Бактерии могут стать жертвами заражения вирусами. Особые формы вирусов называются бактериофагами, что в переводе означает «пожиратели бактерий». Их головка, так называемый капсид, содержит генетическую информацию вируса и похожа по форме на космическую капсулу. Она закреплена на дискообразной структуре, так называемом воротнике, к которому прикреплен также хвост, способный растягиваться и сокращаться, словно меха гармони. К концу хвоста прикреплен еще один диск – базальная пластинка, заканчивающаяся шиповидным белком. С ее краев свисают отростки, напоминающие ноги паука. При более подробном рассмотрении бактериофага становится очевидным, что вирусы не являются живыми существами.

Бактериофаг присоединяется к бактерии

Бактериофаги, или просто фаги, являются своего рода роботами или зондами, обладающими ДНК. Они состоят только из генетической информации в форме ДНК, содержащей план их строения, и простой капсулы, или оболочки. Кроме того, они располагают техническими инструментами для введения ДНК в клетку организма-хозяина (для бактериофага таким хозяином будет бактерия), после чего эта клетка на основании «чертежа» начинает заниматься воспроизводством вируса. Это напоминает взлом компьютера хакером, который перепрограммирует генетические процессы в других живых существах с целью воспроизводства бесчисленного количества копий самого себя. Поэтому вирусам и не нужен свой обмен веществ. У них нет необходимости принимать и переваривать пищу, выделять продукты жизнедеятельности и размножаться собственными усилиями. В отличие от бактерий, они неспособны делиться или объединяться с другими вирусами с целью размножения. С позиции биологии размножение и обмен веществ относятся к необходимым предпосылкам, позволяющим назвать биологическую структуру живым существом. Правда, некоторые биологи все же считают вирусы «близкими к живым существам» образованиями.

Таким образом, вирусы – это лишь капсулы, с помощью которых план их строения доставляется в другие организмы, словно в копировальные машины. Причудливый вид бактериофагов, напоминающих микроскопических роботов с ножками, словно у пауков, только подчеркивает их непохожесть на живых существ. У некоторых вирусов генетический план содержится не в ДНК, а в РНК (рибонуклеиновой кислоте). Среди бактериофагов тоже попадаются представители РНК-вирусов.

Большинство бактерий имеют размеры от 2 до 6 тысяч нанометров, то есть 0,002–0,006 миллиметра. По сравнению с ними бактериофаги, как и другие вирусы, достигают в размерах лишь 30–200 нанометров (от 0,00003 до 0,0002 миллиметра). Таким образом, в масштабах микрокосма бактерии – настоящие гиганты по сравнению с вирусами. Они больше в 30–70 раз. На поверхности клеток у бактерий находятся, как и у вирусов, белки. К ним и присоединяются бактериофаги, заражая бактерию с помощью окончания своего хвоста. Хвост бактериофага может сжиматься, благодаря чему капсула с генетическим материалом приближается к бактерии. При этом ДНК или РНК с помощью белкового шипа впрыскивается внутрь бактерии. А затем оболочка бактериофага вместе со всеми вспомогательными инструментами сжимается и опадает.

После этой инъекции для бактерии, как и для человека, начинается инкубационный период, в течение которого возбудитель уже находится в клетке, но пока никак не проявляет себя. Длительность его для бактерии составляет после заражения бактериофагом несколько часов. Для сравнения: у человека, зараженного вирусом гриппа, этот период длится один-два дня, а при заражении коронавирусом – от четырех до семи дней. Все это время внутри инфицированной бактерии «созревает» генетический материал бактериофага. Там происходит то же самое, что и при любой вирусной инфекции, какое бы живое существо она ни затронула: генетическая информация вируса попадает в рибосомы клетки-хозяина. Это крошечные фабрики белка. Здесь производятся все белки, необходимые организму. Такой процесс называется биосинтезом. Сюда вирусы поставляют свои генетические «чертежи», чтобы протеиновые фабрики клетки-хозяина вместо собственных белков начали производить белки вируса, из которых затем прямо в клетке собираются новые вирусы. После этого они покидают зараженную клетку. Этот процесс в бактериях ничем не отличается от того, что происходит в организме зараженного человека, волка или рыбы данио рерио. Вирусы используют клетки своего хозяина в качестве копировальных машин для размножения, подсовывая им собственные «чертежи».

Правда, бактерии, в отличие от человека, волка или рыбы, представляют собой одноклеточные организмы. Будучи инфицированы бактериофагом, они перепрограммируются настолько, что в ущерб себе производят несколько сотен новых бактериофагов, а затем погибают. Таким образом, вирусные инфекции для бактерий особенно опасны.

Многие иммунные функции бактерий, направленные на защиту их от бактериофагов, к настоящему времени хорошо изучены. Их можно назвать врожденной иммунной системой[4]. Это значит, что бактерии уже в момент своего возникновения генетически оснащены ею. У людей и всех других форм жизни также имеются подобные врожденные иммунные функции, которые не приходится приобретать на протяжении жизни. Конечно, наш иммунитет намного эффективнее и сложнее, чем у бактерий, но бактерии также обладают простейшими защитными средствами.

Во-первых, у многих бактерий имеются внешние барьеры, затрудняющие бактериофагам процесс присоединения. Для этого они могут, к примеру, закапсулироваться, создав таким образом механический барьер между собой и окружающим миром. Тот самый кристалл соли, в котором самая старая из ныне живущих бактериальных клеток находилась 250 миллионов лет, тоже, по сути, защитная капсула. Еще одна возможность защиты – это скопление молекул на поверхности клетки, также образующих барьер. Говоря об этой иммунной функции, можно вспомнить о коже человека и других млекопитающих или слое слизи на слизистой оболочке, препятствующих проникновению возбудителей болезней в организм.

Эта простая механическая защитная функция наглядно демонстрирует, что иммунная система, впервые возникшая еще у одноклеточных организмов, представляет собой по сути экологическую систему, которая призвана распознавать воздействия окружающей среды как безвредные или вредные и обеспечивать защиту от последних. Как мы вскоре убедимся, сформированный в процессе эволюции наш собственный иммунный механизм, куда более сложный, представляет собой такую же экологическую систему.

Во-вторых, бактерии демонстрируют устойчивость к адсорбции. Это значит, что определенные белки на поверхности клетки, к которым могут присоединяться бактериофаги, удаляются или видоизменяются таким образом, что устраняется «замочная скважина», через которую проникает инфекция. Такая форма иммунитета есть и у более высокоорганизованных форм жизни, в том числе и у человека. Правда, она срабатывает только в случае, если предки данного организма уже имели контакт с определенным возбудителем. Таким образом, речь идет о своего рода унаследованном коллективном иммунитете, в том числе и у бактерий.

В-третьих, есть возможность обездвижить бактериофаг уже после его присоединения к бактерии-хозяину в случае, если внешние барьеры не сработали. Клетка бактерии может распознать начавшийся процесс проникновения в нее, реагируя на определенные белки, молекулы сахаров или специфические структуры возбудителя. В ответ на это она вырабатывает противоядие, которое лишает бактериофаг возможности двигаться, так что он не может завершить процесс проникновения в бактерию. Образно говоря, подвергшаяся нападению бактерия обстреливает захватчика стрелами с парализующим ядом, и эта космическая капсула, пожирающая бактерии, выходит из строя. Даже на более поздней стадии, когда бактериофаг уже проник внутрь бактерии, она все еще может парализовать агрессора и остановить процесс инфицирования.