Компьютерные и биологические вирусы: аналогия

Вступление

Мне вспомнился один фантастический рассказ. Космический корабль землян летел между звёзд к далёкой системе. По пути корабль поймал непонятный сигнал из космоса. Он принадлежал неизвестной до сих пор инопланетной цивилизации. Космонавтам удалось расшифровать сигнал и преобразовать его в видео. И вот экипаж космического корабля почти в полном составе собрался в главном зале для просмотра сообщения от внеземной цивилизации. На экране появилось изображение энергично жестикулирующего инопланетянина. И в тот момент с людьми начали происходить ужасные вещи, созерцание изображения вызвало интенсивные биологические процессы в человеческих организмах, люди начали мутировать и превращаться в инопланетян. Всех спас коротышка из заднего ряда, который из-за роста не смог увидеть видео сообщение...

В данной статье мы рассмотрим аналогию между принципиальным характером вирусных инфекций, вызванных действиями биологических вирусов, поражающих человеческий организм, и принципом действия вредоносных компьютерных программ, проникающих в компьютеры через глобальную сеть Интернет. Собственно, эти вредоносные саморазмножающиеся программы ещё давно так и назвали компьютерными вирусами по аналогии с обыкновенными биологическими вирусами.

Поиск аналогии

Как, в принципе, можно определить степень аналогии между столь далёкими друг от друга явлениями? Они даже из разного пространства: если природный вирус - это некоторая органическая молекула, то компьютерный вирус - это нечто из цифровой вселенной, записанное на носителе информации в виде какой-то непонятной комбинации различных электрических сигналов или совокупности неких положительно и отрицательно ориентированных магнитных диполей.

Можно, например, сказать, что явления аналогичны, если описываются сходными математическими уравнениями. Но давайте сначала лучше просто представим, что персональные компьютеры - это клетки некоторого гигантского организма, а всемирная сеть Интернет соответствует кровеносной системе, доставляющей к клеткам питательные вещества и кислород, а иногда - и вредоносные вирусы. Не все вирусы, конечно, распространяются через кровь, например, вирус гриппа обитает в лёгочной ткани. Кстати, распространение вирусов, попадающих в кровь, увеличилось с развитием медицины, введением лекарств непосредственно в кровеносные сосуды, и с появлением наркомании. До Интернета тоже были, как ни странно, вирусы, идущие через дискеты от компьютера к компьютеру. В большой степени действовал принцип территориальности в вирусных инфекциях. Интернет же, как кровь, омывает почти все компьютеры, и принципиального значения территориальная принадлежность заражаемого компьютера не имеет.

Как происходит заражение обычного компьютера например вирусом, распространяющимся через электронную почту? Есть два принципиально различных варианта, в первом случае пользователь получает письмо, которое содержит нечто такое, что в некотором смысле "зомбирует" получателя, заставляя его самого запустить на компьютере вирусную программу, предоставив тем самым вирусу контроль над собственным компьютером. Так некоторые вирусы и называются Троянскими по аналогии с известным Троянским конём, который по преданию защитники древнего города Троя по заблуждению самостоятельно впустили через городские ворота, а он, оказывается, содержал внутри себя вражеский отряд.

В ином случае содержащийся в письме компьютерный вирус, пользуясь "дырами" в системе безопасности ОС или почтовой программы, самостоятельно насилует операционную систему Windows (или какую-нибудь другую), заставляя ту заняться размножением этого вируса. Никакого участия пользователя в этом случае не требуется, он может ничего и не заметить. Аналогично без участия пользователя происходит заражение компьютера непосредственно из Интернет через незакрытые порты, открытые не защищённые паролем сетевые диски и другие лазейки.



В чём суть биологического вируса? Он умеет проникать через защитную оболочку клетки, которая, по идее, не должна пропускать вредоносные вещества, и захватывает контроль над клеточным синтезом. Вирус подменяет собой функции клеточного ядра, содержащего молекулы ДНК, кодирующие создание необходимых веществ, за которые отвечает данный тип клеток. Вирус подставляет свою ДНК вместо ДНК клетки, заставляя клетку синтезировать свои копии.

Вирусы значительно меньше клеток, в заражённой клетке может плавать и десять-пятнадцать вирусов. Когда вирусов становится много, они прорывают оболочку клетки, и клетка гибнет, а вирусы попадают, например, в кровь и заражают другие клетки. Правда, такой сценарий не обязателен, клетка может спокойно жить, продуцируя понемножку вирусы, они будут не скапливаться в клетке, а просачиваются наружу через оболочку. Вирусы бывают совсем не большими, не требующими много ресурсов для изготовления, иногда одна клетка за свою жизнь может создать сотни и тысячи вирусов. Например, более половины людей постоянно имеют вирус герпеса и живут долго и относительно счастливо.

Так и относительно безвредный Интернет-вирус может поселиться в компьютере неискушенного пользователя. Если он не отформатирует жёсткий диск, то его и не заметят. Он будет помаленьку рассылать по интернету свои копии, слегка увеличивая трафик. В ином случае злобный вирус разошлёт некоторое количество своих копий, и всё сотрёт на компьютере, сделав его неработоспособным.

Внутренние защитные механизмы клетки оказываются бессильными против вирусов. Но каждый тип вирусов умеет поражать только свой определённый тип клеток. Например, вирус гепатита поражает только определённый тип клеток печени. Так и компьютерные вирусы умеют заражать компьютеры только с какой-то определённой операционной системой, у которой авторы вируса нашли уязвимость. Вирус для Windows безвреден для Linux, и наоборот. При описании вируса пишется, например, "заражению этим вирусом подвержены Windows XP и Windows 2000 Service Pack 2".

Иммунная система

Как известно, защитой человеческого организма от вирусов занимается иммунная система. Рассмотрим основные принципы её работы. Самая главная задача иммунной системы - это сохранение генетической индивидуальности организма. Иммунная система старается удалить всё генетически чуждое, все изменённые клетки, например, онкологические мутировавшие, повреждённые, заражённые вирусами. Борется с бактериями, и вообще со всеми чужеродными веществами, несущими чужеродную генетическую информацию. Борьба с вирусами - это частная задача иммунной системы. Кстати, уничтожение своих же мутировавших клеток - наиважнейшая задача иммунной системы. В человеческом организме постоянно возникают онкологические изменённые клетки, с которыми иммунной системе необходимо бороться. И здоровая иммунная система с этим обычно справляется. Некоторые общие расстройства организма вызывают рецессию иммунной системы, что приводит к возникновению различных заболеваний. В человеческом организме обитает и постоянно попадает уйма болезнетворного, что требует постоянной активности иммунной системы.

Итак, в состав иммунной системы входят лимфоузлы. В лимфоузле содержится огромное (миллиарды) количество лимфоцитов различной специфичности. Специфичность лимфоцита состоит в умении определять только строго определённые антигены. Антигенами называется всё генетически чуждое. При возникновении вирусной инфекции иммунная система обнаруживает большое количество антигенов определённого типа, и специфичные выявленному антигену лимфоциты начинают делиться и дополнительно порождать антитела и Т-лимфоциты.

Антитела в огромном количестве выпускаются в кровь, они сталкиваются со специфичными им вирусами и связывают их. Вирус перестаёт двигаться и тут же уничтожается как мусор макрофагами, находящимися на стенках сосудов. Вирус поглощается макрофагами, которые имеют специальный защитный механизм, не позволяющий вирусам в них размножаться.

Лимфатические узлы - это всё равно, что компании-производители антивирусного программного обеспечения. А в этом случае выбрасываемые в кровь антитела соответствуют обновлённым фильтрам на почтовых серверах, которые обнаруживают в посылаемых сообщениях электронной почты известные компьютерные вирусы и автоматически обезвреживают их. Тогда к вам в почтовый ящик вместо заражённых писем сыплются уведомления о том, что кто-то хочет вам послать письмо с вирусом. Иногда само письмо в безвредной форме так же присоединяется.

Когда антивирусные компании исследуют и идентифицируют вирус, они смогут поставить необходимый фильтр, а до того времени вирус будет свободно передаваться по электронной почте. Точно так же проходит некоторое время, пока в лимфоузлах размножатся специфичные данному антигену лимфоциты, и произведут достаточное количество антител. Кстати, при лечении можно помочь иммунной системе, введя в кровь заранее приготовленные антитела для данного штампа вируса.

Но как тогда уничтожать засевшие в клетках вирусы? Если их не уничтожать, то заражённые клетки могут постоянно продуцировать и выпускать в кровь новые копии вирусов. Ликвидации вирусов в клетках служат Т-лимфоциты. Они производятся в меньших количествах и дольше, чем антитела. Естественно, что в первую очередь иммунная система будет производить антитела, чтобы предотвратить дальнейшее заражение через кровь новых клеток. Т-лимфоцит умеет распознавать клетки, заражённые специфичным данному Т-лимфоциту вирусом. Т-лимфоцит находит такие заражённые клетки и запускает механизм самоуничтожения клетки. Один Т-лимфоцит может уничтожить несколько десятков клеток. При этом часть содержащихся в клетке вирусов освобождается и может попасть в кровь. Итак, Т-лимфоцит соответствует апдейту некоторой антивирусной программы, в который добавили информацию о новом типе вирусов. Пока пользователь скачает этот апдейт, вирус сможет послать ещё несколько своих копий. Правда, в отличие от клеток, не все пользователи захотят сразу форматировать винчестер или перестанавливать операционную систему, так что полностью извести вирус на компьютере не так то просто.

Вообще, механизм функционирования лимфоузла несколько более сложен, чем вышеприведённая принципиальная схема, есть, например, ещё дополнительные типы клеток, помогающих и активирующих деление лимфоцитов. Но механизм иммунной памяти виден: в случае повторного заражения лимфоциты, специфичные данному вирусу, уже размножились в достаточном количестве, чтобы сразу произвести большое количество антител и Т-лимфоцитов и предотвратить распространение вирусов. Напомню, что в лимфоузле содержится огромное количество лимфоцитов различной специфичности, но не все в одинаковых долях. На этом свойстве иммунной системы основан механизм прививок, когда в организм вводится ослабленный штамп вируса, чтобы иммунная система его запомнила. И есть ещё одно следствие: иммунная память зависит от места обитания человека, и при переезде иммунная система испытывает дополнительную нагрузку, поскольку чаще сталкивается с незнакомыми вирусами.

Так же всякие антивирусные компьютерные программы хорошо справляются с известными вирусами, или вирусами, использующими известные приёмы. Но новые вирусы зачастую ставят противовирусную защиту в тупик, поскольку, пока будет созданы "антитела" и "Т-лимфоциты", вирус успеет заразить большое количество компьютеров. В течение дня в человеческом организме происходит несколько вирусных инфекций, но в большинстве случаев они проходят совершенно незамеченными. Опасность представляют либо новые вирусы, либо вирусы, попавшие в организм сразу в большом количестве. Какая-нибудь гигантская капля с вирусами гриппа. Ещё подвержены заболеванию люди с ослабленным иммунитетом, например, только что перенесшие заболевание. Может быть не полным запас необходимых веществ в лимфоузлах.

Для организма представляет опасность разбалансированность иммунного ответа. В первом случае в кровь попадает слишком много антител, они успевают уничтожить все вирусы в крови, что вызывает запаздывание создания Т-лимфоцитов, которые должны уничтожить содержащиеся в клетках вирусы. Клетки остаются заражёнными и не функционируют нормально. Такая ситуация приводит к хронической форме заболевания. В другом случае иммунная система вырабатывает слишком много Т-лимфоцитов, которые постоянно находят и уничтожают заражённые клетки. Но при уничтожении из клетки в кровь попадает часть вирусов, и эти вирусы, так как антител недостаточно, успевают заразить ещё новые клетки. Эта ситуация ещё хуже, так как Т-лимфоциты могут уничтожить все клетки определённого типа, и организм не сможет нормально функционировать. Кстати, такая ситуация может возникнуть, если у больного хронической вирусной инфекций, при которой вирусом поражено большинство клеток определённого типа, хорошо простимулировать иммунную систему. Иммунная система просто сама уничтожит больной орган. Для выведения из такого хронического состояния лучше наоборот запустить в организм дополнительную порцию вирусов, что бы они вывели из равновесия иммунную систему естественным образом, и она постепенно уничтожала вирусы.

А каким образом иммунная система обнаруживает вирусную инфекцию? Этой цели служат специальные клетки - антиген-презентирующие макрофаги. Эти клетки присутствуют по всему организму и во всех органах. В крови - это моноциты, в печени - это Купферовские клетки и т.д. Они умеют определять антигены, и подают специальный сигнал в лимфа узлы на активацию лимфоцитов данной специфичности.
Все клетки иммунной системы весят в организме человека примерно килограмм, с учётом лимфа узлов. И этих антиген-презентирующих макрофагов меньше конечно, чем всех клеток. Они подобны продвинутым пользователям компьютеров, которые при заражении вирусом посылают в антивирусные компании заражённые вирусами файлы. Понятно, что таких пользователей относительно немного. Они должны уметь выделять эти вирусы, что бы не заваливать антивирусные компании уймой непроверенной информации.
Кстати, вирус СПИДа тем уникален, что умеет поражать некоторые клетки иммунной системы и размножаться в них, мешая нормальному функционированию иммунной системы. У него, правда, есть ещё необычные свойства, например, повышенная вариабельность. Это всё равно, как если бы некоторый вирус заразил антивирусную программу, и она вместо лечения сама бы рассылала вирусы. Такое иногда бывает, рассылают от имени производителей антивирусного ПО вирусы, и т.п., но разумные производители это быстро пресекают, а неразумная иммунная система сама справиться с вирусом СПИДа не в состоянии.

Почему вирусы назвали вирусами?

Мы рассмотрели основные принципы работы иммунной системы, и теперь понятно, что компьютерные вирусы неспроста называются вирусами. Некоторая аналогия между компьютерными и биологическими вирусами присутствует. И понятно, почему назвали именно вирусами, а не, например, бактериями. Бактерия - это клеточный микроорганизм и, в отличие от вируса, который для размножения использует клетки, бактерии размножаются сами по себе делением. Бактерии получают питательные вещества путём диффузии, в этом они так же отличаются от вирусов, которые сами по себе практически не расходуют энергию организма. Болезнетворные бактерии тем страшны, что в результате своей жизнедеятельности выделяют вредоносные токсины. Для уничтожения бактерий достаточно антител, которые сцепляются с бактериями и специальным образом превращают их в жертвы повсюду присутствующих в организме макрофагов. В организме всегда присутствует некоторое количество болезнетворных бактерий, но иммунная система держит их численность под контролем. Кстати, размножаются бактерии существенно медленнее вирусов, если быстро размножающися вирус даёт за сутки до десяти тысяч копий, то у бактерии цикл деления составляет 4-5 часов. Эти бактерии более уместно сравнить с хакерскими компьютерами, которые взламывают сети и похищают информацию. При этом иногда организуя хакерские атаки, и мешая работе некоторых сайтов. И действительно, достаточно отследить такой источник, чтобы его уничтожить. Никакого механизма саморазрушения у бактерий нет. И размножаются такие "бактерии" медленнее. Можно сказать, либо откуда ни возьмись появляются хакеры, либо уже существующие приглашают своих знакомых. Это получается всё равно, что деление. Правда, хакеры, в отличие от бактерий, разумны и искусны, чего не скажешь о компьютерных вирусах, которые, подобно своим биологическим собратьям, лишь содержат заранее заданную программу. И не так важно, что в одном случае программа есть плод разума, а в другом - эволюции.

Модель распространения вирусов

Желающие проверить аналогию между компьютерными и биологическими вирусами со строгих научных позиций, могут выбрать математические модели распространения вирусов в Интернет и человеческом организме и рассмотреть сходность получающихся дифференциальных уравнений. Действительно, уравнения получаются относительно похожими.

С математической точки зрения и те, и те вирусы имеют сходные числовые параметры, как то средняя плодовитость в единицу времени, то есть, скорость производства вирусом своих копий. Важный параметр - это насколько незаметен вирус в клетке, уничтожает ли он клетку или спокойно и относительно безвредно в ней существует. Другие параметры так же имеют сходное значение. Например, процент заражённых клеток из всех доступных для заражения соответствует доли поражённых компьютеров вреди всех систем с уязвимой для данного вируса операционной системой. Или концентрация вируса в крови, что в некотором смысле соответствует концентрации вируса в пересылаемых по Интернету электронных сообщениях. Количество антител в кровеносной системе тогда соотносится с количеством почтовых серверов, установивших противовирусный фильтр.

Скорость выработки лимфатическими узлами противовирусных клеток можно аналогично соотнести со временем программирования "вакцины" антивирусными компаниями. Если интенсивность вирусной эпидемии выше, то ей будет отдан максимальный приоритет, и обновление антивирусов появится быстрее.
Не будем выписывать систему уравнений, приближённо описывающих вирусную инфекцию, желающих более подробно ознакомиться с теорией я отсылаю к приведённому ниже списку литературы по иммунологии.

Вот для примера график математического моделирования распространения компьютерного вируса. Аналогичный график можно было получить, выписав соответствующие уравнения и численно их решив.


Западные учёные, занимающиеся математическим моделированием процесса распространения вирусов, провели компьютерный эксперимент, моделирующий заражение вирусом не имеющей "иммунитета" "популяции" из 300000 компьютеров. Параметром выступало количество атак вируса с заражённого компьютера в единицу времени. Чёрный - это вариант в стиле известного вируса Code Red, синий и красный - это усиленные модификации. Симуляция привела к неутешительным выводам, заключающимся в экстремально небольших сроках распространения "качественных" вирусов среди не имеющих защиты компьютеров. Стоит только найти некоторую новую брешь в операционной системе, и эпидемия обеспечена. Пока новый вирус обнаружат и начнут изучать, он уже успеет широко распространиться. Данные взяты здесь.

Выводы из некоторой аналогии между компьютерными и биологическими вирусами предоставляется сделать читателю, если их вообще можно сделать. Иммунная система человека достаточно эффективна, но, как известно, не всегда надёжна. Для справки, на иммунную защиту человек тратит примерно 1 Джоуль в секунду, в то время как мощность мозга составляет 25-40 Ватт, мощность сердца - 17 Ватт, почек - 20 Ватт. Учёные предполагают, что такое распределение энергии оптимально уже с позиций существования популяции, но это выходит за рамки рассматриваемой аналогии...

Список литературы

Р.В. Петров Иммунология (М. Медицина, 1987)

А. Ройт Основы иммунологии (М. Мир, 1991)

У. Пол Иммунология (М. Мир, 1987-1989)

Г.И. Марчук Математические модели в иммунологии. Вычислительные методы и эксперименты. (М. Наука, 1991)