автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: Развитие основных теорий происхождения и эволюции вирусов

Полный текст автореферата диссертации по теме "Развитие основных теорий происхождения и эволюции вирусов"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ИСТОРИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕХНИКИ ни. С.И. Вшитом

На пршах рупмгоа

ИЗМАЙЛОВА Елен» Станиславов!»

Р Г □ од

п

РАЗВИТИЕ ОСНОВНЫХ ТЕОРИЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ

ВИРУСОВ

Специальность 07.00.10 - история пауки и техники

Автореферат дпссерташпш на сопасание ученой степени кандидата биологических паук

Москва -1995

Работа выполнена в Институте истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова Российской Академии наук

Научный руководитель: академик РАН, профессор И.Г. Атабеков Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Э.Н.Мнрзоян

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Я.Я. Цилинский доктор биологических наук А.А. Аграновский

Ведущая организация: Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгслы ардга РАН

1995г. в

Защита состоится ¡¿¿Iй 1995г. в часов на заседании

Диссертационного совета "К 003.11.01" при Институте истории естествознания и техники РАН по адресу: 103012, Москва, Старопанский пер. д. 1/5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института. Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук

В.И. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вирусология является одной из приоритетных и практичерки важных областей современной биологии. В этой области знаний, перешагнувшей свой столетний рубеж, достигнуты значительные результаты. Однако наши представления о происхождении и эволюции главного объекта исследований - вирусов все еще ограничены. Несмотря на то, что эволюция вирусов является одной из давних проблем вирусологии, возникшей уже вскоре после идентификации вирусов как особого класса инфекционных агентов, она долгое время находилась в отрыве от основных тенденций развития Общей эволюционной теории живых систем. Это имело негативные последствия не только для развития теоретических ' воззрений " ' в вирусологии, но и для создания естественной систематики вирусов. Наметившийся в начале 80-х годов процесс "биологизации" вирусологии, призванный создать

теоретический базис вирусологии как научной дисциплины на основе эволюционных построений, требует детального анализа- ведущих тенденций развития представлений о происхождении и эволюции вирусов.

Рассмотрение основных направлений развития эволюционной мысли позволяет также осветить неизученные стороны истории вирусологии. Традиционно воззрения об эволюции вирусов отождествляют с представлениями об их происхождении. При этом вне рамок анализа, как правило, остаются две другие не менее важные составляющие эволюционных исследований: изучение эволюции. вирусов с экологической и генетической точек зрения.

Также требует исследования процесс проникновения вирусологических концепций в разработку таких проблем как происхождение генетической информации, становление генетической автономии клеточных структур, роль антропогенного фактора в эволюции биосферы, происхождение и поддержание генетического полиморфизма популяций и др.

По указанным вопросам уже накоплен большой фактический материал. Его интерпретация отличется чрезвычайным разнообразием и противоречивостью. Многие проблемы еще далеки от своего разрешения, не ясна и перспектива .их дальнейшего развития. В этой ситуации представляется крайне своевременным подведение итогов: исторически систематизированный анализ накопленного фактического знания, его критическая оценка с позиций достижений современной науки.

Цель работа - провести систематизированный анализ истории исследований в области происхождения и эволюции вирусов на протяжении XX века. В связи с этим предстояло решить следующие задачи:

выявить проблемы, разработка которых может стать основой для эволюционного синтеза в вирусологии; в связи с этим доминирует проблемный характер всего исследования.

проследить генезис наиболее важных эволюционных концепций в вирусологии.

- проанализировать экспериментальную и теоретическую аргументацию различных эволюционных концепций с целью демонстрации их обоснованности и уязвимости.

- выявить нерешенные вопросы, обозначить перспективы их решения.

Иоториография проблема. В настоящее время" в историко-научной литературе ¡¡с существует работ специально посвященных проблеме развития представлений о происхождении и эволюции вирусов. Литературные источники, затрагивающие данный вопрос, можно разделить на две группы. К первой из них относятся работы, в которых освещены вопросы развития представлений о Природе вирусов. Наболев полными из них являются книги А. Уотерсона и Л. Уилкинсон "Введение 'в историю вирусологии" (Waterson and Wilkinson, 1978), С. Хыоз "Вирус: история концепции" (Hughes, 1977), рукопись диссертации К.О. Россиянова "Формирование вирусологии как науки" (Россиянов, 1987) и статья Т. ван Хельвоорта "История исследований вирусов в XX веке: проблема концептуальной преемственности" (Van Helvoort, 1994). Однако во всех этих работах описывается первая половина XX века, когда представления о происхождении и эволюции вирусов носили чисто умозрительный характер.

Работы второй группы посвященны проблеме эволюции вирусов и включают краткие очерки истории проблемы. Среди наиболее значимых необходимо отметить вступительную главу к сборнику "Эволюционная биология вирусов", написанную редактором книги С.. Морзе (Morse, 1994) и первую главу монографии В.М. Жданова "Эволюция вирусов" (Жданов, 1990).

Принцип отбора материала. Основная масса источников отбиралась лутем выделения эволюционных исследований в общем потоке работ по вирусологии. Были просмотрены разделы "Вирусология" и "Эволюционное учение" реферативного журнала "Биология" с 1952 по 1994 год. Использованы компьютерные базы данных по биомедицинским

J

исследованиям "MEDLINE" за . период 1988-1994 гг. Для исследования проблемы в первой половине века были просмотрены журналы по общей и медицинской микробиЪлогии, а также генетике.

Использовались вторичные источники по истории микробиологии, генетики, иммунологии, молекулярной биологии (Foster, 1970; Sapp, 1987; Turner, 1980; Kay, 1993). Была прослежена история эволюционных идей в смежных областях биологии: микробиологии, паразитологии, биохимии (Чеснова, 1978; Мирзоян 1984; Гутина, 1992а; Гутина 19920).

Научная яовиаяа. В работе впервые проведен комплексный историко-теоретический анализ формирования и современного состояния • олюционного направления в вирусологии. Были рассмотрены следующие проблемы! происхождение вирусов, экологические аспекты и генетические механизмы их эволюции. В исследовании выявлена логика в развитии эволюционных проблем, введена предметно-логическая рубрикация. На основе проведенного автором анализа вскрыты актуальные нерешенные проблемы в области .эволюции вирусов; показана необходимость и возможные ■1 пути дальнейших экспериментальных и теоретических

исследований.

Практическая цешгоста.. Материалы диссертации используются для подготовки плановых тем в секторе истории биологии Института истории естествознания и техники РАН. Материалы могут быть использованы как историками науки, так и специалистами - вирусологами, молекулярными биологами,, эпидемиологами, а также преподавателями и студентами вузов при изучении курсов истории биологии, вирусологии, молекулярной биологии, эпидемиологии.

Апробация работа. Основные разделы были положены в основу докладов, прочитанных автором на Международном симпозиуме "Научное наследие Луи Пастера и современность" (Москва, 1995), конференции "Образ науки у ученых* власти и общества" (Санкт-Петербург, 1994), , XXXV конференции аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники (Москва, 1993), V конференции Молодых ученых-науковедов и историков науки (Киев, 1993), на годичной итоговой . конференции Института истории естествознания и техники РАН ■ (Москва, 1995), на заседаниях секции истории естествознания Московского общества испытателей природы, Московского общества истории медицины и сектора истории биологии Инс итута истории естествознания и техники ГАН.

Основные положения, защищаемые в работе.

1. Процесс возникновения и развития эволюционных идей в вирусологии, качественно отличный от такового'в других областях биологии, до сих пор не приобрел статуса самостоятельной области исследования.

2. Детальный анализ всей совокупности информации о происхождении вирусов, экологических аспектах и молекулярно-генетических механизмах их эволюции позволяет заключить, что на его основе открываются новые возможности не только для исторического критического анализа существующих в данной области положений, но и для выявления новых приоритетных направлений, а также актуальных, ждущих своего решения проблем.

3. Развитие основных теорий происхождения вирусов, являясь самым старым направлением в эволюционной тематике в вирусологии, стало кристаллизующей основой для развития других направлений эволюционных исследований! экологического и молекулярно-генетического.

4. Экологическое направление изучения эволюции вирусов, возникшее на стыке эпидемиологии и синтетической теории эволюции, является наиболее биологически ориентированным в вирусологии и неоправданно недостаточно разработанным в настоящее время. Неадекватное развитие экологического подхода по сравнению с молекулярно-генетическим привело к явному отставанию вирусологии в решении проблем общебиологической значимости, таких как создание естественной систематики вирусов.

5. Наиболее бурно развивающимся направлением среди эволюционных исследований в вирусологии и накопившим самый обширный материал является изучение генетических механизмов эволюции вирусов. Основным негативным фактором в его развитии является отсутствие биологической интерпретации получаемых данных.

Структура диооертации. Диссертация изложена на 135 страницах и состоит из введения, трех глав, заключения и выводов, а также списка цитированной литературы, включающего 412 названий.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ПО ГЛАВАМ

Глава X. Развитие оаповвых теорий проиохождения вйруаов

I. 1. Формирование основных теорий происхождения вируоов

Основой теория, рвгрваоявнсго происхождения стала теоретическая интерпретация технических трудностей исследования вирусов стандартными микробиологическими методами. Вирусы проходили через фильтры, задерживающие хорошо известные бактерии (Ивановский, 1892; Beijerink, 1899; Loeffler, Frosh', 1898), их нельзя было наблюдать в световой микроскоп (Guarnieri, 1892; Goodpasture, 1929) и не удавалось культивировать вирусы на искусственной питательной среде (Twort and- Ingram, 1912). Эти положнения стали отправной точкой для формирования представления о вирусах как чрезвычайно малых бактериях, культивирование которых требует специального подбора сред, а их происхождение, в изложении Ш. Николя, связывалось с регрессивной эволюцией бактериальной клетки, сопровождающейся потерей отдельных жизненных функций'(Nicolle, 1930).

Отмечен вклад в разработку данной теории Ф. М. Бернета, который предложил считать вирусы организмами, обладающими двумя важнейшими чертами живых существ, наследственностью и изменчивостью (Burnet, 1945), дав тем самым общебиологическую интерпретацию теории регресса.

Основное положение гворхя эндогенного происхождения состоит в том, что источником происхождения вирусов является клетка организма хозяина. Отличительной чертой развития данной теории стало то, что она разрабатывалась преимущественно исследователями, работавшими в смежных областях биологии. Для них изучение свойств вирусов являлось не целью исследования, а Сьшо связано с поиском удобных объектов для решения . проблем клеточной физиологии, генетики и т.д. ,

Идея происхождения вирусов из материала незараженной клетки зародилась в конце XIX века в ходе исследований роли ферментов в физиологии клетки. В 1899 году А* Вудсу (Woods, 18 99) удалось индуцировать симптомы мозаичной болезни путем инъекции стерильного раствора пероксидазы в растения табака. В связи с этим Вудсом был сделан вывод о том, что вирус является клеточным ферментом, который способен под воздействием неблагоприятных условий вызывать мозаичную болезнь. Изначально теория эндо: иного происхождения не завоевала особой популярности, т.к. она •противоречила постулату Пастера о невозможности

спонтанного возникновения возбудителя инфекционного заболевания (Pasteur, 1878).

Новая волна интереса к теории эндогенного происхождения, которая принесла ей широкую известность, относится к середине 20-х годов, когда вирусы оказались в фокусе внимания генетиков. Идеи классической генетики, проникавшие во все области биологии, не могли не отразиться на вопросе происхождения вирусов. Вирусы стали рассматриваться как "осколки" клеточных генов, вышедшие из-под контроля клетки и размножающиеся в огромных количествах (Duggar, Armstrong, 1923).

К началу 40-х годов сложилось довольно противоречивое представление о природе и происхождении вирусов (Rivers, 1939). Вирусы животных рассматривались как высоко паразитические бактерии. Вирусы растений и фаги стали считаться продуктом нарушения метаболизма клетки, после того, как для них было открыто нуклеопротеиновое строение (Bawden at al., 1936; Northrop, 1938), сближающее их с хромосомами. Тем самым, ни одна из вышеуказанных теорий не давала исчерпывающего объяснения всех описанных свойств вирусов, что логически требовало поиска новых путей для решения проблемы.

Стимулом этого поиска стало открытие Т.Соннеборном цитоплазматической наследственности у парамеций (Sonneborn, 1943). До 1943 года вирусы являлись одним из немногих экспериментально доказанных случаев передачи наследственных свойств цитоплаэматическиыи образованиями. Открытие Соннеборна вызвало широкий резонанс среди биологов и было осмыслено не только с генетической, но и эволюционной точки зрения. К. Дарлингтон предложил рассматривать вирусы как ллазмагены,

самовоспроизводящиеся структурные единицы цитоплазмы, приобретшие патогенные свойства под воздействием неблагоприятных факторов внешней среды (Darlington, 1944). Такой ламаркистский подход не мог не вызвать протеста со стороны эволюционистов дарвиновского направления. Дж. Хаксли (Huxley, 1944) предложил считать вирусы отдельной ветвью эволюции органического мира, ведущей свое начало от доклеточных стадий эволюции. Так возникла теория прожахожденжя вирусов от дохлеточних форм жязня, которая > однако также не получила широкого признания в то время, когда о происхождении самой клетки било известно довольно мало.

Несмотря на то, что основные теории происхождения концептуально оформились в первой половине XX века, они неизбежно оставались чисто спекулятивными, поскольку

теоретические представления о природе вирусов складывались при условии отсутствия данных о молекулярно-генетических основах процесса взаимодействия вируса yi ■клетки. Подобная умозрительность основных положений вышеупомянутых теорий проанализирована на примере "развития" представлений о природе и происхождении вирусов в СССР в период господства доктрины Лысенко.

X. 2, Формирование современного понятии "вируа*

Формирование современного понятия "вирус" является своеобразным водоразделом в истории вирусологии, .т.к. в ходе его определились те основные черты, которые выделяют вирусы как особую форму биологической организации. . В данном процессе необходимо выделить три основополагающих момента. Во-первых, была расшифрована природа лизогении (Lwoff, 1953). . Во-вторых, доказана инфекционность нуклеиновых кислот вирусов (Hershey, Chase, 1952; Gierer, Schramm, 1956) . В-третьих, открытие фазы эклипса (вирусная частица исчезает как инфекционное начало) в ходе инфекционного цикла (Hoyle, 1948; Doerman, 1948), привело' к отказу большинства исследователей от основного постулата первой половины столетия, согласно которому вирусы, как и остальные микроорганизмы, размножаются путем бинарного деления. Таким образом, в понимании природы вирусов произошел переход от парадигмы "размножения", характеризующей вирусы как микроорганизмы, к парадигме "репликации", в рамках которой признается, что в ходе вирусной инфекции происходит разрушение генетического аппарата клетки и замещение такового вирусным (Luria, 1950).

X. 3. Трансформация оаковннх теорий происхождения вирусов на оонове нового понятия "вирус"

Такая трансформация представлений о природе вирусов в корне изменила взгляды на их происхождение. Теория рагрвааивного прояахожденяя потеряла привлекательность после того, как было доказано неклеточное строение вирусов и, тем самым, проведена грань между вирусами и внутриклеточными паразитами бактериальной природы. В то же время была реанимирована теория прояахожденяя вирусов ov доклеточнах форм жхзяя. Этому во многом способствовало складывание центральной догмы молекулярной биологии (Crick, 1958). РНК-содержащие вирусы оказались в центре новой фундаментальной проблемы происхождения генет: 1есксй информации. Их геном, в отличие от клеточного, обладает чертами реликтовой генетической системы, совыещаюаей в

s

себе одновременно функции репликации и трансляции (Rich, 1959). Наиболее существенный вклад в развитие упомянутой теории был внесен работами лаборатории под руководством С. Шпигельмана (Haruna, Spielgeman, 1965/ Mills at al., 1967; Kacian at al., 1971), продемонстировавшими наличие дарвиновского отбора в ходе репликации фага Qß в бесклеточной системе. Однако такая точка зрения встретила серьезные возражения, т.к. Qß-репликаза "не может в принципе рассматриваться в качестве модели предбиологической эволюции, поскольку сама является продуктом трансляции при участии рибосом и транспортной РНК" (Demetrius, 1984, с. 6084). Поэтому теория происхождения вирусов от доклеточных форм жизни вновь не получила широкого признания.

Теория эндогенного прокахождвнял заняла доминирующее положение, т.к. после открытия неклеточного строения вирусов их происхождение из клеточных структур казалось наиболее вероятным (Лурия, Дарнелл, 1970; Мэтыэз, 1973).

I. 4. Формирование современного представления о проиахождении вируаов

80-е годы отмечены в вирусологии исследовательским бумом, который затронул также и вопросы происхождения и эволюции вирусов. Новая волна интереса была вызвана использованием принципиально новых методов исследования, среди которых нужно отметить методы генетической инженерии (Маниатис и др.> 1984; Уотсон и др., 1986), быстрого секвенирования нуклеиновых кислот (Sanger, Coulson, 1975; Maxam,' Gilbert, 1977) и компьютерного анализа нуклеотидных последовательностей (Feng at al., 1985).

I.4.1. Вирусный предшественник

В 1980г. Г. Теминым Сьша выдвинута проретровирусн'ая гипотеза, согласно которой ретровирусы произошли из мобильных генетических элементов (МГЭ) (Temin, 1980). Основой для ее формирования стали данные сравнительного анализа структуры различных МГЭ . и ретровирусов. Проретровирусная гипотеза была, по сути, первой в многолетнем споре о приосхожде нии вирусов, прочно базировавшейся * на экспериментальных данных, и, естественно, оказала сильное влияние на вирусологов. На ее основе были предложены схемы происхождения вироидов и РНК-содержащих вирусов (Zimmern, 1982; Kieffer at al., 1983).

Однако, проретровирусная гипотеза была построена на ограниченном количестве фактов и время внесло свои коррективы и в эту концепцию. Она подверглась ревизии, когда стали известны первичные структуры геномов различных ретроэлемэнтюв (Hull, Covey, 1986; Boeke, Corees, 1989; Inouye, Inouye, 1991), а также была открыта каталитическая активность РНК (Altman, 1980; Cech, 1986). В ключе открытия этого нового необычного свойства РНК были пересмотрены взгляды на происхождение генетической информации. Было выдвинуто предположение, что каталитическая функция РНК явилась предпосылкой для начала функционирования обратной транскриптазы, (Holland, Blake, 1987) и переходу от РНК-содержащего генома к ДНК-содержащему. Для подтверждения этой гипоте.зы был проведен филогенетический анализ всех элементов, использующих в своем цикле обратную транскрипцию (Weiner, Maizels, 1987; Poch at al., 1989; Xiong, Eickbush, 1990; Eickbush, 1994). Результаты этих работ, легли в основу современного представления о происхождении вирусов, которое является синтезом теории эндогенного происхождения вирусов и теории ' происхождения их • от доклеточных форм жизни. Согласно этой концепции первый настоящий вирус, способный к выживанию вне клетки, возник с появлением этой клетки. Источником и вируса и клетки стала самореплицирующаяся РНК, содержащая набор репликативных генов.

1.4 .2. Филогения основных групп вирусов

Проблема дальнейших путей эволюции вирусов стала доступной для исследования по мере накопления информации о первичных структурах различных вирусных генов. Основой для ее решения - является построение филогенетических древ полимераз, - наиболее консервативных вирусных белков. Применение такого подхода неожиданно выявило филогенетическое родство меязду вирусами, принадлежащих к разным систематическим группам (Kamer, Argos, 1984), что предполагает их происхождение от общего предшественника. На основе критического анализа работ, описывающих филогенетические отношения между позитивными рибовирусами (Habiii,. Simons, 1989), вирусами с геномом в виде двуспиральной РНК (Bruen, 1991; Koonin, 1992), РНК-содержащими вирусами с негативным геномом (Tordo at al., 1992) и ДНК-содержащими вирусами (Ito, Braithwaite, 1991; Heringa, Argos, 1994) отмечены недостатки методов, используемых для филогенетического анализа в виру элогии и сделан вывод о правомерности отрицания современной •систематикой вирусов эволюционного основания.

Несмотря на долгий путь, пройденный этой областью знаний, в ней остается много нерешенных вопросов. Трудности в изучении проблемы происхождения вирусов вызваны двумя основными причинами: отсутствием палеонтологических данных и Несовершенством Методов исследования, не способных пока восполнить палеонтологический пробел.

Глава XI. Развитие экологического направленной иасшедоваыия эволюции вирусов

II.1. Предпоаылки формирования вкологалеакогчз направления

Одной из теоретический предпосылок возникновения работ данного направлений яьляется представление о специфичности возбудителей, Сформировавшееся при изучении клиники различных заболеваний (Carter, 1931; Mote, 1943; Dixon, 1962; Paul, 1971) . Другой важной предпосылкой стало представление об изменчивости возбудителей инфекционных болезней, сложившееся при вакцинации против оспы (Jenner, 1798) и бешенства (Pasteur, 1885).

Несовершенство методов исследования в первой половине XX века, когда зачастую было невозможно отделить вирус-возбудитель от агентов вторичной инфекции, сдерживало изучение их экологии. Экспериментальным прорывом в этой области стала методика выращивания вирусов на курином эмбрионе (Woodruff, Goodpasture, 1931), позволившая накапливать вирус в высоком титре, свободным от бактериального загрязнения. Не менее важным оказался и метод однослойных культур ткани (Enders at al., 1949).

II. 2. Формирование экологического направления в 30-50-е годах

Важное значение для формирования экологического направления имели бактериологические исследования первой половины XX века, лидирующую роль в которых играл Пастеровский институт. Первая концепция эволюции возбудителей инфекционных заболеваний в связи с проблемами их экологии была представлена Ш. Николем, директором Института Пастера в Тунисе (Nicolle, 1930). В ней были выдвинуты два важнейших тезиса. Во-первых, возбудитель любой инфекционной болезни изменяется со вроменом, т.е. эволюционирует. Во-вторых, • основным стимулом эволюции человеческих инфекций является развитие цивилизации, создающее• благоприятные условия для их распространения.

Эта традиция была продолжена Ф.М. Бернетом в книге "Вирус как организм" (Burnet, 1945). Вернет соединил данные по эпидемиологии вирусов с основными положениями нарождавшейся в то время синтетической теории эволюции. Вернет рассматривал вирус как организм, занимающий определенную экологическую нишу, В последней он выделил три уровня: клеточный, организменный и популяционный. Эволюция вирусов в его интерпретации выглядела как динамика взаимоотношений паразит-хозяин. Среди факторов, влияющих на данный процесс, им были выделены структура и численность популяции хозяев, роль цивилизации как основного фактора, способствующего возникновению новых вирусных заболеваний И Др. Указанные положения стали основой нового направления в вирусологии - экологии вирусов

II. 3. Формирование специфической проблематики в области

экологического подхода изучения эволюции вирусов в 60-70-е годы и ее дальнейшее развитие

Несмотря на то, что для изучения эволюции вирусов был создан ' надежный биологический базис, дальнейшее исследование их экологии столкнулось со значительными трудностями, Необходимо было выделить характеристики, сравнительный анализ которых мог бы дать основу для эволюционных построений. Такие фенотипические признаки как вирулентность, морфология бляшек лизиса в культуре клеток являются непостоянными. Своеобразие проблематики в описываемый период определялось поиском ' стабильных признаков.

II. 3.1. Эволюция механизмов передачи вирусов

Идея о том, что вирусы могут эволюционировать путем смены механизма передачи, впервые была высказана К. Эндрюсом (Andrewes, 1957). Самыми древними были признаны вирусы, передгисщнвая а помоггью членистоногих, -ар&овируаи.

От вирусов, передающихся с помощью членистоногих, произошли вируса о ячсокреционяо-аекрецхониын механизмом передачи (Andrewes, 1957). Это положение основывалось на том, что данный процесс иногда наблюдается в природе (Львов, Лебедев, 1974).

Гипотеза о происхождении арбовирусов от вирусов насекомых не встречала серьезных возражений в 60-70-е годы, когда были известны единичные вирусы насс<омых. Сейчас она представляется весьма спорной, поскольку практически все арбовирусы обладают РНК-содержащими

геномами, а вирусы, поражающие насекомых, - Д11К-содержагдими (Scott at al., 1994}. В настоящее время, .когда разработан комплекс методов, позволяющий сравнивать нуклеотидные последовательности генов (Hafner, Nadler, 1990), открылась возможность сопоставить филогению вирусов и их переносчиков. Такой сравнительный анализ мог бы дать важную информацию не только об источниках возникновения арбовирусов, но и о направленности их эволюции. '

II.3.2. ЗвОЛ53ЦИЯ а&агШООТХЮШеКИЙ вируо-ховшш

Как . полагал Вернет, отношения вирус-хозяин должны изучаться в рамках организменного уровня экологической ниши. С данной точки зрения процесс , выглядит как коэволюция вирулентности вируса и факторов резистентности хозяина. Результирующей взаимодействия является установление таких отношений, при которых вирус не наносит ощутимого вреда хозяину (Burnet, 1945).

В дальнейшем этот вывод нашел подтверждение в ходе широкомасштабной борьбы с кроликами в Австралии в 195052гг. с помощью вируса кроличьего миксоматоза. После первого заражения кроликов в Д950г. мера показалась чрезвычайно эффективной - смертность достигала 80%. Однако дальнейшие события стали развиваться в нежелательном направлении. Новые популяции кроликов приобрели устойчивость к инфекции, а степень вирулентности циркулирующего среди них вируса снизилась (Mykytowycz, 1953).

Феномен с австралийскими кроликами получил название "эволюции в действии" и во многом способствовал укоренению бврнетовских взглядов. Однако в эту схему не укладывались многочисленные факты острого течения инфекций. Не давала она также объяснения важному явлению, давно замеченному врачами, - цикличности развитая впидвмичеакоро процеоаа.

Первое биологическое объяснение этого явления дал К. Эндрюс, указавший на то, что сниженная вирулентность благоприятствует только сохранению вируса в индивидуальном организме, и одновременно уменьшает вероятность передачи от хозяина к хозяину (Andrewes, 1960). Поэтому ' в эволюционном отношении наиболее совершенен тот вирус, у которого "установился цикл чередования периодов активности и покоя" (Эндрюс, 1969, с. 232) . Таким образом была показана необходимость преимущественного изучения эволюции вирусов на популяционном уровне.

II.3.3. Роль антропогенного фактора в эволюции вирусов

Впервые высказанная Вернетом мысль о том, что по мера развития цивилизации изменение структуры человеческого сообщества благоприятствовало приобретению новых вирусов (Burnet, 1945), вновь обратила на себя внимание. Резкий рост заболеваемости вирусными инфекциями в XX веке (Fenner at al., 1974) требовал разработки общебиологических подходов к решению проблемы распространения инфекций. Поскольку вирусология, за редким Исключением, не располагает археологическими материалами, внимание было сконцентрировано на объектах, которые могли бы послужить моделями для такого рода эволюционного исследования. Весьма информативным в этом отношении оказалось эпидемиологическое изучение первобытных племен, живущих в труднодоступных районах мира.

Серологические исследования образцов крови этих: людей показали, что первобытному человеку не известна подавляющая часть инфекций, распространенных в цивилизованном мире (Black at al., 1970). Bbtrt также выяснен критический размер популяций, необходимый для постоянного поддержания некоторых вирусных инфекций (Hope-Simpson, 1965; Black, 1966) .

На основании этих данных К. Эндрюсом и Ф. Феннером была предложена схема эволюции вирусных заболеваний человека (Эндрюс, 1969; Fenner, 1970; Fenner at al., 1974), в которой были выделены следующие периоды.

Первый период - долсторнуооклй, когда люди жили небольшими группами и их основными занятиями были охота и собирательство. По-видимому, из-за малой численности первобытные сообщества не знали большинства инфекций, знакомых современному человеку. Втарой паряод определяется переходом . человечества к оседлому образу жизни, т.е. развитием сельского хозяйства и поселений. В это время произошло значительное укрупнение человеческих сообществ. В ходе сельскохозяйственного ■ освоения территорий разрушались природные экосистемы, резко участились контакты людей с животными в процессе их доместикации и синантропизации, что и стало основным источником человеческих инфекций. Третий период связан с Великими географическими открытиями, когда произошло быстрое распространение ранее эндемичных болезней- на новые континенты. Четвертая период характеризуется процессом урбанизации, наблюдаемой с конца XIX столетия, и отличается резким повышением уровня заболеваемости»

Кроме появления перенаселенных городов, как никогда интенсивно развиваются средства сообщения•и коммуникации, которые являются важнейшим фактором эволюции вирусов.

Сооромолнш проявлением антропогенного фактора является создание искусственной экологической ниши вирусов в экспериментальной медицине и биологии, а также в вакцинном производстве, аналогов которой нет в природных условиях. Дополнительным источником эволюции вирусов может также стать широкое использование генно-инженерных продуктов в практике. Всесторонне изучение проявлений антропогенного фактора эволюции вирусов дает основу для прогноза развития и распространения вирусных инфекций, который должен учитываться как при решении глобальных проблем (экология, демография), так и .связанных с сельскохозяйственным производством, использованием достижений самой биологии (генная инженерия, биотехнология), развитием медицины

(трансмиссия вирусов при переливании крови и трансплантации органов, появление резистентных мутантов при химиотерапии и т.д.). Острота данного комплекса проблем хорошо видна на примере пандемического распространения СПИДа.

II. 4. Ивменение проблематики и новые обцебиологичеакие

приоритеты в иааледовании вируоов в 80-90-е годы

В 80-е годы существенно изменилась проблематика исследований в вирусологии. Данный процесс довольно противоречив. С одной стороны, начался процесс "биологизации" вирусологии, в котором важная роль отводится экологии вирусов. Несмотря на то, что вирусологи до этого оперировали данными о вирусах как биологических объектах, нек^.огие из этих данных были осмыслены с эволюционной точки зрения. С другой стороны, во второй половине 70-х годов в вирусологии произошла смена приоритетов исследовательских программ. В результате преимущественное развитие получил молекулярно-генетический подход, "Изменения прослежены на примере политики финансирования различных областей исследования вирусов Рокфеллеровским фондом.

II. 4.1. Мехаяивмы сохранения вируоов в популяциях хозяев

Биологическое объяснение явления цикличности развития эпидемическс Г'о процесса поставило вопрос о способах сохранения вирусов в межэпидемический период, являющихся важнейшим элементом адаптивной экологической стратегии возбудителей. Были выделены три эволюционно различны^

способа резервации возбудителя-, сохранение во внешней среде, в ходе пераястануной янфекцяя И в процессе антигенного дрейфа.

II. 4.2 Экологический критерий вида у вируаов

Одна из задач общебиологической значимости, стоящая перед вирусологами, - создание такой классификации вирусов, которая принята для всех йыне известных организмов. Здесь существуют две основные проблемы: недостаток наших знаний об источниках происхождения вирусов и трудности определения для вирусов аналога понятия биологического вида, принятого для высших организмов. Современная универсальная система вирусов основана на условно выбранных иерархических уровнях, сооветствующих семейству, роду и виду. При выделении надвидовых таксонов учитываются структурная и биохимическая организация вириона, генома, способ, реализации генетической информации, способность вступать В генетические взаимодействия и другие характеристики. Классификация по этим показателям не распространяется на категорию вид, ее определение не имеет однозначных критериев. Критерий защищенного генофонда может быть применен к вирусам с сегментированным геномом. Геном последних представлен в виде нескольких фрагментов и при совместном заражении такими вирусами может происходить перераспределение сегментов генома, что рассматривается как аналог полового процесса высших организмов (Gorman, 1983; Gorman, 1987; Bishop, 1987). Однако это не решает в целом проблему создания единой концепции вида для вирусов (Harrison, 1985; Van Regenmortel, 1990).

Вышеуказанные препятствия могут быть преодолены, если принять во внимание, что виды связаны в процессе эволюции не только репродуктивно, но и экологически. Критерий экологической ниши вида может быть применен к организмам с бесполым размножением (Мауг, 1980), в том числе и к вирусам (Kingsbury, 1985) .

II. 4.3. Видообравовавие у вирусов

Приняв соображения относительно определения критериев "вида" у вирусов, процесс возникновения новых вирусов можно рассматривать в общебиологических терминах, т.е. как видообразование. Из-за ограниченности представлений о механизмах обмена генетической информацией■у вирусов- эта проблема долгое время рассматривалась исключительно с экологической точки зрения. При этом удалось выделить два способа эволюции вирусов: сопряженно,.с эволюцией хозяев jj

путем межвидового перехода (Burnet, 1960; Эндрюс, 1969; Львов, Жданов, 1984). В современной теории эволюции существует две концепции видообразования, в основе которых лежат совершенно иные критерии этого процесса -временные, в связи с чем различают постепенное и квантовое видообразование (Мауг, 1970; Грант, 1980;. Айала, Кайгер, 1988). Среди последних классификаций типов видообразования вирусов, оперирующих современным понятием "вид" для вирусов, наиболее удачна классификация, приведеннная Я.Я. Цилинским (1988). В ней учитываются как вирусологическая традиция, так и требования, предъявляемые общей теорией эволюции.

При постепенном шгдообразоагшш? выделяют несколько форм по экологическому принципу: географическое , видообразование, дивергентная эволюция, сопряженная с эволюцией видов хозяев и дивергенция в одном хозяине. Приведенные построения базируются, в основном, на сравнении вирусов со сходными структурами геномов, занимающими разные экологические ниши. Представления о молекулярных основах квантового видообразования как правило основываются на случаях межвидового перехода, когда вновь возникший вирус детектируется по значительным эпидемиологическим последствиям и удается установить его источник.

Таким образом, в рамках экологического направления изучения эволюции вирусов разрабатывались наиболее биологически ориентированные проблемы в вирусологии. Однако специфическое положение объекта исследования - на стыке медицины и биологии, привело к тому, что экологическая проблематика несет в себе сильный отпечаток влияния медицины и эволюционное мышление в вирусологии до сих пор во многом развивается в отрыве от такового в эволюционной биологии.

Глава III. Развитие представлений о генеютеахюе механизмах эволюции вирусов

III.1. Развитие представлений о генетической гетерогенности вирусних популяций

Формирование представлений о генетической структуре вирусных популяций явилось основным стимулом для исследований механизмов эволюции вирусов. Как и в случае популяционной генетики высших организмов изучение динамики распределения генотипов в вирусных популяциях шло по двум направлениям: на основе экспериментальных данных и путем теоретического моделирования.

III. 1. 1. Экспериментальное направление

С конца 50-х годов среди генетических работ в вирусологии выделились исследования, ставившие своей целью изучение структуры вирусных популяций. В развитии исследований этого направления выделено три периода, обусловленных совершенствованием методов исследования вирусов. Первая датируется концом 50-х- началом 70-х годов. При использовании непрямых методов анализа вирусных геномов (электофоретическая подвижность вирусных белков, изменение морфологии бляшек и др.) была обнаружена высокая генетическая изменчивость вирусов (Tessman, 1959; Granoff, 1961, Pringle, Duncan, 1971).

Второй период, начавшийся с середины 70-х годов, с применением прямых методов изучения вирусных геномов, таких как олигонуклеотидное картирование (De Walter, Fiers, 1972). Решающий вклад в разработку основ популяционной генетики вирусов был сделан в лаборатории под руководством Ш. ВеЙсмана. Главным итогом этих исследований было формирование представления о необычно высокой скорости мутирования у РНК-содержащих вирусов. Также были определены функциональные последствия этого феномена, заключающиеся в том, что геном этих вирусов не существует в единичном варианте, а представляет собой некую усредненную структуру, складывающуюся из большого числа различающихся последовательностей '(Batschelet at al., 1976; Domingo et al., 1978). Работы лаборатории Вейсмана во многом также способствовали разграничению "генетики РНК", представленной РНК-содержащими вирусами, и "г.енетики ДНК", в компетенции которой оказались клеточные геномы и ДНК-содержащие вирусы. -

Применение методов быстрого секвенирования нуклеиновых кислот, гибридизации, использование моноклональных антител, позволяющие получить данные ор

индивидуальных молекулах, составляющих вирусную популяцию, определило третий период в изучении данной проблемы. С помощью указанных методов была продемонстирована возможность обратимой перестройки вирусных популяций в различных селективных условиях (Цилинский, Львов, 1977; Horodyski, Holland, 1980; О'Нага at al., 1984; Sobrino at al., 1983; Martinez at al., 1991). Параллельно с лабораторными данными был накоплен обширный фактический материал по гетерогенности вирусных популяций в природных условиях (Takeda at al., 1984; Miyamura at al., 1987; Magraff at al., 1986; Minor at al., 1988; Holland, Domingo, 1988).

Таким образом, к середине 80-х . годов было установлено, что популяции РНК-содержащих вирусов »характеризуются исключительно высокой гетерогенностью, которая стала рассматриваться как аналог полиморфизма популяций высших организмов.

XII. 1.2. Теоретическое направление

Отправной точкой для создания теоретического направления стала концепция первичной генетической системы. Структура, постулируемая для первичных пребиотических репликонов ("квази-вид"), совпадает с таковой РНК-содержащих вирусов (Eigen, Shuster, 1979). Модели, описывающие распределение геномов в первичных репликативных системах, дали теоретическое обоснование гетерогенности вирусных популяций, полученное независимо от экспериментальных работ.

Таким образом, в середине 80-х годов сформировалась популяционная генетика вирусов, или "генетика РНК", в о.снове которой лежит представление об исключительно высоких темпах. эволюции PHk-содержащих вирусов. Однако включение этого постулата в общее русло вирусологических работ логически поставило проблему несоответствия темпов молекулярной и фенотипической эволюции у вирусов. Данные о высоком уровне мутирования у РНК-содержащих вирусов (Domingo at al., 1^78), который считался синонимом быстрой эволюции, противоречили данным о неизменности клинической картины заболеваний, наблюдаемой в течение длительных промежутков времени (Patrick, 1965; May, Anderson, 1983). Это противоречие могло быть разрешено только путем анализа конкретных генетических механизмов, вовлекаемых ч процесс формирования вирусных популяций.

III. 2. Роль мутационного процесса я зяолхщии вирусов

Постановка проблемы несоответствия темпов

молекулярной и фенотипической эволюции вирусов привлекла внимание широкого круга исследователей. Генетика вирусов стала ареной для продолжения многолетних споров о происхождении и поддержании генетического полиморфизма популяций. Вирусологи вслед за другими биологами . также разделились на два лагеря: селекционистов и нейтралистов. Результаты анализа дискуссии по этому вопросу, представлены в таблице.

Таблица. Результаты дискуссии между сторонниками нейтралистской и селекционистской точек зрения по вопросу движущих сил эволюции вирусов.

ЛаАдтласэпгй фаномвя Объяснение о точки «рмхя нейфраднака Объяснение а точхм •рения седотгциониама

Несоответствие темпов молекулярной и фенотипической эволюции большинство возникающих мутаций нейтральны и не влияют на фенотип эволюционный потенциал, накапливаемый квазивидами не реализуется при постоянстве внешних условий

Высокая скорость мутирования у РНК-содержащих вирусов не объясняет высокая скорость мутирования является приспособительной реакцией, выработавшейся в ответ на постоянные изменения условий внешней среды

Роль молчащих мутаций, не являющихся фенотипически нейтральными не объясняет происходит отбор на уровне вторичной структуры РНК

Скачкообразное возникновение новых вирусов случайный дрейф и случайная фиксация мутаций отбор предсуществующих мутантов при изменении условий внешней среды

В итоге необходимо признать, что в процессе эволюции вирусов имеют место и отбор, и случайный дрейф генов, и пока нет данных о доминирующей роли какого-либо из -этих ■^акторов.

XII. 3. Роль рекомбинации в эволюции вирусов

В изучении вопроса о роли рекомбинационного процесса в эволюции вирусов существует резкая грань между оценкой данного процесса у ДНК-содержащих вирусов и вирусов с геномами в виде РНК. Такое разделение было связано как с объективными различиями в механизмах рекомбинационных процессов у двух вышеуказанных групп, так и с историческими особенностями развития исследования в этой области. /

Для ДНК-содержащих вирусов работы по изучению рекомбинационных процессов получили преимущественное развитие среди генетических работ. Решающим моментом в определении ведущей роли рекомбинации в эволюции вирусов стала теория модулей Д. Вотстейна (Botstein, 1980). В < соотвествии с этой теорией, геном вирусов состоит из устойчивого числа генных модулей и основным формообразующим процессом в эволюции является обмен и пересортировка таких участков генома.

Наличие ограниченного количества информация о рекомбинации у РНК-содержащих вирусов (Hirst, Ledinko, 1963/ Pringle, 1965) в сочетании с доказательствами высоких темпов мутирования у этих вирусов привели к формированию представления о лидирующей роли мутационного процесса в эволюции данной группы вирусов. Это положение подверглось сомнению в середине 80-х годов, кода было выявлено филогенетическое родство отдельных генов у позитивных рибовирусов, принадлежащих к различным систематическим группам (Ahlquist, 1985).

Итогом исследований роли рекомбинации в . эволюции вирусов стало представление о ее ведущей роли в формообразовательных процессах для всех вирусов, независимо от формы организации их генома.

III. 4. Практические гшводы, витехахжцио иа наследований гетерогенности вирусных популяций

Изучение эволюционного потенциала вирусов требовало оценки возможных практических последствий этого феномена, которая, однако, была произведена только к концу 80-х годов. Достижения популяционной' генетики вирусов имели большое значение для выработки рекомендаций по создании синтетических противовирусных вакцин, использованию противовирусных препаратов и серотерапии вирусных инфекций.

XV. Заключение

В заключении отмечены основные тенденции развития изучения эволюции вирусов и сделана попытка проанализировать причины отрыва ее от развития эволюционной теории. Для анализа перспектив развития эволюционных воззрений в вирусологии использована .схема становления новой дисциплины Р. Уитли (Уитли, 1980), где выделяются две составляющие процесса - когнитивная и социальная институционализация. В плане создания когнитивной структуры самой насущной задачей является синтез разрозненных областей исследования в вирусологии. Подобно тому, как полвека назад в результате синтеза дарвинизма и классической генетики появилась синтетическая теория эволюции, интегративное

взаимодействие экологического и молекулярно-генетического направлений исследования может стать источником нового раздела науки - эволюционной биологии вирусов. Перспективы формирования единой профессиональной структуры среди исследователей, занимающихся вопросами эволюции вирусов, представляются менее определенными. Сложность ситуации заключается в том, что вопрос эволюции вирусов, несмотря на всю свою значимость, во многих случаях является "побочным продуктом" , других исследовательских задач, таких как создание естественной систематики вирусов, разработка новых вакцин, контроль за распространением вирусных заболеваний и т.д. Выход из этого сложного положения видится в создании профессиональных структур, занимающихся вышеуказанными вопросами, с обязательным привлечением специалистов широкого биологического профиля.

Вшюдгх

I. Впервые проведен историко-научный анализ развития эволюционных идей в вирусологии. Выделены три основные составляющие данной. области исследования: развитие основных теорий происхождения вирусов, развитие экологического направления эволюции вирусов и развитие представлений о генетических механизмах эволюции вирусов. Показано, что развитие эволюционных идей в вирусологии детерминировано исторической логикой развития самой вирусологии, глубиной изученности ее объекта - вирусов, совершенством методов исследований, воздействием общеэволюционных идей.

II. Предложена и обоснована периодизиция развития идей происхождения вирусов на протяжении XX столетия и

'выделены три основные этапа.

1) В первой половине XX века, когда еще не были определены специфические черты вирусов, отличающие их как особую форму биологической организации, три основные теории происхождения вирусов сформировались в результате заимствования исследователями вирусов теоретических концепций из смежных областей - микробиологии и генетики..

2) В 50-е годы сложилось современное понятие о вирусах как о паразитах на генетическом уровне. Это коренным образом изменило взгляды на их происхождение и стало отправной точкой для формирования современного представления о происхождении вирусов.

3)В середине 80-х годов с началом применения методов быстрого секвенирования нуклеиновых ■ кислот и компьютерного' анализа их последовательностей, стал возможным филогенетический анализ взаимоотношений между различными группами вирусов. Это позволило дифференцировать проблему происхождения вирусов и составить четкие представления о вирусном предшественнике и путях дивергентной эволюции отдельных групп вирусов.

III. Отсутствие до середины' 80-х годов единого мнения о роли генетических» механизмов в эволюции вирусов обусловлено разнообразием способов репликации у различных групп вирусов, а также несовершенством методов исследования. Представление о главенствующей роли рекомбинаций в формообразовательных процессах вирусов и мутаций в ходе их адаптации сложилось благодаря применению филогенетического анализа.

IV. Иэу зние генетического состава вирусных популяций привело к открытию ее структуры (х*квази-вида"), состоящей как из родительской последовательности генома, так и спектра мутантных форм. Исследование роли "квази-видов" в

эволюции вирусов позволило существенно расширить рамки проблемы движущих сил эволюционного процесса, распространив теорию молекулярной эволюции на уровень РНК.

V. Наиболее биологически ориентированные проблемы в вирусологии разрабатывались в рамках экологического направления. Однако его истоки, уходящие в сугубо медицинские исследования, и особое положение объекта исследования в системе органического мира удалили исследования экологии вирусов от натуралистической традиции, исторически доминирующей в эволюционном мышлении в биологии. Только в середине 80-х годов XX века экологическое направление подошло к решению действительно общебиологических проблем, таких как создание естественной систематики ■ вирусов и проблемы видообразования у вирусов.

VI. К настоящему моменту разработка эволюционных^ проблем в вирусологии еще не обрела Статуса самостоятельного научного направления. Главным стимулом ого развития в когнитивном плане может стать синтез экологического и генетического направлений эволюции вирусов. В плане социальной институционализации необходимо создание профессиональных структур, специализирующихся на исследовании вопросов эволюции вирусов.

Список работ по теме диссертации:

1. Измайлова Е.С. .Развитие основных теорий происхождения вирусов // Материалы V научной конференции молодых ученых-науковедов и историков науки. Киев. 1993. с. 6365.

2. Измайлова Е.С. Развитие экологических и эпидемиологических подходов к проблеме эволюции вирусов // Труды XXXV конференции аспирантов и молодых специалистов по истории естествознания и техники. Москва. 1993. с. 19-20. ■

Ч

3. Измайлова Е.С. Развитие представлений об антропогенном ,факторе эволюции вирусов // Вопросы истории

естествознания и техники. 1995. N2. с. 125-128.

4. Измайлова Е.С., Атабеков И.Г. Развитие эколого-физиологических идей Луи Пастера в вирусологии // Сборник трудов Международного симпозиума "Научное наследие Луи Пастера и современность". Москва. 1995. с. 104-113.

5. Измайлова Е.С. Эволюция вирусов: развитие экологического направления исследований // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 1995. (в печати)

Тир. ¡00 Тип .Чшм)ц M-ibrvji