Микробиология — раздел биологии, занимающийся изучением микроорганизмов, в основном вирусов, бактерий, грибов, водорослей и простейших. Эта разнородная, искусственно объединенная группа микроскопически малых организмов составляет предмет одной науки в силу того, что для их изучения используются методы, первоначально разработанные для исследования бактерий. В основе микробиологических методов лежит получения чистых культур, выращенных из одной клетки. (Способы культивирования клеток многоклеточных организмов тоже заимствованные из бактериологии.) В курсы медицинской микробиологии включают также иммунологию и изучение более крупных паразитов, таких, как черви и насекомые.

Микробиология — область науки, которая занимается исследованием морфологии, физиологии, биохимии, молекулярной биологии, генетики, экологии микроорганизмов, их роли и значения в круговороте веществ, в патологии человека, животных и растений.

Направления исследований

Основные направления исследований:

  • Исследование общих закономерностей жизнедеятельности всех классов микроорганизмов, их систематики, генетики, молекулярной биологии и физиолого-биохимических свойств. Определение роли и значения микроорганизмов в круговороте веществ.
  • Изучение фундаментальных основ биологической активности микроорганизмов с целью ее регуляции.
  • Изучение экологии, систематики микроорганизмов и выявление видов и штаммов для разработки биотехнологических процессов.
  • Разработка теоретических основ получения новых антибиотиков и других биологически активных веществ для борьбы с бактериальными, грибковыми и вирусными заболеваниями человека, животных и растений.
  • Исследования физиологии и систематики грибов, токсино- и антибиотикоутворення в грунтовых, фитопатогенных и других грибов.
  • Изучение роли и значения микроорганизмов в формировании структуры почвы, ее плодородия, в питании растений.

Методы и достижения микробиологии обогатили многие разделы биологии и способствовали их развитию. Возможность быстро вырастить огромные популяции микробов и выявить среди них редкие варианты (например, мутантные и рекомбинантные формы) позволила подробнейшим образом исследовать природу наследственности микроорганизмов, до молекулярного уровня. Полученные данные о механизмах наследования были распространены на все формы живого и легли в основу генной инженерии.

История науки

За несколько тысяч лет до возникновения микробиологии как науки человек не зная о существовании микроорганизмов, широко применял природные процессы, связанные с брожением, для приготовления кумыса и других кисломолочных продуктов, получения алкоголя, уксуса, при мочке льна.

Донауковий этап развития

Люди издавна знали о многих процессах, вызываемых микроорганизмами, однако не знали истинных причин вызывающих эти явления. Отсутствие сведений о природе таких явлений не мешало делать наблюдения и даже использовать ряд этих процессов в быту. Ряд философов и естествоиспытателей делали умозрительные выводы о причинах тех или иных явлений. При этом наиболее близко к открытию микромира подошел Джироламо Фракасторо (1478-1553), который предположил что инфекции вызывают маленькие тельца, которые передаются при контакте и хранятся на вещах больного. Однако в то время невозможно было убедиться в правильности его идей и распространение получили совсем другие гипотезы.

Бактериальную природу инфекционных заболеваний многие ученые продолжали отвергать и после революционных открытий Пастера и Коха. Так, в 1892 году Макс Петтенкофер, уверен в том, что холеру вызывают миазмы, выделяемых окружающей средой, и пытаясь доказать свою правоту, проглотил при свидетелях-медиков культуру холерных вибрионов и не заболел.

Описательный этап

Левенгук. Возможность изучения микроорганизмов возникла лишь с развитием оптических приборов. Первый микроскоп был создан еще в 1610 году Галилеем. В 1665 Роберт Гук впервые увидел растительные клетки. Однако 30 кратного увеличения его микроскопа не хватило чтобы увидеть простейших и тем более бактерии. По мнению В. Л. Омельянского «первым исследователем, перед изумленным взором которого открылся … мир микроорганизмов, был ученый иезуит Афанасий Кирхер (1601-1680), автор ряда произведений астрологического характера», однако обычно первооткрывателем микромира называют Антони ван Левенгука.

В своем письме Лондонском Королевском обществу он сообщает как 24 апреля 1676 микроскопиював каплю воды и дает описание увиденных там существ, в том числе бактерий. Левенгук считал обнаруженных им микроскопических существ «очень маленькими животными» и приписывал им те же особенности строения и поведения, и обычным животным. Повсеместное распространение этих «животных» стало сенсацией не только в научном мире. Левенгук демонстрировал свои опыты всем желающим, в 1698 его даже посетил Петр I.

Между тем, наука в целом не была готова к пониманию роли микроорганизмов в природе. Система теорий возникла тогда только в физике. Во времена Левенгука отсутствовали представления о ключевых процессах живой природы, так, незадолго до него в 1648 году Ван Гельмонт, не имея никакого понятия о фотосинтезе, заключил из своего опыта с ивой, что растение берет питание только с дистиллированной воды, которой он его поливал . Более того, даже неживая материя не была достаточно изучена, состав атмосферы, необходимый для понимания того же фотосинтеза, будет определено только в 1766-1776 годах. Поэтому неудивительно, что «животным» Левенгука не нашлось место нигде, кроме как в коллекции курьезов.

В течение следующих 100-150 лет развитие микробиологии проходило лишь с описанием новых видов. Значительную роль в изучении многообразия микроорганизмов сыграл Отто Фридрих Мюллер [кто? ], Который до 1789 описал и назвал по линнеевского биномиальной номенклатуре 379 различных видов. В это время было сделано и несколько интересных открытий. Так, в 1823 была определена причина «кровоточения» просфор — бактерия, названная Serratia marcescens (другое название Monas prodigiosa). Также следует отметить Христиана Готфрида Эренберга [кто? ], Описал множество пигментированных бактерий, первые железобактерии, а также скелеты простейших и диатомовых водорослей в морских и лиманных отложениях, чем положил начало микропалеонтология. Именно он впервые объяснил окраску воды Красного моря развитием в ней цианобактерий Trichodesmium erythraeum. Он, однако, причислял бактерий к простейшим и рассматривал их вслед за Левенгуком как полноценных животных с желудком, кишечником и конечностями.

В России одним из первых микробиологов был Л. С. Ценковский (1822-1887), описавший большое количество простейших, водорослей и грибов и сделал вывод об отсутствии резкой границы между растениями и животными. Он также организовал одну из первых Пастеровское станций и предложил вакцину против сибирской язвы.

Высказывались в это время и смелые гипотезы, например врач-эпидемиолог Д. С. Самойлович (1744-1801) был убежден в том, что болезни вызывают именно микроорганизмы, однако тщетно пытался увидеть в микроскоп возбудитель чумы — возможности оптики тогда еще не позволяли это сделать. В 1827 году итальянец А. Басси обнаружил передачу болезни тутового червя при переносе микроскопического гриба. Ж. Л. Л. Бюффон и А. Л. Лавуазье связывали брожения с дрожжами, однако общепринятой оставалась чисто химическая теория этого процесса, сформулированная в 1697 Г. Е. Шталем. Для спиртового брожения, как для любой реакции, Лавуазье и Л. Ж. Гей-Люссак посчитали стехиометрические соотношения. В 1830-х Ш. Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн независимо друг от друга наблюдали большое количество микроорганизмов в осадке и пленке на поверхности жидкости, бродит, и связали брожения с их развитием. Эти представления натолкнулись, однако, на резкую критику со стороны таких крупных химиков как Фридрих Велер, Йенс Якоб Берцелиус и Юстус Либих. Последний даже написал анонимную статью «О разгаданную тайну спиртового брожения» (1839) — саркастическую пародию на микробиологические исследования тех лет.

Однако, вопрос о причинах брожения, тесно связан с вопросом о спонтанном самозарождения жизни, стал первым успешно решенным вопросом о роли микроорганизмов в природе.

Золотой век микробиологии

1880-е и 1890-е ознаменовались для микробиологии всплеском числа открытий. Во многом это было связано с подробной разработкой методологии. Прежде всего здесь следует отметить вклад Роберта Коха, который создал в конце 1870-х — начале 1880-х ряд новых методов и общих принципов ведения исследовательской работы. Пастер использовал для выращивания микроорганизмов жидкие среды, содержащие все элементы, находящиеся в живых организмах. Жидкие среды, однако, были недостаточно удобны. Да, сложно было выделить колонию, которая происходит от одной живой клетки («чистая культура»), в связи с чем можно было изучать только обогащенные самой природой культуры. Только в 1883 Э. Христианом Гансеном была получена первая чистая культура дрожжей, полученная методом висячей капли. Твердые среды впервые использовались для изучения грибов, где необходимость чистых культур также была обоснована. Для бактерий твердые среды применял Кон во Вроцлаве зимой 1868/69 лет, однако только в 1881 Роберт Кох положил начало широкому применению желатиновых и агаровых пластинок. В 1887 году введены в практику чашки Петри. Коху принадлежат также знаменитые постулаты:

  • возбудитель заболевания должен регулярно проявляться у пациента;
  • он должен быть выделен в чистую культуру;
  • выделенный организм должен вызывать у подопытных животных те же симптомы, что и у больного человека.

Эти принципы были приняты не только в медицине, но и в экологии для определения вызывают те или иные процессы организмов. Также Кох ввел в применение методы окраски бактерий (ранее использованные в ботанике) и микрофотографии. Публикации Коха содержали в себе методики, принятые микробиологами всего мира. Вслед за ним началось развитие и обогащение методологии, так в 1884 Ганс Христиан Грамм использовал метод дифференцирующего окрашивания бактерий (метод Грама), С. Н. Виноградский в 1891 применен первый элективных среду. За последующие годы было описано более видов чем за все предыдущее время, выделенные возбудители опасных заболеваний, выявлены новые процессы, производимые бактериями и неизвестные в других царствах природы.

Инфекционные болезни

В изучении жизнедеятельности микроорганизмов следует отметить вклад Луи Пастера (1822-1895). Он же вместе с Робертом Кохом (1843-1910) стоят у истоков учения о микроорганизмах как возбудителей заболеваний.

Экология микроорганизмов

Экологическую роль и многообразие микробиологических процессов показали Бейеринк (1851-1931) и С. Н. Виноградский (1856-1953).

Техническая, или промышленная, микробиология

Техническая микробиология изучает микроорганизмы, используемые в производственных процессах с целью получения различных практически важных веществ: пищевых продуктов, этанола, глицерина, ацетона, органических кислот и др.

Огромный вклад в развитие микробиологии внесли российские и советские ученые: И. И. Мечников (1845-1916), Д. И. Ивановский (1863-1920), Н. Ф. Гамалея (1859-1949), Л. С. Ценковский, С. Н. Виноградский, В. Л. Омелянский, Д. К. Заболотный (1866-1929), В. С. Буткевич, С. П. Костычева, Н. Г. Холодный, В. Н. Шапошников, Н. А . Красильников, А. А. Ишменецкий и др.

Большая роль в развитии технической микробиологии принадлежит С. П. Костычева, С. Л. Иванова и А. И. Лебедеву, которые изучили химизм процесса спиртового брожения, вызывается дрожжами. На основании исследований химизма образования органических кислот мицелиальными грибами, проведенным В. Н. Костычева и В. С. Буткевичем, в 1930 году в Ленинграде было организовано производство лимонной кислоты. На основе изучения закономерностей развития молочнокислых бактерий, осуществленного В. Н. Шапошниковым и А. Я. Мантейфель, в начале 1920-х годов в СССР было организовано производство молочной кислоты, необходимой в медицине для лечения ослабленных и рахитичных детей. В. Н. Шапошников и его ученики разработали технологию получения ацетона и бутилового спирта с помощью бактерий, и в 1934 году в Грозном был пущен первый в СССР завод по выпуску этих растворителей. Труда Я. Я. Никитинского Ф. М. Чистякова положили начало развитию микробиологии консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Благодаря работам А. С. Королева, А. Ф. Войткевич и их учеников значительное развитие получила микробиология молока и молочных продуктов.

Частью технической микробиологии является пищевая микробиология, изучающая способы получения пищевых продуктов с использованием микроорганизмов. Например, дрожжи применяют в виноделии, пивоварении, хлебопечении, спиртовом производстве; молочнокислые бактерии — в производстве кисломолочных продуктов, сыров, при квашении овощей; уксусно-кислые бактерии — в производстве уксуса; мицелиальные грибы используют для получения лимонной и других пищевых органических кислот и др. К настоящему времени выделились специальные разделы пищевой микробиологии: микробиология дрожжевого и хлебопекарного производства, пивоваренного производства, консервного производства, молока и молочных продуктов, уксуса, мясных и рыбных продуктов, маргарина и тому подобное.

Методы и цели микробиологии

К методам исследования любых микроорганизмов относят:

  • микроскопический метод: световая, фазово-контрастная, темнопольная, флуоресцентная, электронная;
  • культуральный метод (бактериологический, вирусологический)
  • биологический метод (заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях;
  • молекулярно-генетический метод [ПЦР — полимеразная цепная реакция, ДНК и РНК-зонды и др];
  • серологический метод — выявление антигенов микроорганизмов или антител к ним;

Цель медицинской микробиологии — глубокое изучение структуры и важнейших биологических свойств патогенных микробов, взаимоотношения их с организмом человека в определенных условиях природной и социальной среды, совершенствование методов микробиологической диагностики, разработка новых, более эффективных лечебных и профилактических препаратов, решение такой важной проблемы, как ликвидация и предупреждение инфекционных болезней.

Связь с другими науками

За время существования микробиологии сформировались общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная ветви.

Общая изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структуру, метаболизм, генетику, экологию и тому подобное. Техническая занимается разработкой биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, спиртов, ферментов, а также редких неорганических соединений. Сельскохозяйственная исследует роль микроорганизмов в круговороте веществ, использует их для синтеза удобрений, борьбы с вредителями. Ветеринарная изучает возбудителей заболеваний животных, методы диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение возбудителя инфекции в организме больного животного. Медицинская микробиология изучает болезнетворные (патогенные) и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разрабатывает методы микробиологической диагностики, специфической профилактики и лечения етиотопного вызываемых ими инфекционных заболеваний. Санитарная микробиология изучает санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды, пищевых продуктов и напитков, и разрабатывает санитарно-микробиологические нормативы и методы индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах и ​​продуктах.

Изображения по теме

  • Микробиология
  • Микробиология
  • Микробиология
  • Микробиология