- (от микро... и биология), наука о микроорганизмах. Впервые микроорганизмы (бактерии) наблюдал и описал А. Левенгук в 1683, но как наука М. сформировалась во 2-й половине 19 в., гл. обр. под влиянием работ Л. Пастера. Он установил, что определённые химич. Биологический энциклопедический словарь
Микробиология – наука, предметом изучения которой являются микроскопические существа, называемые микроорганизмами, их биологические признаки, систематика, экология, взаимоотношения с другими организмами.
Микроорганизмы – наиболее древняя форма организации жизни на Земле. По количеству они представляют собой самую значительную и самую разнообразную часть организмов, населяющих биосферу.
К микроорганизмам относят:
1) бактерии;
2) вирусы;
4) простейшие;
5) микроводоросли.
Общий признак микроорганизмов – микроскопические размеры; отличаются они строением, происхождением, физиологией.
Бактерии – одноклеточные микроорганизмы растительного происхождения, лишенные хлорофилла и не имеющие ядра.
Грибы – одноклеточные и многоклеточные микроорганизмы растительного происхождения, лишенные хлорофилла, но имеющие черты животной клетки, эукариоты.
Вирусы – это уникальные микроорганизмы, не имеющие клеточной структурной организации.
Основные разделы микробиологии: общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная.
Общая микробиология изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структуру, метаболизм, генетику, экологию и т. д.
Основной задачей технической микробиологии является разработка биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, ферментов, витаминов, спиртов, органических веществ, антибиотиков и др.
Сельскохозяйственная микробиология занимается изучением микроорганизмов, которые участвуют в круговороте веществ, используются для приготовления удобрений, вызывают заболевания растений и др.
Ветеринарная микробиология изучает возбудителей заболеваний животных, разрабатывает методы их биологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение микробов-возбудителей в организме больного животного.
Предметом изучения медицинской микробиологии являются болезнетворные (патогенные) и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разработка методов микробиологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения вызываемых ими инфекционных заболеваний.
Разделом медицинской микробиологии является иммунология, которая занимается изучением специфических механизмов защиты организмов людей и животных от болезнетворных микроорганизмов.
Предметом изучения санитарной микробиологии являются санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды и пищевых продуктов, разработка санитарных нормативов.
2. Систематика и номенклатура микроорганизмов
Основной таксономической единицей систематики бактерий является вид.
Вид – это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками.
Вид не является конечной единицей систематики. Внутри вида выделяют варианты микроорганизмов, отличающиеся отдельными признаками. Так, различают:
1) серовары (по антигенной структуре);
2) хемовары (по чувствительности к химическим веществам);
3) фаговары (по чувствительности к фагам);
4) ферментовары;
5) бактериоциновары;
6) бактериоциногеновары.
Бактериоцины – вещества, продуцируемые бактериями и губительно действующие на другие бактерии. По типу продуцируемого бактериоцина различают бактериоциновары, а по чувствительности – бактерициногеновары.
Для видовой идентификации бактерий необходимо знать следующие их свойства:
1) морфологические (форму и структуру бактериальной клетки);
2) тинкториальные (способность окрашиваться различными красителями);
3) культуральные (характер роста на питательной среде);
4) биохимические (способность утилизировать различные субстраты);
5) антигенные.
Виды, связанные генетическим родством, объединяют в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки. Более высокими таксономическими категориями являются классы, отделы, подцарства и царства.
Согласно современной систематике патогенные микроорганизмы относятся к царству прокариот, патогенные простейшие и грибы – к царству эукариот, вирусы объединяются в отдельное царство – Vira.
Все прокариоты, имеющие единый тип организации клеток, объединены в один отдел – Bacteria. Однако отдельные их группы отличаются структурными и физиологическими особенностями. На этом основании выделяют:
1) собственно бактерии;
2) актиномицеты;
3) спирохеты;
4) риккетсии;
5) хламидии;
6) микоплазмы.
В настоящее время для систематики микроорганизмов используется ряд таксономических систем.
1. Нумерическая таксономия. Признает равноценность всех признаков. Для ее применения необходимо иметь информацию о многих десятках признаков. Видовая принадлежность устанавливается по числу совпадающих признаков.
2. Серотаксономия. Изучает антигены бактерий с помощью реакций с иммунными сыворотками. Наиболее часто применяется в медицинской бактериологии. Недостаток – бактерии не всегда cодержат видоспецифический антиген.
3. Хемотакcономия. Применяются физико-химические методы, с помощью которых исследуется липидный, аминокислотный состав микробной клетки и определенных ее компонентов.
4. Генная систематика. Основана на способности бактерий с гомологичными ДНК к трансформации, трансдукции и конъюгации, на анализе внехромосомных факторов наследственности – плазмид, транспозонов, фагов.
Совокупность основных биологических свойств бактерий можно определить только у чистой культуры – это бактерии одного вида, выращенные на питательной среде.
3. Питательные среды и методы выделения чистых культур
Для культивирования бактерий используют питательные среды, к которым предъявляется ряд требований.
1. Питательность. Бактерии должны содержать все необходимые питательные вещества.
2. Изотоничность. Бактерии должны содержать набор солей для поддержания осмотического давления, определенную концентрацию хлорида натрия.
3. Оптимальный рН (кислотность) среды. Кислотность среды обеспечивает функционирование ферментов бактерий; для большинства бактерий составляет 7,2–7,6.
4. Оптимальный электронный потенциал, свидетельствующий о содержании в среде растворенного кислорода. Он должен быть высоким для аэробов и низким для анаэробов.
5. Прозрачность (чтобы был виден рост бактерий, особенно для жидких сред).
6. Стерильность (чтобы не было других бактерий).
Классификация питательных сред
1. По происхождению:
1) естественные (молоко, желатин, картофель и др.);
2) искусственные – среды, приготовленные из специально подготовленных природных компонентов (пептона, аминопептида, дрожжевого экстракта и т. п.);
3) синтетические – среды известного состава, приготовленные из химически чистых неорганических и органических соединений (солей, аминокислот, углеводов и т. д.).
2. По составу:
1) простые – мясопептонный агар, мясопептонный бульон, агар Хоттингера и др.;
2) сложные – это простые с добавлением дополнительного питательного компонента (кровяного, шоколадного агара): сахарный бульон, желчный бульон, сывороточный агар, желточно-солевой агар, среда Китта-Тароцци, среда Вильсона-Блера и др.
3. По консистенции:
1) твердые (содержат 3–5 % агар-агара);
2) полужидкие (0,15-0,7 % агар-агара);
3) жидкие (не содержат агар-агара).
4. По назначению:
1) общего назначения – для культивирования большинства бактерий (мясопептонный агар, мясопептонный бульон, кровяной агар);
2) специального назначения:
а) элективные – среды, на которых растут бактерии только одного вида (рода), а род других подавляется (щелочной бульон, 1 %-ная пептонная вода, желточно-солевой агар, казеиново-угольный агар и др.);
б) дифференциально-диагностические – среды, на которых рост одних видов бактерий отличается от роста других видов по тем или иным свойствам, чаще биохимическим (среда Эндо, Левина, Гиса, Плоскирева и др.);
в) среды обогащения – среды, в которых происходит размножение и накопление бактерий-возбудителей какого-либо рода или вида, т. е. обогащение ими исследуемого материала (селенитовый бульон).
Для получения чистой культуры необходимо владеть методами выделения чистых культур.
Методы выделения чистых культур.
1. Механическое разобщение на поверхности плотной питательной среды (метод штриха обжигом петли, метод разведений в агаре, распределение по поверхности твердой питательной среды шпателем, метод Дригальского).
2. Использование элективных питательных сред.
3. Создание условий, благоприятных для развития одного вида (рода) бактерий (среды обогащения).
Чистую культуру получают в виде колоний – это видимое невооруженным глазом, изолированное скопление бактерий на твердой питательной среде, представляющее собой, как правило, потомство одной клетки.
Микробиология - это наука, изучающая жизнь и развитие живых микроорганизмов (микробов). Микроорганизмы - самостоятельная обширная группа одноклеточных организмов, связанных по своему происхождению с растительным и животным миром.
Развитие микробиологии началось еще во времена древности, когда медики впервые предположили, что «зараза передается от человека к человеку» через каких-то живых существ. В результате последующего развития естественных наук появились специальные методы научных исследований, позволившие ученым окончательно убедиться в этом утверждении.
Среди выдающихся ученых-микробиологов можно выделить Л. Пастера, Р. Коха, И.И. Мечникова, Д.И. Ивановского.
По морфологическому строению все возбудители инфекционных заболеваний подразделяются на: микробы (бактерии); спирохеты; риккетсии; вирусы; грибки; простейшие.
Бактерии - это одноклеточные микроорганизмы.
По своему морфологическому строению бактерии чрезвычайно разнообразны. Наиболее часто встречаются следующие виды бактерий:
Кокки - бактерии шарообразной формы, одиночные или парами, а также в виде цепочек или образующие гроздья. К ним относятся диплококки, стрептококки, стафилококки. Они вызывают различные заболевания, такие как скарлатина, менингит, гонорея и др.;
Бациллы - бактерии палочкообразной формы, имеющие достаточно большое распространение в природе. Они вызывают очень тяжелые инфекционные заболевания - дифтерию, столбняк и туберкулез;
Спириллы - извилистые клетки, напоминающие штопор. Они являются возбудителями летоспироза и сифилиса. Латинское название возбудителя сифилиса звучит довольно красиво - Spiroheta palida (бледная спирохета);
Все микробы по типу дыхания делятся на две группы: анаэробы - хорошо размножаются только в отсутствии кислорода (возбудители столбняка, ботулизма, газовой гангрены и др.) и аэробы - живут исключительно в кислородной среде.
Клетка бактерии состоит из следующих элементов: оболочка, протоплазма, ядерная субстанция. У некоторых бактерий из наружного слоя оболочки формируются капсулы. Патогенные бактерии способны образовывать капсулу, только находясь в организме человека или животного. Образование капсулы - это защитная реакция бактерии. Бактерия внутри капсулы устойчива к действию антител.
У многих палочковидных бактерий внутри тела, посередине или на одном из концов имеются характерные образования - эндогенные споры круглой или овальной формы. Споры появляются при неблагоприятных внешних условиях существования бактерий (недостаток питательных веществ, наличие вредных продуктов обмена, неблагоприятная температура, высушивание). Одна бактериальная клетка образует одну эндоспору, которая, попадая в благоприятную среду, прорастает, образуя одну клетку. Споры устойчивы к внешним воздействиям.
Многие бактерии обладают активной подвижностью. Подвижными являются все спириллы и вибрионы. Подвижностью характеризуются и многие виды палочковидных бактерий. Кокки неподвижны, за исключением единичных видов. Подвижность бактерий осуществляется при помощи жгутиков - тонких нитей, иногда спиралеобразно извитых.
У некоторых патогенных микробов при определенных внешних воздействиях можно достигнуть ослабления или даже потери болезнетворных свойств. Однако при этом способность их при введении человеку вызывать невосприимчивость к заболеванию, или иммунитет, сохраняется. Указанное положение легло в основу получения живых ослабленных вакцин, которые нашли широкое применение в профилактике заболеваемости с помощью прививок.
Для распознавания и изучения особенностей различных видов микробов пользуются посевом их на искусственные питательные среды, которые готовят в лабораториях. Патогенные микробы растут лучше, если питательные среды по составу полнее воспроизводят условия их питания в живом организме.
Спирохеты (возбудители возвратного тифа, сифилиса) имеют форму тонких, штопорообразных, активно изгибающихся бактерий.
Вирусы - это мельчайшие микроорганизмы, размеры которых измеряются в миллимикронах. Увидеть вирусы можно только при очень большом увеличении (в 30 000 раз) с помощью электронного микроскопа.
Они очень примитивно устроены. У них нет клеточной оболочки в обычном понимании или каких-либо сложно организованных структур и не обнаруживается метаболизм. Они состоят из нуклеиновой кислоты (РНК или ДНК), окруженной белковой оболочкой. Главный компонент вирусов - нуклеиновая кислота - представляет собой соединение, которое служит материальной основой наследственности и многих других явлений жизни. Их жизнедеятельность обеспечивают РНК или ДНК клеток хозяина.
Некоторые вирусы обладают очень коварной способностью - внедряясь в клетку, оставаться в ней в латентном («сонном») состоянии очень долгое время (в некоторых случаях на протяжении всей жизни хозяина). Так проходят месяцы и годы, и как только организм ослаблен (по разным причинам - стресс, авитаминоз, заболевание), вирус тотчас же реактивируется, т.е. проявляет свою активность или агрессивность. Другими словами, латентная инфекция переходит в острую или хроническую форму. Особенно опасны для человека те вирусы, которые встраиваются в наследственные субстраты клетки (ее хромосомы) и становятся, таким образом, составной частью генома человека. Это, например, вирус иммунодефицита человека. Известно также, что некоторые вирусы обладают способностью, проникнув в клетку, нарушать механизмы роста и развития, превращая ее в раковую клетку.
Во внешней среде они практически не живут. Дезинфицирующие вещества, солнечный свет, ультрафиолет, нагревание убивают большинство вирусов. Однако среди них есть и очень стойкие. Например, вирус болезни Боткина (инфекционный гепатит, или желтуха) погибает лишь при температуре 100°С и 45-минутном кипячении.
К вирусам относятся возбудители гриппа, ящура, полиомиелита, натуральной оспы, энцефалитов, кори, СПИДа и других заболеваний.
Лечение вирусных заболеваний очень сложное, но небезнадежное дело. На сегодняшний день самая эффективная защита от различных вирусов - прививки (превентивный способ защиты). С их помощью можно создать в организме достаточно мощный и эффективный заслон против большого числа вирусов, повысить активность иммунной системы, ее защитные механизмы.
Многие вирусы обладают уникальной способностью изменять свои наследственные качества, т.е. мутировать. Тот факт, что вирус находится внутри клетки-хозяина, обеспечивает ему также надежную защиту. Очень немногие современные лекарства «работают» на внутриклеточном уровне, большинство не в состоянии «достать» вирус. В процессе эволюции многие вирусы научились спасаться от иммунной системы организма хозяина, прикрываясь его же собственными белками, и при этом их разрушающее действие на организм хозяина не прекращается, а, напротив, усиливается. Именно к такому вирусу относится вирус В, вызывающий болезнь Боткина.
Интерферон - это белок, содержащийся в нормальных клетках тканей. При лизисе клеток, например под воздействием вируса, он переходит в окружающие жидкости. Блокируя некоторые ферментные системы клеток, свободный интерферон обладает способностью препятствовать поражению этих клеток вирусом. Дальнейшее размножение вируса возможно лишь в тех клетках, которые не блокированы интерфероном. Таким образом, интерферон является механизмом защиты клеток от чужеродных нуклеиновых кислот.
Грибки, или микроскопические грибы, в отличие от бактерий имеют более сложную структуру. Большинство из них - многоклеточные организмы. Клетки микроскопических грибков вытянутой формы, похожие на нить. Размеры колеблются в пределах от 0,5 до 10-50 мкм и более.
Большинство грибов - сапрофиты, только немногие из них вызывают заболевания человека и животных. Чаще всего они обусловливают различные поражения кожных покровов, волос, ногтей, но встречаются виды, которые поражают и внутренние органы. Заболевания, вызываемые микроскопическими грибами, носят название микозов.
В зависимости от строения и особенностей грибы разделяют на несколько групп.
1. К патогенным грибам относятся:
Дрожжеподобный гриб, вызывающий тяжелое заболевание - бластомикоз;
Лучистый гриб, вызывающий актиномикоз;
Возбудители глубоких микозов (гистоплазмоза, кокцидиоидоза).
2. Из группы так называемых «несовершенных грибов» широкое распространение имеют возбудители многочисленных дерматомикозов.
3. Из непатогенных грибов наиболее распространены плесени и дрожжи.
Грибковые поражения кожи и ногтей встречаются очень часто. К их числу относятся руброфитии, трихофитии, эпидермофитии. Дрожжевые грибки вызывают сравнительно распространенное заболевание влагалища - молочницу. Встречается также грибковая ангина, фаринго- и ларингомикозы.
Простейшие - одноклеточные микроорганизмы, способные нанести вред здоровью человека, особенно при понижении защитных функций его организма. Простейшие отличаются более сложным строением, чем бактерии.
К возбудителям инфекционных заболеваний человека среди простейших относятся дизентерийная амеба, малярийный плазмодий и др. Наиболее распространенные заболевания - амебная дизентерия, токсоплазмоз, лямблиоз и др. В последние годы все большее распространение получили урологические заболевания, причиной которых стали хламидии. Заболевание, которое они вызывают, называется хламидиоз.
Различают гельминты, жизнь которых протекает с обязательным участием человека, и гельминты, способные существовать независимо от человека - в организме животных.
Важнейшими свойствами микробов являются патогенность, т.е. способность вызывать инфекционную болезнь различной тяжести, и вирулентность, т.е. сумма агрессивных свойств микробов по отношению к организму человека и животного. Мерой ее является количество живых микроорганизмов, способных вызвать заболевание; вирулентность - это мера патогенности, она различна у разных микробов.
По своей вирулентности (способности вызывать заболевание у человека) бактерии можно разделить на три группы: патогенные (заразные), условно патогенные и сапрофиты. Особой вирулентностью и патогенностью обладают возбудитель особо опасных инфекций.
Существуют и условно патогенные организмы, которые постоянно обитают внутри живого организма, не причиняя ему вреда. Их патогенное действие проявляется только при изменении условий обитания и снижении защитных сил организма, вызванном различными факторами. В этих случаях они могут проявить свои патогенные свойства и вызвать соответствующие заболевания.
Среди микробов существуют также сапрофиты - безвредные микроорганизмы. Их роль сводится к разложению мертвых органических остатков в почве, сточных водах и т.п. Последние неопасны для организма и даже, напротив, очень полезны. Например, известно, что во влагалище женщины среда кислая. Это не что иное, как результат деятельности постоянно присутствующих микроорганизмов, кисломолочных бактерий. Именно поэтому в такой среде не развиваются патогенные микроорганизмы и дрожжевые грибки. Другой пример: в толстом кишечнике обитает кишечная палочка - echery colli. Она обеспечивает процессы брожения в кишечнике, необходимые для разложения клетчатки.
Необоснованное употребление некоторых лекарств (чаще всего при самолечении) вызывает уничтожение всей микрофлоры кишечника, что приводит к заболеванию, которое носит название дисбактериоз. Надо заметить, что достаточно большое число людей страдают этим заболеванием. Может быть, некоторые из вас обратили внимание, что в последние годы в молочных отделах магазинов появились продукты с приставкой «био», в частности: биокефир, биойогурт, бифидок и др. И это не случайно. Их появление вполне оправданно, так как они помогают организму нормализовать его кишечную флору. Продукты с приставкой «био» очень полезны. Однако вполне достаточно употреблять их 1-2 раза в неделю по 0,25-0,5 л.
Всем патогенным микроорганизмам свойственна специфичность, т.е. способность микробов данного вида вызывать определенный вид заболевания, и токсичность, т.е. способность вырабатывать токсин.
Микроорганизмы в процессе своего размножения, жизнедеятельности и гибели выделяют ядовитые (токсические) отравляющие вещества, токсины - экзотоксины и эндотоксины.
Экзотоксин выделяется при жизни микробной клетки. Микробные токсины значительно влияют на ход инфекционной болезни, а при некоторых болезнях они играют основную роль (ботулизм, дифтерия, столбняк). Экзотоксины поражают только строго определенные, чувствительные к данному токсину ткани. Так, столбнячный токсин действует на центральную нервную систему, ботулинистический - на ядра черепно-мозговых нервов; дифтерийный - на сердечно-сосудистую систему, почки. Экзотоксины обладают антигенностью. После обезвреживания экзотоксинов (формалином и высокой температурой) их называют анатоксинами. Анатоксины применяются для прививок с целью создания невосприимчивости к некоторым инфекционным заболеваниям, таким как столбняк, дифтерия, ботулизм.
Эндотоксин выделяется при разрушении микробной клетки, вызывает общую интоксикацию и не обладает антигенным свойством.
Устойчивость микробов к воздействию факторов внешней среды
Внешняя среда не является естественной для большинства патогенных микробов. Однако чтобы сохранить свой вид (выжить), микробы должны обладать определенной устойчивостью к действию различных факторов внешней среды. Сохранение вида любого возбудителя возможно лишь при некотором пребывании его во внешней среде. Длительность этого пребывания обусловлена как интенсивностью воздействия факторов внешней среды (температуры, влажности, энергии солнца и др.), так и особенностями микроорганизма, объединяемыми понятием «устойчивость».
Для каждого возбудителя имеется свой температурный оптимум. Для большинства патогенных микробов оптимальной является температура 30-37°С. Вместе с тем они также хорошо переносят и низкие температуры (до -19... -25°С). При этом микробная клетка переходит в состояние анабиоза, в котором она может существовать долгие годы. Следовательно, патогенные микробы могут перезимовать в почве и различных субстратах. Высокая температура среды губительна для микробов. Так, при температуре 60 °С большинство из них гибнет через 10 минут, при 80-100°С - через 1 минуту, так как происходит свертывание белков.
Некоторые бактерии вне организма человека и животного образуют споры путем уплотнения протоплазмы и образования плотной оболочки, что позволяет им длительно сохраняться во внешней среде. Споры значительно устойчивее к действию высоких температур, чем вегетативные формы. Уничтожение спор в течение 20-30 минут достигается лишь при температуре пара 120°С. Споры столбняка выдерживают кипячение до 3 часов, ботулизма - до 6 часов.
Высушивание, приводящее к обезвоживанию, губительно для микробов. Скорость гибели под влиянием высушивания весьма различна у разных видов микробов: у холерного вибриона - 2 дня, у палочки брюшного тифа - 70 дней. Будучи защищены высушенными белковыми субстратами (кровь, мокрота, ткани), микробы могут оставаться жизнеспособными в течение более длительного срока, для некоторых возбудителей этот период достигает нескольких месяцев. Споры весьма стойки к высушиванию, например, споры палочки сибирской язвы способны прорастать в вегетативные формы после пребывания в сухой почве через 50-70 лет.
Лучистая энергия солнца обладает наибольшей эффективностью губительного действия на микробы, особенно ультрафиолетовая часть ее спектра. Большой губительной способностью для микробов обладают некоторые ядовитые химические вещества, которые используются для дезинфекции.
По эпидпоказаниям живой аттенуированной туляремийной вакциной.
Специфическое лечение – не разработано.
Микробиология как наука. Предмет и задачи микробиологии.
Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – учение) – наука о мельчайших невидимых невооруженным взглядом живых объектах – микроорганизмах, закономерностях их развития и тех изменениях, которые они вызывают в среде обитания и в окружающей среде.
Термин «микроорганизмы» ввел французский ученый Седдило в конце XIX века.
Микроорганизмы – наиболее древняя форма организации жизни на Земле, они появились задолго до возникновения растений и животных – примерно 3-4 млрд. лет тому назад. В настоящее время они представляют собой по количеству самую значительную и самую разнообразную часть организмов, населяющих биосферу Земли. Они находятся в воздухе, воде, почве, пище, на окружающих нас предметах, на поверхности и внутри нашего тела и других организмов животного и растительного мира, и даже в космосе.
Все микроорганизмы подразделяются на:
Ø патогенные (от греч. patos – болезнь) – болезнетворные, т.е. способные вызвать инфекционное заболевание;
Ø условно-патогенные – вызывают заболевания при определенных условиях;
Ø сапрофитные (от греч. sapros – гнилой и phyton – растения) – непатогенные/неболезнетворные, не вызывают заболевания у человека.
Название «микробиология» предложено французским ученым Дюкло . Микробиология зародилась в пределах биологии. Затем она постепенно дифференцировалась на самостоятельные научные дисциплины :
Ø частная;
Ø медицинская;
Ø клиническая (изучает микроорганизмы, вызывающие заболевания в ЛПУ);
Ø санитарная;
Ø ветеринарная (изучает микроорганизмы, патогенные для животных);
Ø сельскохозяйственная (изучает микроорганизмы – вредителей растений);
Ø морская (изучает микроорганизмы – обитателей морей и океанов);
Ø космическая (изучает микроорганизмы, населяющих космическое пространство);
Ø техническая микробиология (использует микроорганизмы для получения разнообразных продуктов, необходимых для жизнедеятельности людей – вакцины, диагностикумы, ферменты и т.д.).
Предмет изучении общей микробиологии – общие закономерности, биологические свойства микроорганизмов вне зависимости от их видовой принадлежности: морфологию, физиологию, биохимию, генетику, экологию, эволюцию и другие признаки микроорганизмов.
Предмет изучении частной микробиологии – особенности биологических свойств микроорганизмов, характерных определенному виду.
Предмет изучения медицинской микробиологии – патогенные и условно-патогенные микроорганизмы , процессы их взаимодействия с макроорганизмом.
Задачи медицинской микробиологии:
Ø микробиологическая диагностика инфекционных заболеваний;
Ø разработка методов специфической профилактики;
Ø разработка этиотропного лечения инфекционных болезней.
В составе медицинской микробиологии выделяю следующие разделы :
Ø бактериология (объект изучения – бактерии);
Ø вирусология (объект изучения – вирусы);
Ø микология (объект изучения – грибы);
Ø прототозоология (объект изучения – простейшие);
Ø альгология (объект изучения – микроскопичские водоросли);
Ø иммунология (объект изучения – защитных реакции организма) и др.
Предмет изучения санитарной микробиологии , тесно связанной с медицинской микробиологией, – санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды и пищевых продуктов , разработка санитарно-микробиологических нормативови методов индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах окружающей среды.
Исторические этапы развития микробиологии.
Выделяют 5 исторических периода развития и становления микробиологии как науки.
I. Эвристический период .
Многие тысячелетия человечество пользовалось плодами жизнедеятельности микроорганизмов, не подозревая об их существовании. Хотя мысль о наличии в природе невидимых живых существ возникала у многих исследователей. Гиппократ , Парацельс (VI век до н.э.) высказывали предположение о том, что «миазмы», обитающие в болотах, вызывают различные болезни у человека, попадая в его организм через рот. В наиболее законченной форме идею сформулировал Джироламо Фракосторо в труде «О контагиях, контагиозных болезнях и лечении» (1546 г.): заражение человека может происходить тремя путями – при непосредственном соприкосновении, опосредованно (через предмет) и на расстоянии, но при обязательном участии контагий («зародышей болезней»). Однако это были гипотезы, доказательств которых у них не было.
II. Описательный период (морфологический) – охватывает вторую половину XVIII века и продолжается до середины XIX века . Связан с созданием микроскопа и открытием микроскопических существ, невидимых глазом человека. Первый микроскоп был создан в 1590 г. Гансом и Захарием Янсенами , но у него было увеличение всего лишь в 32 раза. Голландский натуралист Антоний Левенгук (1632-1723 гг.) сконструировал микроскоп с увеличением в 160-300 раз, при помощи которого ему удалось обнаружить мельчайших «живых зверьков» (анималькусов ) в дождевой воде, зубном налете и других материалах. Зарисованные им формы микроорганизмов были удивительно правдивы.
В этот же период в 1771 г. выдающийся русский врач Данило Самойлович (1744-1805 гг.) в опыте самозаражения гноем больных чумой доказал роль микроорганизмов в этиологии чумы и возможность предохранения людей от чумы с помощью прививок. Д.С. Самойлович был убежденным сторонником живой природы возбудителя чумы и за 100 с лишним лет до открытия этого микроба пытался обнаружить его. Лишь несовершенство микроскопов того времени помешало ему сделать это. Он предположил возможность искусственного создания невосприимчивости к инфекционному агенту и даже предпринял попытку создания противочумной вакцины. Эти исследования предшествовали работам Э. Дженнера. Работы Д.С. Самойловича внесли большой вклад в разработку мероприятий по борьбе с чумой.
В 1796 г. Эдвард Дженнер (1749-1823 гг.) создал и успешно применил вакцину для профилактики натуральной оспы, взяв материал от доярки, больной коровьей оспой.
III. Физиологический период (Пастеровский) (вторая половина XIX века) – «золотой век» микробиологии. С момента обнаружения микроорганизмов, возник вопрос не только об их роли в патологии человека, но и об их устройстве, биологических свойствах, процессах жизнедеятельности, экологии и т.д. Поэтому с середины XIX века началось интенсивное изучение физиологии бактерий.
Л. Пастер (1822-1895 гг.) – основатель французской школы микробиологии (химик по образованию, талантливый экспериментатор, сделал ряд фундаментальных открытий во многих областях науки, в том числе и в микробиологии), его основные достижения:
Ø открытие бактериальной природы брожения и гниения при изучение болезней вина и пива;
Ø предложение мягкого метода стерилизации – пастеризации;
Ø доказательство невозможности самопроизвольного зарождения жизни (если стерильный бульон оставить в открытой колбе, то он прорастет, но если стерильный бульон поместить в колбу, сообщающуюся с воздухом через спиральную трубку, то бульон не прорастет, т.к бактерии осядут на изогнутых частях трубки);
Ø создание основ вакцинного дела;
Ø разработка и получение вакцины против бешенства, сибирской язвы у животных и куриной холеры;
Ø открытие возбудителей сибирской язвы (Bacillus anthracis), родовой горячки (стрептококки), фурункулеза (стафилококки).
Р. Кох (1843-1910 гг.) – основатель школы немецких микробиологов, его достижения:
Ø внедрение в практику микробиологии анилиновых красителей, иммерсионной системы, плотных питательных сред;
Ø открытие возбудителей туберкулеза и холеры у человека;
Ø сформулирована триаду критериев, по которым можно было установить связь инфекционного заболевания с определенным микроорганизмом (триада Генле-Коха – эти принципы до Коха выдвигал Генле, а Кох сформулировал и развил):
1) микроб, предполагаемый в качестве возбудителя болезни, всегда должен обнаруживаться только при данном заболевании, не выделяясь при других болезнях и от здоровых людей;
2) данный микроб должен быть выделен в чистой культуре;
3) чистая культура этого микроба должна вызывать у экспериментального животного заболевание с клинической и паталогоанатомической картиной, свойственной заболеванию человека.
Сейчас эта триада имеет относительное значение, установление роли микроорганизма в развитии инфекционного заболевания не всегда укладывается в рамки триады.
IV. Иммунологический период (конец XIX – начало XX веков), связан с работами И.И. Мечникова и П. Эрлиха.
И.И. Мечников (1845-1916 гг.) – один из основоположников иммунологии, описал явление фагоцитоза (клеточная теория иммунитета).
Пауль Эрлих (1854-1915 гг.) сформулировал теорию гуморального иммунитета, объяснив происхождение антител и их взаимодействие с антигенами.
В 1908 г. И.И. Мечникову и П. Эрлиху была присуждена Нобелевская премия за работы в области иммунологии.
Конец XIXознаменовался эпохальным открытием царства вирусов.
Д.И. Ивановский (1864-1920 гг.) – первооткрыватель вирусов. Будучи сотрудником кафедры ботаники Петербургского университета в 1892 г. при изучении мозаичной болезни табака пришел он к выводу, что заболевание вызвано фильтрующимся агентом, впоследствии названным вирусом.
1928 г. – А. Флеминг , изучая явления микробного антагонизма, получил нестабильный пенициллин.
А в 1940 г. – Г. Флори и Э. Чейн получили стабильную форму пенициллина.
Отечественный пенициллин был разработан в 40-е годы прошлого столетия ленинградским микробиологом З.В. Ермольевой.
V. Современный период (начался в середине XX века) связан с научно-технической революцией в естествознании.
1944 г. – О. Эвери, К. Мак-Леод, К. Мак-Карти доказали роль ДНК в передаче наследственной информации.
1953 г. – Д. Уотсон и Ф. Крик расшифровали структуру ДНК.
В 60-70 гг. появились работы по генетике бактерий, становление генной инженерии.
1958 г. – П. Медавар и Гашек описали явление иммунологической толерантности. 1959 г. – Р. Портер и Д. Эдельман смоделировали молекулу иммуноглобулина.
1982 г. – Р. Галло, 1883 г. Л. Монтанье открыли ВИЧ.
Наука биология включает в себя большое количество подразделов и дочерних наук. Однако одной из самых молодых и перспективных, полезных для человека и его деятельности является микробиология. Сравнительно недавно возникшая, но стремительно набравшая обороты в развитии, эта наука на сегодняшний день сама стала родоначальницей таких разделов, как биотехнология и Что такое микробиология и как проходили этапы ее становления и развития? Разберемся в этом вопросе подробнее.
Что такое микробиология?
В первую очередь, микробиология - это наука. Объемная, интересная, молодая, но динамично развивающаяся наука. Этимология слова ведет свое происхождение от греческого языка. Так, "mikros" означает "малый", вторая часть слова происходит от "bios", что значит "жизнь", и заключительная часть от греч. "logos", что переводится как учение. Теперь можно дать дословный ответ на вопрос, что такое микробиология. Это учение о микро-жизни.
Другими словами, это изучение самых мелких живых существ, которые не видимы невооруженным глазом. К таким одноклеточным организмам относятся:
- Прокариоты (безъядерные организмы, или не имеющие оформленного ядра):
- бактерии;
- археи.
2. Эукариоты (организмы, имеющие оформленное ядро):
- одноклеточные водоросли;
- простейшие.
3. Вирусы.
Однако приоритетное значение в микробиологии отводится изучению именно бактерий самых разных видов, форм и способов получения энергии. Именно в этом состоят основы микробиологии.
Предмет изучения науки
На вопрос, что изучает микробиология, можно ответить так: она изучает внешнее многообразие бактерий по форме и размерам, их влияние на окружающую среду и на живые организмы, способы питания, развития и размножения микроорганизмов, а также их влияние на хозяйственную и практическую деятельность человека.
Микроорганизмы - это существа, способные обитать в самых разнообразных условиях. Для них практически нет пределов по температуре, по кислотности и щелочности среды, давлению и влажности. При любых условиях существует хотя бы одна (а чаще всего множество) группа бактерий, способная выживать. Сегодня известны сообщества микроорганизмов, которые заселяют совершенно анаэробные условия внутри вулканов, на дне термоисточников, в темных глубинах океанов, суровых условиях гор и скал и так далее.
Науке известны сотни видов микроорганизмов, которые со временем складываются в тысячи. Однако установлено, что это только малая толика того разнообразия, что есть в природе. Поэтому работы у микробиологов очень много.
Одним из самых знаменитых центров, в котором происходило подробное изучение микроорганизмов и всех процессов, с ними связанных, являлся Пастеровский институт во Франции. Названный в честь знаменитого основателя микробиологии как науки Луи Пастера, этот институт микробиологии выпустил из своих стен массу замечательных специалистов, которыми были совершены не менее замечательные и значительные открытия.
В России на сегодняшний день действует институт микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, который является самым крупным исследовательским центром в области микробиологии в нашей стране.
Исторический экскурс в микробиологическую науку
История развития микробиологии как науки складывается из трех основных условных этапов:
- морфологический или описательный;
- физиологический или накопительный;
- современный.
В целом, история микробиологии насчитывает в своем развитии около 400 лет. То есть начало возникновения приходится примерно на XVII век. Поэтому и считается, что она достаточно молодая наука в сравнении с другими разделами биологии.
Морфологический или описательный этап
Само название говорит о том, что на данном этапе проходило, строго говоря, просто накопление знаний о морфологии бактериальных клеток. Началось все с открытия прокариот. Данная заслуга принадлежит родоначальнику микробиологической науки итальянцу Антонио ван Левенгуку, который обладал острым умом, цепким взглядом и хорошим умением логически мыслить и обобщать. Будучи также неплохим техником, он сумел выточить линзы, дающие увеличение в 300 раз. Причем повторить его достижение смогли только в середине XX века русские ученые. И то не вытачиванием, а выплавкой линз из оптического стекловолокна.
Вот эти линзы и послужили материалом, через который Левенгук обнаружил микроорганизмы. Причем изначально он ставил перед собой задачу весьма прозаичного характера: ученого интересовало, почему хрен такой горький. Растерев части растения и рассмотрев их под микроскопом собственного производства, он и увидел целый живой мир крошечных созданий. Было это в 1695 году. С этих пор Антонио начинает активно изучать и описывать различные виды бактериальных клеток. Он различает их только по форме, однако и это уже немало.
Левенгуку принадлежит около 20 рукописных томов, которые описывают подробно шаровидные, палочковидные, спиральные и другие виды бактерий. Им написан первый труд по микробиологии, который называется "Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком". Первая попытка систематизировать и обобщить накопленные знания по морфологии бактерий принадлежит ученому О. Мюллеру, который предпринял ее в 1785 году. С этого момента история развития микробиологии начинает набирать свои обороты.
Физиологический или накопительный этап
На данном этапе развития науки были изучены механизмы, лежащие в основе жизнедеятельности бактерий. Рассмотрены процессы, в которых они принимают участие и которые без них невозможны в природе. Была доказана невозможность самозарождения жизни без участия живых организмов. Все эти открытия были совершены в результате экспериментов великого ученого-химика, но после этих открытий еще и микробиолога, Луи Пастера. Сложно переоценить его значение в развитии этой науки. История микробиологии вряд ли сумела бы развиться так быстро и полно, если бы не этот гениальный человек.
Открытия Пастера можно отобразить несколькими основными пунктами:
- доказал, что знакомый людям издревле процесс брожения сахаристых веществ обусловлен наличием определенного вида микроорганизмов. Причем для каждого вида брожения (молочно-кислое, спиртовое, масляное и так далее) характерно наличие специфической группы бактерий, которые его и осуществляют;
- ввел в пищевую отрасль процесс пастеризации для избавления продуктов от микрофлоры, вызывающей их гниение и порчу;
- ему принадлежит заслуга повышения иммунитета к болезням путем введения вакцины в организм. То есть Пастер - родоначальник прививок, именно он доказал, что болезни вызываются наличием болезнетворных бактерий;
- разрушил представления об аэробности всего живого и доказал, что для жизни многих бактерий (маслянокислых, например) кислород вообще не нужен, и даже вреден.
Главной неоспоримой заслугой Луи Пастера стало то, что все свои открытия он доказывал экспериментально. Так, что ни у кого не могло оставаться сомнений в справедливости полученных результатов. Но на этом история микробиологии, конечно, не заканчивается.
Еще одним ученым, работавшим в XIX веке и внесшим неоценимый вклад в изучение микроорганизмов, стал - немецкий ученый, которому принадлежит заслуга выведения чистых линий бактериальных клеток. То есть в природе все микроорганизмы тесно взаимосвязаны между собой. Одна группа в процессе жизнедеятельности создает для другой, другая делает тоже самое для третьей и так далее. То есть это те же цепи питания, что и у высших организмов, только внутри бактериальных сообществ. Вследствие этого очень сложно изучить какое-то отдельное сообщество, группу микроорганизмов, ведь их размеры чрезвычайно малы (1 -6 м или 1 мкм) и, находясь в постоянном тесном взаимодействии между собой, они не поддаются тщательному изучению поодиночке. Идеальной представлялась возможность вырастить множество идентичных клеток бактерий одного сообщества в искусственных условиях. То есть получить массу одинаковых клеток, которые будут видны невооруженным глазом и изучить процессы у которых станет значительно легче.
Таким образом было накоплено множество ценных сведений о жизнедеятельности бактерий, их пользе и вреде для человека. Развитие микробиологии пошло еще более интенсивным путем.
Современный этап
Современная микробиология - это целый комплекс подразделов и мини-наук, которые занимаются изучением не только самих бактерий, но и вирусов, грибков, архей и всех известных и вновь открываемых микроорганизмов. На вопрос, что такое микробиология, сегодня можно дать очень полный и развернутый ответ. Это комплекс наук, занимающихся изучением жизнедеятельности микроорганизмов, их применения в практической жизни человека в разных областях и сферах, а также влияния микроорганизмов друг на друга, на окружающую среду и живые организмы.
В связи с таким обширным понятием микробиологии следует привести современную градацию данной науки на разделы.
- Общая.
- Почвенная.
- Водная.
- Сельскохозяйственная.
- Медицинская.
- Ветеринарная.
- Космическая.
- Геологическая.
- Вирусология.
- Пищевая.
- Промышленная (техническая).
Каждый из приведенных разделов занимается подробным изучением микроорганизмов, их влияния на жизнь и здоровье людей и животных, а также возможности использования бактерий в практических целях для улучшения качества жизни человечества. Все это в комплексе и есть то, что изучает микробиология.
Наибольший вклад в развитие современных методов микробиологии, способов выведения и возделывания штаммов микроорганизмов внесли такие ученые, как Вольфрам Циллиг и Карл Штеттер, Карл Везе, Норман Пейс, Уотсон Крик, Полинг, Цукеркандль. Из отечественных ученых это такие имена, как И. И. Мечников, Л. С. Ценковский, Д. И. Ивановский, С. Н. Виноградский, В. Л. Омелянский, С. П. Костычев, Я. Я. Никитинский и Ф. М. Чистяков, А. И. Лебедев, В. Н. Шапошников. Благодаря работам перечисленных ученых, были созданы способы борьбы с серьезными болезнями животных и людей (сибирская язва, сахарный клещ, ящур, оспа и так далее). Были созданы способы повышения иммунитета к бактериологическим и вирусным заболеваниям, получены штаммы микроорганизмов, способных перерабатывать нефть, создавать в процессе жизнедеятельности массу различных органических веществ, очищать и улучшать экологическую обстановку, разлагать нераспадающиеся химические соединения и многое другое.
Вклад этих людей поистине неоценим, поэтому некоторые из них (Мечников И. И.) получили Нобелевскую премию за свои работы. На сегодняшний день существуют дочерние науки, образовавшиеся на основе микробиологии, которые являются самыми передовыми в биологии - это биотехнология, биоинженерия и генная инженерия. Работа каждой из них направлена на получение организмов или группы организмов с заранее заданными свойствами, удобными человеку. На выведение новых методов работы с микроорганизмами, на получение максимальной выгоды от использования бактерий.
Таким образом, этапы развития микробиологии хотя и немногочисленны, однако очень содержательны и полны событиями.
Методы изучения микроорганизмов
Современные методы микробиологии основаны на работе с чистыми культурами, а также использовании новейших достижений техники (оптической, электронной, лазерной и так далее). Вот основные из них.
- Использование микроскопических технических средств. Как правило, только световые микроскопы полного результата не дают, поэтому применяются также люминесцентные, лазерные и электронные.
- Посевы бактерий на специальных питательных средах для выведения и культивирования абсолютно чистых колоний культур.
- Физиолого-биохимические методы анализа культуры микроорганизмов.
- Молекулярно-биологические методы анализа.
- Генетические методы анализа. На сегодняшний день стало возможным проследить генеалогическое древо практически каждой открытой группы микроорганизмов. Это стало возможным благодаря работам Карла Везе, который сумел расшифровать участок генома колонии бактерий. С этим открытием стало возможным построение филогенетической системы прокариот.
Совокупность перечисленных методов позволяет получать полную и подробную информацию о любом из вновь открывающихся или уже открытых микроорганизмов и находить им правильное применение.
Этапы микробиологии, которые она прошла в своем становлении как наука, не всегда включали такой щедрый и точный набор методов. Однако примечательно, что самым действенным в любые времена является метод экспериментальный, именно он послужил основой для накопления знаний и умений в работе с микромиром.
Микробиология в медицине
Один из наиболее важных и значимых именно для человеческого здоровья разделов микробиологии является медицинская микробиология. Предметом ее изучения стали вирусы и патогенные бактерии, которые вызывают тяжелые заболевания. Поэтому перед медиками-микробиологами стоит задача: выявить патогенный организм, культивировать его чистую линию, изучить особенности жизнедеятельности и причины, по которым наносится вред организму человека, и найти средство для устранения данного действия.
После того как чистая культура патогенного организма будет получена, необходимо провести тщательный молекулярно-биологический анализ. На основе результатов провести испытание устойчивости организмов к антибиотикам, выявить пути распространения заболевания и выбрать наиболее эффективный метод лечения против данного микроорганизма.
Именно медицинская микробиология, в том числе ветеринарная, помогла решить ряд злободневных проблем человечества: созданы бешенства, рожи непарнокопытных, оспы овец, анаэробных инфекций, туляремии и паратифа, стало возможным избавление от чумы и парапневмонии и так далее.
Пищевая микробиология
Основы микробиологии, санитарии и гигиены тесно взаимосвязаны между собой и вообще едины. Ведь патогенные организмы способны распространяться гораздо быстрее и в большем объеме, когда условия санитарии и гигиены оставляют желать лучшего. И в первую очередь это находит отражение в пищевой промышленности, при массовых производствах продуктов питания.
Современные данные о морфологии и физиологии микроорганизмов, биохимических процессах, вызываемых ими, а также влияние экологических факторов на микрофлору, развивающуюся в продуктах питания при транспортировании, хранении, реализации и переработке сырья, позволяют избежать многих проблем. Роль микроорганизмов в процессе формирования и изменения качества пищевых продуктов и возникновения ряда заболеваний, вызываемых патогенными и условно-патогенными видами, весьма значительна, и поэтому задачей пищевой микробиологии, санитарии и гигиены является эту роль выявить и повернуть на благо человеку.
Также пищевая микробиология культивирует бактерии, способные преобразовывать из нефти белки, использует микроорганизмы для разложения пищевых продуктов, для обработки многих товаров питания. Процессы брожения на основе молочно-кислых и масляно-кислых бактерий дают человечеству множество необходимых продуктов.
Вирусология
Совершенно отдельная и очень большая группа микроорганизмов, которая на сегодняшний день является самой малоизученной - это вирусы. Микробиология и вирусология - две тесно взаимосвязанные категории микробиологической науки, которые изучают патогенные бактерии и вирусы, способные нанести тяжкий вред здоровью живых организмов.
Вирусология раздел очень обширный и сложный, поэтому заслуживает отдельного изучения.
