1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ МИРА МИКРООРГАНИЗМОВ, ИХ

1. ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПРЕДСТАВИТЕЛИ МИРА МИКРООРГАНИЗМОВ, ИХ СИСТЕМАТИКА И СВОЙСТВА Лекция 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА. МИР МИКРООРГАНИЗМОВ, ИХ РОЛЬ В ПРИРОДЕ. МИКРОБИОЛОГИЯ И ЕЁ МЕСТО В СИСТЕМЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ

Микробиология (греч. mikros - малый, bios - жизнь, logos - слово, учение, наука) – наука, изучающая организмы, неразличимые невооружённым глазом: их морфологию, физиологию, систематику, генетику, взаимоотношения с окружающей средой, растениями, животными и человеком, роль в биосфере и практическое значение. Общая микробиология изучает наиболее общие закономерности систематики, номенклатуры, морфологии, ультраструктуры, химического состава, физиологии, метаболизма, генетики, взаимоотношений микроорганизмов в естественных условиях и влияние внешних факторов среды обитания на их жизнедеятельность. Частная микробиология рассматривает отдельные специальные вопросы биологии одного или группы микроорганизмов, имеющие прикладное значение.

В соответствии с практической направленностью исследований в различных областях человеческой деятельности выделяют самостоятельные специализированные разделы : Медицинская микробиология изучает вопросы жизнедеятельности патогенных и условно-патогенных для человека микробов, механизмы их болезнетворного действия, биологические и генетические аспекты вирулентности микроорганизмов, закономерности развития инфекционных процессов, состав и деятельность нормальной микрофлоры человека, разрабатывает профилактические, диагностические и лечебные противомикробные препараты. Ветеринарная микробиология решает те же задачи в отношении сельскохозяйственных животных.

Санитарная микробиология тесно связана с медицинской и ветеринарной. Ее основной задачей является контроль санитарно- микробиологического состояния объектов окружающей среды, пищевых продуктов, предприятий питания и водоснабжения, очистных сооружений, больниц и других мест возможного интенсивного загрязнения патогенными и условно-патогенными микроорганизмами. Промышленная микробиология изучает и создает системы микробиологической деградации технических материалов и отходов производств, а также способов защиты от разрушительного действия микробов промышленного оборудования, материалов и продуктов питания. Именно промышленная микробиология в совокупности с достижениями современной генетики легла в основу биотехнологии.

Промышленная микробиология изучает вопросы использования микроорганизмов в микробиологическом синтезе биологически активных веществ, производстве разнообразных препаратов: белков, витаминов, ферментов, спиртов, органических кислот, антибиотиков; разрабатывает технологии применения микроорганизмов в различных областях промышленности: пищевой (при производстве хлеба, молочных продуктов, вина, пива и др. ); медицинской (при получении иммунобиологических препаратов, вакцин, диагностикумов, эубиотиков, гормонов и др. ); энергетической (при создании новых источников удобных, экономически выгодных и экологически чистых видов топлива); химической (биосинтез и модификация химических веществ); электронной (создание биоэлектронных датчиков и сенсоров).

Сельскохозяйственная или агромикробиология изучает микрофлору и микрофауну почвы, растений, микроорганизмы, участвующие в круговороте веществ, повышении плодородия различных сельскохозяйственных территорий, производстве удобрений, разрабатывает микробиологические методы повышения урожайности хозяйственно ценных культур и средства борьбы с их вредителями и болезнями.

В соответствии с объектом изучения микробиологию можно разделить тоже на несколько специальных разделов: Вирусология изучает вирусы и неклеточные формы жизни. Бактериология занимается исследованием бактерий, включая актиномицеты. Микология исследует грибы. Альгология изучает микроскопические водоросли. Протозоология имеет объектом своего изучения простейших – одноклеточных животных, стоящих в системе классификации на грани растительного и животного мира.

Связь микробиологии с другими науками Рекомбинантные технологии Генная инженерия Иммунология Биотехнология Эпидемиология Медицинская Промышленная Общая микробиология Пищевая Сельскохозяйственная Физика Химия Физиология Математика

Взаимоотношение микробиологии с другими науками в настоящее время описывают слова Луи Пастера, 1871 г: “Есть наука и есть области ее применения, и они связаны друг с другом, как плод с взрастившим его деревом. . . ”. Возникнув в результате развития фундаментальных наук, микробиология, обогатившись новыми данными, дала толчок к развитию целого ряда научных дисциплин, которые, в свою очередь, расширили горизонты знаний о микроорганизмах и дали развитие новым направлениям научной мысли: рекомбинантные технологии и генная инженерия.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ В становлении и развитии микробиологии выделяют условно пять периодов: 1)Эмпирический (период в 8 тыс. лет до 16 в. н. э); 2) описательный (морфологический) (1680 -1850 гг); 3) догматический (физиологический); (1850 -1895 гг) 4) академический (классический); (1900 -1960 гг) 5) современный (с 60 -70 гг. 20 в. по сей день)

Очень часто микроорганизмы существенно влияли на ход истории и развитие человеческого общества Микробы стали причиной изменения численности человеческой популяции на европейском континенте (Бетина, 1976): в XIV веке чума захватила всю Европу и к 1348 году лишила жизни четвёртую часть её населения (около 25 млн. человек). В 1346 году татары окружили город Танаис (современный Азов). Население бежало в крепость Кафу. Во время осады в татарских войсках вспыхнула чума. Для покорения крепости татары при помощи военных орудий забрасывали через крепостные стены погибших от чумы мертвецов. Распространившаяся зараза вскоре уничтожила почти всё население крепости. Оставшиеся в живых бежали в Константинополь и Италию, занеся и туда осенью 1347 года инфекцию чумы. Из итальянских портов чума в течение 1348 года распространилась по всей Европе.

Чумной столб площади в г. Чешский Крумлов. Характерный знак признательности за уход болезни в 1682 году. На вершине столба - Дева Мария, внизу два ряда святых. Чума приходила в город целых три раза!

Холерный фонтан в Дрездене был установлен как память о чудесном избавлении от эпидемии холеры. Эта страшная болезнь свирепствовала в 1840– 1841 годах в Саксонии, унося массы человеческих жизней. Лишь Дрезден счастливо избежал угрожающей напасти.

В 1845 году в результате эпифитотии, вызванной микромицетом фитофторой, были уничтожены в течение недели все посевы картофеля в Ирландии. В результате эпифитотии с 1845 по 1851 от голода в Ирландии умерло около миллиона человек, а полтора миллиона было вынуждено эмигрировать в Америку.

Токсическое действие гриба спорыньи пурпурной Claviceps purpurea С X по Xl. X века в Западной и центральной Европе систематически повторялись вспышки эрготизма – отравления склероциями спорыньи, унося большое число жертв (40000 чел. в Лиможе в 994 г. ). Алкалоиды спорыньи (производные лизергиновой кислоты) вызывают сокращение гладкой мускулатуры и сосудов, влияют на нервную систему. Эрготизм известен в двух формах – гангренозной ( «антонов огонь» ) и конвульсивной ( «злые корчи» ). В 1095 г. папа Урбан 11 основал орден св. Антония для лечения людей, страдающих эрготизмом.

Эмпирический (от греч. empeirikos - опытный) или эвристический период в становлении микробиологии охватывает промежуток времени примерно в восемь тысяч лет и заканчивается в ХVI веке н. э. Даже не подозревая о существовании микроорганизмов, человечество опытным путём выработало такие приёмы, будто условия существования возбудителей брожения - дрожжей и бактерий, были человеку подсознательно известны. В трудах Гиппократа (460 -377 гг. до н. э. ) была высказана гипотеза о живой природе (contagium vivum) заразного начала инфекционных болезней. Имея лишь смутные представления о сущности заразных болезней, на основании накопленного опыта люди вырабатывали меры, препятствующие распространению заразного начала. Так, трупы погибших от чумы людей сжигались, больные проказой изолировались от здоровых и т. д.

Морфологический (от греч. morphe – форма) или описательный период в становлении микробиологии связан с развитием медицины, физики, технологии изготовления увеличительных линз из стекла и первых оптических увеличительных приборов Первые описания микроскопических существ приведены в книге голландского естествоиспытателя АНТОНА ЛЕВЕНГУКА (1632 -1723) "Тайны природы, открытые Антоном С 1680 года в течение почти пятидесяти Левенгуком» (1695). С помощью лет А. Левенгук сообщал о своих отшлифованных стёкол он обнаружил открытиях, посылая Королевскому присутствие мельчайших живых существ в научному обществу длинные серии писем. К каждому письму он прилагал мясе, зубном налёте, дождевой и рисунки, изображавшие то что он видел колодезной воде, различных настоях и т. д. под микроскопом.

К этому же периоду относятся и первые попытки классификации микроорганизмов. Великий шведский натуралист Карл ЛИННЕЙ не делал попыток систематизировать бактерии и в 12 издании своей Системы природы (1735) поместил известных тогда анималькулей в класс Chaos infusorium. Грибы, не без колебаний, он поместил в царство растений, где они и пребывали, несмотря на периодические возражения отдельных исследователей, до второй половины XX века.

В 1765 г. итальянский натуралист Ладзаро Спаланцани (1729 -1799) провел опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же герметично их закрыл. Исследовав жидкости через несколько суток, Спаланцани не обнаружил в них признаков жизни. Из чего он сделал вывод, что высокая температура уничтожила все микроорганизмы, а герметичное закрытие сосуда предотвратило попадание микробов с воздухом извне. Эксперименты Л. Спалланцани приблизили разрешение вопроса о самозарождении, в том числе и микроорганизмов.

Середина 19 века явилась поворотным этапом в развитии микробиологии. ЛУИ ПАСТЕР (1822 - 1895), изучая процессы брожения , - показал, что в различных случаях - молочнокислом, маслянокислом, спиртовом, уксуснокислом - возбудителями всегда являлись живые существа - дрожжи или бактерии. Эти микроскопические существа находятся в воздухе, на кожице плодов, ягод, на зёрнах злаков и т. п. и заносятся в бродящие жидкости извне. Изучая маслянокислое брожения, Пастер обнаружил микроорганизмы, которые могут жить в отсутствии кислорода, т. е. открыл явление анаэробиоза и ввел термины аэробный и анаэробный для обозначения жизни в присутствии и в отсутствии кислорода. На основании своих наблюдений Пастер разработал методы, позволяющие препятствовать “болезням” вина, пива, уксуса, когда в них появляются нежелательные примеси.

Цикл работ Пастера имел большое значение в отношении возбудителей заразных болезней. Пастер концентрировал внимание на профилактических мероприятиях, препятствующих заражению инфекциями, ему мы обязаны введению целенаправленных прививок ослабленными возбудителями болезней. Апофеозом деятельности Пастера стало создание антирабической (т. е. против бешенства) вакцины. В то время проблема борьбы с бешенством была весьма актуальна. Поэтому повсеместно стали создавать антирабические Пастеровские станции. Одной из первых такая станция была создана в России.

Пастер явился основоположником микробиологии как фундаментальной науки и основателем французской школы микробиологов, которая оказала существенное влияние на развитие микробиологии в других странах. Заслуга создания первой бактериологической классификации, с которой могли работать как медицинские, так и общие микробиологи, принадлежит Фердинанду Кону (1828 -1898). Физиолог растений Ф. Кон отнёс бактерии к растительному царству и принял для них бинарную номенклатуру Линнея Р. Кох по образованию был медиком. Он окончил медицинский факультет Геттингенского университета, что наложило отпечаток на его преимущественно медицинское направление исследований. Первой работой Коха было доказателство бактериальной этиологии сибирской язвы, которая свирепствовала в Германии. В 1876 году он описал возбудителя сибирской язвы, назвав его Bacillus anthracis.

1. Возбудитель должен регулярно обнаруживаться у пациента 2. Он должен быть выделен в чистую культуру 3. Выделенный организм должен при Заслуги Коха также включают: заражении подопытного животного - Применение микроскопов при микробиологических вызывать те же симптомы болезни, исследованиях и повышение их что были обнаружены у больного. разрешающей способности - Применение микрофотографии - Развитие приёмов окраски бактерий -Практическое применение правил, которые мы называем постулаты Коха.

Английский врач Джозеф Листер, используя результаты исследований Пастера, ввел в хирургию понятия и методы асептики и антисептики, чем добился резкого снижения случаев инфицирования ран и родового сепсиса. На торжественном заседании в Сорбонне, посвященном 70 -летию Пастера, он сказал: “Пастер сорвал у нас с глаз повязку, веками мешавшую нам видеть сущность инфекционных болезней”. Русский ученый Мечников И. И. - создатель фагоцитарной или клеточной теории иммунитета. Большое научное значение приобрела дискуссия, развернувшаяся между Мечниковым и П. Эрлихом, которому принадлежит приоритет в разработке гуморальной теории иммунитета. Обе эти теории взаимно дополняли друга и в последующем легли в основу учения об иммунитете. За эту работу Мечников и Эрлих были удостоены в 1908 г. Нобелевской премии.

Классический период в развитии микробиологии называют золотым веком этой науки. Микробиологи разных стран, используя результаты открытий и методы, разработанные школами Пастера и Коха, в течение сравнительно короткого времени, ограниченного рамками первой половины ХХ века, выделили и описали сотни микроорганизмов. Этот период характеризовался становлением отдельных микробиологических дисциплин и выделением из микробиологии бактериологии, вирусологии, микологии, эпидемиологии, иммунологии.

Вклад отечественных учёных в развитие микробиологии Основатель технической микробиологии в нашей стране - Одним из выдающихся отечественных академик Владимир Николаевич Шапошников. После окончания микробиологов является Николай Федорович МГУ Шапошников стал профессором, а затем и заведующим Гамалея. После окончания университета в кафедры микробиологии МГУ. На протяжении двадцати пяти лет Одессе и Военно-Медицинской Академии в (с 1938 по 1963 гг. ) он возглавлял отдел технической Петербурге Гамалея в лаборатории Пастера изучал микробиологии АН СССР. Его работы были посвящены главным проблему бешенства. Совместно с И. Мечниковым образом исследованию и регулированию условий роста и он создает первую в России антирабическую процессов метаболизма практически значимых микроорганизмов Пастеровскую станцию. Он автор более трехсот работ по этиологии холеры, изучению возбудителей для рационального их использования их в промышленности и ряда опасных инфекционных заболеваний. Гамалея сельском хозяйстве. открыл явление гетероморфизма у бактерий и Для Шапошникова и его школы (Н. Д. Иерусалимский, И. Л. описал ряд L-форм микробов. Имя Н. Ф. Работнова, М. Н. Бехтерева, Н. С. Егоров и др. ) характерно Гамалеи носит НИИ эпидемиологии и сочетание глубоких теоретических исследований с работами, микробиологии в Москве. направленными на удовлетворение запросов промышленности.

Большую роль в развитии общей и почвенной микробиологии сыграли работы С. Н. Виноградского. С. Н. Виноградский впервые установил факт усвоения углекислоты бесхлорофилльными микроорганизмами (серобактериями, железобактериями и нитрифицирующими бактериями), т. е. способность строить своё тело всецело за счёт усвоения неорганических веществ. Этот тип обмена был назван хемосинтезом, а открыт он был в 1887 году, когда Виноградский работал в лаборатории Антона де Бари (1831 -1888) в Страсбурге. Он первый также доказал существование анаэробных азотфиксирующих бактерий (выделил в 1895 году Clostridium pasterianum). Кроме того, положил начало изучению микроорганизмов, населяющих почву, и дал оригинальные методы почвенно- бактериологических исследований. Занимался он этим в период, когда возглавил созданный им отдел с/х бактериологии в Пастеровском институте в Париже.

Основоположник вирусологии Основоположником вирусологии является русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский. Результаты экспериментов позволили Ивановскому в 1892 г. на заседании Российской Академии наук высказать гипотезу о существовании фильтрующихся форм микроорганизмов, обусловливающих инфекционные свойства фильтратов сока табачной мозаики. Только в 1939 г. вирус табачной мозаики был увиден с помощью электронного микроскопа, чем была подтверждена гениальная гипотеза Ивановского. Имя Д. И. Ивановского носит институт вирусологии в Москве.

Большой вклад в разработку отечественных антибиотиков внесла Зинаида Виссарионовна Ермольева. С 1925 г. она возглавляла отдел биохимии микробов в Биохимическом институте в Москве, а с 1945 г. стала директором Всесоюзного института экспериментальной медицины (ВИЭМ), переименованного в 1947 г. в ВНИИ антибиотиков. Ею был выделен оригинальный штамм гриба - продуцента пенициллина, под ее руководством разработаны десятки новых антибиотиков и в кратчайшие сроки налажено крупномасштабное производство антибиотиков в СССР. Главная заслуга Ермольевой в создании отечественной школы специалистов в области разработки антибиотических веществ.

Современный этап развития микробиологии В 60 -70 -е годы ХХ века , благодаря стремительному прогрессу в вирусологии (в исследовании бактериофагов), бактериологии (в углубленном изучении физиологии и молекулярной биологии бактерий), молекулярной генетики (в установлении генетического кода) и энзимологии (в открытии ферментов рестриктаз, лигаз) были накоплены обширные знания в области бактериальной наследственности и разработаны методы генной инженерии. Во второй половине ХХ века начался переворот в области классической иммунологии. Его прежде всего связывают с созданием учения о единой иммунной системе и объединением инфекционной и неинфекционной иммунологии. В 1975 г. Г Келлер и Ц. Мильштейн впервые добились слияния короткоживущих лимфоцитов, продуцирующих антитела, и перевиваемых клеток злокачественной опухоли - миеломы (плазмоцитомы). Таким образом были получены “бессмертные” клоны гибридных клеток - продуцентов антител (гибридомы), что явилось по сути основанием нового направления в науке - иммунобиотехнологии. Стремительный прогресс в различных разделах биологии, промышленной микробиологии, генетики, электроники, промышленности привел в 60 -70 -е годы ХХ века к рождению новой высокопродуктивной, основанной на самых передовых знаниях во многих областях науки, потенциально наиболее перспективной технологии третьего тысячелетия - биотехнологии.

Карл Везе Филогенетическое древо жизни на основании ДНК последовательностей малой рибосомной РНК

В работе над проектом приняли участие около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских институтов. Общая стоимость исследования составила 173 миллиона долларов. Целью проекта было охарактеризовать все микробы, присутствующие в организме человека, для чего ученые взяли образцы тканей 129 мужчин и 113 женщин. Все добровольцы - здоровые люди в возрасте от 18 до 40 лет. На данный момент проводятся исследования, которые бы показали, как отличается состав Проект "Микробиом человека" микроорганизмов у человека с (Human Microbiome Project) определенной болезнью от здорового стартовал в США в 2007. человека с дальнейшей целью профилактики и лечения заболеваний.

Рекомендуемая литература Шлегель Г. Г. История микробиологии. – М. : УРСС, 2002. 302 с. Фирсов Н. Н. Микробиология: Словарь терминов – М. , Дрофа, 2005. 256 с. Гусев М. В. , Минеева Л. А. Микробиология. – М. : Изд. центр "Академия", 2003. – 464 с. Современная микробиология. Прокариоты (в 2 -х тт. )/Под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля. . – М. : Мир, 2005. – т. 1 – 643 с. , т. 2 – 449 с. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений/ Под ред. А. И. Нетрусова. М. : Издательский центр "Академия", 2005. 608 с. Поль де Крюи. Охотники за микробами. 1927