Как ученым удалось обнаружить вирусы
Обновлено: 19.04.2024
Компьютерные вирусы быстро эволюционируют, меняя свои стратегии и совершенствуясь в острой конкуренции с технологиями безопасности. Рассказать драматичную историю эволюции зловредных программ "КШ" помог Виталий Трифонов, заместитель руководителя лаборатории компьютерной криминалистики Group-IB в Сингапуре
Скорая несется из Дюссельдорфа в соседний Вупперталь. Ночь. Пожилой пациентке в критическом состоянии нужна срочная помощь. Врачи приступят к операции, но будет поздно - женщина умрет.
И дело не в том, что в Университетской клинике Дюссельдорфа не оказалось нужного оборудования. Просто накануне хакеры зашифровали доступ к 30 серверам, и крупнейшая городская больница оказалась парализована на две недели: операции перенесли, приемы отменили, сюда перестали возить пациентов.
Преступники ошиблись объектом атаки и позже сами выдали ключ для восстановления данных. Но было поздно: в 2020 году человек впервые умер из-за кибератаки.
Мог ли представить себе такое математик Джон фон Нейман, описавший в 1949 году вирусные программы? Допускал ли такую возможность информатик Фред Коэн, который первым применил понятие "вирус" к коду, а в 1983 году разработал саморазмножающуюся программу, потратив на ее отладку восемь часов?
Будущую эволюцию предсказать непросто, зато можно проследить эволюционную историю вредоносных программ до наших дней. Но сначала давайте разберемся в терминах. Обычные люди называют вирусом любую зловредную программу. Для специалистов же вирусы - малая и уже неактуальная часть огромного мира программ-вредителей. Для удобства мы будем называть все вредоносные программы зловредами.
1970-1989: мозг-прародитель и первые компьютерные эпидемии
Прародитель интернета - сеть ARPANET - объединила в 1969 году четыре американских университета. А в 1971-м на свет появился предшественник будущих зловредов, способный ползать по Сети.
Боб Томас, сотрудник компании Bolt Beranek and Newman, работавший над операционной системой, которая отвечала за удаленное исполнение программ, создал Creeper (по-английски - вьющееся растение или пресмыкающееся), чтобы выяснить, возможна ли в принципе самовоспроизводящаяся программа. Creeper распространялся через модем, сохранял свою копию на зараженном компьютере и пытался удалить себя с предыдущего.
Малыш был безобидным, зубы еще не прорезались, и вредить он никому не собирался - да особо и некому было.
Первый вирус
Но в начале 1980-х наладили выпуск персональных машин, и у потенциальных вредителей стала появляться "кормовая база". А в 1986 году появился Brain - первый широко распространившийся вирус. Именно он легендарный прародитель всех сегодняшних вредоносных программ.
Его создатели всего лишь хотели наказать воров. Братья-программисты из Пакистана Амжат и Базит Фарук Алви разрабатывали программное обеспечение, но незащищенная Сеть позволяла конкурентам воровать их наработки. Братьям это не нравилось, и они написали Brain.
Программа распространялась через дискету. Вирус никак не мешал работать с устройством, но если кто-то решался похитить информацию, то Brain заражал операционную систему злоумышленника. К 1987 году он вышел за пределы Пакистана и заразил 18 тысяч компьютеров в США.
Первый червь
Вирус - это кусок программного кода, который живет в файле. Отдельно от них он не существует, поэтому стремится заразить побольше файлов и получить над ними контроль.
Вскоре после первой компьютерной эпидемии, в 1989-м, родился и первый червь. В отличие от вируса, это всегда отдельный файл. Ему не нужно заражать другие файлы. А вот наплодить свои копии - это пожалуйста. И если обнаружить его проще: червь не прячется в структуре файлов, то по скорости распространения он куда круче вируса.
Студент Корнеллского университета Роберт Моррис допустил ошибку стоимостью 96 миллионов долларов. Его детище стало первым зловредом, который нанес реальный финансовый ущерб.
Червь Морриса был программой, которая собирала информацию о пользователях ARPANET. Зловредом его сделала ошибка в коде: программа стала рассылать свои копии по другим компьютерам сети. Заразились примерно 9000 машин, в том числе компьютеры Исследовательского центра NASA. Все они были парализованы в течение пяти суток.
Первый троян
Ну а в декабре все того же 1989 года случилась первая эпидемия трояна Aids Information Diskette (дискета с информацией о СПИДе). Подобно ахейцам из гомеровской "Илиады", которые проникли за стены Трои, спрятавшись в коне, троянская программа маскируется под безобидные файлы. В данном случае "троянский конь" был идеальный: никто не ожидал подвоха от дискеты с информацией о страшном заболевании, которое недавно обрушилось на человечество.
Автор AIDS использовал для распространения настоящую почту: конверт, марки, почтальона. Получив доступ к адресам подписчиков журнала PC Business World и участников конференции ВОЗ по вопросам СПИДа, он разослал 20 тысяч дискет с вирусом.
Троян внедрялся после запуска, создавая свои скрытые файлы и модифицируя системные. Через какое-то время все файлы на жестком диске становились недоступными - кроме одного, в котором автор заразы Джозеф Попп предлагал прислать ему деньги.
Так на свет появились три основных типа зловредов: вирус, червь и троян.
1990-1999: офисные и почтовые вредители
Зловреды эволюционировали вместе с мирными программами. Так, в 90-е появились макровирусы - используя макроязыки*, они легко перемещались из одного файла в другой. Чаще всего они "жили" в MS Word. После открытия зараженного файла зловреды начинали инфицировать все новые объекты. Впрочем, не только Word распространял заразу. В 1996-м макровирус Laroux повредил файлы MS Excel на компьютерах нефтекомпаний Аляски и Южной Африки.
*Макроязыки - программы, позволяющие использовать не отдельные команды, а целые куски кода из нескольких команд (макросы), создавать и определять макросы и переводить их в конечный код.
К концу десятилетия зловреды научились выжидать. Они могли долго ничего не делать, оставаясь незаметными для антивирусных программ. А потом пробуждались от "спячки".
Так, написанный в июне 1998 года Win95.CIH, больше известный как "Чернобыль", был активирован лишь 26 апреля 1999-го - в день 13-й годовщины аварии на ЧАЭС. Пострадало полмиллиона компьютеров. "Чернобыль" оказался настоящим хищником: он портил данные на жестких дисках и в микросхемах BIOS на материнской плате.
А завершились девяностые появлением вируса нового типа - Melissa. Зараза научилась перемещаться по электронной почте в прикрепленном файле. Пользователь открывал его, и вирус рассылал сам себя первым 50 контактам адресной книги Microsoft Outlook.
Инфицированному компьютеру Melissa не вредила. Но из-за огромного потока новых писем корпоративные сервисы выходили из строя. Ущерб составил 80 миллионов долларов.
2000-2009: гонка вооружений и антиядерная атака
Новые атаки и методы распространения
Третье тысячелетие началось с признания в любви. Оказалось, ее не хватало как минимум трем миллионам пользователей по всему миру. По крайней мере они без раздумий ринулись смотреть вложенный в письмо файл LOVE-LETTER-FOR-YOU.txt.vbs.
Почтовый червь ILOVEYOU стал самым разрушительным зловредом в мире, за что попал в Книгу рекордов Гиннесса. В отличие от макровирусов, эта программка распространялась не как зараженный вордовский документ, но как VBS*-файл. Он стирал файлы на жестком диске, поверх записывал собственные копии и через Outlook Express распространялся дальше. Следующим пользователям письма приходили со знакомых адресов, они открывали их, а заодно и дорогу червю. Нанесенный ущерб - 10-15 миллиардов долларов.
*VBS - расширение файлов-программ, написанных на языке Microsoft Visual Basic Script. Такие файлы могут запускаться в среде Microsoft.
Безопасники vs хакеры
Технологии защиты в эти годы были сравнительно простые. Хакеры писали новую вредоносную программу - она попадала в антивирусную лабораторию, где реверс-инженеры занимались обратным программированием, обновляя антивирусные базы.
Для этого им нужно было увидеть новый "вирус", распознать что-то действительно зловредное и найти некий уникальный кусок, который будет принадлежать только этой заразе либо этому семейству - антивирусную сигнатуру.
На следующем витке гонки вооружений вирусописатели решили обойти сигнатурное распознавание, для чего позаимствовали кое-что из биологии. Они начали создавать полиморфные вирусы, которые не только копировали свой код в новую программу, но и полностью меняли его текст, оставляя неизменным назначение.
Но антивирусные разработки тоже не стояли на месте. У каждого файла есть точка входа - место старта исполнения программы. И один из путей внедрения вируса как раз связан с изменением точки входа. Однако антивирусы научились, еще даже не обнаружив врага, уже в точке входа видеть подозрительный код и определять файл как опасный.
Червивая политика
Что не удалось полиморфу, сделал червь по имени Stuxnet. 17 июня 2010 года стало черным днем для информационной безопасности: зловред смог физически разрушить инфраструктуру.
Stuxnet был разработан разведками Израиля и США для противодействия иранской ядерной программе. Будучи запущенным, этот червь воздействовал на частоту, с которой раскручивались центрифуги для обогащения урана, а заодно подделывал данные об их вращении - приборы показывали, что все в порядке. Ну а чтобы добраться до станции обогащения, хакеры использовали уязвимости USB-устройств. Червь прыгал с флешки на флешку и ждал, пока с помощью сотрудников не попадет на рабочую станцию, где сможет начать действовать. В итоге было выведено из строя около тысячи центрифуг и сорваны сроки запуска Бушерской АЭС.
2010-2014: зловредные сети
Пришло время, и вредоносные программы перестали притворяться. Никаких полезных функций, никакой маскировки под легитимное программное обеспечение - просто ботнеты: сети ботов, которые, паразитируя на зараженных компьютерах, занимаются рассылкой спама или другой вредоносной деятельностью.
Чаще всего они внедрялись в браузеры с помощью эксплойтов - программ, использующих уязвимости в программном обеспечении для атаки на вычислительную систему. Пользователь случайно нажимал на какой-нибудь баннер, где скрывался зловред. Тот определял версию браузера и, если она была уязвимой, выполнял вредоносный код в системе пользователя.
Автор ботнета получал бездну возможностей, когда проникал в миллион компьютеров, где появлялась его маленькая программка с простой функциональностью. В один клик он мог положить любой сайт. Или разослать миллион спам-писем в день. Или собрать данные, которые хранятся в этих компьютерах.
Но со временем и эта практика сошла на нет. Полностью ботнеты не исчезли - как большинство других вредоносов, они просто потеряли популярность, уступив место эволюционно продвинутым потомкам.
2015-2020: самые продвинутые и опасные
APT-атаки
Сотрудница отдела кадров крупного банка включила компьютер. Ей на почту пришло письмо, она его открыла: "Здравствуйте! Меня зовут Сергей Иванов, интересуюсь вакансией финансового консультанта. Прикрепляю резюме. Буду рад обратной связи. Спасибо!"
Сотрудница отдела кадров - человек ответственный. По должностной инструкции она обязана просматривать все поступающие обращения. Она открывает обычный вордовский файл, а там… Там и в самом деле резюме Сергея Иванова, который мечтает стать финансовым консультантом.
Но, к сожалению, вакансия уже неактуальна. Сотрудница отдела кадров закрывает файл и навсегда забывает о нем. Даже когда через 4-5 часов со счета банка начнут выводиться деньги, она не вспомнит об этом резюме.
В вордовском файле был встроен код. Он скачал вредоносную программу и установил ее на компьютер незаметно для пользователя. Так хакеры получили возможность перемещаться внутри сети банка. По сути, это цифровое оружие, и называется оно APT (Advanced Persistent Threat). Это кибератака, ориентированная на взлом конкретной цели и подготовленная на основе долговременного сбора информации о ней.
Во второй половине 2010-х APT-атаки участились. И мир оказался к этому не очень готов. Хакеры легко переключались с сервера на сервер, запускали вредоносные программы и выводили деньги либо собирали информацию. По данным ФинЦЕРТ Банка России, в 2018 году от этих атак пострадали 687 кредитно-финансовых организаций.
Самораспространяющиеся зловреды
В 2017 году уже можно было не открывать почту, не скачивать подозрительные вложения и не переходить по сомнительным ссылкам - и все равно подхватить заразу по имени WannaCry. Зашифрованными оказались компьютеры полумиллиона пользователей. Однако в итоге вымогатели получили всего 302 перевода на сумму 126 742 доллара. При этом общий ущерб компаний, подвергшихся атаке, превысил миллиард долларов.
Авторы WannaCry использовали уязвимость, которую компания Microsoft закрыла в обновлении MS17-010 от 14 марта 2017 года. Проще говоря, если компьютер не был обновлен, на нем оказывался зловред. В России, например, жертвами этой атаки стали МВД, МегаФон и РЖД.
Шифровальщики-вымогатели и майнеры
23 июля 2020 года миллионы любителей бега никуда не побежали. А велосипедисты никуда не поехали. Тот, кто все-таки отправился на тренировку, не смог поделиться ее результатами. А у пилотов гражданской авиации США не получилось обновить полетные карты. Ведь все они, спортсмены и пилоты, пользовались гаджетами и облачными сервисами компании Garmin, которая пострадала от кибератаки.
Чтобы заблокировать сервисы Garmin, хакеры использовали шифровальщика-вымогателя. И это самая актуальная IT-угроза. Раньше, взломав банк, нужно было еще добраться до места, где лежат деньги. Сейчас такие хлопоты ни к чему.
Мошенники получают или покупают у коллег доступ в сеть какой-либо организации и затем шифруют все корпоративные компьютеры и серверы. Ну и требуют выкуп за расшифровку.
У таких хакерских групп даже есть отделы оценщиков. Взяв в разработку конкретную фирму, они вычисляют ее годовую выручку и назначают сумму. Garmin "оштрафовали" на 10 миллионов долларов. Парализовать компанию удалось с помощью зловреда WastedLocker, специально модифицированного для атаки на эту компанию.
Есть и менее жестокие решения - майнеры. Эта программа заражает компьютеры, чтобы заставить их майнить криптовалюту для своего хозяина на другом конце интернета. Для организаций все это, как правило, проходит незаметно. Ведь майнер не станет потреблять 90% мощности машины - возьмет всего 30. А нерадивый системный администратор ничего и не заметит. Докупит серверов, и снова все станет хорошо.
Что дальше?
У зловредов и полезного программного обеспечения общий эволюционный путь. Легко представить вирусы, которые будут подменять рекламу в очках дополненной реальности или взламывать нейроинтерфейсы. Физический мир и виртуальный объединяются через системы умного дома и умного города. Они подключены к Сети и очень плохо обновляются. Поэтому нет ничего фантастического в предположении, что зловредное ПО сможет целенаправленно убивать людей, вмешиваться в результаты выборов, устраивать аварии или даже провоцировать войны. Чем дальше шагает программный код, делая нашу жизнь легче и комфортнее, тем больше возможностей открывается для вредоносного кода.
В отличие от бактерий, которых ещё в 1676 году описал основатель научной микроскопии Антони ван Левенгук, вирусы в световой микроскоп видны не были. А электронный создали лишь спустя 40 лет после открытия вирусов. Как же их вообще удалось заметить? Благодаря табаку, точнее, его болезни, которая была страшной проблемой для фермеров.
В современный световой микроскоп крупные вирусы увидеть можно. Они выглядят так же, как выглядели бактерии для Левенгука. Просто точки. Но бактерии при этом активно двигаются.
Некротические пятна на листьях табака резко снижали урожай, а главное, из таких листьев не получалось сделать сигары. Производители с подобным положением дел мириться не могли и спонсировали исследования патологии. В 1886 году немецкий агроном Адольф Майер доказал, что "мозаичное заболевание табака", как он окрестил эту напасть, легко передаётся с соком растения, а значит, тут замешан инфекционный агент. Поскольку прогревание при 80 ºС обеззараживало исходный биоматериал (Пастер, напомним, уже изобрёл пастеризацию), Майер решил, что возбудитель болезни - бактерия.
._4_t_310x206.jpg)
Российского ботаника Дмитрия Ивановского болезнь табака волновала ничуть не в меньшей степени. Полагая, что этот недуг вызывают бактерии, Ивановский планировал осадить их на специальном фильтре, поры которого меньше этих организмов. Такая процедура позволяла полностью удалить из раствора все известные патогены. Но экстракт заражённых листьев сохранял инфекционные свойства и после фильтрации!
Этот парадокс, описанный Ивановским в работе 1892 года, стал отправной точкой в развитии вирусологии. При этом сам учёный думал, что сквозь его фильтр прошли мельчайшие бактерии либо выделяемые ими токсины, то есть вписывал своё открытие в рамки существующего знания. Впрочем, это частности. Приоритет Ивановского в открытии вирусов не оспаривается.
Спустя 6 лет голландский микробиолог Мартин Бейеринк, не зная поначалу о работе Ивановского, провёл серию аналогичных экспериментов. То, что патоген проходит сквозь бактериальный фильтр и не может, подобно бактериям, размножаться в питательной среде, привело Бейеринка к выводу, что перед ним новый, неизвестный науке инфекционный агент. Учёный окрестил его "вирусом" (от лат. virus - яд), повторно введя это слово в научный оборот: прежде оно использовалось для обозначения всего агрессивного и токсичного.
Вирус табачной мозаики стал нашим проводником в абсолютно новую область биологии - вирусологию. И в знак признания особых заслуг перед человечеством был первым среди вирусов исследован на электронном микроскопе.
Вирус табачной мозаики до сих пор любим вирусологами: на его основе легко делать вакцины. Одну из них - от COVID-19 - сейчас разрабатывают на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова.
Что мы знаем сегодня
Вирусы присутствуют во всех земных экосистемах и поражают все типы организмов: от животных до бактерий с археями. При этом учёные до сих пор спорят, являются ли вирусы живыми существами. Серьёзные аргументы есть и за, и против.
Конечно да! У вирусов есть геном, они эволюционируют и способны размножаться, создавая собственные копии путём самосборки.
Решительно нет! У них неклеточное строение, а именно этот признак считается фундаментальным свойством живых организмов. А ещё у них нет собственного обмена веществ - для синтеза молекул, как и для размножения, им необходима клетка-хозяин.
Впрочем, большинство учёных склонны рассматривать этот спор как чисто схоластический.
2. Как устроены вирусы
Самая суть: Вирус - это генетическая инструкция в белковом контейнере. Расшифровать строение вирусов удалось, превращая их в кристаллы.
История открытия
К началу 1930-х годов всё ещё оставалось непонятным, что такое вирус и как он устроен. И по-прежнему не было микроскопа, в который его можно было бы разглядеть. В числе прочих высказывалась гипотеза, что вирус - это белок. А структуру белков в то время изучали, преобразуя их в кристаллы. Если бы вирус удалось кристаллизовать, то его строение можно было бы изучать методами, разработанными для исследования кристаллов.
В 1932 году Уэнделл Мередит Стэнли отжал сок из тонны больных листьев табака и воздействовал на него разными реагентами. После трёх лет опытов он получил белок, которого не было в здоровых листьях. Стэнли растворил его в воде и поставил в холодильник. Наутро вместо раствора он обнаружил игольчатые кристаллы с шелковистым блеском. Стэнли растворил их в воде и натёр полученным раствором здоровые листья табака. Через некоторое время они заболели. Эти опыты открыли учёным путь к получению и изучению чистых препаратов вируса, а самому Стэнли принесли Нобелевскую премию.
Структуру вируса расшифровала Розалинд Франклин - та самая "леди ДНК", которая впервые получила чёткую рентгенограмму структуры ДНК и умерла за четыре года до вручения Нобелевки за это невероятно важное открытие. Рассматривая вирус табачной мозаики в рентгеновских лучах, Розалинд поняла, что он представляет собой белковый контейнер, к внутренним стенкам которого прикреплена спираль РНК.
Что мы знаем сегодня
Постепенно накопились данные, позволившие разработать классификации вирусов. Выяснилось, что вирусы различаются по типу молекул ДНК или РНК, на которых записана их генетическая программа. Другое различие - по форме белкового контейнера, который называется капсид. Бывают спиральные, продолговатые, почти шарообразные капсиды и капсиды сложной комплексной формы. Многие капсиды имеют ось симметрии пятого порядка, при вращении вокруг которой пять раз совпадают со своим первоначальным положением (как у морской звезды).
У некоторых вирусов капсид заключён в дополнительную оболочку, суперкапсид, которая состоит из слоя липидов и специфичных вирусных белков. Последние часто формируют выросты-шипы - ту самую "корону" коронавируса. Вирусы с такой оболочкой называют "одетыми", а без неё - "голыми".
Необходимость кристаллизовать вирусы для их изучения отпала лишь недавно с появлением атомных силовых микроскопов и лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы.
3. Кто такие фаги
Самая суть: Большая часть вирусов - "пожиратели бактерий", хоть никого и не жрут. Фаг может убить бактерию, а может сделать из неё зомби. Для нас это хорошо.
История открытия
В конце XIX века британский бактериолог Эрнест Ханкин, сражавшийся с холерой в Индии, изучал воды рек Ганг и Джамна, которые местные жители считали целебными. Ханкин, энтузиаст кипячения воды и теории Пастера о том, что болезни вызываются микроорганизмами, а не миазмами (вредоносными испарениями - так думали врачи ещё в середине XIX века), обнаружил, что суеверные индусы правы: какой-то неопознанный объект непонятным образом обеззараживает воду священных рек без всякого кипячения.
Лишь спустя двадцать лет неопознанному объекту придумали название: Феликс Д'Эрелль из Института Пастера предложил называть этих существ "бактериофагами", в переводе с греческого - "пожирателями бактерий". Он пришёл к выводу, что бактериофаги - вирусы, паразитирующие на бактериях.
Сейчас их нередко зовут просто фагами. Эти вирусы прикрепляются к стенкам бактерий и впрыскивают в них свой генетический материал. Попав внутрь, генетическая программа вируса запускает производство новых вирусов. В итоге одни ферменты бактерии создают копии вирусного генома, другие - строят по вшитым в него инструкциям белки, третьи - собирают мириады клонов. Порабощённая фагом бактерия превращается в фабрику по созданию его клонов, которые могут выходить наружу вместе с метаболитами или "взрывать" бактериальную клетку. Так или иначе полчища клонов освобождаются и отправляются заражать всё новые бактерии.
Для бактерии встреча с фагами не всегда заканчивается печально: бактериофаги бывают вирулентными и умеренными. Если клетке не повезёт и она повстречает вирулентного фага, то погибнет (у биологов этот процесс называется лизисом). Фаг использует такую клетку как ясли для своего потомства. Умеренные фаги обычно более дружелюбны. Они делают из бактерии зомби: она переходит в особую форму - профаг, когда вирус интегрируется в геном клетки и сосуществует с ней. Это сожительство может стать симбиозом, в котором бактерия приобретёт новые качества и эволюционирует.
Способность вирусов уничтожать вредоносные бактерии привлекла к ним внимание учёных. Впервые фагов, этих цепных собак биологов, натравили на стафилококк ещё в 1921 году. Их активно изучали в Советском Союзе. Основоположник этого направления грузинский микробиолог Георгий Элиава был учеником Феликса Д'Эрелля. По его инициативе в 30-е годы был создан Институт исследования бактериофагов в Грузии, а позднее фаготерапия в СССР получила одобрение на самом высоком уровне. Были разработаны стрептококковый, сальмонеллёзный, синегнойный, протейный и другие фаги.
Западные учёные отнеслись к фагам с меньшим энтузиазмом. Фаги очень чувствительные и в неподходящих условиях внешней среды теряют супергеройские способности. А тут как раз открыли и успешно применили первый антибиотик, и о фагах надолго позабыли.
Что мы знаем сегодня
В 2005 году биологи из Университета Сан-Диего показали, что вирусы - самые распространённые биологические объекты на планете, и больше всего среди них именно бактериофагов.
Всего на данный момент описано более 6 тысяч видов вирусов, но учёные предполагают, что их миллионы.
4. Как создали первую вакцину
Самая суть: Вакцинация - одно из величайших изобретений человечества, благодаря которому многие смертельные заболевания остались в истории. Но почему слово "вакцина" происходит от слова "корова"?
История открытия
Главное событие в истории вакцинации произошло в конце XVIII века, когда английский врач Эдвард Дженнер использовал коровью оспу для предотвращения оспы натуральной - одного из самых страшных заболеваний в истории, смертность от которого тогда достигала полутора миллионов человек в год.
Коровья оспа передавалась дояркам, протекала легко и оставляла на руках маленькие шрамы. Сельские жители хорошо знали, что переболевшие коровьей оспой не болеют человеческой, и эта закономерность стала отправной точкой для исследований Дженнера.
Предотвращение распространения Variola vera - натуральной оспы - главное событие в истории вакцинации Фото: iStock
Хотя идея была не нова: ещё в Х веке врачи придумали вариоляцию - прививку оспенного гноя от заболевшего к здоровому. На Востоке вдыхали растёртые в порошок корочки, образующиеся на местах пузырьков при оспе. Из Китая и Индии эта практика расходилась по миру вместе с путешественниками и торговцами. А в Европу XVIII века вариоляция пришла из Османской империи: её привезла леди Мэри Уортли-Монтегю - писательница, путешественница и жена британского посла. Так что самому Дженнеру оспу привили ещё в детстве. Вариоляция действительно снижала смертность в целом, но была небезопасна для конкретного человека: в 2% случаев она приводила к смерти и иногда сама вызывала эпидемии.
Но вернёмся к коровам. Предположив близкое родство вирусов коровьей и натуральной оспы, Дженнер решился на публичный эксперимент. 14 мая 1796 года он привил коровью оспу здоровому восьмилетнему мальчику, внеся экстракт из пузырьков в ранки на руках. Мальчик переболел лёгкой формой оспы, а введённый через месяц вирус настоящей оспы на него не подействовал. Дженнер повторил попытку заражения через 5 месяцев и через 5 лет, но результат оставался тем же: прививка коровьей оспы защищала мальчика от оспы натуральной.
Дженнеру потребовались годы, чтобы убедить коллег-врачей в необходимости вакцинации, - и эпидемии оспы в Европе наконец были остановлены. Идеи Дженнера развивал великий Луи Пастер: он ввёл термин "вакцина" (от латинского vacca - корова), описал научную сторону вакцинации, создал вакцины против сибирской язвы, бешенства, куриной холеры и убедил мир, что прививки необходимы для предотвращения многих болезней.
Что мы знаем сегодня
В 1980 году Всемирная организация здравоохранения объявила о полном устранении натуральной оспы. Это первое заболевание, которое победили с помощью массовой вакцинации.
После прививки в организме вырабатывается такой же иммунитет, как после перенесённого заболевания. При этом даже не нужно встречаться с живым патогеном. Обычно в вакцинах содержится его часть, например поверхностный белок, или сам вирус, но ослабленный или убитый. Такой агент, его называют антигеном, учит иммунную систему распознавать его как врага и уничтожать в будущем. В следующий раз, когда в организм попадёт настоящий вирус или бактерия, специфичные антитела - иммунные белки - "подсветят" его для клеток иммунной системы, которые тут же мобилизуются и уничтожат патоген.
Сейчас существует более сотни вакцин, защищающих от 40 вирусных и бактериальных заболеваний. Иммунизация спасает миллионы жизней, поэтому наши дети не умирают от столбняка, поцарапавшись на улице.
Современные вакцины, прошедшие все стадии клинических испытаний, безопасны - они могут вызвать сильную иммунную реакцию у некоторых людей, но никак не тяжёлую форму болезни с летальным исходом или тем более эпидемию.
5. Как вирусы поселились в нашей ДНК
Самая суть: В геноме человека затаились древние вирусы. Они составляют более 8% нашей ДНК. И мы им многим обязаны.
История открытия
В 1960-х годах учёные поняли, что некоторые вирусы могут вызывать рак. Одним из них был вирус птичьего лейкоза, угрожавший всему птицеводству. Вирусологи выяснили, что он относится к группе так называемых ретровирусов, внедряющих свой генетический материал в ДНК клетки-носителя. Такая ДНК будет производить новые копии вируса, но если вирус по ошибке встроился не в то место ДНК, клетка может стать раковой и начать делиться. Вирус птичьего лейкоза оказался очень странным ретровирусом. Учёные находили его белки в крови совершенно здоровых куриц.
Робин Вайс, вирусолог из Университета Вашингтона, первым понял, что вирус мог интегрироваться в ДНК курицы, стать её неотъемлемой и уже неопасной частью. Вайс и его коллеги обнаружили этот вирус в ДНК многих пород кур. Отправившись в джунгли Малайзии, они изловили банкивскую джунглевую курицу, ближайшую дикую родственницу домашней, - она несла в ДНК тот же вирус! Когда-то давно иммунная система куры-предка сумела подавить вирус, и, обезвреженный, он стал передаваться по наследству. Учёные назвали такие вирусы эндогенными, то есть производимыми самим организмом.
Вскоре выяснилось, что эндогенных ретровирусов полно в геномах всех групп позвоночных. А в 1980 году их обнаружили и у человека.
Что мы знаем сегодня
Согласно данным исследователей из Мичиганского университета, на долю эндогенных ретровирусов приходится более 8% нашего генома. При этом обнаружены далеко не все вирусные последовательности, которые осели в геноме человека. Искать их сложно: они встречаются у одного и отсутствуют у другого.
Некоторые эндогенные вирусы остаются опасными, но большинство уже неспособно запустить вирусную программу и захватить мир. До недавнего времени их считали "генетическим мусором". Но оказалось, что порой интеграция вирусов в ДНК ведёт к появлению полезных генетических программ. Например, многие участки ДНК, которые регулируют активность генов, участвующих во врождённом иммунитете, являются ретровирусами. А недавно российские учёные обнаружили у человека эндогенный ретровирус, регулирующий работу мозга и отсутствующий у других приматов, - получается, мы обязаны вирусам какими-то важнейшими своими особенностями! Правда, этот же вирус, возможно, привёл к возникновению шизофрении.
Друзья или враги нам эндогенные ретровирусы, сказать сложно, потому что нет уже деления на нас и них, - мы соединились в одно существо.
_d_850.jpg)
Пандемия, судя по последним событиям, близка к завершению, но для многих ученых она дала старт для новых исследований. Скажем, для программистов стало настоящим откровением, что в природе живут миллиарды разных вирусов, а на сегодня науке известно всего около 13 тысяч. Капля в океане! И любой может выпрыгнуть внезапно, как чертик из табакерки. Хорошо, если он будет как нынешний коронавирус уже известного вида, что позволило быстро создать вакцины. А если окажется абсолютный "мистер икс"? На поиск "вирусного океана" отправилась команда ученых из России, Франции, Канады, США и Германии.
- Прежде всего надо было понять, где искать? - рассказывает ведущий научный сотрудник Центра биоинформатики и алгоритмической биотехнологии Санкт-Петербургского госуниверситета Антон Коробейников. - Был выбран вариант, который может показаться парадоксальным: для поиска неизвестных вирусов мы обратились к уже известным генетическим базам данных. Они собраны международным сообществом за последние 20 лет благодаря прорывным методам расшифровки геномов. Чтобы найти в этих гигантских банках новые вирусы, требовалось с помощью компьютера проанализировать десятки петабайт самых разных геномных последовательностей человека, животных, растений. (Один петабайт равен 10 в 15 степени байт.)
Выбрав поле для поиска, ученым требовалось ответить на второй вопрос: как искать? Какую сеть забрасывать, чтобы выловить в нем неизвестные инфекции? Традиционные средства явно не подходили. Дело в том, что обработка даже на суперкомпьютере такого огромного объема информации требует больших вычислительных затрат. Каждый новый вирус может оказаться "золотым". Ученые решили эту проблему.
- Мы придумали своего рода трюк, - говорит Коробейников. - Сейчас многие работают в так называемых вычислительных облаках. Там каждый может покупать машинное время и вести расчеты. В любой момент времени 20-30 процентов этих мощностей простаивает. И этот промежуток стоит очень дешево. Мы решили на этом сыграть и попасть в это дешевое окно. Конечно, есть риск, что в любую минуту вас потеснят те, кто заплатил. Но трюк в том и состоит, чтобы это никак не повлияло на конечный результат.
Если совсем просто, ученые делят большую задачу на мелкие и разбрасывают их по многим свободным в данный момент серверам в облаке. "Как только из-под тебя хотят выбить табуретку, тут же перебрасываем задачу на другой свободный сервер", - говорит Коробейников. А мастерство программистов в том, чтобы найти самый оптимальный вариант нарезки. Так стоимость сложнейших расчетов удалось снизить с нескольких миллионов долларов до тысяч.
Сам принцип поиска новых вирусов довольно очевиден. Зная геномы уже известных инфекций, компьютер ищет в базе похожие геномные последовательности. Так удалось обнаружить новые РНК-вирусы (в их число, например, входят и коронавирусы, и вирусы гриппа). Их оказалось 130 тысяч, то есть в 10 раз больше, чем было известно до начала исследования. А к концу десятилетия ученые намерны идентифицировать около 100 миллионов новых вирусов. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Обзор
Автор
Редакторы
Обратите внимание!
Спонсоры конкурса: Лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и Студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.
Эволюция и происхождение вирусов
В 2007 году сотрудники биологического факультета МГУ Л. Нефедова и А. Ким описали, как мог появиться один из видов вирусов — ретровирусы. Они провели сравнительный анализ геномов дрозофилы D. melanogaster и ее эндосимбионта (микроорганизма, живущего внутри дрозофилы) — бактерии Wolbachia pipientis. Полученные данные показали, что эндогенные ретровирусы группы gypsy могли произойти от мобильных элементов генома — ретротранспозонов. Причиной этому стало появление у ретротранспозонов одного нового гена — env, — который и превратил их в вирусы. Этот ген позволяет вирусам передаваться горизонтально, от клетки к клетке и от носителя к носителю, чего ретротранспозоны делать не могли. Именно так, как показал анализ, ретровирус gypsy передался из генома дрозофилы ее симбионту — вольбахии [7]. Это открытие упомянуто здесь не случайно. Оно нам понадобится для того, чтобы понять, чем вызваны трудности борьбы с вирусами.
Из давних письменных источников, оставленных историком Фукидидом и знахарем Галеном, нам известно о первых вирусных эпидемиях, возникших в Древней Греции в 430 году до н.э. и в Риме в 166 году. Часть вирусологов предполагает, что в Риме могла произойти первая зафиксированная в источниках эпидемия оспы. Тогда от неизвестного смертоносного вируса по всей Римской империи погибло несколько миллионов человек [8]. И с того времени европейский континент уже регулярно подвергался опустошающим нашествиям всевозможных эпидемий — в первую очередь, чумы, холеры и натуральной оспы. Эпидемии внезапно приходили одна за другой вместе с перемещавшимися на дальние расстояния людьми и опустошали целые города. И так же внезапно прекращались, ничем не проявляя себя сотни лет.
Вирус натуральной оспы стал первым инфекционным носителем, который представлял действительную угрозу для человечества и от которого погибало большое количество людей. Свирепствовавшая в средние века оспа буквально выкашивала целые города, оставляя после себя огромные кладбища погибших. В 2007 году в журнале Национальной академии наук США (PNAS) вышла работа группы американских ученых — И. Дэймона и его коллег, — которым на основе геномного анализа удалось установить предположительное время возникновения вируса натуральной оспы: более 16 тысяч лет назад. Интересно, что в этой же статье ученые недоумевают по поводу своего открытия: как так случилось, что, несмотря на древний возраст вируса, эпидемии оспы не упоминаются в Библии, а также в книгах древних римлян и греков [9]?
Строение вирусов и иммунный ответ организма
Рисунок 1. Первооткрыватель вирусов Д.И. Ивановский (1864–1920) (слева) и английский врач Эдвард Дженнер (справа).
Почти все известные науке вирусы имеют свою специфическую мишень в живом организме — определенный рецептор на поверхности клетки, к которому и прикрепляется вирус. Этот вирусный механизм и предопределяет, какие именно клетки пострадают от инфекции. К примеру, вирус полиомиелита может прикрепляться лишь к нейронам и потому поражает именно их, в то время как вирусы гепатита поражают только клетки печени. Некоторые вирусы — например, вирус гриппа А-типа и риновирус — прикрепляются к рецепторам гликофорин А и ICAM-1, которые характерны для нескольких видов клеток. Вирус иммунодефицита избирает в качестве мишеней целый ряд клеток: в первую очередь, клетки иммунной системы (Т-хелперы, макрофаги), а также эозинофилы, тимоциты, дендритные клетки, астроциты и другие, несущие на своей мембране специфический рецептор СD-4 и CXCR4-корецептор [13–15].
Одновременно с этим в организме реализуется еще один, молекулярный, защитный механизм: пораженные вирусом клетки начинают производить специальные белки — интерфероны, — о которых многие слышали в связи с гриппозной инфекцией. Существует три основных вида интерферонов. Синтез интерферона-альфа (ИФ-α) стимулируют лейкоциты. Он участвует в борьбе с вирусами и обладает противоопухолевым действием. Интерферон-бета (ИФ-β) производят клетки соединительной ткани, фибробласты. Он обладает таким же действием, как и ИФ-α, только с уклоном в противоопухолевый эффект. Интерферон-гамма (ИФ-γ) синтезируют Т-клетки (Т-хелперы и (СD8+) Т-лимфоциты), что придает ему свойства иммуномодулятора, усиливающего или ослабляющего иммунитет. Как именно интерфероны борются с вирусами? Они могут, в частности, блокировать работу чужеродных нуклеиновых кислот, не давая вирусу возможности реплицироваться (размножаться).
Причины поражений в борьбе с ВИЧ
Тем не менее нельзя сказать, что ничего не делается в борьбе с ВИЧ и нет никаких подвижек в этом вопросе. Сегодня уже определены перспективные направления в исследованиях, главные из которых: использование антисмысловых молекул (антисмысловых РНК), РНК-интерференция, аптамерная и химерная технологии [12]. Но пока эти антивирусные методы — дело научных институтов, а не широкой клинической практики*. И потому более миллиона человек, по официальным данным ВОЗ, погибают ежегодно от причин, связанных с ВИЧ и СПИДом.
Подобный вирусный механизм характерен не только для ВИЧ. Он описан и при инфицировании некоторыми другими опасными вирусами: такими, как вирусы Денге и Эбола. Но при ВИЧ антителозависимое усиление инфекции сопровождается еще несколькими факторами, делая его опасным и почти неуязвимым. Так, в 1991 году американские клеточные биологи из Мэриленда (Дж. Гудсмит с коллегами), изучая иммунный ответ на ВИЧ-вакцину, обнаружили так называемый феномен антигенного импринтинга [23]. Он был описан еще в далеком 1953 году при изучении вируса гриппа. Оказалось, что иммунная система запоминает самый первый вариант вируса ВИЧ и вырабатывает к нему специфические антитела. Когда вирус видоизменяется в результате точечных мутаций, а это происходит часто и быстро, иммунная система почему-то не реагирует на эти изменения, продолжая производить антитела к самому первому варианту вируса. Именно этот феномен, как считает ряд ученых, стоит препятствием перед созданием эффективной вакцины против ВИЧ.
Открытие биологов из МГУ — Нефёдовой и Кима, — о котором упоминалось в самом начале, также говорит в пользу этой, эволюционной, версии.
Сегодня не только ВИЧ представляет опасность для человечества, хотя он, конечно, самый главный наш вирусный враг. Так сложилось, что СМИ уделяют внимание, в основном, молниеносным инфекциям, вроде атипичной пневмонии или МЕRS, которыми быстро заражается сравнительно большое количество людей (и немало гибнет). Из-за этого в тени остаются медленно текущие инфекции, которые сегодня гораздо опаснее и коварнее коронавирусов* и даже вируса Эбола. К примеру, мало кто знает о мировой эпидемии гепатита С, вирус которого был открыт в 1989 году**. А ведь по всему миру сейчас насчитывается 150 млн человек — носителей вируса гепатита С! И, по данным ВОЗ, каждый год от этой инфекции умирает 350-500 тысяч человек [33]. Для сравнения — от лихорадки Эбола в 2014-2015 гг. (на состояние по июнь 2015 г.) погибли 11 184 человека [34].
* — Коронавирусы — РНК-содержащие вирусы, поверхность которых покрыта булавовидными отростками, придающими им форму короны. Коронавирусы поражают альвеолярный эпителий (выстилку легочных альвеол), повышая проницаемость клеток, что приводит к нарушению водно-электролитного баланса и развитию пневмонии.
Рисунок 8. Электронная микрофотография воссозданного вируса H1N1, вызвавшего эпидемию в 1918 г. Рисунок с сайта phil.cdc.gov.
Почему же вдруг сложилась такая ситуация, что буквально каждый год появляются новые, всё более опасные формы вирусов? По мнению ученых, главные причины — это сомкнутость популяции, когда происходит тесный контакт людей при их большом количестве, и снижение иммунитета вследствие загрязнения среды обитания и стрессов. Научный и технический прогресс создал такие возможности и средства передвижения, что носитель опасной инфекции уже через несколько суток может добраться с одного континента на другой, преодолев тысячи километров.
Читайте также: