Господин Свещаров Биология за всички

Биология за всички

Книгата е предназначена за читателите, които се интересуват от постиженията на съвременните биологични науки. Увлекателно и заинтригуващо в нея се разказва за „молекулните пирати“ — вирусите, които заедно с микробите са наши врагове от незапомнени времена, и за усилията на учените да ги превърнат в приятели на човека. От книгата читателят ще научи много подробности около най-великото тайнство на живата материя — способността й да се самовъзпроизвежда, ще се запознае с интересни разкази за зеленото богатство на планетата, с последните постижения на космическата биология и медицина. Застъпени са и въпроси за стареенето на организмите, за ролята на имунната система, за опазването и възстановяването на околната среда и др. В края на книгата се говори и за епохалните постижения на молекулната биология, която разкри редица грижливо съхранявани тайни на живата материя.

Написана на лек, увлекателен и достъпен за всички език, книгата на Господин Свещаров „Биология за всички“ разкрива красотата на научните изследвания в областта на една безспорно водеща в световния научен фронт природна наука и показва усилията на биолозите да постигнат благоденствие на цялото човечество.

Предговор
В развитието на всяка наука има „златен“ век. За това че втората половина на нашето столетие е апогеят на биологичните науки и по-специално на молекулната биология, недвусмислено и много красноречиво говорят множеството Нобелови награди, с които бяха удостоени специалистите от тази област. През последните години по-големият брой Нобелови награди както по химия, така и по физиология и медицина бяха дадени за открития в областта на научни изследвания, допринесли за разгадаването на основните явления на живата материя на нашата планета. Така например Джеймс Уотсън, Френсис Крик и Морис Уилкинз бяха наградени за изясняването на структурата на „спиралата на живота“ — двуспиралния модел на дезоксирибонуклеиновата киселина (ДНК), в молекулите на която се пази цялата наследствена информация на всяко живо същество; С. Очоа и А. Корнбърг бяха наградени за осъществената от тях ензимна синтеза на нуклеиновите киселини; Ф. Бърнет и Р. Мидауер — за изясняването на ролята на нуклеиновите киселини при създаването на тъканна несъвместимост между организмите; А. Тод — за осъществяването на химичната синтеза на нуклеотиди; Ф. Жакоб, Ж. Моно и А. Лвов — за изясняването на регулаторните механизми при предаването на генетичната информация; М. Ниренберг, Р. Холи и Х. Г. Корана — за разшифроването на генетичния код; Б. Катц, Улф фон Ойлер и Ю. Акселрод — за сполучливото обяснение на релативните (относителните) молекулно-биологични процеси при синапсите и т.н.

В тази книга са описани постижения на биологичните науки, които са истински върхове в тяхното развитие. В първия раздел се говори за организмите от тайнствения и невидим с просто око свят на микрокосмоса — вирусите и микробите — и по-специално как съвременните учени се мъчат да превърнат болестотворните микроорганизми от врагове в приятели на човека. Вторият раздел на книгата третира все още неразгаданото окончателно най-велико тайнство на живата материя — способността й да се самовъзпроизвежда и трайно да предава наследствените си белези на бъдещите поколения. Третият раздел е посветен на важни въпроси от света на растенията, които така сполучливо осъществяват „зелен мост“ на енергията между Слънцето и всички земни същества. Четвъртият раздел включва въпросите на космическата биология и медицина, станали толкова актуални, откакто човекът овладя околоземното космическо пространство и стъпи на Луната. В последния, петия раздел на книгата се разглеждат такива важни и с изключително голямо значение за цялото човечество проблеми, каквито са тези за опазването и правилното възстановяване на околната среда, за стареенето на организмовия свят и опитите за продължаване на активната възрастова граница при хората, за регенерацията на тъкани и органи при животните и човека, за епохалните постижения на молекулната биология и по-специално на молекулната генетика, които разкриват необятни простори за качествено нови изследвания на живата материя, и др.

Както сами ще се убедите от изложеното в отделните глави на книгата, получените нови знания в областта на биологичните науки още в най-близко бъдеще могат да се използуват в интерес на цялото човечество, като намерят съответно приложение в медицината, селското стопанство, промишлеността и при овладяване на космическото пространство.

Тайнственият свят на микрокосмоса

{img:biologija_za_vsichki_f01_virus_na_tiutiunevata_mozajka.jpg|#Фиг.1. Електронномикроскопска снимка на вирусите на тютюневата мозайка.}

Ако разтворим пожълтелите страници на историята ще прочетем:

„През 165 година император Марк Аврелий пристигнал със своите легиони в Месопотамия, за да усмири бунта на гордите партяни. Една нощ обаче силна уплаха и безпокойство обзели пратениците на римските патриции — тежка болест с неимоверна бързина косяла редиците на римляните. Цялото тяло на разболелите се войници било покрито с безброй едри гнойни пъпки. Страшна отпадналост, главоболие и повръщане ги приковали към постелите. Голяма част от тях се мятали и бълнували или били в безсъзнание. Болните умирали масово. Започнало незабавно отстъпление, но оттеглящите се войници из целия път до Рим разнасяли черната зараза. Болестта не пощадила и Марк Аврелий.“

Тази страшна болест била вариола, или черна азиатска шарка. Тя е била известна от най-дълбока древност. От нея са загинали цели полкове на Александър Велики. От вариола най-много са страдали китайци и индуси. Тази шарка е била известна и в Египет, Арабия, Средна Азия, а през VI в. е била пренесена в цяла Европа, където в продължение на дълги години е вземала десетки хиляди жертви. Не са били пощадени видни личности, като Людовик XIV, Людовик XV, Петър I, Кайзер Йосиф I, принцеса Стюарт и много други.

През април 1918 г., когато Първата световна война била към края си, в пристанището Бретан (Франция) пристигнала с параход от САЩ подкрепа на американските войски. Но още щом стъпили на брега, новопристигналите войници били повалени на легло. Силна треска, болка в мускулите, ставите и костите измъчвала бойците. Всички имали затруднено дишане и силно главоболие, чувствували голяма отпадналост. Смъртта покосила 90 процента от заболелите.

Новата болест благодарение на разотиващите се по домовете си демобилизирани войници се разнесла с бързината на мълния из Европа, Азия, Африка, Нова Зеландия, Австралия и Канарските острови. В течение на две години заболели 550 милиона души, като 20 милиона от тях умрели. Болестта взела пет пъти повече жертви отколкото войната.

Тази страшна болест, отнела живота на милиони човешки същества и наречена тогава „испанска болест“ (само заради това, че всички сведения за болестта по това време идвали от неутрална Испания), се оказала грип. Болест, която също от най-дълбока древност е вземала големи човешки жертви и която днес съвсем неправилно смятаме за „лека“.

Вирусите поставиха пред човешкия разум едни от най-трудните за разрешаване проблеми. Затова толкова сложен път трябваше да извърви младата наука вирусология, докато успее да докаже кои точно свойства на вирусите им позволяват да поразяват смъртоносно всяко живо същество на нашата планета. Благодарение на упорити, продължителни изследвания с помощта на съвременна лабораторна апаратура и най-вече на електронния микроскоп, който увеличава обектите стотици хиляди пъти, учените установиха, че вирусите, тези доскоро неуловими „същества“, представляват комплекси от гигантски органични молекули. Те са по-малки от най-малкия микроорганизъм и по-големи от най-голямата химична молекула.

През тридесетте години на нашия век, използувайки сложни и остроумни методи, биохимиците успяха да докажат, че вирусите са комплекс на белтъци с нуклеинови киселини — т.нар. нуклеопротеиди. Едни от тях, каквито са растителните вируси например, съдържат в молекулата си само РНК (рибонуклеинова киселина), тези на животните — ДНК (дезоксирибонуклеинова киселина) или РНК, а бактериофагите — в повечето случаи само ДНК. Природата добре се е погрижила да защити вирусите: скрили зад плътната белтъчна обвивка наследствения си материал, те сполучливо могат да бъдат оприличени на средновековни рицари, спотаени зад дебелите стени на своите замъци.

В края на 50-те години на нашия век беше доказано, че инфекциозната съставка на вирусите са нуклеиновите киселини. През 1959 г. носителят на Нобелова награда Херши съобщи, че фагната инфекция в бактерийните клетки се причинява от ДНК. Тази гигантска молекула, която в живите клетки се съдържа предимно в ядрата, е тънка нишка с извънредно малко напречно сечение — около 20 Å (1 ангстрьом е равен на 1/10 част от милимикрона). Тя има форма на извита около дългата си ос стълба. Чрез последователно редуване на химичните съединения, които я съставят, в тази молекула е записана информация с колосален размер. Именно тук са „запечатани“ не само схемите, по които се изгражда всеки жив организъм от най-простия до най-сложния (т.нар. „генетичен код“), но и дори моделите на съединенията, необходими за съществуването на всяка клетка. Румънският учен Портокала показа, че изолирана от вируса на грипа РНК, също предизвиква заболяване на заразени клетки. Така беше доказано, че вирусите са абсолютни вътрешноклетъчни паразити. Когато те установят контакт с онези живи клетки, към които целият им ензимен апарат е нагоден да реагира, моментално се задействуват сложни биохимични механизми, позволяващи на вируса да навлезе в клетката.

Проникнал в клетката, вирусът започва да й диктува изпълнението на своята собствена програма. С помощта на всички клетъчни запаси той многократно възпроизвежда точни копия от нуклеиновата си киселина. Същевременно клетъчните „фабрики“ за белтъчна биосинтеза — рибозомите — усилено произвеждат белтъчните обвивки на „новородените“ вируси. Превърнала се в цех за производство на нови вируси, нападнатата клетка бързо изчерпва резервните си вещества и след кратко време загива. Ето как, веднъж попаднал в специфична за него среда — чужд организъм, вирусът го превръща безмилостно в арена на своята унищожителна дейност, на която той често няма сериозен противник (фиг. 2).

{img:biologija_za_vsichki_f02_fagi_v_kletka.jpg|#Фиг.2. Електронномикроскопска снимка на вируси (фаги), размножили се в бактерия.}

В наши дни вирусите все още продължават да предизвикват горещи спорове сред учените и дискусии по въпроса, дали тези убийци на клетките са живи същества. Голяма част от изследователите са на мнение, че макар при вирусите да липсват основните и най-важните свойства на живата материя, като например способност за самостоятелна обмяна на веществата и възможност за самостоятелно придвижване и растеж, те все пак притежават важното свойство на живата материя — способността да се самовъзпроизвеждат. Според други това са „същества“, притежаващи много от свойствата на кристалите и затова се намират на границата между живото и неживото.

Една от най-вълнуващите проблеми около вирусите е тази за техния произход — как са се появили и приспособили към свойствения им паразитен начин на живот?

По тази проблема мненията на учените са разделени. Според едни вирусите са се появили в определен етап от еволюцията на живата материя, когато се е обособил механизмът за образуване на идентични и същевременно специфични белтъчни молекули, функциониращ с участието на нуклеиновите киселини. Този именно процес впоследствие е довел до неминуемо обособяване на клетките. От друга страна, днешните вируси не съдържат в молекулите си нищо друго, освен генетична информация, заложена в молекулите на ДНК или РНК, които са обвити с белтък. А цялата вирусна частица (или още вирион) може да се оприличи на един комплекс от гени, способен да се придвижва — също като особен род блуждаещи хромозоми (фиг. 3). В простата организация на вирусите някои биолози виждат доказателство за това, че вирусите са продукт на забавена еволюция или, с други думи, те са съвременни потомци на първичните и най-примитивни същества (протобионти).

{img:biologija_za_vsichki_f03_virus_na_edrata_sharka.jpg|#Фиг.3. Електронномикроскопска снимка на вирусите на едрата шарка.}

Въз основа на изложеното може да се направи и друг извод: тъй като, за да се размножават, на вирусите са необходими клетки с всичките им сложни биологични системи, те не могат да се отъждествяват с първичните форми на живот. От това следва да се допусне, че вирусите някога са били някакви по-сложно устроени биологични системи.

В доказателство на последното предположение съвсем неотдавна изследователи от Пастьоровия институт в Париж и от Новосибирския медицински институт привеждат интересни факти. Те са сравнили вирусите с бактерии, които са много по-високо организирана жива материя. Така например постоянните обитатели на водите — камшичестите бактерии от рода Каулобактер — нападат и убиват други бактерии по начин, твърде сходен с този, по който бактериофагите навлизат в тялото на бактериите. Освен това по външен вид бактериите от род Каулобактер твърде много приличат на фагите — в единия си край имат израстък (камшиче), завършващ с 6 тънки нишки. Единствената разлика е в начина на проникване в избраната жертва — бактериална клетка: докато фагът впръсква в бактерията само генетичния си материал (ДНК или РНК), бактерията от род Каулобактер навлиза в него цяла и използувайки резервите на бактерийната цитоплазма, започва активно да се размножава.

Тези няколко сходни белега между фагите и представителите на паразитния род Каулобактер са накарали учените да направят примамливото предположение, че може би бактерийните вируси са произлезли от някои хищни видове бактерии. В процеса на една регресивна еволюция те са могли да си изработят и усъвършенствуват още по-фин и ефективен механизъм за паразитиране, тъй че днешните бактериофаги е достатъчно само да „инжектират“ наследствения си материал в бактерията.

Въпреки описаното очевидно сходство учените се въздържат да правят сериозни теоретични заключения, тъй като това предположение е направено въз основа на чисто морфологични аналогии и еднакъв механизъм на поведение. За да бъде доказано окончателно, ще бъдат необходими още много и задълбочени изследвания в това направление.

Безспорно вирусите са едни от най-интересните създания на природата. Чрез тях днес учените се мъчат да хвърлят светлина върху еволюцията на организмовия свят на нашата планета. Те са отличен генетичен модел за изучаване наследствеността на организмите и пак с тяхна помощ учените се надяват да разрешат основни проблеми на злокачественото израждане на клетките.

Неслучайно сега вниманието на големите научноизследователски колективи от биохимици, генетици, имунолози и пр. е приковано към света на победените и непобедените, привлекателно красиви и опасни същества, намиращи се на границата на живота.

Загадката „скрейпи“ и бавните вируси

Подобна болест е установена преди около два века и сред овцете и е наречена „скрейпи“ (от английската дума „скрейп“, която означава „чеша се“). Първоначално болестта била известна само в Западна Европа, но с износа на овце от Великобритания тя се разпространила в Австралия, Нова Зеландия, Канада и САЩ. Боледуват предимно чистокръвните животни. Болестотворните причинители са също непознати — никой до този момент не е успял да ги види напълно, независимо от това, че е използувана най-мощната увеличителна електронномикроскопска техника. Заболелите овце показват симптоми на прогресивно увреждане на нервната система, много сходни с тези на множествената склероза по хората. Първоначално животните започват да се държат странно: застояват се дълго време на едно място с втренчен поглед или лудо тичат срещу хора, кучета и дори срещу затворени врати. В по-късния период на болестта поразените животни неудържимо се чешат в оградите и дърветата. От кожата им се свличат цели снопчета вълна и най-накрая издъхват напълно парализирани. Смъртността от тази болест е много висока — понякога достига до 20% и това причинява големи загуби на фермерите (фиг. 4).

{img:biologija_za_vsichki_f04_fagi_napadat_bakterija.jpg|#Фиг.4. Електронномикроскопска снимка на вируси, нападнали бактерийна клетка.}

Първоначално се е смятало, че болестта „скрейпи“ е наследствена, но впоследствие се установило, че има инфекциозен характер с твърде мистериозен причинител. Той не се култивирал в тъканни култури и кокоши ембриони. До преди 30 години никой не би се усъмнил, че причинителят на болестта е някакъв непознат вирус. Той съответствувал на всички необходими медицински „стандарти“ — преминавал през ултрафилтри, задържащи бактериите, а филтърът, получен от болни тъкани (от мозъка на животното) и въведен в здрави животни, предизвиквал същата болест. Днес обаче учените имат много по-сериозни изисквания към претендентите за наименованието вирус. Те подложили този извънредно малък микроорганизъм на сериозни изпитания и изследванията показали наистина парадоксални резултати.

Този представител от света на ултрамикрокосмоса не загубвал жизнеността си дори при загряване до 120°C. Той не загубвал активността си и след обработване с ензими, разлагащи белтъците. Следователно, предположили учените, в него няма белтък. Тъй като са известни и „голи“ вируси, т.е. такива, които съдържат само нуклеинови киселини (ДНК или РНК), „скрейпи“ бил подложен на редица химични и физични въздействия, а също и на облъчване с ултравиолетови и рентгенови лъчи, при което всички вируси умират. За най-голямо учудване на учените „скрейпи“ запазвал болестотворните си свойства дори след облъчване с ултравиолетова светлина в продължение на 45 минути. При подобно облъчване другите вируси загиват след около две минути. Значи той не съдържа и нуклеинови киселини, а въпреки това може да се възпроизвежда в живите клетки! Неуловимият убиец останал жив дори и след като в продължение на 28 месеца прекарал в 12% разтвор на формалин, докато разтвор от 0,3% убива другите вируси.

Всичко това хвърли научният свят в голяма тревога. Оказва се, че възбудителят на болестта „скрейпи“ не съдържа нито нуклеинови киселини, нито белтъци! А днес и учениците вече знаят, че без нуклеинови киселини не е възможно предаването на наследствената информация, невъзможен е животът на земята. Тъй като въпросът за същността на „скрейпи“ е все още открит, това дава възможност да се пораждат хипотези, граничещи с фантастиката, и да се пали въображението на изследователите.

Беше изказано предположението, че разрешаването на проблема „скрейпи“ ще бъде толкова важен етап, колкото са откритията на Пастьор в микробиологията. Някои заговориха за нов тип още неизвестни на медицината болестотворни „същества“. И тъй като поведението на „скрейпи“ твърде много напомня поведението на една биологична структура — на клетъчната мембрана, — появи се хипотезата, че може би той е неин елемент, който по някакъв начин е придобил способност към самостоятелно съществуване. Малко по-късно се появи и въглехидратната (полизахаридната) хипотеза. В нея като напълно реална се разглежда възможността за самовъзпроизвеждане на базата на въглехидратите или, казано с други думи, „живот като форма на съществуване на въглехидратите!“. Но най-зашеметяваща беше хипотезата за т.нар. „ген на самоубийството.“ Някои биолози и медици смятат, че е възможно някъде в генетичния апарат на всяка жива клетка да е скрит такъв ген. Той се задействува само в изключително неблагоприятни положения, когато клетката стане ненужна или вредна за организма и трябва да загине.

Тъй като до този момент всички изброени хипотези не можаха да получат опитно потвърждение, появи се предположението, че „скрейпи“ е може би подобен на болестотворните агенти, които предизвикват т.нар. „бавни инфекции“, а самите причинители са наречени „бавни вируси“. Именно те предизвикват загадъчните болести, като лимфоцитния хориоменингит, склерозиращия паненцефалит, болестта на Кройцфелд-Якоб и някои други. Също както при тези болести, „скрейпи“ предизвиква скрито и хронично протичане на инфекцията, което изглежда е една от най-разпространените в природата форми за въздействие или по-скоро за паразитиране на вируса в клетките на даден организъм. Някои автори дори предполагат, че същността на „бавните инфекции“ не се дължи на природата на инфектиращите агенти, а по-скоро на особеното състояние на нападнатия организъм, който реагира бурно срещу инфекта с отделяне на голямо количество интерферон*, антитела и други средства. Не се изключва също така и възможността „скрейпи“ да се обединява с генома (наследствения апарат) на нападнатите клетки, както това правят някои онкогенни вируси, и затова не може да бъде изолиран в чист вид.

[* Белтък, който ограничава, но не възпрепятствува напълно размножаването на вирусите. Довежда до оздравяване на организма преди образуване на антитела (бел.авт.).]

Явно е, че предстоят още много трудни и задълбочени изследвания, докато бъде установена истинската природа на „скрейпи“ и неговия „лик“ се появи най-после на екраните на електронните микроскопи. Затова не трябва да се изненадваме, ако след известно време научната общественост бъде уведомена, че са открити нов клас различни от вирусите болестотворни агенти, сред които тайнственият „скрейпи“ да намери най-после полагаемото му се място.

Ще открият ли учените „вълшебни куршуми“ срещу вирусите?
В продължение на около 25 години съвременната биологична наука постигна забележителни резултати, които спомогнаха извънредно много за обезвредяването на редица болестотворни микроорганизми. За съжаление средствата за борба срещу отделни вирусни инфекции са все още твърде нерезултатни. Причината за това е, че вирусите са трудно достижими за оръжията на съвременната медицина, тъй като те се размножават вътре в клетките на нападнатия от тях организъм. Много лекарствени вещества, които могат да унищожат вирусите, увреждат непоправимо и самите клетки. Ето защо идеалното оръжие срещу вирусите ще бъде това, което би унищожило веществата, необходими за синтезата на нуклеиновите им киселини, и то с такава разделителна способност, че да не засегне нормалното съществуване на нападнатите клетки.

Как бе заблудена природата

Всеки метаболит изпълнява извънредно важна роля в този сложен обменен механизъм, чиито процеси се извършват на молекулно ниво. Затова често метаболитите биват сравнявани с малки, но извънредно важни бурмички в системата на сложна машина. И ето че на учените хрумна гениалната идея да заместят някои особено важни метаболити с антиметаболити. Те създадоха химични съединения — антиметаболити, които могат точно да прилагат като звена на една метаболитна верига, без обаче да са в състояние да изпълняват функциите на истинските метаболити. Ето няколко примера: антиметаболитът p-флуорфенилаланин измества метаболита фенилаланин; 2,6-диаминопуринът измества аденина; 8-азагуанинът измества гуанина и т.н.