Введение в специальность
• Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – учение) – наука, изучающая строение, жизнедеятельность и экологию микроорганизмов – мельчайших форм жизни, не видимых невооруженным глазом. • Микробиология изучает всех представителей микромира (бактерии, грибы, грибоподобные организмы, микроскопические водоросли, гетеротрофные протисты, вирусы). • По своей сути микробиология является биологической фундаментальной наукой. Для изучения микроорганизмов она использует методы других наук, прежде всего биологии, биоорганической химии, молекулярной биологии, генетики, цитологии, иммунологии, физики.
• Как и всякая наука, микробиология подразделяется на общую и частную. Общая микробиология изучает закономерности строения и жизнедеятельности микроорганизмов на всех уровнях: молекулярном, клеточном, популяционном; генетику и взаимоотношения их с окружающей средой. • Предметом изучения частной микробиологии являются отдельные представители микромира в зависимости от проявления и влияния их на окружающую среду, живую природу, в том числе человека. К частным разделам микро-биологии относятся: медицинская, ветери-нарная, сельскохозяйственная, техническая (раздел биотехнологии), морская, космическая микробиология.
• Медицинская микробиология изучает патогенные для человека микроорганизмы: бактерии, вирусы, грибы, протисты. В зависимости от природы изучаемых патогенных микроорганизмов медицинская микробиология делится на бактериологию, вирусологию, микологию, протозоологию. • К медицинской микробиологии относят также санитарную, клиническую и фармацевтическую микробиологию. • Санитарная микробиология изучает микрофлору окружающей среды, взаимоотношение микрофлоры с организмом, влияние микрофлоры и продуктов ее жизнедеятельности на состояние здоровья человека, разрабатывает мероприятия, предупреждающие неблагоприятное воздействие микроорганизмов на человека. • В центре внимания клинической микробиологии роль условно-патогенных микроорганизмов в возникновении заболеваний человека, диагностика и профилактика этих болезней.
• Фармацевтическая микробиология исследует болезни и порчу лекарственных растений и сырья под действием микроорганизмов, обсемененность лекарственных средств в процессе приготовления, а также готовых лекарственных форм, методы асептики и антисептики, дезинфекции производстве лекарственных препаратов, технологию получения микробиологических и иммунологических диагностических, профилактических и лечебных препаратов.
• Ветеринарная микробиология изучает те же вопросы, что и медицинская микробиология, но применительно к микроорганизмам, вызывающим болезни животных. • В центре внимания сельскохозяйственной микробиологии находятся микрофлора почвы, растительного мира, влияние ее на плодородие, состав почвы, инфекционные заболевания растений и т. д. • Морская и космическая микробиология изучает соответственно микрофлору морей и водоемов и космического пространства и других планет. • Техническая микробиология, являющаяся частью биотехнологии, разрабатывает технологию получения из микроорганизмов разнообразных продуктов для народного хозяйства и медицины (антибиотики, вакцины, ферменты, белки, витамины). Основа современной биотехнологии - генетическая инженерия.
• Основные этапы развития микробиологии • 1. Период Эмпирических знаний, или Донаучный, эвристический этап развития (до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира). • На протяжении длительного времени человек жил в окружении невидимых существ, использовал продукты их жизнедеятельности (например, при выпечке хлеба из кислого теста, приготовлении вина и уксуса), страдал, когда эти существа являлись причинами болезней или портили запасы пищи, но не подозревал об их присутствии. Не подозревал потому, что не видел, а не видел потому, что размеры этих микросуществ лежали много ниже того предела видимости, на который способен человеческий глаз. Но это не мешало делать наблюдения и даже использовать процессы жизнедеятельности микроорганизмов в быту. Ряд философов и естествоиспытателей делали умозрительные заключения о причинах тех или иных явлений.
• Еще древнегреческий врач Гиппократ (ок. 460— 377 до н. э. ) высказывал предположение о том, что заразные болезни вызываются невидимыми живыми существами.
• Абу Али Хусейн ибн Абдаллах ибн Сина или Авиценна (ок. 980— 1037) в «Каноне врачебной науки» писал о «невидимых» возбудителях чумы, оспы и других заболеваний.
Джироламо Фракасторо Подобные мысли можно обнаружить и в трудах итальянского врача, астронома и поэта Джироламо Фракасторо (1478 -1553), предположившего в своей основной работе «О контагии, о контагиозных болезнях и лечении» , что инфекции вызывают маленькие частицы ( «семена» ), contagium vivum, переносимые от больного через прямой, непрямой (или даже зрительный) контакт и сохраняющиеся на вещах больного. «Семена» в его терминах ближе к химическим или атомистическим элементам, чем к живым существам. Однако в то время невозможно было удостовериться в правильности его идей и распространение получили совершенно иные гипотезы.
• 2. Морфологический или Описательный период занял около двухсот лет. • Попытки преодолеть созданный природой барьер и расширить возможности человеческого глаза были сделаны давно. Так, при археологических раскопках в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы — самые простые оптические приборы. Линзы были изготовлены из отшлифованного горного хрусталя. Можно считать, что с их изобретением человек сделал первый шаг на пути в микромир. • Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI–XVII вв. и связано с развитием астрономии. В это время голландские шлифовальщики стекла сконструировали первые подзорные трубы и телескопы. Оказалось, что если линзы расположить не так, как в телескопе, то можно получить увеличение очень мелких предметов.
• Следовательно, первые микроскопы, изобретенные человечеством, были оптическими, и первого их изобретателя не так легко выделить и назвать. Самые ранние сведения о микроскопе относят к 1590 г. и голландскому городу Мидделбургу и связывают с именами И. Липперсгея, который также разработал первый простой телескоп (15701619 ), Якова Метиуса и З. Янсена (ок. 1585 -до 1632), которые занимались изготовлением очков. Иоанн Липперсгей Захарий Янсен
• Чуть позже, в 1609 -ом г. Галилео Галилей (1564 -1642) представляет свой составной микроскоп, который он первоначально назвал «оккиолино» (occhiolino итал. — маленький глаз), а в 1612 году он наладил массовое производство микроскопов. В 1610 г. его друг Джованни Фабер (1574 -1629) предложил для нового изобретения термин «микроскоп» . Галилео Галилей Джованни Фабер Рубенс Мантуа
• Десятью годами позже Галилея Корнелиус Дреббель (1572 -1633) изобретает новый тип микроскопа, с двумя выпуклыми линзами. Христиан Гюйгенс (1629 -1695), тоже голландец, в конце 1600 -х гг. изобретает простую двулинзовую систему окуляров, которая регулировалась и, следовательно, стала огромным шагом вперед в истории развития микроскопов. Корнелиус Дреббель Христиан Гюйгенс
• В 1665 году англичанин Роберт Гук (1635 -1703) сконструировал собственный микроскоп, состоящий из двух двояковыпуклых линз, дававших увеличение примерно в 30 раз, и испытал его на пробке. Рассматривая срезы пробки, он обнаружил правильное ячеистое строение древесной ткани. Эти ячейки впоследствии были названы им «клетками» и изображены в книге «Микрография» (1665). Микроскоп Гука
• Возможно, первым, кто время наблюдал мир микроорганизмов. был ученый иезуит Афанасий Kиpxep (1601 -1680), автор ряда сочинений астрологического характера. С помощью довольно сильной лупы он наблюдал мельчайших «червячков» в загнившем мясе, молоке, уксусе, сыре и в крови больных, предполагая, что все это живое население произошло из безжизненных органических материалов.
• Однако первым человеком, увидевшим микроорганизмы «анималькулюсы» (1675), принято считать голландца Антони ван Левенгука (1632 -1723), мануфактурщика из Дельфта. А. ван Левенгук достиг большого совершенства в деле изготовления линз, названных им «микроскопиями» , - одинарных двояковыпуклых стекол, оправленных в серебро или латунь (то, что мы теперь называем «лупы» ), и дававших увеличение в 200 -270 раз.
• Многие процессы, осуществляемые микроорганизмами, были известны человеку с незапамятных времен. В первую очередь это гниение и брожение. В сочинениях древних греческих и римских авторов можно найти рецепты приготовления вина, кислого молока, хлеба, свидетельствующие о широком использовании в быту брожений. В средние века алхимики не обошли вниманием эти процессы и изучали их наряду с другими чисто химическими превращениями. Именно в этот период были сделаны первые попытки выяснить природу процессов брожения.
• Термин «брожение» (fermentatio) для обозначения всех процессов, идущих с выделением газа, впервые употребил голландский алхимик Ж. Б. ван Гельмонт (1577 -1644).
• Одна из первых догадок о связи описанных А. ван Левенгуком «глобул» (дрожжей) с явлениями брожения и гниения принадлежит французскому натуралисту Ж. Л. Л. Бюффону (1707 -1788). Весьма близко подошел к пониманию роли дрожжей в процессе брожения французский химик А. Л. Лавуазье (1743 -1794), изучавший количественно химические превращения сахара при спиртовом брожении. Жорж-Луи Леклерк де Бюффон Антуан Лоран Лавуазье
• С 30 -х гг. XIX в. начинается период интенсивных микроскопических наблюдений. В 1827 г. французский химик Жан Батист Анри Жозеф Демазьер (1786 -1862) описал строение организмов (дрожжей), формирующих пленку на поверхности пива. Однако в работе Ж. Б. Демазьера нет указаний на возможную связь процесса брожения с развивающейся на поверхности бродящей жидкости пленкой.
• Спустя 10 лет французский ботаник барон Шарль Каньяр де Ла-Тур (1777 -1859) предпринял тщательное микроскопическое изучение осадка, образующегося при спиртовом брожении, и пришел к выводу, что он состоит из живых существ, жизнедеятельность которых и является причиной брожения.
• Почти одновременно немецкий естествоиспытатель Фридрих Кютцинг (1807 -1893), исследуя образование уксуса из спирта, обратил внимание на слизистую массу, имеющую вид пленки на поверхности жидкости. Изучая эту массу, Ф. Кютцинг установил, что она состоит из микроскопических живых организмов и имеет непосредственное отношение к накоплению уксуса в среде.
• К аналогичным выводам пришел другой немецкий естествоиспытатель Теодор Шванн (1810 -1882). • Таким образом, Ш. Каньяр де Ла-тур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн независимо друг от друга и почти одновременно пришли к заключению о связи процессов брожения с жизнедеятельностью микроскопических живых существ.
• Однако до конца 19 в. господствовавшей оставалась теория физико-химической природы процессов брожения. И только в 1897 г. ЭДУАРД БУХНЕР (1860– 1917) – немецкий химик и биохимик доказал, что спиртовое брожение может осуществляться гомогенатом дрожжевых клеток. Это послужило началом изучения ферментов (Нобелевская премия в 1907 г).
• Эдвард Энтони Дженнер (1749 -1823) — английский врач, разработал первую в мире вакцину против натуральной оспы, прививая неопасный для человека вирус коровьей оспы. Первый руководитель ложи оспопрививания в Лондоне с 1803 года (ныне Дженнеровский институт).
• 3. Физиологический период (с 1875 г. ) - эпоха Л. Пастера и Р. Коха. Человеком, который своими работами положил начало современной микробиологии, был выдающийся французский ученый Луи Пастер (1822 -1895). Научная деятельность Л. Пастера многогранна и охватывала все основные проблемы того времени, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов.
• Трудно переоценить значение научных открытий Л. Пастера, каждого из которых достаточно, чтобы навсегда вписать имя ученого в историю науки. • Изучая молочнокислое, спиртовое, маслянокислое брожение (1857 г. ), Л. Пастер доказал, что процессы брожения вызываются определенными видами микроорганизмов и непосредственно связаны с их жизнедеятельностью. Таким образом, Л. Пастер обнаружил анаэробный способ существования. Он же ввел термины «аэробный» и «анаэробный» для обозначения жизни в присутствии или в отсутствие молекулярного кислорода. Это открытие явилось принципиально важным не только для микробиологии, но для более глубокого понимания сущности живого в его разнообразных проявлениях.
• Позднее, изучая порчу вина, болезни животных и человека, он экспериментально установил, что их «виновниками» также являются микроорганизмы. Таким образом, Л. Пастер впервые показал, что микроорганизмы — это активные формы, полезные или вредные, энергично воздействующие на окружающую природу, в том числе и на человека. • Помимо изучения микробиологических основ процессов брожения и гниения Пастер внес существенный вклад: • в развитие промышленной микробиологии; • выяснение роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе; • в разработку принципов асептики, методов стерилизации; • способов ослабления (аттенуации) вирулентности и получения вакцин (вакцинных штаммов) для предохранительных прививок от сибирской язвы (1881), бешенства (совместно с Э. Ру, 1885) ; • установил специфичность возбудителей сибирской язвы, холеры, бешенства, куриной холеры и др. болезней; • развил представления об искусственном иммунитете.
• К области теоретических открытий Л. Пастера относятся его работы о невозможности самозарождения. Спор о том, откуда возникают живые существа, в том числе и микроорганизмы: из себе подобных или из других компонентов живой природы, — это давний спор, приобретший к середине XIX в. большую остроту и далеко вышедший за рамки чисто научных дискуссий. На основании проделанных экспериментов Л. Пастер пришел к следующему выводу: «Нет, сегодня не имеется ни одного известного факта, с помощью которого можно было бы утверждать, что микроскопические существа появились на свет без зародышей, без родителей, которые их напоминают. Те, кто настаивает на противоположном, являются жертвой заблуждения или плохо проделанных опытов, содержащих ошибки, которые они не сумели заметить или которых они не сумели избегнуть» . Колба «с лебединой шеей»
• В числе первых, кто оценил значение открытий Л. Пастера, был английский хирург Джозеф Листер (1827 -1912). Он понял, что причина большого процента смертных случаев после операций – заражение ран бактериями из-за незнания и несоблюдения, элементарных правил антисептики. Дж. Листер впервые ввел в медицинскую практику методы предупреждения заражения ран: обработку всех хирургических инструментов карболовой кислотой и разбрызгивание ее в операционной во время операции.
• Одним из основоположников медицинской микробиологии наряду с Л. Пастером явился немецкий микробиолог Генрих Герман Роберт Кох (1843 -1910), занимавшийся изучением возбудителей инфекционных заболеваний.
• Свои исследования Р. Кох начал, еще будучи уездным врачом, с изучения болезни крупного рогатого скота и овец, также поражающей человека, и в 1877 г. опубликовал работу, посвященную возбудителю сибирской язвы – Bacillus anthracis. Кох исследовал биологический цикл развития возбудителя и установил эпидемиологические особенности болезни, доказав, что одна бактерия может образовать многомиллионную колонию. Эти исследования впервые доказали бактериальное происхождение заболевания. • В 1881 г. Кох публикует работу «Методы изучения патогенных организмов» , в которой описывает способ выращивания микробов на твердых питательных средах. Этот метод имел важное значение для изолирования и изучения чистых бактериальных культур. Кох занимался также разработкой методов окраски бактериальных препаратов.
• Вслед за этими исследованиями внимание Р. Коха привлекла другая тяжелая и широко распространенная болезнь того времени – туберкулез – одна из главных причин смертности в Германии. В 1882 г. Р. Кох сообщил об открытии возбудителя туберкулеза, который в его честь был назван «палочкой Коха» . Кох достиг величайшего за всю свою жизнь триумфа. В 1905 г. за исследование туберкулеза Р. Коху была присуждена Нобелевская премия. • Изучение Кохом туберкулеза было прервано, когда он по заданию германского правительства в составе научной экспедиции уехал в Египет и Индию с целью попытаться определить причину заболевания холерой. Работая в Индии, Кох выделил возбудителя холеры – холерный вибрион. • В своих публикациях Кох выработал принципы «получения доказательств, что тот или иной микроорганизм вызывает определенные заболевания» . Эти принципы до сих пор лежат в основе медицинской микробиологии.
• Родоначальником русской микробиологии является Лев Семенович Ценковский (1822 -1887). Объектом его исследований были микроскопические протисты, водоросли, грибы. Л. С. Ценковский открыл и описал большое число протистов, изучал их морфологию и циклы развития. Это позволило ему сделать вывод об отсутствии резкой границы между миром растений и животных. Л. С. Ценковский интересовался проблемами практической бактериологии. Им была организована одна из первых Пастеровских станций в России и предложена вакцина против сибирской язвы (так называемая «живая вакцина Ценковского» ).
• Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли русский микробиолог Сергей Николаевич Виноградский (1856— 1953).
• С. Н. Виноградский ввел микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов. Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами он предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. Именно так С. Н. Виноградским в 1893 г. был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор, названный им в честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum. • Пользуясь методическими приемами, в основу которых был положен микроэкологический принцип, Виноградский выделил из почвы микроорганизмы, представляющие собой совершенно новый тип жизни и получившие название хемолитоавтотрофных. В качестве единственного источника углерода для построения всех веществ клетки хемолитоавтотрофы используют углекислоту, а энергию получают в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы или молекулярного водорода.
• После революции 1917 г. Виноградский покинул Россию и в 1922 г. по предложению директора института Пастера, создал при институте отдел сельскохозяйственной биологии (агробактериологии), которым руководил до самой смерти. Изучая микробное сообщество почвы разделил всех живущих в ней микроорганизмов на автохтонные (типичные, встречающиеся всегда) и аллохтонные (зимогенные) (развитие которых связано с увеличением концентрации органического вещества). Это деление оказалось применимым для большинства экосистем. Изучал разложение целлюлозы и цикл азота. Свою последнюю научную работу в 1952 г. Виноградский посвятил систематике бактерий. • В 1923 г. стал почетным членом Российской Академии Наук. Это был единственный в ее истории случай избрания эмигранта.
• Голландский микробиолог Мартин Виллем Бейеринк (1851— 1931) вместе с С. Н. Виноградским считаются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природных условиях и участием их в круговороте веществ в природе.
• Микроэкологический принцип С. Н. Виноградского был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов. Спустя восемь лет после открытия Виноградским анаэробного азотфиксатора, М. Бейеринк обнаружил в почве еще один вид бактерий, способных к росту и азотфиксации в аэробных условиях, — Azotobacter chroococcum. • Круг научных интересов М. Бейеринка был необычайно широк. Ему принадлежат работы по исследованию физиологии клубеньковых бактерий, изучению процесса денитрификации и сульфатредукции, работы по изучению ферментов разных групп микроорганизмов.
• В 1898 г. независимо от Д. И. Ивановского (1892) М. Бейеринк описывает вирус табачной. Бейеринк показал, что патоген способен репродуцироваться и распространяться в клетках хозяина, но не может быть культивирован в растворе подобно бактериям. • Бейерлинк, однако, придерживался гипотезы о том, что вирус является некой жидкой материей, называя вирусный раствор сontagium vivum fluidum – заразной живой жидкостью. Данное представление о вирусах, не как частицах, а растворимой материи, впрочем, было опровергнуто вскоре после смерти Бейеринка. В 1935 г. ВТМ стал первым вирусом, который был закристаллизован Уэнделлом Стенли, что позволило в последующем определить его структуру.
• Конец XIX в. ознаменовался очень важным открытием в области микробиологии. В 1892 г. Дмитрий Иосифович Ивановский (1864 -1920) обнаружил вирус табачной мозаики — представителя новой группы микроскопических организмов.
• Еще будучи студентом, Ивановский интересовался болезнями растений. Позднее его особенно заинтересовала мозаичная болезнь табака. Он высказал гипотезу о бактериальном происхождении заболевания и считал, что фильтрат содержит либо мельчайшие бактерии, либо токсин, выделяемый ими и способный вызвать болезнь табака. Причем мельчайшие бактерии способны проходить через фильтр Шамберлана, однако, не способны расти на искусственных субстратах. Ивановским впервые были сформулированы признаки, которые длительное время являлись критериями для отнесения возбудителей болезней к «вирусам» : фильтруемость через «бактериальные» фильтры, неспособность расти на искусственных средах, воспроизведение заболевания фильтратом, освобожденным от бактерий и грибов. • Ивановский не смог идентифицировать природу возбудителя табачной мозаики, однако именно 1892 год считается годом открытия новых организмов – вирусов. Ивановский положил начало вирусологии, выросшей в самостоятельную область науки. Открытие вирусов сыграло огромную роль в развитии ряда научных дисциплин: биологии, медицины, ветеринарии и фитопатологии.
• Ивановский занимался также изучением процесса спиртового брожения и влияния на него кислорода, хлорофилла и других пигментов, участвующих в процессе фотосинтеза. Известны также его работы и по общей сельскохозяйственной микробиологии. Ивановский был дарвинистом, подчеркивал зависимость организмов от условий окружающей среды и доказывал эволюционное значение этого факта. Наряду с работами Ивановского по вирусологии, принесшими ему мировую известность, он проводил и другие исследования. Он автор 180 публикаций, в том числе ряда работ в области почвенной микробиологии, физиологии и анатомии растений и двухтомного учебника по физиологии растений.
• Сообщения об активном участии микроорганизмов в процессах превращения веществ в природе стали быстро накапливаться в 70 -80 -х гг. XIX в. В 1877 г. французские химики Т. Шлезинг и А. Мюнц доказали микробиологическую природу процесса нитрификации. В 1882 г. П. Дегерен обнаружил аналогичную природу процесса денитрификации, а двумя годами позднее он же установил микробиологическую природу анаэробного разложения растительных остатков.
• Михаил Степанович Воронин (1838 -1903) в 1867 г. описал клубеньковые бактерии, а спустя почти двадцать лет Г. Гельригель и Г. Вильфарт показали их способность к азотфиксации.
• Многочисленные работы Воронина касаются преимущественно грибов (микологии) и грибоподобных организмов. Научные заслуги его весьма значительны. Он открыл, подробно изучил и описал множество в высокой степени важных в общебиологическом смысле низших организмов. Ему принадлежит открытие возбудителей заболеваний многих растений. • Все работы Воронина отличаются большой точностью. Его рисунки, без которых новейшая морфология не может обойтись, образцовы и встречаются во всех сколько-нибудь полных руководствах русских и иностранных. Он издавал свои сочинения на немецком и французском языках, но почти всегда также и на русском, некоторые же только на русском.
• Григорий Николаевич Минх (1836– 1896) – русский инфекционист и патологоанатом. Впервые открыл возбудителя чумы (1878), прививками на самом себе доказал заразительность крови больных возвратным тифом. Установил, что две формы сибирской язвы – кишечная и легочная – имеют единое происхождение. Автор классических работ о проказе. Отстаивал точку зрения на заразность этой болезни, противопоставляя ее распространенной тогда концепции о наследственности проказы.
• Эрнст Генрих Геккель (1834 -1919) – немецкий биолог. В 1866 г. предложил выделить микроорганизмы в третье царство (после животных и растений), получившее название «протисты» .
Ганс Христиан Йоахим Грам (1853 -1938) – датский бакрериолог, фарма-колог и патолог. Путешествуя по Европе, в Берлине в 1884 г. , он разработал метод дифференциальной окраски бактерий для разделения двух их основных типов. Эта техника, метод окраски Грама, продолжает оставаться стандартной процедурой, широко применяющейся в систематике бактерий и микробиологической диагностике инфекционных заболеваний. Труды Грама связаны с разработкой новых методов исследования в бактериологии и медицине.
• Георгий Норбертович Габричевский (1860 -1907) – организовал и заведовал в Московском университете бактериологической лабораторией (1891 -1895); затем был директором Бактериологического института при Екатерининской больнице медицинского факультета (1895 -1907). Габричевский предложил для специфической профилактики скарлатины использовать убитую стрептококковую вакцину; серологическую пробу для диагностики возвратного тифа; способ культивирования анаэробов в чашках; новый способ определения подвижности бактерий; получил антитоксин дизентерии и противодизентерийную сыворотку.
• Жан-Мари Камиль Герен (1872 -1961) – французский ученый, ветеринарный врач, бактериолог и иммунолог. Работая в тесном сотрудничестве с А. Кальметом, посвятил себя исследованиям по созданию вакцины против туберкулеза и в начале 1920 -х годов создал противотуберкулезную вакцину ВСG (БЦЖ).
• Феликс Д’Эррель (1873 -1949) – французский и канадский микробиолог. Первооткрыватель бактериофагов, которых детально описал и предложил использовать для лечения инфекционных заболеваний (дизентерии, холеры, чумы).
• Георгий Адамович Надсон (1867 -1939) – один из первооткрывателей индуцированного мутагенеза под действием ионизирующего излучения. Доказал на низших грибах (совместно с другими) возможность искусственного получения мутаций. Член-корреспондент (1928), действительный член (1929) АН СССР. Директор Института микробиологии АН СССР (1934 -1938); редактор первого в России журнала (1914 -1938) по общей микробиологии.
Ховард Тейлор Риккетс (18711910) – американский бактериолог. Работал с возбудителем бластомикоза, а затем занимался изучением пятнистой лихорадки скалистых гор. Он обнаружил, что древесный иксодовый клещ Скалистых гор способен переносить бактерии Rickettsia rickettsii (позже это было подтверждено и для других видов клещей). В 1909 году Рикеттс заинтересовался сыпным тифом во время эпидемии в Мехико. Он описал сходство его симптомов с пятнистой лихорадкой и предположил перенос болезни насекомыми.
• Николай Федорович Гамалея (1859 -1949) – российский микробиолог, эпидемиолог и инфекционист.
В 1886 г. при содействии Л. Пастера Н. Ф. Гамалея учредил совместно с И. И. Мечниковым первую в России (и вторую в мире) бактериологическую станцию и впервые в России осуществил вакцинацию людей против бешенства. В 1899 -1908 гг. был директором основанного им Бактериологического института в Одессе. В рамках деятельности института изучал роль корабельных крыс в распространении чумы, руководил противоэпидемическими мероприятиями во время вспышки заболевания в Одессе, вел борьбу с холерой на юге России. В 1908 г. впервые доказал, что сыпной тиф передается вшами. Он также много работал над профилактикой тифов, холеры, оспы и других инфекционных заболеваний. В 1910 г. впервые обосновал значение дезинсекции в целях ликвидации тифа. В 1912 -1928 гг. руководил Петербургским (Петроградским) оспопрививательным институтом им. Дженнера. С помощью разработанного Гамалеи метода приготовления противоосповой вакцины, в Петрограде была проведена всеобщая прививка от оспы, принятая затем по всей стране. В 1930 -1938 гг. – научный руководитель Центрального института эпидемиологии и микробиологии в Москве (в настоящее время носит его имя). С 1938 года и до конца жизни – профессор кафедры микробиологии, а с 1939 г. – заведующий лабораторией института
• Василий Леонидович Омелянский (1867 -1928) – микробиолог, академик Российской академии наук (1923), с 1925 – АН СССР; член-корреспондент с 1916 г. , ученик С. Н. Виноградского.
• Его основные работы посвящены выяснению роли микроорганизмов в круговороте азота и углерода в природе. Развивая идеи Виноградского, Омелянский предложил методы выделения и культивирования нитрифицирующих бактерий, изучая их морфологию и физиологию. На этом пути ему впервые удалось выделить культуры анаэробных и спороносных бактерий, сбраживающих клетчатку с образованием органических кислот и водорода. Изучая аэробную азотфиксирующую бактерию, доказал существование бактерий, образующих метан из этанола, и установил, что количество усвояемого азота пропорционально усвоению органического вещества. Кроме того, первым указал на возможность применения микроорганизмов как химических индикаторов.
• Даниил Кириллович Заболотный (1866 -1929). В 1894 г. Заболотный начал свою работу в качестве эпидемиолога на эпидемии холеры и дифтерии в Подольской губернии. Здесь он провел испытание эффективности противодифтерийной сыворотки на самом себе после экспериментального заражения дифтерией. В 1898 г. организовал в Петербургском женском медицинском институте первую в России кафедру бактериологии (заведовал ею до 1928 г. ), в 1920 г. в Одессе – первую в мире кафедру эпидемиологии. Принимал участие в работе по изучению тропических болезней (чумы и холеры) в Индии, Аравии, Китае, Персии. Создал учение о природной очаговости чумы (1922). Автор многочисленных научных работ о чуме, холере, малярии, сифилисе, дифтерии, сыпном тифе и др. заболеваниях.
• Теодор Эшерих (1857– 1911) – немецкий врач. Известен исследованиями микрофлоры человека; впервые описал кишечную палочку (позднее род бактерий был назван в его честь Escherichia).
• Сига (Шига) Киёси (1871– 1951) – японский врач и микробиолог, выделивший в 1897 г. в чистом виде бактерии, относящиеся сегодня к виду Shigella dysenteriae.
• Дэниэл Эльмер Сальмон (1850– 1914) – американский ветеринар. Совмещая административную и научную работу, внес большой вклад в изучение болезней домашних животных. Способствовал внедрению вакцинации животных и санитарного контроля на мясоперерабатывающих предприятиях, принимал активное участие в создании государственной ветеринарной службы. Выделил в 1885 г. возбудителя свиной холеры Salmonella choleraesuis.
• Александр Эмиль Жан Йерсен (1863 -1943) – французский бактериолог. Совместно с Э. Ру открыл дифтерийный токсин (1888). В 1894 г. описал (совместно с японцем Китасато Сибасабуро) возбудителя чумы – Yersinia pestis. Автор трудов по серологии. Именем Йерсена назван род бактерий Yersinia.
• БЕРИНГ ЭМИЛЬ АДОЛЬФ (1854– 1917) – немецкий микробиолог. Предложил противостолбнячную и противодифтерийную сыворотки, разработал способ активной иммунизации против дифтерии. Нобелевская премия в 1901 г.
• БОРДЕ ЖЮЛЬ ЖАН-БАТИСТ ВИНСЕНТ (1870– 1961) – бельгийский иммунолог и микробиолог. Установил возбудителя и разработал метод иммунизации против коклюша. Нобелевская премия. в 1907 г.
• 4. Иммунологический период • Основоположником медицинской микробиологии справедливо считают также Илью Ильича Мечникова (1845 — 1916). И. И. Мечников был разносторонним исследователем, но основные свои научные интересы он сосредоточил на проблеме изучения взаимоотношений хозяина и микроорганизма-паразита.
• Один из основоположников эволюционной эмбриологии, первооткрыватель фагоцитоза и внутриклеточного пищеварения, создатель сравнительной патологии воспаления, фагоцитарной теории иммунитета, основатель научной геронтологии. Многочисленные работы Мечникова по бактериологии посвящены вопросам эпидемиологии холеры, брюшного тифа, туберкулеза и др. инфекционных заболеваний. Мечников совместно с Э. Ру впервые вызвал экспериментально сифилис у обезьян (1903). • В 1909 г. за исследования по фагоцитозу И. Мечникову была присуждена Нобелевская премия.
Пауль Эрлих (1854 -1915) разработал гуморальную теорию иммунитета. Он также установил факт приобретения микроорганизмами устойчивости к химиотерапевтическим препаратам. Мировую славу Эрлиху принес разработанный им «препарат 606» (сальварсан), который оказался высокоэффективным при лечении сифилиса. Нобелевская премия за работы в области иммунологии.
• БЕРДЖИ ДЭВИД ХЕНРИКС (1860– 1937) – американский бактериолог, предложил классифицировать бактерии по небольшому количеству наиболее характерных признаков. Первый «Определитель бактерий Берджи» был издан в 1923 г.
• С 1980 г. началась переработка справочника, был значительно увеличен объем сведений, добавлены разделы об отношениях с другими организмами и прочая расширенная информация. Издание стало четырехтомным, первый том выпущен в 1984 г. Том 1 включал информацию обо всех грамотрицательных бактериях, имеющих «медицинское и промышленное значение» . Том 2 содержал сведения обо всех типах грамположительных бактерий. Том 3 содержал информацию об остальных, не описанных в первом томе, грамотрицательных бактериях и археях. Том 4 был посвящен способным к филаментации актиномицетам и другим похожим бактериям. • Последние тома принципиально отличаются от первых, так как опираются при классификации высших таксонов не на фенотипические признаки, а исключительно на полигению 16 S, как в случае с классами протеобактерий.
• Последнее издание справочника состоит из 5 томов: • Том I (2001): «The Archaea and the deeply branching and phototrophic Bacteria» ; • Том II (2005): «The Proteobacteria» — в трёх книгах: – IIA: «Introductory essays» , – IIB: «The Gammaproteobacteria» , – IIC: Other classes of Proteobacteria; • Том III (2009): «The Firmicutes» ; • Том IV (2010): «The Bacteroidetes, Spirochaetes, Tenericutes (Mollicutes), Acidobacteria, Fibrobacteres, Fusobacteria, Dictyoglomi, Gemmatimonadetes, Lentisphaerae, Verrucomicrobia, Chlamydiae, and Planctomycetes» ; • Том V (2011): «The Actinobacteria»
• Лев Александрович Зильбер (1894– 1966) – российский вирусолог и иммунолог. Описал (1937) возбудителя дальневосточного клещевого энцефалита. Сформулировал вирусогенетическую гипотезу происхождения раковых опухолей.
• 5. Эра антибиотиков • Следующим важным этапом в развитии микробиологии стало открытие антибиотиков. В 1928 г. А. Флеминг открыл пенициллин и началась эра антибиотикотерапии, приведшая к революционному прогрессу медицины. В дальнейшем выяснилось, что микробы приспосабливаются к антибиотикам, а изучение механизмов лекарственной устойчивости привело к открытию второго - внехромосомного (плазмидного) генома бактерий.
• Сэр АЛЕКСАНДЕР ФЛЕМИНГ (1881– 1955) – английский микробиолог, иммунолог. В 1922 г. открыл лизоцим и определил его антибактериальные свойства; в 1928 (29) г. – первый антибиотик – пенициллин.
• барон Говард Уолтер Флори (1898– 1969) – английский фармаколог и микробиолог австралийского происхождения и Эрнст Борис Чейн (1906 -1979) – английский биохимик немецкого происхождения. Исследовали терапевтические свойства очищенного пенициллина и впервые применили его с лечебной целью. Лауреаты Нобелевской премии (1945) совместно с А. Флемингом.
• Зельман Абрахам Ваксман (1888– 1973) – американский микробиолог и биохимик. Впервые выделил ряд антибиотиков, в частности в 1944 г. – стрептомицин. Нобелевская премия в 1952 г.
• Зинаида Виссарионовна Ермольева (1898 -1974) – выдающийся советский ученый-микробиолог и эпидемиолог, академик АМН СССР (1963). Открыла светящийся холероподобный вибрион, носящий ее имя. Получила первые отечественные образцы пенициллина (1942), стрептомицина (1947) и др антибиотиков.
• Владимир Николаевич Шапошников (1884– 1968) – российский микробиолог, один из основоположников индустриальной микробиологии в СССР. Труды по физиологии микроорганизмов. Разработал основы промышленного производства молочной и масляной кислот, ацетона, бутанола и др. Академик АН СССР (1953).
• Георгий Францевич Гаузе (1910– 1986) – российский микробиолог, эволюционист, академик АМН СССР. Получил первый советский антибиотик – грамицидин С, получил, исследовал и внедрил в производство еще несколько антибиотиков, в том числе полимицин (неомицин), мономицин, ристомицин, гелиомицин и линкомицин, протиоопухолевые антибиотики оливомицин и рубомицин. Разрабатывал классификацию актиномицетов – продуцентов антибиотиков. Важнейшие научные работы посвящены экологии и протозоологии, а также поиску антибиотиков и установлению механизма их действия. С 1960 по 1986 г. — директор Института по изысканию новых антибиотиков АМН СССР.
• ГОРЛЕНКО МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ (1908– 1994) – российский микробиолог, чл. -кор. АН СССР (1976). Труды по теоретической и прикладной микологии, фитопатологии и иммунитету растений. Основное направление работы – физиолого-биохимические особенности фитопатогенных грибов в связи с проблемой паразитизма. Горленко впервые выявил способы сохранения возбудителя мучнистой росы в природе, что сыграло большую роль в изменении приемов профилактики этой болезни и способов борьбы с ней.
• Николай Александрович Красильников (1896– 1973) – российский микробиолог, бактериолог т почвовед, чл. – кор. АН СССР. Труды по экологии и систематике актиномицетов. Внес существенный вклад в изучение актиномицетов. Занимался также межвидовыми взаимодействиями бактерий, актиномицетов, и высших растений, был одним из первых исследователей микробного антагонизма.
• Период расширения круга промышленно производимых микробных продуктов, включающий микробиологическое производство аминокислот (глутамин и лизин), разработку методик производства микробного белка, производство ферментов (протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы), промышленное применение иммобилизованных ферментов (глюкозоизомераза), производство бактериальных полисахаридов (ксантан). • Производство микробного белка позволяет выпускать полноценные сбалансированные корма для выращивания птицы и скота. При этом микроорганизмы можно выращивать на различных питательных средах: на газах, нефти, отходах угольной, химической, пищевой, винно-водочной, деревообрабатывающей промышленности. • Не менее важным достижением биотехнологии в этот период было получение биогаза, открытие ферментов рестриктазы и лигазы, позволяющих разрезать и сшивать молекулу ДНК в нужных местах.
• • доказательства роли нуклеиновых кислот в хранении и передаче наследственной информации в биологических системах (имеются в виду индивидуальные клетки и отдельные организмы, а не их популяции); • • расшифровка универсального для всех живых организмов генетического кода; • • раскрытие механизмов регуляции функционирования генов в процессе жизни одного поколения организмов; • • совершенствование существовавших и разработка новых технологий культивирования микроорганизмов; • • как логическое следствие из вышесказанного, явилось создание (возникновение) и бурное развитие методов генетической и клеточной инженерии, • Эти открытия заложили фундамент молекулярной биологии и генной инженерии.
• 6. Современный молекулярно-генетический этап развития микробиологии, вирусологии и иммунологии начался во второй половине 20 века в связи с достижениями генетики и молекулярной биологии, созданием электронного микроскопа. Этот этап стал возможным после эпохального открытия Д. Уотсона и Ф. Крика строения молекулы ДНК. Главными объектами исследований становятся живая клетка и молекула ДНК. Важнейшим достижением биотехнологии является генетическая трансформация, перенос чужеродных донорских генов в клетки-реципиенты микроорганизмов, растений и животных, получение трансгенных организмов с новыми или усиленными традиционными свойствами и признаками. В 1988 г. был разработан метод полимеразной цепной реакции (ПЦР). Работы с рекомбинантными молекулами ДНК позволили создать бактериальные штаммы-продуценты всех типов интерферонов, продуценты гормона роста человека и ряда животных, проинсулина человека и т. д. Интенсивно развивается направление иммобилизации ферментов и клеток на специальных носителях, что обеспечивает их многократное использование.
• Фрэнсис Харри Комптон Крик (1916 -2004) – английский специалист в области молекулярной биологии и Джеймс Дьюи Уотсон (1928) – американский биолог. Нобелевская премия по физиологии и медицине за открытие структуры молекулы ДНК (1962).
• Систематика микроорганизмов • Систематика - распределение микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы - таксоны. Основные вопросы, решаемые при проведении систематики (три важнейших аспекта систематики) - классификация, идентификация и номенклатура. • Классификация - распределение (объединение) организмов в соответствии с их общими свойствами (сходными генотипическими и фенотипическими признаками) по различным таксонам.
• В настоящее время в микробиологии приняты два различных подхода к систематике, обусловливающие существование двух систем классификации: филогенетической (естественной) и фенотипической (искусственной). В основу филогенетической классификации положена идея создания системы микроорганизмов, объективно отражающей родственные отношения между разными группами и историю их эволюционного развития. Фенотипическая классификация преследует, в первую очередь, практические цели, заключающиеся в том, чтобы быстрее установить принадлежность микроорганизма к определенному таксону. • Наиболее четко фенотипическая классификация получила свое выражение в Определителе бактерий Берджи (Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology), периодически издаваемом Обществом американских бактериологов с привлечением к его написанию крупных специалистов из других стран, изучающих те или иные группы бактерий.
• В современном представлении вид в микробиологии - совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило, более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики. • Таксономия - наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны) - штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны - семейство, порядок, класс. • Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и на математическом учете степени соответствия. Большое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классификацию.
• При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов (бактерий) чаще всего изучают следующие гено- и фенотипические характеристики или критерии систематики: • 1. Морфологические - форма, величина, особенности взаиморасположения, структура. • 2. Тинкториальные - отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму. По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные. • Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам - семейству, роду. • 3. Культуральные - характер роста микроорганизма на питательных средах. • 4. Биохимические - способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др. ), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.
• 5. Антигенные – признаки, обусловленные преимущественно химическим составом и строением клеточной стенки, наличием жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях. • 6. Физиологические - способы углеводного (автотрофы, гетеротрофы), азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы). • 7. Подвижность и типы движения. • 8. Способность к спорообразованию, характер спор. • 9. Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование. • 10. Химический состав клеточных стенок - основные сахара и аминокислоты, липидный и жирнокислотный состав. • 11. Белковый спектр (полипептидный профиль). • 12. Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам. • 13. Генотипические (использование методов геносистематики).
• В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик, все более широко и эффективно учитываются генотипические свойства, определяемые с использованием различных генетических методов. При этом применяются все более совершенные методы - рестрикционный анализ, ДНК-ДНК гибридизация, ДНК-РНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% (для некоторых групп микроорганизмов - 80%) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду, 40 -60% - к одному роду.
• Идентификация устанавливает принадлежность микроорганизмов к определенному таксону. • Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т. е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности. Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого микроорганизма и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства.
• Номенклатура – присвоение названия микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры - Shigella flexneri. • В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов. • Штамм - любая конкретный культура (изолят) одного вида, выделенная из различных источников либо из одного источника в разное время или полученная в ходе генетических манипуляций. Разные штаммы одного и того же вида бактерий могут отличаться друг от друга по целому ряду свойств, например по чувствительности к антибиотикам, способности к синтезу токсинов, ферментов и др.
• Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами - сокращенно сероварами), по чувствительности к специфическим фагам - фаготипами, биохимическим свойствам - хемоварами, по биологическим свойствам - биоварами и т. д. • Колония - видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон. • Культура - вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде. • Основной принцип микробиологической работы - выделение и изучение свойств только чистых (однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур.
• Общая характеристика микроорганизмов • К микроорганизмам относятся преимущественно одноклеточные организмы – бактерии, микроскопические грибы и водоросли, грибоподобные организмы, гетеротрофные протисты. • Микроорганизмы в таксономическом отношении очень неоднородная группа, представители которой отличаются друг от друга морфологией, строением, физиологией, типами конструктивного и энергетического метаболизма, а также особенностями питания клетки, но общим их признаком являются малые размеры особей. Например, в среднем линейные размеры бактерий находятся в пределах 0, 5– 3, 0 мкм, но есть среди бактерий свои «гиганты» и «карлики» . В частности, клетки нитчатой серобактерии Beggiatoa alba имеют диаметр до 500 мкм; длина клеток бактерии Achromatium oxaliferum составляет 15– 100 мкм при поперечнике примерно 5– 33 мкм, а продольные размеры клеток спирохет могут достигать 250 мкм. Самые мелкие из известных бактерий – микоплазмы, диаметр клеток которых составляет 0, 1– 0, 15 мкм. Размеры клеток дрожжей, мицелиальных грибов, протистов и водорослей находятся в пределах 10– 100 мкм.
• Отличительным свойством микроорганизмов является также их способность к активному развитию и высокой скорости размножению. В оптимальных условиях, например, бактерии Escherichia coli могут делиться каждые 20 -40 мин. Скорость размножения эукариотических микроорганизмов несколько ниже. • Микроорганизмы характеризуются отсутствием дифференцировки тела на ткани и органы, что также делает их непохожими на растения и животные. • У микроорганизмов из-за малых размеров очень велико отношение площади поверхности клетки к ее объему, что создает благоприятные условия для активного обмена с внешней средой. Метаболическая активность микроорганизмов в расчете на единицу биомассы намного выше, чем у более крупных клеток растений и животных.
• Высокая пластичность метаболизма является одной из наиболее существенных особенностей микроорганизмов, что приводит к их быстрому приспособлению к меняющимся условиям окружающей среды. Данное свойство также связано с малыми размерами клеток. Клетки микроорганизмов могут вместить в себя только несколько сотен тысяч молекул. Поэтому ненужные в данных условиях существования вещества в клетках микроорганизмов не накапливаются. • Помимо широчайшего спектра продуцируемых ферментов, микроорганизмы способны синтезировать многие биологически ценные соединения: аминокислоты, витамины, антибиотики, органические кислоты, спирты, полисахариды и др.
• Широко используются микроорганизмы и в системах биологической очистки сточных вод на полях орошения и полях фильтрации, куда поступают подлежащие очистке воды. • В настоящее время в связи с высоким уровнем развития промышленности и огромным количеством образующихся сточных вод создаются специальные сооружения аэробной биологической очистки – биотенки, биофильтры и аэротенки.
• Изучение биосинтетической деятельности микроорганизмов позволило установить их способность к синтезу самых разнообразных соединений, имеющих большое народнохозяйственное значение. В настоящее время с помощью микроорганизмов в промышленных масштабах получают микробный белок, аминокислоты (треонин, лизин, пролин, глутамин), витамины (В 12, рибофлавин), ферменты (амилазы, пектиназы, протеазы, целлюлазы, липазы, изомеразы, трипсины, стрептокиназы, диастазы), интерферон, инсулин, гормон роста человека, органические кислоты (лимонную, молочную, масляную, уксусную, глюконовую), этанол, глицерин, ацетон, бутанол, пропанол, бутандиол, полисахариды (декстраны, ксантаны, пуллулан, альгинаты), средства защиты растений, антибиотики, стероиды, каротиноиды, рибонуклеотиды, кортизон, преднизолон, гидрокортизон и другие ценные продукты.
• Достижения микробиологии находят практическое применение в металлургии для извлечения различных металлов из руд. Например, уже реализован способ микробиологического выщелачивания меди из сульфидной руды. В перспективе возможно использование микроорганизмов для получения цветных и редких металлов – золота, свинца, германия, лития и др. • Особо следует отметить, что микробиология внедрилась в такие традиционно небиологические производства, как получение энергетического сырья (биогаз метан), добыча нефти, что вносит существенный вклад в решение топливно-энергетической проблемы. Микроорганизмы способны повышать прочность бетона. Установлено, что при добавлении на тонну бетона нескольких килограммов биомассы микроорганизмов повышается прочность и пластичность строительного материала.
• Успехи в области микробиологии открыли новые возможности в профилактике и лечении многих инфекционных заболеваний, в борьбе с которыми ранее медицина была бессильна. Изучение свойств патогенных микроорганизмов позволило получать в промышленных масштабах вакцины, сыворотки и другие лечебные препараты. • Открыты широкие перспективы для расширения и совершенствования биотехнологических процессов с использованием микроорганизмов. • Таким образом, микробиология вносит существенный вклад в решение многих практических задач, проблем здравоохранения и сельского хозяйства, способствует развитию определенных отраслей промышленности.
• Сравнительная характеристика про- и эукариотических микроорганизмов • В соответствии с современными принципами классификации все известные микроорганизмы в зависимости от строения клетки делятся на две большие группы – прокариотические (доядерные) и эукариотические (истинноядерные). К прокариотическим микроорганизмам относятся бактерии, к эукариотическим – гетеротрофные протисты, микроскопические водоросли, микроскопические грибы и грибоподобные организмы.
• Прокариотические микроорганизмы отличаются от эукариотических по следующим основным свойствам: • 1. Форма и размеры клеток. Прокариотические микроорганизмы морфологически относительно слабо дифференцированы. Они существуют в виде одиночных клеток или простых ассоциаций сходных клеток, имеющих, за редким исключением, сферическую, цилиндрическую или изогнутую форму и средние размеры 0, 2 – 10, 0 мкм. Эукариотические микроорганизмы имеют средние размеры клетки до 40– 60 мкм и являются одноклеточными, нитчатыми или истинно многоклеточными организмами. • 2. Размножение. Прокариотические микроорганизмы, как правило, размножаются бинарным поперечным делением (у некоторых видов возможно почкование и множественное деление), в то время как для эукариотических микроорганизмов характерны различные формы бесполого и полового размножения. Кроме того, прокариоты характеризуются более высокой скоростью деления клеток.
• 3. Дыхание и фотосинтез. Процессы дыхания и фотосинтеза и связанные с ними пигменты и ферменты у тех представителей прокариот, которые обладают этими физиологическими функциями, связаны с цитоплазматической мембраной или ее производными. У эукариотических микроорганизмов аэробное дыхание происходит в митохондриях, а фотосинтез в хлоропластах, содержащих специальные мембраны, организованные в ламеллы или граны. Кроме того, большая группа прокариотических микроорганизмов способна существовать без доступа молекулярного кислорода (в анаэробных условиях) и получать необходимую для роста энергию в процессе анаэробного дыхания или брожения. • 4. Источник энергии. Некоторые прокариотические микроорганизмы (хемолитотрофы) могут специфически получать энергию путем окисления различных неорганических соединений в процессе аэробного дыхания, что не характерно для эукариотических микроорганизмов.
• 5. Фиксация молекулярного азота. Способность к фиксации молекулярного азота широко распространена среди различных таксономических групп прокариот, в то время как ни один эукариотический организм такими качествами не обладает. • Помимо перечисленных физиологобиохимических характеристик микроорганизмов, к принципиально существенным отличиям относится структурно-функциональная организация их клеток:
Различия в строении клеток прокариотических и эукариотических микроорганизмов Признак Прокариотическая клетка Эукариотическая клетка Организация генетического материала Нуклеоид, состоящий чаще всего из одной замкнутой в кольцо (реже линейной) хромосомы, расположен непосредственно в цитоплазме. Имеются гистоноподобные белки. Гены не несут интронов (за исключением архебактерий) и организованы в опероны Ядро, содержащее обычно более одной хромосомы, окружено двухслойной ядерной мембраной. Есть белки гистоны. Гены имеют экзонноинтронную организацию. Опероны отсутствуют Локализация ДНК В нуклеоиде и плазмидах В ядре и некоторых органеллах (митохондриях, хлоропластах) Цитоплазмати-ческие органеллы Отсутствуют (кроме рибосом) Имеются Рибосомы 70 S-типа 80 S-типа Движение цитоплазмы Отсутствует Часто обнаруживается Жгутики Состоят из одной фибриллы Состоят из микротрубочек, собранных в группы Компартмента-лизация клеток Слабо выражена Клетка разделена мембранами на отдельные отсеки Клеточная стенка Содержит пептидогликан муреин (за исключением архебактерий) Пептидогликан муреин отсутствует
• • Морфология бактерий По форме выделяют следующие основные группы микроорганизмов. 1. Сферические, или кокки. 2. Палочковидные. 3. Извитые. 4. Нитевидные. 5. Ветвящиеся.
• Кокковидные бактерии (кокки) по характеру взаиморасположения клеток после деления подразделяются на ряд вариантов: • 1. Микрококки. Клетки расположены в одиночку. Входят в состав нормальной микрофлоры, находятся во внешней среде. Заболеваний у людей не вызывают. • 2. Диплококки. Деление этих микроорганизмов происходит в одной плоскости, образуются пары клеток. Среди диплококков много патогенных микроорганизмов - гонококк, менингококк, пневмококк. • 3. Стрептококки. Деление осуществляется в одной плоскости, размножающиеся клетки сохраняют связь (не расходятся), образуя цепочки. Много патогенных микроорганизмов - возбудители ангин, скарлатины, гнойных воспалительных процессов.
• 4. Тетракокки. Деление в двух взаимо перпендикулярных плоскостях с образованием тетрад (т. е. по четыре клетки). • 5. Сарцины. Деление в трех взаимо перпендикулярных плоскостях, образуя правильной формы агрегаты (пакеты) из 8, 16 и большего количества клеток. Часто обнаруживают в воздухе. • 6. Стафилококки. Делятся беспорядочно в различных плоскостях, образуя скопления, напоминающие грозди винограда. Вызывают многочисленные болезни, прежде всего гнойно-воспалительные.
Рис. Взаимные расположения кокков: а - микрококки; б - диплококки; в - стрептококки; г - тетракокки; д - стафилококки; е - сарцины
• • • Палочковидные формы микроорганизмов: 1. Бактерии - палочки, не образующие спор. 2. Бациллы - аэробные спорообразующие микробы. Диаметр споры обычно не превышает размера ( «ширины» ) клетки (эндоспоры). 3. Клостридии - анаэробные спорообразующие микробы. Диаметр споры больше поперечника (диаметра) вегетативной клетки, в связи, с чем клетка напоминает веретено или теннисную ракетку. Необходимо иметь в виду, что термин «бактерия» чаще всего используют для обозначения всех микроорганизмов-прокариот. В более узком (морфологическом) значении бактерии - палочковидные формы прокариот, не имеющих спор.
Рис. Морфология палочковидных бактерий а - диплобактерии; б - стрептобактерии; в - бациллы; г - клостридии
• Извитые формы микроорганизмов: • 1. Вибрионы и кампилобактерии - имеют один изгиб, могут быть в форме запятой, короткого завитка. • 2. Спириллы - имеют 2 - 3 завитка. • 3. Спирохеты - имеют различное число завитков, аксостиль - совокупность фибрилл, специфический для различных представителей характер движения и особенности строения (особенно концевых участков). Из большого числа спирохет наибольшее медицинское значение имеют представители трех родов - Borrelia, Treponema, Leptospira.
• Treponema pallidum подвид pallidum (бледная трепонема) Leptospira interrogans Borrelia burgdorferi
• • • Строение бактериальной клетки Обязательными органоидами являются: ядерный аппарат, цитоплазма, цитоплазматическая мембрана. Необязательными (второстепенными) структурными элементами являются: клеточная стенка, капсула, споры, пили, жгутики. 1. В центре бактериальной клетки находится нуклеоид- ядерное образование, представленное чаще всего одной хромосомой кольцевидной формы. Состоит из двухцепочечной нити ДНК. Нуклеоид не отделен от цитоплазмы ядерной мембраной. 2. Цитоплазма - сложная коллоидная система, содержащая различные включения метаболического происхождения (зерна волютина, гликогена, гранулезы и др. ), рибосомы и другие элементы белоксинтезирующей системы, плазмиды (вненуклеоидное ДНК), мезосомы (образуются в результате инвагинации цитоплазматической мембраны в цитоплазму, участвуют в энергетическом обмене, спорообразовании, формировании межклеточной перегородки при делении).
• 3. Цитоплазматическая мембрана ограничивает с наружной стороны цитоплазму, имеет трехслойное строение и выполняет ряд важнейших функций- барьерную (создает и поддерживает осмотическое давление), энергетическую (содержит многие ферментные системы- дыхательные, окислительно- восстановительные, осуществляет перенос электронов), транспортную (перенос различных веществ в клетку и из клетки). • 4. Клеточная стенка - присуща большинству бактерий (кроме микоплазм, ахолеплазм и некоторых других не имеющих истинной клеточной стенки микроорганизмов). Она обладает рядом функций, прежде всего обеспечивает механическую защиту и постоянную форму клеток, с ее наличием в значительной степени связаны антигенные свойства бактерий. В составе — два основных слоя, из которых наружный- более пластичный, внутренний- ригидный.
• Основное химическое соединение клеточной стенки, которое специфично только для бактерий- пептидогликан (муреиновые кислоты). От структуры и химического состава клеточной стенки бактерий зависит важный для систематики признак бактерий- отношение к окраске по Граму. В соответствии с ним выделяют две большие группы- грамположительные ( «грам+» ) и грамотрицательные ( «грам-» ) бактерии. Стенка грамположительных бактерий после окраски по Граму сохраняет комплекс йода с генциановым фиолетовым (окрашены в сине- фиолетовый цвет), грамотрицательные бактерии теряют этот комплекс и соответствующий цвет после обработки и окрашены в розовый цвет за счет докрашивания фуксином.
• К поверхностным структурам бактерий (необязательным, как и клеточная стенка), относятся капсула, жгутики, микроворсинки. • Капсула или слизистый слой окружает оболочку ряда бактерий. Выделяют микрокапсулу, выявляемую при электронной микроскопии в виде слоя микрофибрилл, и макрокапсулу, обнаруживаемую при световой микроскопии. Капсула является защитной структурой (прежде всего от высыхания), у ряда микробов- фактором патогенности, препятствует фагоцитозу, ингибирует первые этапы защитных реакций- распознавание и поглощение. У сапрофитов капсулы образуются во внешней среде, у патогенов - чаще в организме хозяина. Капсула чаще состоит из полисахаридов, реже - из полипептидов.
• Жгутики. Подвижные бактерии могут быть скользящие (передвигаются по твердой поверхности в результате волнообразных сокращений) или плавающие, передвигающиеся за счет нитевидных спирально изогнутых белковых (флагеллиновых по химическому составу) образований - жгутиков. • По расположению и количеству жгутиков выделяют ряд форм бактерий. • 1. Монотрихи - имеют один полярный жгутик. • 2. Лофотрихи - имеют полярно расположенный пучок жгутиков. • 3. Амфитрихи - имеют жгутики по диаметрально противоположным полюсам. • 4. Перитрихи - имеют жгутики по всему периметру бактериальной клетки. • Способность к целенаправленному движению (хемотаксис, аэротаксис, фототаксис) у бактерий генетически детерминирована.
Монотрих Лофотрих Амфитрих Перитрих Рис. Типы жгутикования у бактерий
• Своеобразный тип движения характерен для спирохет. Они передвигаются за счет пучков нитчатых структур – аксиальных фибрилл, которые, как и жгутики, состоят из белка флагеллина. Эти структуры обеспечивают движение спирохет как в жидкой среде, так и на разделе фаз жидкой и плотной среды. • Число аксиальных фибрилл колеблется от 2 до 100. Один конец каждой аксиальной фибриллы прикреплен вблизи полюса протоплазматического цилиндра, а другой – свободен. Клетка содержит по два набора фибрилл, прикрепленных субполярно у каждого полюса клетки. В центральной части клетки аксиальные фибриллы перекрываются. • У некоторых прокариот установлен скользящий тип передвижения. Способность к скольжению выявлена у некоторых микоплазм, миксобактерий, цианобактерий, нитчатых серобактерий и др. Скорость при таком типе передвижения небольшая: 2– 11 мкм/сек. Общим для всех микроорганизмов, способных к скольжению, является выделение слизи. Для подвижных бактерий характерны таксисы, т. е. направленная двигательная реакция в ответ на определенный фактор. В зависимости от природы различают хемотаксис, фототаксис, магнитотаксис и вискозитаксис.
• Фимбрии или реснички — короткие нити, в большом количестве окружающую бактериальную клетку, с помощью которых бактерии прокрепляются к субстратам (например, к поверхности слизистых оболочек). Таким образом, фимбрии являются факторами адгезии и колонизации. • F- пили (фактор фертильности) — аппарат конъюгации бактерий, встречаются в небольшом количестве в виде тонких белковых ворсинок.
• Эндоспоры и спорообразование • Спорообразование - способ сохранения определенных видов бактерий в неблагоприятных условиях среды. Эндоспоры образуются в цитоплазме, представляют собой клетки с низкой метаболической активностью и высокой устойчивостью (резистентностью) к высушиванию, действию химических факторов, высокой температуры и других неблагоплиятных факторов окружающей среды.
• Питание микроорганизмов • Некоторые виды микроорганизмов не способны сами синтезировать отдельные органические вещества: аминокислоты, азотистые основания, витамины, вследствие чего не могут расти при их отсутствии в питательной среде. Такие соединения являются для них факторами роста. Микроорганизмы, нуждающиеся в определенном факторе роста, называются ауксотрофными в отличие от прототрофных, которые способны синтезировать все необходимые для них соединения. Примером природных ауксотрофных микроорганизмов являются молочнокислые бактерии, которые зависят от наличия в среде почти всех аминокислот и витаминов.
• По способу поступления питательных веществ в клетки микроорганизмов различают два типа питания: осмотрофное и фаготрофное. Подавляющее большинство микроорганизмов питается по осмотрофному типу: поглощают растворенные в воде вещества. Фаготрофное питание у большинства микроорганизмов невозможно, так как их клетки имеют ригидные клеточные стенки, и поэтому они не способны захватывать твердые частицы. • В зависимости от использования источников углерода все микроорганизмы разделяются на автотрофы и гетеротрофы. • Автотрофы – это микроорганизмы, способные усваивать или фиксировать углекислый газ воздуха в качестве единственного источника углерода и синтезировать из него органические вещества своих клеток. • Гетеротрофы – организмы, нуждающиеся в готовых органических веществах. • Как автотрофы, так и гетеротрофы подразделяют на две группы в зависимости от того, какой источник энергии они используют: фототрофы используют энергию света и трансформируют ее в химическую, хемотрофы используют энергию, освобождаемую при реакциях окислениявосстановления.
• В зависимости от того, какие питательные вещества – органические или неорганические – являются донорами электронов, все микроорганизмы также подразделяют на две группы. Органотрофными являются организмы, использующие в качестве доноров электронов органические соединения, к литотрофным относятся организмы, способные использовать в качестве доноров электронов неорганические вещества (H 2, NH 3, H 2 S, CO, Fe 2+ и т. д. ). • В соответствии с тремя вышеуказанными критериями (источник энергии, источник углерода, донор электронов) все микроорганизмы могут быть разделены на физиологические группы.
Рис. Типы питания микроорганизмов
• Клетки микроорганизмов не могут существовать без кислорода. Основным источником кислорода является вода. Кроме того, он содержится в СО 2 и многих органических соединениях. Многим микроорганизмам помимо этого необходим молекулярный кислород. Главная функция О 2 состоит в том, что он служит конечным акцептором электронов при аэробном дыхании; при этом он восстанавливается до воды. По отношению к молекулярному кислороду все бактерии можно разделить на несколько физиологических групп: • облигатные аэробы – бактерии, способные получать энергию только путем аэробного дыхания и поэтому нуждающиеся в О 2. Среди них следует выделить микроаэрофилы – бактерии, которые нуждаются в О 2 для получения энергии, но растут только при низком его содержании в среде (2– 5 %), т. е. более низком, чем содержание кислорода в атмосфере (21 %); • факультативные анаэробы – бактерии, способные расти как в присутствии, так и в отсутствии О 2. Они могут переключать свой энергетический метаболизм с аэробного дыхания (в присутствии О 2) на брожение или анаэробное дыхание (в отсутствии О 2). Среди факультативных анаэробов следует выделить аэротолерантные бактерии, которые могут расти в присутствии атмосферного кислорода, но не способны его использовать в качестве акцепторов электронов, получая энергию исключительно с помощью брожения; • облигатные анаэробы – могут расти только в среде, лишенной молекулярного кислорода, поскольку он токсичен для них.
• В зависимости от отношения к кислотности среды прокариоты могут быть разделены на несколько групп. Оптимальный p. H для роста подавляющего большинства прокариот, называемых нейтрофилами, — область, близкая к нейтральной 7, а рост возможен, как правило, в диапазоне от 4 до 9, считающемся нормальным. • Предельные обнаруженные границы p. H для роста представителей мира прокариот приблизительно от 1 до 12. Внутри этого диапазона можно выделить кислото- или щелочеустойчивые (толерантными). Щелочетолерантны бактерии, устойчивые к величинам p. H, близким к 9 - 10. • У некоторых видов оптимум p. H для роста переместился в кислую (p. H 4 и ниже) или щелочную (p. H от 9 и выше) зону. Такие прокариоты названы ацидофильными или алкалофильными (кислото- или щелочелюбивыми) соответственно. Среди обеих групп выделяют облигатные формы, потерявшие способность расти в нейтральной области, и факультативные, сохранившие эту способность.
Деление микроорганизмов на группы в зависимости от отношения к температуре Группа микрооргани змов Т(° С) ми ним. Т(°С) максим. 1. Психрофилы (+1 0)(-2) Около +30 10 -15 Бактерии, обитающие в холодильниках, морские бактерии 5 -10 45 -50 25 -40 Большинство грибов, дрожжей, бактерий около 30 70 -80 50 -60 Бактерии, обитающие в горячих источниках. Большинство образуют устойчивые споры 2. Мезофилы 3. Термофилы Т(° С) опт им. Отдельные представители
Скачать презентацию Введение в специальность Микробиология от
f6ee8749edca3a55b9fc0e2a8995c44d.ppt