и имелось.

Кажется, первый, кто обратил внимание на это, был русский ученый Я. Ф. Китаев, который в 1922 г.^[10] исследовал брюшнотифозную палочку и целый ряд других патогенных бактерий, извлекая из них сначала щелочными растворами эти красящиеся основными красками вещества цитоплазмы. После такой обработки в бактерии легко окрашивалось тельце, принятое Китаевым за ядро. Метод Китаева с различными вариациями в дальнейшем был применен очень многими исследователями.

Для того чтобы обнаружить ядро, часто оказывалось необходимым сначала растворить базофильные элементы цитоплазмы клетки. Однако такое нахождение образования, красящегося основными красками, образования, которое давало в руках ряда исследователей специфическую для ДНК реакцию Фёльгена, все же не убеждало противников существования в бактерии ядра. Этим исследователям не удавалось окрасить по Фёльгену соответствующие образования. Напротив, они наблюдали размытую сплошь окраску цитоплазмы при помощи этого реактива и считали, что ДНК в клетке бактерии находится, так сказать, в диффузном состоянии (А. А. Имшенецкий и др.^[11]).

Я уже упоминал, что весь этот спор имеет только историческое значение. Он снят всем развитием биологии. В настоящее время мы знаем, что самой существенной частью хромосомы, той частью хромосомы, которая ответственна за передачу информации от поколения к поколению, являются нити ДНК. Таким образом, диффузная ДНК вообще не может исполнять своей функции, потому что передача информации, как нам известно, зависит от правильного чередования нуклеотидов, от определенного кода, который через РНК-посредника контролирует расположение аминокислотных остатков в полипептидных цепях белков. Следовательно, уже из самих функциональных особенностей ДНК вытекает, что бактерия может иметь ДНК только в форме нитей.

В настоящее время есть и прямые доказательства в пользу этих положений. При помощи деликатных методов, не нарушающих строение нитей ДНК, из бактерии была выделена ДНК, которая предварительно была мечена тритием (Н³). Были получены авторадиограммы этой ДНК бактерии. Оказалось, что ДНК кишечной палочки представляет собой нить длиной в 700—900 мк, причем эта нить, как и обычно нити ДНК, двойная и замкнута в кольцо. Следовательно, ДНК в бактерии отнюдь не диффузна, но образует очень длинное кольцо, которое во много раз превышает длину самой бактерии. При помощи авторадиограмм удалось наблюдать, как размножается ДНК. К радиоактивной нити как бы пристраивается другая, «дочерняя» нить. Таким образом получается из одной двойной нити две двойных нити; в каждой такой паре одна нить материнская, а другая вновь построившаяся. Такой способ размножения ДНК свойствен и хромосомам настоящих клеточных организмов и носит название семиконсервативного (полуконсервативного). Это размножение нити ДНК семиконсервативным способом у бактерий было установлено и другим путем. Бактерия культивировалась с тяжелым азотом (N¹⁵), вследствие чего этот изотоп входил в ДНК бактерии. После этого бактерия переносилась в среду с легким азотом (N¹⁴). Из такой бактерии через известные промежутки времени извлекали ДНК, и полученный препарат подвергался равновесному центрифугированию в растворе хлористого цезия. Как известно, такое центрифугирование дает возможность отделить частицы более тяжелые от частиц более легких, и ДНК, содержащая тяжелый азот, таким способом легко отделялась от ДНК, содержащей легкий азот.

Если в начале опыта ДНК содержала тяжелый азот, то после первой генерации бактерии исчезала полоса, соответствующая ДНК с тяжелым азотом, и появлялась полоса, отвечающая промежуточному весу между тяжелым и легким азотом. По мере дальнейшего размножения все больше и больше шел сдвиг в сторону полосы, соответствующей ДНК с легким азотом. Это следует толковать таким образом, что во время первого цикла размножения возникла гибридная ДНК, состоящая из одной нити материнской ДНК с тяжелым азотом и одной нити дочерней ДНК с легким азотом. Так как размножение бактерии шло в среде без тяжелого азота, то строились нити ДНК с легким азотом.

Соответствующими опытами в настоящее время установлено и соотношение между РНК рибосомы и ДНК бактерии, которое следовало ожидать. РНК рибосомы строится на ДНК, и последовательность нуклеотидов в РНК рибосомы соответствует последовательности нуклеотидов в каком-то участке ДНК данного организма. Само собой разумеется, что ДНК бактерии содержит гораздо более богатую информацию, чем необходимо для такой сравнительно небольшой молекулы, как молекула РНК рибосомы. Вычислено, что примерно только 0,01 часть нити ДНК ответственна за информацию о структуре РНК рибосомы. Известно, что если соединить ДНК с РНК, то образуются гибридные нити, состоящие наполовину из ДНК и наполовину из РНК, вступающей в связь при помощи водородных мостиков с соответствующими нуклеотидами ДНК.

Таким способом мы можем выделить из данного препарата определенную, специфическую РНК, соответствующую какому-то участку ДНК. И вот была приготовлена РНК из рибосомы кишечной палочки, после чего была приготовлена ДНК из того же организма и оба препарата были соединены. Оказалось, что РНК образовала гибридные нити с ДНК кишечной палочки. Гибридные нити мы распознаем по их устойчивости к ферменту рибонуклеазе, который деполимеризует единичные нити РНК. Количество гибридных нитей приблизительно соответствует тому проценту всей информации, который несет РНК рибосомы.

Реакция носит совершенно специфический характер, так как если РНК из рибосомы бактерии соединить с ДНК бактериофага или ДНК какой-либо другой бактерии, образование гибридных нитей не наблюдается.

Но как же расположены нити ДНК в бактерии? Ультратонкие срезы бактерий, рассмотренные под электронным микроскопом, не оставляют никакого сомнения относительно этого. В теле каждой бактерии, в центре ее, имеется не совсем правильных очертаний область, которая является более проницаемой для электронов, чем остальная часть цитоплазмы, заполненная тончайшими нитями. Эти нити могут быть растворены при помощи фермента, деполимеризующего ДНК, и, следовательно, состоят из ДНК. К сожалению, прямые наблюдения под электронным микроскопом ультратонких срезов не позволяют установить, сколько нитей ДНК находится в этой зоне пониженной плотности для электронов. В некоторых бактериях может быть несколько таких зон — две, или четыре, или изредка больше. Обычно это наблюдается перед делением бактерии. Электронномикроскопические картины должны быть истолкованы таким образом, что тончайшая нить ДНК, состоящая из двух цепочек и замкнутая в кольцо (гораздо более длинное, чем бактерия), уложена в центре тела бактерии. Можно сказать, что это и есть эквивалент ядра у бактерии. Этот эквивалент отличается от настоящего ядра отсутствием оболочки и ядрышек. Нити ДНК не вполне соответствуют хромосомам; хромосомы, кроме ДНК, содержат белок и целый ряд других веществ. По-видимому, у бактерий эквивалент ядра, получивший название нуклеоида, не содержит в себе белковых веществ или содержит их очень мало.

Другая особенность, которая отличает нуклеоид от ядра, состоит в том, что у бактерий не наблюдается образования хромосом и митоза. Правда, целый ряд авторов описывал митоз у бактерий, но сейчас даже самые горячие сторонники его отказались от прежних своих взглядов.

Итак, бактерия действительно не имеет настоящего ядра, хотя она имеет самую существенную часть ядра, нить ДНК, обеспечивающую передачу информации от поколения к поколению у бактерии тем же способом, каким это совершается во всей живой природе.

Надо упомянуть о том, что некоторые авторы будто бы наблюдали настоящее ядро у одной группы бактерий, известной под названием миксобактерий. Но этот вопрос нуждается в дальнейшем исследовании.

Особенные трудности для цитологии бактерий представляют латентные фаги и эписомы, которые, по-видимому, имеют одно и то же происхождение. Это образования, которые встречаются не во всех штаммах данного вида бактерий и которые принимают очень близкое участие в различного рода процессах у бактерий, связанных с их изменчивостью и наследственностью. Латентные фаги не вызывают разрушения клетки бактерии, в которой они обитают. Однако если эти бактерии посеять на культуре свободных от фага и чувствительных к нему бактерий, то несущие бактериофаг бактерии могут вызвать лизис^[12] чувствительных бактерий. Существуют способы индуцировать лизис бактерий, у которых фаг находится в латентном состоянии. Такими индуцирующими свойствами обладают, например, ультрафиолетовые лучи. Если подействовать на лизогенные, т. е. латентно несущие фаг, бактерии ультрафиолетовыми лучами, то фаг размножается, созревает в этих бактериях и, лизируя их, выходит наружу. В данном случае не может быть сомнения в том, что у лизогенных бактерий фаг обитает в качестве симбиотического, извне проникающего организма. Необходимо еще сказать, что лизогения часто связана с изменением свойств бактерии. Так, например, бактерия — возбудитель дифтерии вырабатывает токсин только до тех пор, пока в ней обитает латентный фаг. Если она освобождается от этого фага, она перестает вырабатывать токсин.

К числу эписом относится так называемый фактор мужского пола F⁺. К эписомам также относится тельце, которое делает бактерию способной выделять токсины, известные под названием колицинов. Этот токсин может убивать штаммы кишечной палочки, отличные от того, который его вырабатывает. Таким образом, наличие эписомы, вырабатывающей какой-либо из колицинов, является фактором, полезным для бактерий, так как помогает ей в борьбе с другими бактериями, обитающими, как и она, в кишечнике различных животных. К числу эписом также относятся описанные японскими авторами тельца, сообщающие бактерии устойчивость сразу к четырем веществам: тетрациклину, хлорамфениколу, стрептомицину и сульфамиламидам. Каково происхождение этих образований — судить очень трудно. Они могут или находиться в очень тесной связи с нитями ДНК бактерии или не иметь этой связи. Кроме того, они могут переходить из одной бактерии в другую, инфицируя их. Лучше всего изучен фактор F⁺, который делает бактерию способной к так называемому половому процессу. Бактерия, обладающая F⁺, конъюгирует с бактерией F^—, и из бактерии F⁺ переходит в F^— часть нити ДНК (рис. 3). Таким образом, бактерия, F⁺ является донором, a F^— — реципиентом. Это явление позволило изучать зависимость свойств бактерии от разных участков нити ДНК этой бактерии.

При конъюгации больший или меньший кусок нити ДНК переходит из бактерии-донора в бактерию-реципиент. Если весь процесс заканчивается (в ряде случаев в 1 ч. 10 м.), то бактерия-реципиент приобретает значительное количество свойств, которыми обладает бактерия-донор. Например, если донор устойчив к стрептомицину, способен сбраживать лактозу, а реципиент был неустойчив и не мог сбраживать лактозу, то реципиент после полового процесса становится устойчивым к стрептомицину и способным сбраживать лактозу. Процесс конъюгации бактерий мы можем прервать механически, взбалтывая их культуру или определенным образом перетирая. Чем раньше мы прервем процесс перехода нити ДНК, тем меньшее количество признаков от донора приобретает реципиент. Таким образом, количество признаков, которое будет передано, находится в прямой зависимости от размера того участка нити ДНК, который перейдет в бактерию-реципиент, а характер этих признаков зависит от того, какие именно куски нити ДНК перешли.

Это дает возможность установить зависимость признака у бактерии от определенного локуса, или определенного участка нити ДНК, и нарисовать даже карту относительного расположения разных участков на нити ДНК, от которых зависят те или другие признаки.

Детальные исследования этих вопросов показали, что нить ДНК бактерии ведет себя как замкнутое кольцо, вследствие чего и карта распределения локусов, от которых зависят отдельные признаки бактерии, изображается в виде кольца. Сама эписома, обозначаемая F⁺, также может перейти к реципиенту, как бы инфицируя его, после чего реципиент становится сам донором, т. е. приобретает свойства мужского пола, если этот процесс рассматривать как половой. Было показано, что бактерия может нести не одну эписому F⁺, а несколько, имеющих разное происхождение. Оказалось также, что путем «лечения» бактерию можно освободить от эписомы F⁺. Такое освобождение достигается акридиновыми препаратами. Бактерия, которая была носителем «мужского пола», теперь утрачивает это свойство. Косвенным методом установлено, что F⁺ содержит ДНК.

Обычно в литературе описываемые здесь явления рассматриваются как половой процесс, однако мы видим, что они существенно отличаются от того, что мы понимаем под половым процессом. Скорее можно думать, что эписома является симбиотическим организмом, который индуцирует своеобразный процесс, протекающий между двумя бактериями. Точно так же можно рассматривать как симбиотические организмы и фактор колициногенности и фактор, обусловливающий устойчивость бактерии сразу к четырем названным выше веществам.

Обычно принято считать, что между латентным фагом или между фактором F⁺ и хромосомой бактерии устанавливается связь. Однако возможно и другое объяснение. Можно предположить, что та хроматиновая нить, которая при описанных процессах передается от одной бактерии к другой, также принадлежит не самой бактерии, а является хроматиновой нитью симбиотического организма, подобного какому-то фагу. Эта вторая гипотеза была нами изложена более подробно в другом месте^[13]. Она имеет то преимущество, что легче объясняет, почему существует далеко идущая гомология между нитями ДНК, находящимися в бактерии, и отдельными симбионитами, обитающими в ней. Так, было показано, что латентный фаг может с соответствующими нитями ДНК бактерии обмениваться кусками. Подобное явление никогда не встречается между организмами, далеко друг от друга удаленными. Это заставляет предполагать, что или фаг очень родствен бактерии или, как мы думаем, фаг обменивается кусками хроматиновой нити не с самой бактерией, а с каким-то симбиотическим организмом в этой бактерии.

Обратим внимание на то, что мы вступаем в область, где вопросы внутриклеточного симбиоза приходится решать на молекулярном уровне. Напомним, что когда были открыты симбиотические организмы (например, одноклеточные водоросли в клетках животных), то первое время для науки представлялось очень трудным решить вопрос, имеем ли мы дело с органоидами клетки или с организмами экзогенного происхождения. Сейчас к этим трудностям, связанным с изучением внутриклеточного симбиоза, мы возвращаемся на молекулярном уровне.

Необходимо еще упомянуть о фотосинтезирующих бактериях, которые обладают хлорофиллом. У настоящих клеточных организмов хлорофилл находится или в хлоропластах или в хроматофорах. Что касается бактерий, то хлорофилл у них сосредоточен в мельчайших зернышках.

3. Актиномицеты^[14] и сине-зеленые дробянки

Целый ряд форм живого очень близко примыкает к бактериям. Ближе всего к ним стоят актиномицеты, которые имеют ряд признаков бактерий и одновременно несколько похожи на грибы, хотя бы тем, что они обладают ветвящимся телом, похожим на мицелий грибов, и могут размножаться при помощи мелких спор, отделяемых от поверхности нитей, из которых состоит тело актиномицета (рис. 4). Актиномицеты подвержены действию специфических для них бактериофагов и способны к рекомбинациям. Однако все эти процессы, как и строение актиномицетов, изучены хуже, чем у бактерий. Мы можем сказать, что актиномицеты, как и бактерии, имеют сложного устройства оболочку, что аппарат, эквивалентный ядру, у актиномицетов очень похож на соответствующий аппарат у бактерий. Если генетическим анализом у бактерий пока обнаружена одна группа сцеплений т. е. локусов, которые все находятся в одной и той же нити ДНК, то у актиномицетов известны две такие группы сцепления, что позволяет предполагать существование у них двух нитей ДНК.

Если актиномицеты похожи на грибы, то другая группа организмов, близких к бактериям, так называемые сине-зеленые дробянки или сине-зеленые водоросли, ближе стоит к водорослям. Эти организмы, наряду с другими пигментами (например, пигментом, придающим синеватую окраску), содержат хлорофилл и являются фотосинтезирующими организмами. У нас нет, однако, никакого права эти организмы называть водорослями, потому что строение их очень сходно со строением бактерий, а не водорослей.

Они имеют оболочку довольно сложного химического состава, в которую входит столь характерная для бактерий мурамовая кислота. Хлорофилл распределен в периферических слоях клетки сине-зеленых дробянок, причем электронномикроскопические наблюдения показывают, что хлорофилл находится в небольших группах пластинок, похожих на те, которые являются главным структурным элементом хлоропластов, но в данном случае эти пластинки более или менее диффузно распределены в периферическом слое сине-зеленой дробянки. Что касается центральной части сине-зеленых дробянок, то именно там находится эквивалент ядра, который, как показывают некоторые наблюдения, как и у бактерий, состоит из тончайших нитей ДНК. В этой центральной части клетки сине-зеленых дробянок находятся глыбки различного рода запасных веществ. Итак, здесь снова отсутствует настоящее ядро, хотя и есть его эквивалент. Сине-зеленые дробянки изучены хуже, чем бактерии, в отношении их цитологии. Кроме того, мы имеем только одно предварительное указание о том, что, может быть, и у дробянок происходит процесс рекомбинации, как и у бактерий.

Более подробно изучить аппарат нитей ДНК у сине-зеленых дробянок пока не удалось.

4. Риккетсии^[15] и группа пситтакоза

Теперь мы перейдем к организмам, которые имеют очень большое медицинское и ветеринарное значение, потому что они являются возбудителями многих болезней. Положение этих организмов долгое время не могли точно определить. Мы имеем в виду риккетсии и организмы, принадлежащие к группе возбудителей пситтакоза.

Риккетсии долгое время считали близкими к вирусам, а возбудителя пситтакоза просто относили к вирусам. И то и другое нельзя считать правильным. Прежде всего риккетсии и возбудитель пситтакоза имеют в своих оболочках мурамовую кислоту. Свидетельством наличия этой кислоты в их оболочках является то, что они реагируют на пенициллин, как и бактерии, т. е. оболочка становится тонкой, протопласты вследствие этого сильно разбухают, организм становится шарообразным. Мурамовая кислота крайне характерна для дробянок. Уже этот признак позволяет отнести эти организмы к дробянкам. Кроме того, строение риккетсий очень похоже на строение бактерий. Некоторые риккетсии, как и некоторые бактерии, имеют слизистые капсулы кроме оболочек. У риккетсий обнаружены нуклеоиды. Риккетсии имеют ДНК и РНК, и вряд ли можно сомневаться в их связи с бактериями.

Что касается возбудителей пситтакоза, то они мельче риккетсий, их форма весьма меняется в зависимости от стадии развития. Эти организмы также имеют в своем составе ДНК и РНК и, по-видимому, также происходят от бактерий.

5. L-формы и цистицеты или микоплазма^[16]

Раньше мы говорили, что у бактерий в известных условиях оболочка может если и не полностью утрачиваться, то настолько изменяться, что теряет свою прочность и бактерия приобретает вид голого протопласта. Такого рода формы могут быть получены искусственно, но они также встречаются в природе и были названы L-формами, в честь Института имени Листера, где они подробно изучались. Мы снова вернулись к L-формам потому, что должны остановиться еще на одной группе довольно загадочных организмов. Впервые наука столкнулась с этими организмами при изучении плевропневмонии у рогатого скота.

В 1898 г. был выделен возбудитель этой болезни, и в дальнейшем оказалось, что целый ряд организмов, как паразитов, так и свободно живущих в почве и различного рода загрязненных водах, по строению похож на возбудителя пневмонии рогатого скота. Поэтому вся эта группа организмов получила название «pleuropneumonia-like organisms», что в переводе значит «организмы, похожие на возбудителя плевропневмонии». Хотя это громоздкое и неправильное название общепринято, эти организмы имеют и другие названия, более удобные. Иногда их называют цистицетами или микоплазмой. Всю эту своеобразную группу разных родов и видов относят к семейству Mycoplasmataceae (рис. 5). Эти организмы можно культивировать на искусственных питательных средах, но они очень трудны для исследования в силу своей большой хрупкости. Даже составить точное представление об их форме очень затруднительно, потому что, когда мы их наблюдаем под микроскопом, под влиянием различных условий форма сильно меняется.

Что касается внутреннего строения этих организмов, то оно мало изучено, однако химический состав некоторых цистицетов был определен. Так, один из них имеет на сухой вес 41,2% белка, 3,9% РНК, 1,9% ДНК, 2% липидов (жироподобных веществ). Таким образом, наличие ДНК свидетельствует о существовании у этих организмов способа передачи информации при помощи нитей ДНК, что свойственно и более высоко организованным существам. Недавно удалось исследовать под электронным микроскопом 15 разных видов микоплазмы. Представители этих видов имеют оболочку толщиной в 75—220 Å, состоящую из трех слоев. В цитоплазме можно видеть нити ДНК и рибосомы. В литературе возник спор, являются ли цистицеты самостоятельной группой организмов или же они только L-формы бактерий. Несмотря на существенное сходство цистицетов с L-формами, все же нет никаких доказательств в пользу происхождения их от L-форм.

6. Бартонеллии^[17]

Существует еще одна группа доклеточных организмов, которые также изучены недостаточно. Мы имеем в виду так называемые бартонеллии. Бартонеллии получили свое название в честь А. Бартона, исследовавшего в Перу одно инфекционное заболевание, часто оканчивающееся смертью, и погибшего от этой болезни во время опыта над самим собой. Бартон выделил мельчайший организм возбудителя этого заболевания.

В дальнейшем оказалось, что организм, который дал название всей группе, скорее бактерия и мало похож на других представителей ее. Тем не менее название сохранилось за всей группой. Бартонеллии не имеют ни оболочки, ни специальных органов движения, кроме открытого Бартоном организма, у которого есть и то и другое.

Бартонеллии — паразиты, обитающие главным образом на красных кровяных шариках различного рода млекопитающих. Очень часто этот паразитизм не связан с каким-либо внешним проявлением болезни, однако различные обстоятельства могут провоцировать проявление заболевания. Особенно верный способ вызвать проявления болезни состоит в удалении селезенки у животного, инфицированного бартонеллиями. Бартонеллии имеют размеры от 330 до 1010 ммк. Тело бартонеллий очень нежно. Они имеют ДНК и РНК. Более подробных сведений о строении бартонеллий нет, их большая нежность и хрупкость крайне затрудняют изучение их строения, а подробное изучение их химического состава затрудняется тем, что их не легко отделить от той среды, в которой мы их находим.

7. Вирусы^[18]

Теперь мы перейдем к следующей группе организмов, которые известны под названием вирусов. Относительно вирусов мы должны сделать следующую оговорку. В настоящее время многие вирусы получены в виде хорошо очищенных препаратов и очень хорошо изучено их строение, их химический состав, но мы, собственно, изучаем только одну стадию развития вирусов, которая сравнима со спорами других организмов, покоящуюся стадию, специально приспособленную к перенесению неблагоприятных условий внешней среды. Как и споры, вирусные частицы не обнаруживают никакой жизнедеятельности, никакой химической активности, и только тогда, когда вирусная частица попадает в клетку организма, здесь она начинает размножаться и проявляет бурную активность. О фазах развития вируса внутри клетки, когда он активен, известно мало. Поэтому, в сущности, почти все, что мы знаем о вирусах, относится к их споровой стадии. Это важно помнить потому, что методологически неправильно сравнивать вирусные частицы, или, как мы их называем, вироспоры с какими-то организмами, находящимися в процессе жизнедеятельности^[19]. Так как мы почти ничего не знаем о вегетирующих формах вирусов, то естественно возникает целый ряд вопросов.

Для того чтобы читатель мог себе составить представление о характере развития вирусов, приходится привести один пример, наиболее хорошо изученный. Целый ряд вирусов является паразитами бактерий. Они имеют общее название бактериофагов и весьма разнообразны по размерам, строению вироспор и даже весьма различны по составу. К этому вопросу мы еще вернемся, сейчас же рассмотрим только жизненный цикл одного только бактериофага Т₂, который поражает кишечную палочку. Тело вироспоры состоит из головки, имеющей форму гексагональной призмы, и отростка. Внутри головки находится плотно скрученная нить ДНК. Если головка имеет в своем поперечнике 60—80 ммк в высоту, то нить ДНК внутри Головки Достигает 50 мк. Отросток вироспоры заканчивается расширением, из которого при соприкосновении бактериофага с бактерией выходит колющий аппарат, вонзающийся в бактерию. Этот процесс связан с сокращением особых волокон, находящихся на поверхности ножки и одевающих ее как чехол. После того как бактерия повреждена, из вироспоры в бактерию выходит ДНК с небольшим количеством внутреннего белка, находящегося в этой нити ДНК. Что же касается оболочки, то она остается снаружи и может быть механически отделена от бактерии. После того как ДНК фага проникает в бактерию, начинается бурный процесс образования сначала РНК, соответствующей этой ДНК, а потом целого ряда ферментов. Так, под влиянием ДНК фага синтезируется более 20 различных белков, не свойственных бактерии. Под электронным микроскопом можно видеть разные стадии развития фага. Сначала накопляются нити ДНК фага, которые затем образуют закрученные комочки. Вокруг этих комочков формируются новые белковые оболочки вироспор фага. Этот процесс может быть истолкован двояко.

Очень многие считают, что когда в бактерию проникает ДНК фага, то информация этой ДНК заставляет бактерию переключаться на синтезы, необходимые для формирования вироспор фага. Нам такое понимание кажется излишне сложным. Гораздо проще предположить, что когда проникает в бактерию ДНК фага, то здесь развивается его вегетативная форма с теми ферментами, теми белками, которые необходимы для прохождения жизненного цикла фага, заканчивающегося образованием новых вироспор. Поскольку пока мы не можем отделить обмен вещества фага от обмена вещества бактерии, так как весь цикл развития фага проходит в бактерии, оба толкования формально одинаково правомочны. Одно из этих толкований отрицает существование каких-либо вегетативных форм фага и сводит все его существование к нитям ДНК, обитающим в теле бактерии или находящимся в том контейнере, который представляет собой белковая оболочка вироспоры. С точки зрения другого толкования можно говорить о существовании вегетативных форм фага.

Цитологические наблюдения, как мы видели, позволяют обнаружить в клетке бактерии процесс формирования фага Т₂. Однако в другом случае процесс формирования фага происходит внутри нуклеоида бактерии и цитологически не удается отделить нити ДНК, принадлежащие бактерии, от формирующихся нитей паразитирующего фага.

Если мы теперь обратимся к другим вирусам, то должны сказать, что при целом ряде вирусных болезней в поражаемых клетках (растений и животных) образуются так называемые Х-тела, или внутриклеточные включения^[20]. Обычно в Х-телах в процессе их развития и возникают вироспоры. Х-тела могут находиться в цитоплазме или ядре. Принято считать, что Х-тела являются реакцией клетки на проникновение паразита, при помощи которой она блокирует, локализует его развитие. Но возможна и другая точка зрения. Можно рассматривать Х-тела как вегетативные формы вируса, в которых идет развитие вируса. Под влиянием нитей вирусных нуклеиновых кислот возникают различные белковые вещества, в первую очередь ферменты, необходимые для развития вируса. Именно второе толкование автору статьи кажется более правильным. Однако до тех пор, пока не удалось доказать самостоятельность обмена веществ Х-тел, оба приведенных толкования формально являются одинаково правомочными.

Хочется здесь отметить, что если рассматривать частицы фагов, подобных Т₂, как вироспоры, то мы должны будем сказать, что споры фага являются очень сложными. Поэтому представляется очень невероятной точка зрения на фаги, как на вещества, а не живые тела. Мы вынуждены об этом говорить потому, что такая точка зрения все еще существует. Что фаги не являются простыми молекулами, как иногда выражаются, это видно не только из сложности их строения, понятной только биологически как приспособление к перенесению неблагоприятных условий и как приспособление к внедрению в клетку бактерии, но это видно и из химического состава фагов. Фаг Т₂ имеет вес 5∙10^—16 г; он содержит 40% ДНК, 1,1% путресцина и спермидина, представляющих собой полиамины, 1% полипептидов и 5—7% внутреннего белка; все остальное — это белковая оболочка вироспоры фага Т₂.

Нельзя было не сделать этого введения, так как необходимо было изложить, хотя бы в кратком виде, нашу точку зрения на природу вирусов. Если мы теперь обратимся к строению вирусов, то мы должны будем прежде всего привести номенклатуру, распространенную в мировой литературе. Частицы, которые мы обозначаем как вироспоры, обычно за последнее время называются вирионами. Нам кажется, термин «вироспора» более удачен, не говоря уже о том, что он предложен раньше, чем термин «вирион»^[21], потому что, когда мы говорим «вироспора», мы сразу определяем положение данных частиц в жизненном цикле организма и подчеркиваем их характерную особенность: невозможность обнаружить в них никакого обмена веществ, никакой биохимической активности, пока они не входят в соприкосновение с чувствительными к ним клетками. Белковая оболочка вирусной частицы называется капсидой, а отдельные элементы, из которых строится эта оболочка, называются капсомерами. Наконец, капсомеры сами построены из более мелких молекул белка. Вироспоры — или «вирионы» — очень разнообразны как по своим размерам, так и по форме, а также довольно значительно различаются между собой по своему химическому составу. Крупнейшие вирусные частицы имеют вес около 5∙10^—15 г. Это части вируса вакцины. Мельчайшие вирусные частицы имеют вес около 10^—17 г; мы имеем в виду такие, как некоторые вирусы бобовых растений, вирус костра (Bromus Sp.) и вирус ящура. Очень близок по размерам к этим вирусам вирус полиомиэлита.

В отношении химического состава мы можем различать следующие группы вирусов^[22]:

1. Вирусы, содержащие липиды: а) вирус, имеющий ДНК (вирус оспы, герпеса и др.), б) вирусы с РНК (вирус гриппа, птичьей чумы, саркомы кур, энцефаломиэлита лошадей).

2. Вирусы без липидов: а) вирусы с ДНК (большинство фагов, аденовирусы, вирус желтухи тутового шелкопряда), б) вирусы с РНК (вирус полиомиэлита, ящура, все известные вирусы, поражающие растения, а также некоторые бактериофаги).

К этому перечню необходимо добавить, что в вирусах встречается также целый ряд низкомолекулярных веществ. Так, например, в вирусе оспы обнаружен рибофлавин (витамин В₂), в вирусе мозаичной болезни табака найдено большое количество металлов — кальция, магния, железа, меди, стронция, бора, алюминия, хрома, марганца и никеля, а также небольшое количество диаминодипропиламина. Таким образом, вироспоры, уже по сложности их состава, мы не можем назвать молекулами, как это все еще иногда делается.

Из перечисленных важнейших составных частей вирусов следует, что вирусы никогда не содержат обе нуклеиновые кислоты. Вирус имеет в своем составе или ДНК или РНК, тогда как все остальные организмы имеют обе нуклеиновые кислоты. Вначале мы уже предостерегали от сравнения вирусных частиц с вегетирующими клетками. И высокоорганизованные клетки могут иметь на известных стадиях развития только одну из нуклеиновых кислот. Спермин рыб имеют в своем составе 50% ДНК от сухого веса и только 0,01 % РНК.

Что касается внутриклеточных включений (Х-тел), то в ряде случаев в них обнаружены и ДНК и РНК. Таковы полиэдрические включения при желтухе шелкопряда, тельца Гуаньери при оспе и т. д.

Обратимся теперь к строению вироспор. Начнем с рассмотрения более мелких вирусов, у которых вироспоры имеют кристаллическую белковую оболочку. Принято различать два типа этих вироспор. К одному из них принадлежат вироспоры спирального строения. В качестве примера мы можем привести вироспоры классического вируса мозаичной болезни табака (рис. 6). Палочка вируса мозаичной болезни табака построена из нити РНК, которая спирально закручена и как бы инкрустирована в белковую оболочку, имеющую также спиральное строение. Эта белковая оболочка образована молекуламижсом 17 506; всего^[23] таких молекул в палочке 2130. Они образуют так закрученную спираль, что в оболочке на каждый оборот спирали приходится 49 молекул. Известны также и другие вирусы сходного строения.

Вариацией того же типа строения являются нитевидные вирусы, к числу которых принадлежит Х-вирус картофеля и многие другие вирусы, поражающие растения. Вирусы, которым свойственно спиральное строение вироспоры, не могут освободить свою нуклеиновую кислоту без того, чтобы вся оболочка не была разрушена. Эксперименты показали, что под влиянием разных воздействий оболочка может быть разрушена, нуклеиновая кислота вируса освобождена, причем она сохраняет некоторую степень инфекционности и, проникнув в растение, репродуцируется. В конечном результате в этом растении снова формируются вироспоры с белковыми оболочками. Что касается белка, который мы снимаем с нити РНК, то под влйянием увеличения кислотности среды он может снова агрегировать и сложиться в палочку, внешне мало отличающуюся от вироспоры, однако не содержащую в себе нити РНК и не инфицированную.

Другая группа вирусов, образующих кристаллические вироспоры, имеет форму многогранника. Этот многогранник состоит из белковой оболочки, которая сама составлена из отдельных капсомер, причем у разных вирусов строение этого многогранника может быть различным и он может быть образован разным числом капсомер. Нуклеиновая кислота, находящаяся внутри такой оболочки, может довольно легко выскользнуть из нее, причем оболочка сохраняет свою форму, оставаясь пустой. И здесь не может быть и речи о сравнении вироспоры с молекулой, уже по одному тому, что связи белковой оболочки с нуклеиновой кислотой отнюдь не носят характера связи чисто химической, и скорее можно говорить о том, что нуклеиновая кислота механически заключена в оболочку, как в какой-то контейнер.

Мы видим, что вироспоры у ряда вирусов имеют кристаллическую белковую оболочку. Необходимо также упомянуть о том, что у многих вирусов вироспоры могут образовать различного рода агрегаты. Они могут складываться своими концами; если они палочкообразные, то они при этом образуют длинные нити; они складываются также бок о бок и т. д. В концентрированных растворах палочкообразные вироспоры очень легко образуют агрегаты, носящие характер жидких кристаллов или мезоморфных нитей, т. е. таких образований, где имеется упорядоченное расположение частиц в двух измерениях.

Вироспоры, однако, могут складываться и в настоящие кристаллы, где имеется упорядоченное распределение частиц во всех трех измерениях (рис. 7). Вот эти кристаллические формы вирусов и служили многим основанием для того, чтобы отвергать биологическую природу вируса. Между тем это совершенно неправильно. Нельзя думать, что кристаллическая форма исключает жизнь. Скорее наоборот, следует сказать, что и состояние жидких кристаллов, или паракристаллов, как говорят иначе, и кристаллическое состояние в очень большой степени свойственны самой живой протоплазме. Поэтому не следует удивляться, что мы сталкиваемся с ними у вирусов. Когда изучаешь вироспоры, покрытые кристаллической оболочкой, то невольно вспоминаешь слова Энгельса, который, описывая геометрически правильные раковины корненожек, пишет: «…Белок окружает себя, так сказать, своей кристаллической формой»^[24].

Обсуждая вопрос о значении кристаллического состояния вирусных частиц, я очень часто привожу цитату из Нидхэма, и не могу устоять, чтобы не привести ее и сейчас: «Жидкие кристаллы, как надо отметить, не потому важны для биологии и эмбриологии, что они обнаруживают некоторые свойства, которые мы можем рассматривать как аналогичные тем, которыми обладают живые системы, но потому, что живые системы являются действительно жидкими кристаллами или, как будет более правильно сказать, паракристаллическое состояние бесспорно существует в живых системах»^[25].

Способность вироспор образовывать различные упорядоченные агрегаты делает их даже моделью, которая как бы воспроизводит многие паракристаллические структуры в высших организмах.

В настоящее время очень детально изучен состав ДНК и РНК многих вирусов, а также аминокислотный состав белков, которые встречаются в вирусах. Так что с этой стороны вирусы могут считаться одними из самых изученных форм жизни. Исследование РНК и ДНК вирусов привело к открытию целого ряда своеобразных особенностей, из которых важнее всего отметить находку в ДНК фагов совершенно нового пиридинового основания, которое неизвестно ни у каких других форм жизни. У некоторых фагов вместо цитозина в ДНК входит оксиметилцитозин. Это основание, кроме того, связано с остатком глюкозы или даже с двумя остатками глюкозы.

Подобные соединения совсем неизвестны в других видах ДНК. Из особенностей нуклеиновых кислот вирусов следует также отметить находку у мелких бактериофагов ДНК в виде одной нити, которая замкнута в кольцо. У всех других известных нам форм жизни ДНК встречается в виде двойной спирально извитой нити. Когда фаг, вироспоры которого имеют только одиночную нить ДНК, размножается внутри клетки, то он, однако, образует двойные нити ДНК, как это известно для других организмов. В период, когда началась разработка учения о том, что в последовательности нуклеотидов в нитях ДНК заключен код, обеспечивающий закономерное распределение аминокислотных остатков в различных белковых веществах, вирусы были привлечены для того, чтобы понять этот код. Первоначально думали, что вирусы так относительно просты, что будет легко установить закономерности соотношения между составом вирусных нуклеиновых кислот и аминокислотным составом оболочки вироспор. Оказалось, однако, что соотношения здесь совсем не так просты. Прежде всего нить нуклеиновой кислоты вируса содержит гораздо больше информации, чем ее необходимо для синтеза оболочки вироспор. Так, например, белок оболочки вируса мозаичной болезни табака имеет только 154 аминокислотных остатка. Если код триплетен, т. е. каждая аминокислота детерминируется последовательностью трех нуклеотидов, то для обеспечения синтеза белка из 154 аминокислот нужно 154✕3, т. е. нуклеотида в нуклеиновой кислоте. В действительности же в нити нуклеиновой кислоты вируса табачной мозаики имеется 6500—7900 нуклеиновых остатков. Очевидно, нуклеиновая кислота вируса должна обеспечивать не только передачу информации о построении белковой оболочки вироспор, но и передачу информации для обеспечения всего жизненного цикла вируса, в который входит синтез многочисленных ферментов и т. д. К сожалению, как уже упоминалось, именно об этой части жизненного цикла вируса, когда он находится в клетке, мы знаем очень немного.

С особой тщательностью было изучено строение белка вируса мозаичной болезни табака и ряда его как спонтанных, так и искусственно полученных мутаций. Эта работа была проведена Витманом^[26]. Было установлено, например, что из 117 искусственно полученных мутаций при 82 мутациях белковая оболочка совсем не изменялась. Это лишний раз подтверждает, что информация, заключенная в РНК вируса, гораздо более обширна, чем та информация, которая нужна для белковой оболочки.

Эти работы дали возможность Витману провести целый ряд сопоставлений и сделать очень важные заключения относительно характера кода. Если одна аминокислота заменяется на другую, то это должно произойти в результате изменения в каком-то одном триплете одного из оснований—пуринового или пиримидинового. Мы не будем здесь входить в подробности метода, примененного автором. Скажем только, что эти данные оказались крайне близкими к тем, которые получены и прямым методом экспериментирования с различными полинуклеотидами, которые дали возможность установить большую часть генетического кода и показать, что определенные полинуклеотиды даже в пробирке стимулируют включение в белок определенных аминокислот.

Возникает принципиально очень важный вопрос: является ли у рассматриваемых здесь вирусов носителем инфекции только нить нуклеиновой кислоты или в передаче инфекции в какой-то мере участвует и белок? Этот вопрос важен потому, что его можно было бы сформулировать и так: может ли в цикле развития организма быть стадия, совершенно свободная от белка? При такой формулировке вопроса придется вспомнить, что у высших растений при оплодотворении яйца в него проникает нередко только одно ядро, которое относительно бедно белком, мало содержит РНК и много ДНК. Подобные же случаи известны и у других организмов. В яйцеклетку животных часто проникает только головка спермия, состоящая преимущественно из ДНК. Конечно, здесь отношения другие потому, что с материнской стороны организм получает остальное, но в большинстве случаев и отцовская и материнская стороны сообщают информацию в равной степени.

Возвращаясь к вирусам, надо сказать, что в отношении фага строго доказано, что внутренний белок, о котором речь шла выше, проникает в клетку бактерии вместе с ДНК. Предполагается, что это некоторый запас ферментов, совершенно, необходимых для начала процессов синтеза, нужного для построения фага. Что касается вируса мозаичной болезни табака, то препараты РНК, способные инфицировать растение, всегда содержат очень небольшое количество белка, до 1%. Является ли белок только примесью или он совершенно необходим для сохранения инфекционных свойств вируса, мы хорошо не знаем. Если мы теперь обратимся к более высоко организованным вирусам, то можно воспользоваться в качестве примера вирусом гриппа. Частица этого вируса имеет в поперечнике 1000 Å и весит около 10^—15 г. Оболочка этой частицы снабжена отростками в 100 Å высотой, а внутри находится не просто нить РНК, а нить РНК, соединенная с белком, которая образует большую спираль внутри частицы вируса гриппа. Еще более сложно строение наиболее крупного из известных нам вирусов — вируса осповакцины и других вирусов, принадлежащих к этой группе. Частица здесь имеет вид кирпичика, у которого более длинная сторона достигает 2700 Å, а более короткая сторона имеет около 2250 Å. Вес этой частицы равен 5,34∙10^—15 г. Частица вируса осповакцины подвергалась многочисленным морфологическим исследованиям. Размеры этих частиц лежат на границах доступного для световой оптики. Применяя особые методы окраски, их удалось увидеть под обычным микроскопом. Эти частицы получили название элементарных телец. При увеличениях, доступных световому микроскопу, они кажутся шарообразными. Под электронным микроскопом удалось не только рассмотреть внешний вид, но также и тонкости их строения. Частица осповакцины может быть при помощи особого микротома разрезана на большое количество ультратонких пластинок, и ее внутреннее строение становится доступным для наблюдения под электронным микроскопом. Эта частица имеет по крайней мере две оболочки. У внутренней оболочки есть два утолщения, которые лежат друг против друга. В центре частицы находится более светлая зона с кольцеобразными очертаниями. Это кольцо сдавлено посредине, что придает ему вид гимнастической гири.

Опыты по перевариванию ферментами показали, что кольцо переваривается только при совместных действиях протеолитических ферментов (пепсин и папаин) и фермента, деполимеризующего ДНК. Это дает основание думать, что кольцо состоит из ДНК и белка и является эквивалентом ядра. В последнее время путем пропитывания фосфорновольфрамовой кислотой получены новые подробности о строении вироспор ооповакцины. На самой поверхности этого тельца обнаружена спиральная нить, а внутри него три палочки. Значение этих образований пока неясно.

Обратимся теперь еще к одному вопросу, который касается вирусов. Одни из них имеют только ДНК, а другие имеют только РНК. Здесь снова мы стоим перед теоретически очень важной проблемой. Во-первых, может ли быть РНК самостоятельным переносчиком информации? С точки зрения одно время широко распространенных взглядов о монополии ядра в наследственности это могло бы представиться маловероятным. Однако мы сейчас хорошо знаем, что вирус, имеющий только РНК, в отношении передачи информации потомству никак не зависит от ДНК, хотя и не строит собственной ДНК. Таким образом, когда РНК данного вируса проникает в клетку, этого вполне достаточно, чтобы обеспечить весь цикл развития данного вируса, заканчивающийся зрелыми вироспорами. Что это так, доказывается целым рядом способов, и наиболее убедительное доказательство доставляет изучение действия антибиотика актиномицина Д на размножение вирусов, содержащих РНК. Актиномицин Д обладает способностью блокировать ДНК таким образом, что она не производит РНК-посредника. Вследствие этого в клетке, отравленной актиномицином Д, прекращается процесс синтеза белков и она не может делиться. Оказывается, что многие вирусы, содержащие РНК, никак не страдают от актиномицина Д: размножение вируса полиомиэлита совершенно беспрепятственно происходит в клетке, отравленной актиномицином Д. Точно так же, если подавить функцию ДНК при помощи рентгеновских лучен, то это не препятствует размножению вирусов, содержащих РНК. Эти факты показывают нам, что РНК может быть самостоятельным носителем наследственной информации, что мы знаем и из генетики высших организмов, поскольку известно, что цитоплазма обладает, кроме информации, которую индуцирует ядро, своей собственной наследственной информацией.

Если мы теперь обратимся к вирусам, которые содержат ДНК, то окажется, что они зависят от РНК в своем размножении. Наиболее, наглядно и раньше всего это было показано относительно бактериофагов. Когда бактериофаг заражает бактерию, то прежде всего синтезируется некоторое количество РНК. Эта РНК копирует ДНК фага, вернее, является дополнительной к ДНК фага. Она может образовывать гибридные нити с ДНК фага, но ни с какой другой, чем доказывается ее специфичность. Только после синтеза РНК начинается синтез белкового вещества. Таким образом, ДНК фага нуждается в РНК-посреднике, как и ДНК любой клетки.

8. Заключение

Мы познакомились с разнообразными формами живых тел, относительно которых можно сказать, что они имеют между собой по крайней мере то общее, что по своему строению они проще клеток. Мы видим, что эти формы очень разнообразны. Мы не стали обсуждать вопрос о происхождении этих форм жизни, потому что фактического материала для обсуждения такого вопроса пока весьма недостаточно. Эволюционное учение дает целый ряд примеров того, что кажущаяся простота организма не так уже проста, когда она носит вторичный характер. Поэтому мы не можем допустить, что паразитические организмы явились первичными, простейшими формами жизни. Может быть, ближе к простейшим формам жизни стоят, некоторые сапрофитные цистицеты, которые обитают в водах, богатых органическими веществами, и которые, может быть, являются потомками простейших организмов первобытного океана. Несмотря на большое разнообразие описанных форм, нельзя не заметить существования у всех этих организмов известной общности. Все они имеют аппарат, представляющий собой нить нуклеиновой кислоты. Одни из них имеют нити ДНК и нити РНК, как и настоящие клеточные организмы, другие имеют только нити ДНК или РНК. Этот аппарат у всех форм жизни находится внутри тех образований, которые мы изучали, хорошо защищенный, насколько это возможно для данного организма, от внешних воздействий оболочками разного строения и различного состава. Такое расположение этого аппарата биологически вполне понятно. Ведь именно он обеспечивает материальную связь поколений, именно он обеспечивает передачу информации от родителей к потомкам в наименее поврежденном виде.

В заключение следует остановиться на вопросе о том, какого же размера может быть самый маленький организм. Сложность явлений жизни предполагает известную сложность организации живых тел. Поэтому, очевидно, должна существовать граница, ниже которой количество молекул будет недостаточно для поддержания хотя бы самой примитивной жизнедеятельности.

Был сделан целый ряд попыток определить минимальное количество молекул и минимальные размеры организма, при которых возможна жизнь. Следует сразу оказать, что все относящиеся сюда попытки довольно условны.

Так, например, допускалось, что для процесса жизнедеятельности необходимо не менее 100 различных белков-ферментов. Оказалось также, что у всех до сих пор изученных организмов оболочки имеют не менее 100 Å в поперечнике. Исходя из этих соображений допускалось, что самая маленькая единица, способная к жизнедеятельности, должна иметь не менее 400 Å в диаметре. С другой точки зрения к этому вопросу подошел Э. Шредингер^[27], который обращает внимание на то, что клетка должна все время компенсировать процесс разрушения, вызываемый непрерывными тепловыми движениями. Чем клетка меньше, тем меньшее количество таких движений будет существенно нарушать всю систему. Поэтому, исходя из чисто статистических соображений, надо думать, что клетка имеет какие-то пределы в отношении размеров, ниже которых жизнь стала бы уже невозможной.

На основании всех этих соображений Г. Моровитц и М. Туртелотт^[28] считают, что минимальный размер живой клетки следует принять в 500 Å. В сухой массе такой клетки будет насчитываться около 1,5 млн. атомов. Эти исследователи изучали цистицет Mycoplasma gcillisepticum, который имеет в диаметре 1000 А и, по подсчетам авторов, может содержать только 1000 макромолекул.

Этот цистицет по своим размерам, как показали опыты по его фильтрации, лежит между вироспорами гриппа и вироспорами вируса вакцины. В микромире имеются и более мелкие вироспоры, как мы знаем. Однако следует учитывать, что вегетирующие протопласты нельзя сравнивать с покоящейся стадией. Покоящаяся стадия приспособлена к перенесению неблагоприятных условий и передаче информации следующим поколениям. Каковы же самые маленькие размеры таких покоящихся стадий? Иными словами, каковы размеры той частицы, при помощи которой устанавливается материальная связь между поколениями двух мельчайших организмов? Если мы будем рассматривать вирусы как организмы, проделывающие довольно сложный цикл развития в клетках, в которых они паразитируют, то мы должны будем вспомнить мельчайшие из них, например, вирус, вызывающий мозаику у злака костра. Молекулярный вес нуклеиновой кислоты этого вируса равен только 1 000 000. Таким образом, и информация следующему поколению передается при помощи этих сравнительно небольших частиц.

Изучение доклеточных форм жизни поставило перед наукой целый ряд новых вопросов. Каков предельно малый размер системы, в которой могут идти жизненные процессы? Какова предельная степень качественной однородности такой системы? Какова роль белков и нуклеиновых кислот в этой системе? Какие из простейших форм жизни могут считаться первично простыми и простота каких носит вторичный характер?

Несомненно, что дальнейшее изучение строения доклеточных организмов обогатит науку многочисленными новыми фактами, уточнит ответы на эти вопросы и будет способствовать дальнейшему усовершенствованию нашего представления о природе жизни.

1. М. Schulze. Über Muskelkörperchen und was man eine Zelle zu nennen habe. «Arch. Anat. Physiol.», 1861. ↑
2. P. Milowidov. Über die Wichtigkeit genauer Definitionen in der Zytologie. «Österreich. Botan. Zeitsch.», 1964, B, 111, S. 56. ↑
3. См. Б. Козо-Полянский. Новый принцип биологии. Л.—М., 1924, стр. 9. ↑
4. G. Schulz. Über den makromolekularen Stoffwechsel der Organismen. «Naturwiss.», 1950, B. 37, Hf. 9, 10. ↑
5. Нередко масса вирусной частицы выражается молекулярным весом, но так как вирусная частица не является молекулой, то о молекулярном весе ее можно говорить только условно. ↑
6. Литературу вопроса см. в кн.: М. Пешков. Сравнительная цитология сине-зеленых водорослей, бактерий и актиномицетов. М.—Л., 1966. ↑
7. Об оболочке бактерий см.: М. Sаllоn. Microbial calle walls. N. Y., 1960. ↑
8. М. Н. Мейсель, Т. Н. Кондратьева. Хондриосомный аппарат в клетках низших растительных организмов. «Микробиология», 1945, т. 14, стр. 244. ↑
9. Р. Дюбо. Бактериальная клетка. М., 1948, стр. 24. ↑
10. Я. Ф. Китаев. О строении бактерий. «Вестник микробиологии и эпидемиологии», 1922, № 1—2, стр. 146—153. ↑
11. А. А. Имшенецкий. Строение бактерий, М., 1940. ↑
12. Лизис — растворение. ↑
13. В. Рыжков. О так называемой инфекционной наследственности. «Вопросы вирусологии», 1960, № 5, стр. 515. ↑
14. См. А. Прокофьева-Бельговская. Строение и развитие актиномицетов. М.—Л., 1963. ↑
15. Подробности строения риккетсий см. в кн.: П. 3драдовский, Е. Голиневич. Учение о риккетсиях и риккетсиозах. М., 1952. ↑
16. Историю вопроса и подробности см. в кн.: В. Тимаков, Г. Каган. Биология L-форм бактерий. М., 1960; Е. Кlienеbeгger-Nobel. Pleuropneumonia-like organisms (PPLO). London, 1962. ↑
17. См. R. Wigand. Morphologische und serologische Eigenschaften der Bartonellen. Stuttgart, 1956. ↑
18. Более подробные данные о вирусах можно найти в кн.: «Молекулярные основы биологии вирусов». М., 1966. ↑
19. См. В. Рыжков Вирусы. В кн.: «Глазами ученого». М.— Л., 1963. ↑
20. См. «Атлас морфологии вирусов», под ред. А. Кравченко. М., 1951. ↑
21. В. Рыжков. Гипотеза о природе вирусных частиц. «Жур. общ. биологии», 1955, № 3, стр. 238. ↑
22. См. С. Knight. Chemistry of viruses. Wien, 1963. ↑
23. Этот расчет основан на принятии «молекулярного веса» вирусной частицы в 39,25✕10⁶. Если принять его равным 49,8✕10⁶, то число белковых молекул на одну палочку будет 2850 (К. Markham а. о. The anatomy of the tobacco mosaic virus. «Virology», 1964, v. 22, N 3, p. 342). ↑
24. К. Маркса Ф. Энгельс. Сочинения, т. 20, стр. 619. ↑
25. Т. Needham. Order and life. Cambridge, 1936, p. 157. ↑
26. Н. Wittman. Proteintersuchungen ап Mutanten des Tabakmosaikvirus als Beitrag zum Problem des genetischen Codes. «Zeit für Vererbungslehre», 1962, B. 93, S. 491. ↑
27. Э. Шредингер. Что такое жизнь с точки зрения физики. М., 1947. ↑
28. Г. Моровитц и М. Туртелотт. Мельчайшие живые клетки. В кн. «Структура и функции клетки». М., 1964. ↑