Компьютерные вирусы
Дубровин Никита Алексеевич1, Бычков Даниил Владимирович1, Гордеев Кирилл Сергеевич1, Жидков Алексей Андреевич1
1Нижегородский государственный педагогический университет имени Козьмы Минина
С развитием научно-технического прогресса в жизни людей появляется масса новых изобретений, которые призваны улучшить и облегчить наше существование, сделать его удобнее. Многие из этих изобретений являются относительно новыми, поэтому к ним еще нужно привыкнуть. Однако компьютер, например, стал уже неотъемлемой частью нашего мира и вряд ли мы представим свою жизнь без него. Информация – один из важнейших ресурсов современности, и ее потеря, изменение или порча могут привести к серьезным последствиям. Поэтому компьютерные вирусы могут доставить массу неудобств и проблем обладателю компьютера. В статье представлена информация о компьютерных вирусах современности и способах защиты от них.
Ключевые слова: антивирусы, вирусы, интернет, информация, компьютеры, наука, современное общество, технологии
Библиографическая ссылка на статью:
Дубровин Н.А., Бычков Д.В., Гордеев К.С., Жидков А.А. Компьютерные вирусы // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 11 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2017/11/84861 (дата обращения: 10.05.2023).
Компьютерный вирус – разновидность вредоносного программного обеспечения, которое размножается путем создания копий самого себя и имеет способность проникать в различные секторы компьютера, отделы системной памяти, а также в коды других программ. Это специально созданная программа, обычно небольшая, которая использует различные каналы связи для распространения своей копии. Вредны вирусы тем, что они различными способами нарушают нормальную работу программ, уничтожают файлы, содержащиеся на компьютере и носителях, блокируют пользователей. Все это может привести компьютер в нерабочее положение.
Обычно при заражении компьютера вирусом пользователь не подозревает об этом. Наличие компьютерного вируса проявляется разными изменениями:
- Нарушение работы программ
- Появление посторонних объектов на экране
- Низкая скорость работы компьютера
- Изменение структуры файлов
Существует рад классификаций компьютерных вирусов. В зависимости от способа распространения и заражения компьютера, среды их обитания различают вирусы
- Загрузочного сектора – проникают в жесткие диски, флэш-карты
- Макровирусы (документные) – заражают файлы офисных систем через макросы
- Файловые – внедряются в файлы и нарушают их функциональность
- Сетевые – проникают через компьютерную сеть
На практике существует множество комбинаций вирусов – например, файлы, которые заражают диски и файлы загрузочного сектора, запускают вирусы, заражают редактируемые документы и отправляют на электронную почту своеи копии сетевых макровирусов
По способу заражения вирусы классифицируются на трояны, целевые вирусы, утилиты скрытого администрирования и др.
Трояны имитируют полезные программы, утилиты и при своей активации разнопланово нарушают работу компьютера.
Одним из видов троянов являются – это утилиты скрытого администрирования. Во время установки эти утилиты устанавливают скрытую систему удаленного управления на компьютерах. В результате этот компьютер можно скрытно контролировать – уничтожать или добавлять данные, изменять информацию и тд.
Целевой вирус – это вирус, который при заражении какого-либо файла теряет возможность распространяться через него.
Для защиты компьютера от вирусов используют программы-антивирусы, которые можно поделить на:
- Детекторы – проверяют наличие байтов и их комбинаций, характерных для известных программе вирусов;
- Мониторы – способны распознавать неизвестные вирусы;
- Ревизоры – анализируют изменения в компьютере, наличие несоответствий;
- Доктора – исправляют и восстанавливают зараженные участки – файлы, программы и тд. Предназначены для определенных видов вирусов, поэтому требуют систематического обновления;
- Вакцины – «прививают» программы от заражений конкретных вирусов.
Почти что все программы-антивирусы совмещают в себе несколько функций и целей, что повышает их эффективность и увеличивает безопасность компьютера.
В разное время в мире появлялись различные вирусы и становились серьезными проблемами в компьютерной среде. Со временем человек разработал способы защиты от них, и они, подобно легким болезням, перестали пугать пользователей. Каждый новый вирус по-разному воздействует на компьютер и преследует разные цели. Поэтому появление очередного вируса становится вынуждает человека искать способы борьбы с ним.
Так, одними из последних вирусов, заставивших обратить на себя внимание, являются «Petya» и «Bad rabbit», целью которых было вымогательство денег путем блокирования ряда программ. К счастью, они работают по принципу, уже знакомому обществу, поэтому есть немалая вероятность защиты от них. Тем не менее, тысячи людей по всему миру стали жертвами этих вирусов.
Компьютерные вирусы являются программами, а это значит, что их создателем является также человек.
Первые вирусы были созданы из-за ошибок программистов при разработке различных программ. Современные вирусы создаются в целях получения денег, информации, нарушения работы каких-либо компаний, а также из личного интереса.
- IT журнал Iteranet URL: https://www.iteranet.ru
- Жуков Д. О., Барышников А. А. Модели различных стратегий распространения вирусов в компьютерных сетях // Гаудеамус. – 2013
- Рычков А. В. Классификация компьютерных вирусов // Программные продукты и системы. – 2012
Количество просмотров публикации: Please wait
Все статьи автора «Гордеев Кирилл Сергеевич»
Практическая работа по дисциплине информатика на тему «Компьютерные вирусы и антивирусные программы»
Практическая работа на тему
«Компьютерные вирусы и
антивирусные программы».
Цель занятия: изучить классификацию вирусов, способы их распространения, способы борьбы с ними; изучить классификацию и назначение антивирусных программ.
Теоретические основы работы:
Наиболее защищенный компьютер — это тот компьютер, который отключен от сети и заперт в сейф.
Понятие вируса.
Официальное появление первого компьютерного вируса датируется 1981 годом, задолго до выхода первой версии Microsoft Windows. Этот вирус, замаскированный под компьютерную игру, атаковал наиболее популярный компьютер того времени — Apple II. Распространялся он с черепашьей скоростью (с помощью дискет).
Согласно подсчетам экспертов, объем malware (общепринятое название всех видов вредоносных программ) возрастает
более чем на 15 % в год. Согласно данным компании Sophos, разработчика антивирусных программ, каждый день появляются примерно 30
новых вирусов, а перечень активных вирусов пополняется 10 тыс.
Вирус — это часть программного кода, которая тиражируется путем добавления в другой объект, обычно незаметно и без разрешения пользователя.
Встреча компьютера с вирусом влечет несколько последствий.
• Появление необычных системных сообщений.
• Исчезновение файлов или увеличение их размеров.
• Замедление работы системы.
• Внезапный недостаток дискового пространства.
• Диск становится недоступным.
Классификация вирусов.
Вирусы могут быть безвредными, малоопасными и разрушительными.
Вирусы могут заражать программные файлы, документы (так называемые. макровирусы
Файловые вирусы заражают исполнимые файлы,
имплантируя в них опасный код. Вирусы могут активизироваться при запуске
инфицированной программы; также они могут постоянно находиться в памяти и
заражать открываемые пользователем файлы или создавать свои собственные.
Когда
вирус проникает в компьютер, на котором установлена система Windows, он может изменять значения в системном реестре,
замещать собой системные файлы и внедряться в почтовую программу с целью
дальнейшего размножения (черви).
Сетевые вирусы обитают в оперативной памяти компьютеров и не копируют себя на носители данных. Они обитают в сети, когда хотя бы один компьютер включен, поэтому не опасны для индивидуального пользователя. Вирус не обязательно представляет собой отдельную программу и не всегда является деструктивным по своей сути, все зависит от его конкретной разновидности. Хотя основную угрозу для пользователей представляют именно компьютерные вирусы, существует несколько видов вредоносных программ:
Троянский конь представляет собой
компьютерную программу, которая маскируется или скрывается в части программы.
Некоторые формы троянских коней могут быть запрограммированы на саморазрушение
и не оставляют никаких следов, кроме причиненных ими разрушений.
Некоторые
хакеры используют троянских коней для получения паролей и отсылки их обратно
хакеру. Кроме того, они могут использоваться для банковских мошенничеств, когда
небольшие суммы денег снимаются с законных счетов и передаются на секретный
счет.
Черви представляют собой программы, которые разрушают компьютерную систему. Они могут проникать в программы обработки данных и подменять или разрушать данные. Как вирусы, они могут причинять большие разрушения, если их не обнаружить вовремя. Намного проще ликвидировать червя или троянского коня, если существует только единственная копия программы-разрушителя.
Логические бомбы подобны программам,
используемым для троянских коней. Однако логические бомбы имеют таймер, который
взрывает их в заданную дату и время. Например, вирус Michelangelo имеет триггер, установленный на день рождения знаменитого художника
Микеланджело — б марта. Логические бомбы часто используются недовольными
служащими, которые могут установить их на активацию после того, как они оставят
компанию.
Например, логическая бомба может «взорваться», когда имя этого
служащего исключается из платежной ведомости. Благодаря встроенному механизму
задержки, логические бомбы активно используются для шантажа. Например,
шантажист может послать сообщение, говорящее, что, если ему будет выплачена
определенная сумма денег, он предоставит инструкцию для отключения логической
бомбы.
Смешанные коды представляют собой новый класс изощренных вредоносных программ, которые сочетают в себе характеристики вирусов, червей и ое ия , что позволяет злоумышленнику осуществить особо эффективную атаку. В отличие от большинства доморощенных вирусов, которые распространяются благодаря взлому адресных книг на компьютерах под управлением Windows, целью таких программ являются web-серверы и сети, что значительно повышает их опасность.
Пути проникновения вирусов в компьютер.
Вирусы попадают в вашу компьютерную
систему из множества разнообразных источников — исполняемых программ,
программ и файлов, передаваемых вам, или программного обеспечения,
приобретаемого в архивированной форме.
Гибкие диски и компакт-диски могут хранить файлы данных, программ и программное обеспечение операционных систем. Гибкий диск состоит из загрузочного сектора и данных. При необходимости, в загрузочном секторе может храниться информация, нужная для загрузки компьютера. Кроме того, здесь же хранится информация о разделах, информация по управлению загрузкой и информация о размещении файлов. Данные представляют собой всю ту содержательную информацию, которая храниться на гибком диске. Очень легко распространяются вирусы с флеш-карт.
Излюбленным местом обитания вирусов являются загрузочные сектора и исполняемые файлы, хранимые на гибком диске. Помещенные в загрузочном секторе, вирусы могут запускаться при загрузке системы с дискеты. Вирусы, помещенные в исполняемые файлы, запускаются вместе с зараженной программой, после чего начинают свою деятельность.
Если в локальной сети заражён хотя
бы один компьютер, то вирус моментально распространится и на все остальные
компьютеры.
Интернет предоставил пользователям новые возможности, которые увеличивают потенциальную опасность прорех в системе защиты от вирусов.
Места обитания вирусов.
Место обитания вируса связано с его функционированием самым непосредственным образом (как и у настоящих живых вирусов). Вирусные атаки можно даже классифицировать по месту их расположения в компьютере. Типы вирусных атак: атака загрузочного сектора; инфицирование файла; атака с использованием макросов.
Вирусы загрузочного сектора инфицируют
загрузочный сектор или главную загрузочную запись компьютерной системы. Когда
компьютер загружается, вирусная программа активируется. Вирусы загрузочного
сектора прежде всего перемещают в другое место записывают исходный загрузочный
код и замещают его инфицированным загрузочным кодом. Информация исходного
загрузочного сектора переносится на другой сектор диска, который помечается как
дефектная область диска и далее не используется.
Поскольку загрузочный сектор — первый элемент, загружаемый при запуске компьютера, обнаружение вирусов загрузочного сектора может оказаться нелегкой задачей. Вирусы загрузочного сектора — один из самых популярных типов вирусов. Они могут распространяться путем использования инфицированных гибких дисков при загрузке компьютера. Это может легко произойти, если при перезагрузке компьютера гибкий диск вставлен в дисковод.
Вирусы, инфицирующие файлы, поражают исполняемые
файлы. Они могут активироваться только при исполнении файла. Чаще прочих
поражаются файлы типов СОМ, ЕХЕ, DLL, BIN, SYS и VXD. Вирусы, инфицирующие файлы, могут становиться резидентными и
присоединяться к другим исполняемым программам. Вирусы, инфицирующие файлы,
обычно заменяют инструкции загрузки программы исполняемого файла собственными
инструкциями. Затем они переносят исходную инструкцию загрузки программы в
другой раздел файла. Этот процесс увеличивает размер файла, что может помочь
обнаружению вируса.
Вирусы в основе которых лежат макросы (макровирусы), исполняют
непредусмотренные действия путем использования макроязыка приложения для своего распространения документы. Они могут, например, инфицировать файлы .DOT и .DOC приложения Microsoft Word, а также файлы Microsoft Excel. Эти вирусы относятся к межплатформенным вирусам и могут инфицировать как системы Macintosh, так и PC.
Прочие вирусы могут иметь черты одного или нескольких описанных выше типов.
Вирусы-невидимки (жаргонное название — «стелс-вирусы») при работе пытаются вся как от
операционной системы, так и антивирусных программ. Чтобы перехватить все
попытки использования операционной системы, вирус должен находиться в памяти.
Вирусы невидимки могут скрывать все изменения, которые они вносят в размеры
файлов, структуру каталогов или иные разделы операционной системы. Это
значительно затрудняет их обнаружение. Чтобы блокировать вирусы-невидимки, их
следует обнаружить, когда они находятся в памяти.
Зашифрованные вирусы во время работы шифруют свой вирусный код, что позволяет им предотвратить обнаружение и распознание вируса.
Полиморфные вирусы могут изменять свой внешний вид при каждом инфицировании. Для изменения внешнего вида и затруднения обнаружения они используют механизмы мутаций. Полиморфные вирусы способны принимать более двух миллиардов различных форм, поскольку при каждом инфицировании изменяют алгоритм шифрование.
Многокомпонентные вирусы инфицируют как загрузочные секторы, так и исполняемые файлы. Это один из самых сложных для обнаружения вирусов, поскольку многокомпонентные вирусы могут сочетать некоторые или все методы скрытия своей деятельности, присущие вирусам-невидимкам и полиморфным вирусам.
Самообновляющиеся вирусы, которые появились в самое последнее время, способные скрытно обновляться через Интернет во время сеансов связи.
Проблемы.
Новые вирусы.
Сигнатуры новых вирусов появляются постоянно. Когда разрабатывается
новый вирус, разработчики антивирусных программ должны «разобрать» его на
составные части, проанализировать поведение, добавить его сигнатуру в базу
данных антивируса и опубликовать данное обновление. Даже если ваша антивирусная
программа настроена на регулярное обновление, какой-то короткий период времени
вы не защищены от новейших вирусов. Эта проблема может показаться не столь
серьезной в момент начала распространения вируса.
Поскольку новые вирусы появляются непрерывно, никогда не стоит рассчитывать только на антивирусную программу. Для создания нескольких уровней защиты необходимо блокировать исполняемые почтовые вложения и установить все необходимые обновления безопасности.
Ложные тревоги. Иногда антивирусный сканер может принять обычный файл за
инфицированный, если база данных антивируса содержит некорректное описание
вирусной программы или если алгоритм эвристического анализатора сканера
содержит ошибки.
Действия антивирусных программ.
Антивирусная программа должна выполнять три основные заДачи: обнаружение вируса, удаление вируса, превентивная защита.
Чтобы предотвратить вирусную атаку, антивирусная программа реализует множество различных методов обнаружения. Различные антивирусные программы используют некоторые или все методы из следующей группы.
Сканирование цифровой сигнатуры используется для идентификации уникального цифрового кода вируса.
Цифровая сигнатура представляет собой предварительно установленный
шестнадцатеричный код, наличие которого в файле свидетельствует о его заражении
вирусом. Сканирование цифровой сигнатуры представляет собой в высшей степени
успешный метод идентификации вирусов. Он, однако, всецело зависит от поддержки
базы данных с цифровыми сигнатурами вирусов и тонкостей механизма сканирования.
Возможно ложное обнаружение вируса в неповрежденном файле.
Эвристический анализ (или сканирование по заданным правилам) выполняется быстрее, чем сканирование большинством традиционных методов. Этот метод использует набор правил для эффективного анализа файлов и быстро обнаруживает подозрительный вирусный код. Как отмечено в [9], все эвристические методы в той или иной форме выполняют эмулирование исполнения кода вируса. Поэтому, при наличии некоторого опыта, разработчик вируса может защитить свое «изделие» от обнаружения эвристическим анализом. Эвристический анализ склонен к ложным тревогам, и, к сожалению, зависит от корректности набора правил выявления вируса, которые все время изменяются.
ИсслеДование памяти — еще один метод, обычно успешно применяемый
для обнаружения вирусов. Он зависит от распознания местоположения известных
вирусов и их кодов, когда они находятся в памяти. И хотя исследование памяти
обычно приводит к успеху, использование такого метода может потребовать
значительных ресурсов компьютера.
Кроме того, он может вмешиваться в нормальный
ход выполнения операций компьютера.
Мониторинг прерываний работает путем локализации и предотвращения вирусных атак, использующих вызовы прерываний. Вызовы прерываний представляют собой запросы различных функций через системные прерывания. Мониторинг прерываний, подобно исследованию памяти, также может отвлечь значительные системные ресурсы. Он может стать причиной проблем при легальных системных вызовах и замедлить работу системы. Из-за большого числа вирусов и легальных системных вызовов, мониторинг прерываний может испытывать трудности в локализации вирусов.
Контроль целостности (известный также как вычисление контрольных сумм) просматривает
характеристики файлов программ и определяет, были ли они модифицированы
вирусным кодом. Этот метод не нуждается в обновлении программного обеспечения,
поскольку не зависит от цифровых подписей вирусов. Однако он требует от вас
поддержания базы данных контрольных сумм файлов, свободных от вирусов.
Контроль
целостности не способен обнаруживать пассивные и активные вирусы-невидимки.
Кроме того, он не может идентифицировать обнаруженные вирусы по именам или
типам.
Непрерывной контроль может быть неподходящим средством для домашнего использования, поскольку может привести к обработке слишком большого объема информации, а это замедляет работу компьютера. На клиентской машине предпочтительнее конфигурировать антивирусную программу на запуск в определенное время. Например, она может запускаться при загрузке компьютера или считывании нового файла с диска. В некоторых пакетах (например, Антивирус Касперского, Norton Antivirus и MacAfee VimsScan) используют метод, известный как сканирование по расписанию, для выполнения поиска вирусов на жестком диске в заданные периоды времени. Еще один метод заключается в использовании антивирусной программы в период простоя компьютера. Например, его можно использовать как часть программы экранной заставки.
Основные принципы компьютерной безопасности.
1. Обучите всех, кто пользуется вашим компьютером или сетью, основным принципам обеспечения компьютерной безопасности.
2. Установите антивирусную программу на компьютер. Установите на компьютер персональный брандмауэр.
3. Настройте почтовый клиент таким образом, чтобы он блокировал или помещал в отдельный каталог все потенциально опасные вложения.
4. Отключите в операционной системе автозапуск дисков, дискет, флеш-карт.
5. Не пользуйтесь дисками, дискетами, флеш-картами, которыми Вы пользовались в заражённых ПК, не проверив их на наличие вирусов и не вылечив их.
6. Не поддавайтесь на сомнительные предложения в Интернете: просмотр интересного фильма или установка бесплатной программы и т.п.
7. Настройте свое антивирусное ПО таким образом, чтобы выполнялось регуляр ое обновление, как минимум раз в неделю.
8. Используйте авторитетные источники информации о компьютерных вирусах и «ложных тревогах».
9.
Пользуйтесь программами для резервного копирования данных. Разработайте
план восстановления системы на случай вирусной атаки.
Замечание: В РФ отношения производителей и распространителей вирусов с обществом регулируются статьей 273 Уголовного кодекса, гласящей следующее: «Создание программ Для ЭВМ или внесение изменений в уже существующие программы, завеДомо приводящих к несанкционированному уничтожению, блокированию, модификации или копированию информации, нарушению рабов ЭВМ, систем ЭВМ или их сети, а равно использование либо распространение таких программ или машинных носителей с такими программами наказывается лишением свобоДы на срок До 3-х лет со штрафом от 200 До 500 минимальных размеров оплаты труда…». Аналогичные законы приняты и в других странах.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Посмотрите, какие антивирусные программы установлены на Вашем ПК.
2.
Откройте программу Kaspersky Endpoint Security
для Windows Дли другое антивирусное ПО Пи
изучите окно программы (Рис.
1).
3. Почитайте информацию: Состояние защиты, Обновление, Настройка, Справка и поддержка.
4. Посмотрите на вкладке «Компоненты защиты», все ли опции включены: Защита от файловых угроз, защита от веб-угроз, защита от почтовых угроз, контроль программ, веб-контроль (вкладки могут отличаться в зависимости от ПО).
5. Откройте проводник и просканируйте любой локальный диск (например, пока идёт сканирование, изучите файлы, которые были помещены на карантин. При отсутствии файлов, помещенных на карантин — в отчет записать результат об отсутствии файлов на карантине.
Рисунок 1
7. После окончания сканирования локального диска просканируйте свой носитель информации. Результаты сканирования запишите в отчёт с приложением результатов сканирования.
8. В разделе Справочной системы программы найдите информацию о том, какие три уровня очистки поддерживает программа и запишите эту информацию в отчёт.
9.
Изучите раздел справки Введение в интерфейс
пользователя.
10. Изучите раздел справки Предупреждения и уведомления.
11. В служебных программах в Планировщике почитай те, какие задачи запланированы на ближайшее время и запишите эту информацию в отчёт.
Дополнительны е требования к отчёту:
1. Запишите, где могут обитать вирусы.
2. Запишите, как вирусы могут проникнуть в ПК.
3. Запишите, какие типы вредоносных программ Вы изучили.
4. Запишите результаты выполнения пункта 7.
5. Запишите информацию из пункта 8 выполнения работы.
6. Запишите информацию из пункта 10 выполнения задания: о чём может предупреждать программа пользователя.
7. Запишите информацию из пункта 11 выпол нения задания.
Контрольные вопросы.
1. Что такое вирус?
2. Какие разновидности вирусов Вы знаете?
3. Как вирусы классифицируются по среде обитания?
4.
Как вирусы классифицируются по степени вредного воздействия?
5. Какие виды вредоносных программ Вы знаете?
6. Как вирусы маскируются?
7. Когда обнаружили первый вирус?
8. Как Вы думаете, зачем изобретают вирусы?
9. Какие действия могут выполнять антивирусные программы?
10. Какие три задачи должна выполнять антивирусная программа?
11. Как обеспечить безопасность своей информации?
12. Подготовьте краткое письменное сообщение на тему: «Общие сведения и особенности работы антивирусной программы. [Название антивирусной программы выбрать в соответствии со своим порядковым номером по журналу]».
Название антивирусной программы
№ п/п | Название антивирусной программы |
1 | Zillya! |
2 | Panda Anti-Virus |
3 | Dr. |
4 | Антивирус Касперского |
5 | Avast |
6 | NANO Антивирус |
7 | AVG |
8 | Avira |
9 | Clam AntiVirus |
10 | ESET NOD32 |
11 | Trojan Hunter |
12 | Norton AntiVirus |
13 | McAfee VirusScan |
14 | Comodo AntiVirus |
15 | USB Disk Security |
16 | IKARUS Security Software |
17 | Windows Live OneCare |
18 | Acronis AntiVirus |
19 | Dr. |
20 | Защитник Windows |
21 | Ashampoo AntiSpyWare |
22 | Immunet |
23 | 360 Total Security |
24 | Malwarebytes |
25 | Outpost Antivirus |
Web
Solomon’s Anti-Virus Toolkit
Вирусная золотая лихорадка | Министерство энергетики
Биологические и экологические исследования
30 января 2020 г.
Это исследование использовало наличие/отсутствие определенных белков в каждом вирусном геноме в качестве входных данных для анализа сети обмена генами.
Этот подход помогает классифицировать подавляющее неизвестное большинство вирусов, обнаруживаемых в каждом новом исследовании природы.
Изображение предоставлено Хо Бин Джангом, Университет штата Огайо
The Science
Исследователи разработали программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое может классифицировать вирусы так, как не могли предыдущие инструменты. У ученых есть ограниченные данные о вирусах, которые они не могут выращивать в лабораториях. Отсутствие информации делает их особенно трудными для классификации. Новая система использует вирусные гены для разделения вирусов, которые трудно отличить друг от друга, на отдельные группы. Это разделение является ключевым шагом в организации и изоляции вирусов, которые особенно интересуют ученых. Тесты с использованием информации от известных вирусов показали, что новое программное обеспечение очень точное.
The Impact
Исследования вирусов являются важной областью науки об окружающей среде.
Фактически, вирусы, проникающие в бактерии и археи, скорее всего, имеют решающее значение для всех экосистем. Любая среда содержит множество вирусов, которые ученые не могут вырастить в лаборатории. Однако отсутствие структуры, которая может классифицировать большое количество вирусов и учитывать взаимоотношения вирусов с их носителями, сдерживает прогресс в этой области. Этот программный инструмент представляет собой новый стандарт для классификации вирусов, обнаруженных учеными в ДНК из полевых и других образцов окружающей среды.
Резюме
Классификация вирусов окружающей среды, особенно некультивируемых вирусных геномов («UVIGS»), является ключевым шагом к организации виросферы и изоляции вирусных групп, представляющих потенциальный интерес. Филогении одного гена или полного генома обычно используются для классификации вирусов в рамках известной системы классификации вирусов. Однако высокая скорость обмена генами внутри и между бактериальными вирусами («фагами») затрудняет классификацию сильно различающихся фагов с ограниченными доступными данными.
Группа исследователей разработала vConTACT 2.0, сетевое программное приложение с открытым исходным кодом, доступное для сообщества, для установления таксономии прокариотических вирусов, которая масштабируется до тысяч некультивируемых вирусных геномов/фрагментов, при интеграции нескольких показателей достоверности для всех таксономических прогнозов. Тесты производительности показывают, что предсказания нового программного обеспечения для классифицированных в настоящее время вирусов очень точны (Международный комитет по таксономии вирусов; >91% отнесений на уровне рода с точностью 97%). Этот подход также может разрешить высоко рекомбиногенные таксоны с помощью интегрированного иерархического подхода, основанного на расстоянии, и остающиеся несоответствия, вероятно, потребуют внесения изменений в текущие руководства по таксономии вирусов. vConTACT 2.0 также автоматически классифицировал 1364 ранее не классифицированных эталонных вируса. Программное приложение можно масштабировать до современных наборов метагеномных данных с надежной эталонной сетью, и потенциально оно может обнаружить еще тысячи последовательностей вирусов.
Вместе эти усилия обеспечивают систематическую справочную сеть и надежный, масштабируемый инструмент таксономического анализа, который крайне необходим исследовательскому сообществу.
Контактное лицо
Мэтью Салливан
Университет штата Огайо
[email protected]
Дженнифер Петт-Ридж
Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса
[email protected]
Дон Адин
Управление Министерства энергетики Биологические и экологические исследования, отдел биологических системных наук
[email protected]
Ramana Madupu
Управление биологических и экологических исследований Министерства энергетики, отдел биологических системных наук
[email protected]
Финансирование
Финансирование было частично обеспечено Программой геномных наук Министерства энергетики США. Научная область почвенного микробиома, премия Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса, награда NSF в области биологической океанографии и награда Гордона и Бетти.
Премия исследователя Фонда Мура MBS Финансирование было предоставлено J.R.B. Программой внутренних исследований Национальной медицинской библиотеки Национального института здоровья (NIH). Работа, проводимая Объединенным институтом генома Министерства энергетики США, поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США. Эта работа также частично финансировалась за счет основного контракта Battelle Memorial Institute с Национальным институтом аллергии и инфекционных заболеваний США (NIAID).
Publications
Jang, H.B., Bolduc, B., Zablocki, O., Kuhn, J.H., Roux, S., Adriaenssens, E.M., Brister, J.R., Kropinski, A.M., Krupovic, M., Lavigne, R., Тернер, Д., и Салливан, М., «Таксономическое определение геномов некультивируемых прокариотических вирусов возможно благодаря сетям обмена генами». Nature Biotechnology , 37 : 632–639 (2019). [DOI: 10.1038/s41587-019-0100-8]
Живы ли вирусы? — Scientific American
Примечание редактора: эта статья была первоначально опубликована в декабрьском выпуске Scientific American за 2004 год.
В одном из эпизодов классической телевизионной комедии 1950-х годов « Молодожены » водитель бруклинского автобуса Ральф Крэмден громко объясняет своей жене Элис: «Вы знаете, я знаю, как легко вы подхватываете вирус». Полвека назад даже обычные люди, такие как Крамдены, знали о вирусах как о микроскопических переносчиках болезней. Тем не менее почти наверняка они не знали точно, что такое вирус. Они были и есть не одни.
В течение примерно 100 лет научное сообщество неоднократно меняло коллективное мнение о том, что такое вирусы. Сначала рассматриваемые как яды, затем как формы жизни, затем как биологические химические вещества, вирусы сегодня считаются находящимися в серой зоне между живым и неживым: они не могут воспроизводиться сами по себе, но могут делать это в действительно живых клетках, а также могут влиять на поведение их хозяев глубоко. Классификация вирусов как неживых на протяжении большей части современной эры биологической науки имела непредвиденные последствия: это привело к тому, что большинство исследователей игнорировали вирусы при изучении эволюции.
Наконец, однако, ученые начинают ценить вирусы как основных игроков в истории жизни.
Принятие решений
Легко понять, почему вирусы трудно классифицировать. Кажется, что они меняются с каждой линзой, применяемой для их изучения. Первоначальный интерес к вирусам возник из-за их связи с болезнями — слово «вирус» происходит от латинского термина «яд». В конце 19 века исследователи поняли, что некоторые болезни, в том числе бешенство и ящур, вызываются частицами, которые ведут себя как бактерии, но имеют гораздо меньшие размеры. Поскольку они сами были явно биологическими и могли передаваться от одной жертвы к другой с очевидными биологическими эффектами, вирусы тогда считались простейшими из всех живых форм жизни, несущих гены.
Их понижение в должности до инертных химикатов произошло после 1935 года, когда Уэнделл М.
Стэнли и его коллеги в том, что сейчас называется Рокфеллеровским университетом в Нью-Йорке, впервые кристаллизовали вирус — вирус табачной мозаики. Они увидели, что он состоит из комплекса сложных биохимических веществ. Но в нем отсутствовали важные системы, необходимые для метаболических функций, биохимической активности жизни. Стэнли разделил Нобелевскую премию 1946 года — по химии, а не по физиологии или медицине — за эту работу.
Дальнейшие исследования, проведенные Stanley и другими, установили, что вирус состоит из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключенных в белковую оболочку, которая также может укрывать вирусные белки, участвующие в инфекции. Судя по этому описанию, вирус больше похож на химический набор, чем на организм. Но когда вирус проникает в клетку (называемую хозяином после заражения), он далеко не бездействует. Он сбрасывает свою шерсть, обнажает свои гены и индуцирует собственный механизм репликации клетки для воспроизведения ДНК или РНК злоумышленника и производства большего количества вирусного белка на основе инструкций вирусной нуклеиновой кислоты.
Вновь созданные вирусные фрагменты собираются, и, вуаля, возникает больше вирусов, которые также могут заражать другие клетки.
Такое поведение заставило многих думать, что вирусы существуют на границе между химией и жизнью. Более поэтично вирусологи Марк Х. В. ван Регенмортель из Страсбургского университета во Франции и Брайан В. Дж. Махи из Центров по контролю и профилактике заболеваний недавно заявили, что из-за своей зависимости от клеток-хозяев вирусы ведут «своего рода заимствованную жизнь». Интересно, что хотя биологи долгое время придерживались точки зрения, что вирусы — это просто ящики с химическими веществами, они воспользовались вирусной активностью в клетках-хозяевах, чтобы определить, как нуклеиновые кислоты кодируют белки: действительно, современная молекулярная биология опирается на информацию, полученную с помощью вирусов.
Молекулярные биологи кристаллизовали большинство основных компонентов клеток и сегодня привыкли думать о клеточных компонентах — например, рибосомах, митохондриях, мембранах, ДНК и белках — либо как о химическом механизме, либо о материале, который этот механизм использует или производит.
Это воздействие множества сложных химических структур, которые осуществляют жизненные процессы, вероятно, является причиной того, что большинство молекулярных биологов не тратят много времени на размышления о том, живы ли вирусы. Для них это упражнение может показаться эквивалентным размышлению о том, живы ли эти отдельные субклеточные составляющие сами по себе. Этот близорукий взгляд позволяет им видеть только то, как вирусы кооптируют клетки или вызывают болезни. Более широкий вопрос о вкладе вирусов в историю жизни на Земле, к которому я вскоре обращусь, по большей части остается без ответа и даже не задан.
Быть или не быть
Казалось бы, простой вопрос о том, живы вирусы или нет, который часто задают мои студенты, вероятно, все эти годы не дает простого ответа, поскольку поднимает фундаментальный вопрос: что именно определяет «жизнь»? Точное научное определение жизни трудно найти, но большинство наблюдателей согласится с тем, что помимо способности к воспроизведению жизнь включает в себя определенные качества.
Например, живое существо находится в состоянии, ограниченном рождением и смертью. Также считается, что живые организмы нуждаются в определенной степени биохимической автономии, выполняя метаболические действия, которые производят молекулы и энергию, необходимые для поддержания организма. Этот уровень автономии важен для большинства определений.
Вирусы, однако, паразитируют практически на всех биомолекулярных аспектах жизни. То есть они зависят от клетки-хозяина в отношении сырья и энергии, необходимых для синтеза нуклеиновых кислот, белкового синтеза, процессинга и транспорта, а также всех других биохимических процессов, которые позволяют вирусу размножаться и распространяться. Тогда можно заключить, что, хотя эти процессы и находятся под контролем вирусов, вирусы являются просто неживыми паразитами живых метаболических систем. Но может существовать спектр между тем, что определенно живо, и тем, что нет.
Камень не живой. Метаболически активный мешок, лишенный генетического материала и возможности размножения, также не является живым.
Но бактерия жива. Хотя это одна клетка, она может генерировать энергию и молекулы, необходимые для поддержания себя, и она может воспроизводиться. Но как насчет семени? Семя нельзя считать живым. Тем не менее, у него есть потенциал для жизни, и он может быть уничтожен. В этом отношении вирусы больше напоминают семена, чем живые клетки. У них есть определенный потенциал, который можно погасить, но они не достигают более автономного состояния жизни.
Еще один способ представить себе жизнь — это эмерджентное свойство набора определенных неживых вещей. И жизнь, и сознание являются примерами эмерджентных сложных систем. Каждому из них требуется критический уровень сложности или взаимодействия для достижения соответствующих состояний. Нейрон сам по себе или даже в сети нервов не обладает сознанием — требуется сложность всего мозга. Тем не менее, даже неповрежденный человеческий мозг может быть биологически живым, но неспособным к сознанию или «мозгом мертвым». Точно так же ни клеточные, ни вирусные отдельные гены или белки не являются живыми сами по себе.
Энуклеированная клетка сродни состоянию смерти мозга, поскольку ей не хватает полной критической сложности. Вирус тоже не достигает критической сложности. Таким образом, сама жизнь представляет собой эмерджентное сложное состояние, но она состоит из тех же фундаментальных физических строительных блоков, из которых состоит вирус. Подойдя с этой точки зрения, вирусы, хотя и не полностью живые, могут рассматриваться как нечто большее, чем инертная материя: они граничат с жизнью.
Фактически, в октябре французские исследователи объявили об открытии, которое вновь показывает, насколько близко могут подойти некоторые вирусы. Дидье Рауль и его коллеги из Средиземноморского университета в Марселе объявили, что секвенировали геном крупнейшего из известных вирусов, мимивируса, открытого в 1992 году. Вирус размером примерно с маленькую бактерию заражает амеб. Анализ последовательности вируса выявил многочисленные гены, которые ранее считались существующими только в клеточных организмах. Некоторые из этих генов участвуют в создании белков, кодируемых вирусной ДНК, и могут облегчить мимивирусам кооптацию систем репликации клеток-хозяев.
Как отметила исследовательская группа в своем отчете в журнале Science , огромная сложность генетического набора мимивируса «бросает вызов установленной границе между вирусами и паразитическими клеточными организмами».
Влияние на эволюцию
Дебаты о том, следует ли маркировать вирусы как живые, естественным образом приводят к другому вопросу: является ли размышление о статусе вирусов как живых или неживых чем-то большим, чем философским упражнением, основой оживленных и горячих риторических дебатов, но с небольшими реальными последствиями? я думаю проблема важно , потому что то, как ученые рассматривают этот вопрос, влияет на их взгляды на механизмы эволюции.
Вирусы имеют свою древнюю эволюционную историю, восходящую к самому зарождению клеточной жизни. Например, некоторые ферменты репарации вирусов, которые вырезают и повторно синтезируют поврежденную ДНК, восстанавливают повреждения радикалами кислорода и т. д., уникальны для некоторых вирусов и существуют практически в неизменном виде, вероятно, в течение миллиардов лет.
Тем не менее, большинство биологов-эволюционистов считают, что, поскольку вирусы неживые, они не заслуживают серьезного внимания при попытке понять эволюцию. Они также рассматривают вирусы как исходящие от генов-хозяев, которые каким-то образом ускользнули от хозяина и приобрели белковую оболочку. С этой точки зрения вирусы представляют собой беглые гены хозяина, выродившиеся в паразитов. А поскольку вирусы, таким образом, исключены из паутины жизни, важный вклад, который они, возможно, внесли в происхождение видов и поддержание жизни, может остаться непризнанным. (Действительно, только четыре из 1205 страниц тома 9 2002 г.0051 Энциклопедия эволюции посвящена вирусам.)
Конечно, биологи-эволюционисты не отрицают, что вирусы сыграли определенную роль в эволюции. Но рассматривая вирусы как неодушевленные предметы, эти исследователи помещают их в ту же категорию влияний, что и, скажем, изменение климата. Такие внешние влияния отбирают среди индивидуумов различные, генетически контролируемые черты; те особи, которые наиболее способны выжить и процветать, столкнувшись с этими проблемами, продолжают наиболее успешно размножаться и, следовательно, передают свои гены будущим поколениям.
Но вирусы напрямую обмениваются генетической информацией с живыми организмами, то есть внутри паутины самой жизни. Возможным сюрпризом для большинства врачей и, возможно, для большинства биологов-эволюционистов будет то, что большинство известных вирусов являются стойкими и безвредными, а не патогенными. Они поселяются в клетках, где могут оставаться в состоянии покоя в течение длительного времени или использовать клеточный аппарат репликации для размножения с медленной и постоянной скоростью. Эти вирусы разработали множество хитрых способов избежать обнаружения иммунной системой хозяина — практически каждый этап иммунного процесса может быть изменен или контролироваться различными генами, обнаруженными в том или ином вирусе.
Кроме того, геном вируса (полный набор ДНК или РНК) может постоянно колонизировать своего хозяина, добавляя вирусные гены к линиям хозяина и в конечном итоге становясь важной частью генома вида-хозяина. Таким образом, вирусы, безусловно, оказывают более быстрое и непосредственное воздействие, чем внешние силы, которые просто выбирают среди более медленно генерируемых внутренних генетических вариаций.
Огромная популяция вирусов в сочетании с их высокой скоростью репликации и мутации делает их ведущим мировым источником генетических инноваций: они постоянно «изобретают» новые гены. И уникальные гены вирусного происхождения могут путешествовать, находя свой путь в других организмах и способствуя эволюционным изменениям.
Данные, опубликованные Международным консорциумом по секвенированию генома человека, показывают, что от 113 до 223 генов, присутствующих в бактериях и в геноме человека, отсутствуют у хорошо изученных организмов, таких как дрожжи Saccharomyces cerevisiae , плодовая муха Drosophila melanogaster и нематода Caenorhabditis elegans , которые находятся между этими двумя эволюционными крайностями. Некоторые исследователи считали, что эти организмы, возникшие после бактерий, но до позвоночных, просто утратили рассматриваемые гены в какой-то момент своей эволюционной истории. Другие предположили, что эти гены были переданы непосредственно человеческому роду путем вторжения бактерий.
Мы с моим коллегой Виктором ДеФилипписом из Института вакцин и генной терапии Орегонского университета здравоохранения и науки предложили третий вариант: вирусы могут создавать гены, а затем колонизировать две разные линии — например, бактерии и позвоночные. Ген, по-видимому, переданный человечеству бактериями, мог быть передан обоим вирусом.
На самом деле, вместе с другими исследователями, Филипом Беллом из Университета Маккуори в Сиднее, Австралия, и я утверждаем, что само ядро клетки имеет вирусное происхождение. Появление ядра, которое отличает эукариот (организмы, клетки которых содержат истинное ядро), включая людей, от прокариот, таких как бактерии, нельзя удовлетворительно объяснить исключительно постепенной адаптацией прокариотических клеток до тех пор, пока они не стали эукариотическими. Скорее всего, ядро могло развиться из сохраняющегося крупного ДНК-вируса, который поселился внутри прокариот. Некоторое подтверждение этой идеи исходит из данных о последовательности, показывающих, что ген ДНК-полимеразы (фермент, копирующий ДНК) в вирусе Т4, поражающем бактерии, тесно связан с другими генами ДНК-полимеразы как у эукариот, так и у вирусов, которые их заражают.