Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы

Многообразие и разнообразие живых систем поражает воображение. За все время эволюции жизни на Земле существовало колоссальное количество различных видов живых организмов: 750 - 800 млн., - причем большая часть из них прекратила свое существование. В настоящее время различные источники дают разные цифры по количеству всех видов существующих ныне живых организмов: в одних фигурирует цифра в 2 млн., в других 3 - 5 млн. К концу прошлого тысячелетия насчитывалось около 1,2 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Большинство исследований и классификаций живых организмов свидетельствуют о том, что общее число видов растений и животных, обитающих в настоящее время на Земле, равняется примерно 5 млн., причем подавляющее большинство современных живых организмов - это тропические насекомые, многие из которых еще не изучены. Однако, по мнению Р. Мэяиз Принстонского университета (Нью-Джерси, США), в приведенную схему расчетов следует внести коррективы, которые почти на порядок увеличат число организмов, существующих на Земле. Исследования обитателей тропических лесов показали, что только в тропиках имеется около 50 тыс. видов деревьев и примерно 30 млн. видов насекомых. Речь пока не велась о простейших видах живых организмов на Земле, которых более 50 млн.

Лучше всего изучены живые организмы, проживающие в умеренной зоне Европы и Америки, причем в атмосфере, а хуже всего - живые организмы Арктики и Антарктики, а также глубинных слоев литосферы и гидросферы во всех зонах и на всех континентах. Наибольшее число древних видов, проживающих или произрастающих на Земле уже несколько десятков, а то и сотен тысячелетий, находится в Новой Зеландии.

Ежегодно исследователи описывают в среднем один новый вид млекопитающих и три вида птиц, причем в основном это обитатели тропиков, зоны, которая сейчас наиболее широко исследуется.

Совокупность всех живых организмов на Земле действует как единая мощная сила, преобразующая поверхностные слои нашей планеты. Кроме того, все единицы биосферы взаимодействуют между собой, все они одинаково необходимы для поддержания целостного и устойчивого состояния биосферы, роль которой в химических и энергетических процессах на Земле необыкновенно важна (рис.19).

Биологическое разнообразие жизни на Земле

 

Рис. 19

Вирусы

В 1892 году русский ученый Д.И. Ивановский описал необычные свойства возбудителя болезни табака – так называемой табачной мозаики. Этот возбудитель проходил через бактериальные фильтры. Таким образом, здоровые растения табака можно заразить бесклеточным фильтратом сока больного растения. Через несколько лет Ф. Леффлер и П. Фрош обнаружили, что возбудитель ящура – болезни, нередко встречающейся у домашнего скота, также проходит через бактериальные фильтры. Наконец, в 1917 г. Ф.де Эррель открыл бактериофаг – вирус, поражающий бактерии.

Так были открыты вирусы растений, животных и микроорганизмов. Эти три события положили начало новой науке – вирусологии, изучающей неклеточные формы жизни. Лишь с помощью электронного микроскопа удалось увидеть эти мельчайшие из живых существ (от 20 до 3000 нм) и оценить многообразие их форм. Своё название вирусы получили от латинского слова virus – яд.

Вирусы играют большую роль в жизни человека. Они являются возбудителями ряда опасных заболеваний – оспы, гепатита, энцефалита, краснухи, кори, бешенства, гриппа и других. Вирусы обитают только в клетках, это внутриклеточные паразиты. В свободно живущем, активном состоянии они не встречаются и не способны размножаться вне клетки. В окружающей среде вирусы инертны и называются вирионы.

Если у всех клеточных организмов обязательно имеются две нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК, то вирусы содержат только одну из них. На этом основании все вирусы делят на две большие группы – ДНК-содержащие и РНК-содержащие. В отличие от клеточных организмов у вирусов отсутствует собственная система, синтезирующая белки. Вирусы вносят в клетку только свою генетическую информацию. С матрицы – вирусной ДНК или РНК – синтезируется информационная РНК, которая и служит основой для синтеза вирусных белков рибосомами инфицированной клетки.

Молекула ДНК вирусов или их геном может встраиваться в геном клетки хозяина и существовать в таком виде неопределенно долгое время.

Таким образом, паразитизм вирусов носит особый характер – это паразитизм на генетическом уровне.

Химический состав вирусов. Просто организованные вирусы представляют собой нуклеопротеиды, т.е. состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК и РНК) и нескольких белков, образующих оболочку вокруг нуклеиновой кислоты. Белковая оболочка носит название капсид (от лат. сapsa – вместилище). Примером таких вирусов является вирус табачной мозаики. Его капсид содержит всего один белок с небольшой молекулярной массой (рис.20). Сложно организованные вирусы имеют дополнительную оболочку, белковую либо липопротеиновую. Иногда в наружных оболочках сложных вирусов помимо белков содержатся углеводы, например у возбудителей гриппа и герпеса. Их наружная оболочка является фрагментом ядерной или цитоплазматической мембраны клетки-хозяина, из которой вирус выходит во внеклеточную среду.

Большая часть вирусов, вызывающих инфекции у человека и животных, имеет кубический тип симметрии. Капсид почти всегда имеет форму икосаэдра – правильного двадцатигранника с двенадцатью вершинами из равносторонних треугольников (рис.21).

 

 

Рис.20. Модель части ВТМ Рис.21. Капсомерный разрез вируса

 

Геном вирусов может быть представлен как однонитчатыми, так и двунитчатыми молекулами ДНК и РНК. Так, двунитчатая ДНК встречается у вирусов оспы человека, овец, свиней, аденовирусов человека, двунитчатая РНК служит генетической матрицей у некоторых вирусов насекомых и других животных. Широко распространены вирусы, содержащие однонитчатую РНК (вирусы энцефалита, краснухи, кори, бешенства, гриппа и др.).

Большинство вирусов построены по одному из двух типов симметрии — спиральной или кубической (рис.22).

 

Рис. 22 Примеры структур икосаэдрических вирионов

А. Вирус, не имеющий липидной оболочки (например, пикорнавирус).
B. Оболочечный вирус (например, герпесвирус).
Цифрами обозначены: (1) капсид, (2) геномная нуклеиновая кислота, (3) капсомер, (4) нуклеокапсид, (5) вирион, (6) липидная оболочка, (7) мембранные белки оболочки

 

 

Вирионы (отдельные инертные вирусные частицы) со спиральнойсимметрией имеют форму продолговатых палочек. В центре находится спирально закрученная нуклеиновая кислота. Капсид состоит из идентичных субъединиц белка, спирально расположенных вдоль молекулы нуклеиновой кислоты. По спиральному типу симметрии построено большинство вирусов, поражающих растения, и некоторые вирусы бактерий, так называемые бактериофаги или просто фаги (рис.23).

Существуют вирусы и с более сложным строением. Некоторые фаги помимо икосаэдрической головки, содержащей генетический материал, имеют полый цилиндрический отросток, окруженный чехлом из сократительных белков и заканчивающийся шестиугольной площадкой с шестью короткими выростами и шестью длинными фибриллами — нитями. Такая сложная конструкция обеспечивает впрыскивание генетического материала фага внутрь бактериальной клетки.

Взаимодействие вируса с клеткой. При образовании пиноцитозных вакуолей вместе с капельками жидкости межклеточной среды случайно внутрь клетки могут попадать и вирусы, циркулирующие в жидкостях организма. Однако, как правило, проникновению вируса в цитоплазму клетки предшествует связыванию его с особым белком-рецептором, находящимся на клеточной поверхности. Связывание с рецептором осуществляется благодаря наличию специальных белков на поверхности вирусной частицы, которые «узнают» соответствующий рецептор на поверхности чувствительной клетки. Участок поверхности клетки, к которому присоединился вирус, погружается в цитоплазму и превращается в вакуоль. Вакуоль, стенка которой состоит из цитоплазматической мембраны, может сливаться с другими вакуолями или ядром. Так вирус доставляется в любой участок клетки.

Рецепторный механизм проникновения вируса в клетку обеспечивает специфичность инфекционного процесса. Так, вирус гепатита А или Б проникает и размножается только в клетках печени, аденовирусы и вирус гриппа – в клетках эпителия слизистой оболочки верхних дыхательных путей, вирус, вызывающий воспаление головного мозга, - в нервных клетках, вирус эпидемического паротита (свинка) – в клетках околоушных слюнных желез и т.д.

Инфекционный процесс начинается, когда проникшие в клетку вирусы начинают размножаться, т.е. происходит редупликация (удвоение) вирусного генома и самосборка капсида. Для осуществления редупликации нуклеиновая кислота должна освободиться от капсида. После синтеза новой молекулы нуклеиновой кислоты она одевается синтезированными в цитоплазме клетки-хозяина вирусными белками – образуется капсид.

Накопление вирусных частиц приводит к выходу из клетки. Для некоторых вирусов это происходит путем «взрыва», в результате чего целостность клетки нарушается и она погибает. Другие вирусы выделяются способом, напоминающим почкование. В этом случае клетки организма могут долго сохранять свою жизнеспособность.

Иной путь проникновения в клетку у вирусов бактерий – бактериофагов. Толстые клеточные стенки бактерий не позволяют белку-рецептору вместе с присоединившимся к нему вирусом погружаться в цитоплазму, как это происходит при инфицировании клеток животных. Поэтому бактериофаг вводит полый стержень в клетку и выталкивает через него ДНК (или РНК), находящуюся в его головке. Геном бактериофага попадает в цитоплазму, а капсид остается снаружи. В цитоплазме бактериальной клетки начинается редупликация генома бактериофага, синтез его белков и формирование капсида. Через определенный промежуток времени бактериальная клетка гибнет и зрелые фаговые частицы выходят в окружающую среду.

Ни один из известных вирусов не способен к самостоятельному существованию. Лишь попав в клетку, генетический материал вируса воспроизводится, переключая работу клеточных биохимических конвейеров на производство вирусных белков: как ферментов, необходимых для репликации вирусного генома – всей совокупности его генов, так и белков оболочки вируса. В клетке же происходит и сборка из нуклеиновых кислот и белков многочисленных потомков одного попавшего в неё вируса.

Происхождение вирусов. Вирусы представляют собой автономные генетические структуры, неспособные, однако, развиваться вне клетки. Полагают, что вирусы и бактериофаги – обособившиеся генетические элементы клеток, которые эволюционировали вместе с клеточными формами жизни.