Мікробіологія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Мікробіоло́гія — розділ біології, що займається вивченням мікроорганізмів, в основному вірусів, бактерій, грибків, одноклітинних водоростей і найпростіших. Ця різнорідна, штучно об'єднана група мікроскопічно малих організмів складає предмет однієї науки в силу того, що для їхнього вивчення використовуються методи, спочатку розроблені для дослідження бактерій. В основі мікробіологічних методів лежить одержання чистих культур, вирощених з однієї клітини. (Способи культивування клітин багатоклітинних організмів теж запозичені з бактеріології.) В курси медичної мікробіології включають також імунологію та вивчення більш великих паразитів, таких, як черви і комахи.

Мікробіологія — галузь науки, яка займається дослідженням морфології, фізіології, біохімії, молекулярної біології, генетики, екології мікроорганізмів, їх ролі і значення в кругообігу речовин, у патології людини, тварин і рослин.

Напрямки досліджень[ред.ред. код]

Основні напрямки досліджень:

Методи і досягнення мікробіології збагатили багато розділів біології і сприяли їхньому розвиткові. Можливість швидко виростити величезні популяції мікробів і виявити серед них рідкісні варіанти (наприклад, мутантні й рекомбінантні форми) дозволила найдокладнішим образом досліджувати природу спадковості мікроорганізмів, аж до молекулярного рівня. Отримані дані про механізми спадкування були поширені на усі форми живого і лягли в основу генної інженерії.

Історія науки[ред.ред. код]

За кілька тисяч років до виникнення мікробіології як науки людина не знаючи про існування мікроорганізмів, широко застосовував природні процеси, пов'язані з бродінням, для приготування кумису та інших кисломолочних продуктів, отримання алкоголю, оцту, при мочці льону.

Донауковий етап розвитку[ред.ред. код]

Люди здавна знали про багатьох процесах, що викликаються мікроорганізмами, проте не знали справжніх причин викликають ці явища. Відсутність відомостей про природу таких явищ не заважало робити спостереження і навіть використовувати ряд цих процесів в побуті. Ряд філософів і натуралістів робили умоглядні висновки про причини тих чи інших явищ. При цьому найбільш близько до відкриття мікросвіту підійшов Джироламо Фракасторо (1478–1553), який припустив що інфекції викликають маленькі тільця, що передаються при контакті і зберігаються на речах хворого. Однак у той час неможливо було впевнитися в правильності його ідей та розповсюдження отримали зовсім інші гіпотези.

Бактеріальну природу інфекційних захворювань багато вчених продовжували відкидати і після революційних відкриттів Пастера і Коха. Так, в 1892 році Макс Петтенкофер, впевнений в тому що холеру викликають міазми, що виділяються навколишнім середовищем, і намагаючись довести свою правоту, проковтнув при свідках-медиків культуру холерних вібріонів і не захворів.

Описовий етап[ред.ред. код]

Антоні ван Левенгук. Можливість вивчення мікроорганізмів виникла лише з розвитком оптичних приладів. Перший мікроскоп був створений ще в 1610 році Галілеєм. В 1665 Роберт Гук вперше побачив рослинні клітини. Однак 30 кратного збільшення його мікроскопа не вистачило щоб побачити найпростіших і тим більше бактерії. На думку В. Л. Омельянского «першим дослідником, перед здивованим поглядом якого відкрився … світ мікроорганізмів, був учений єзуїт Афанасій Кірхер (1601–1680), автор ряду творів астрологічного характеру», проте зазвичай першовідкривачем мікросвіту називають Антоні ван Левенгука.

У своєму листі Лондонському Королівському товариству він повідомляє як 24 квітня 1676 мікроскопіровать краплю води і дає опис побачених там істот, у тому числі бактерій. Левенгук вважав виявлених ним мікроскопічних істот «дуже маленькими тваринами» і приписував їм ті ж особливості будови і поведінки, що і звичайним тваринам. Повсюдне поширення цих «тварин» стало сенсацією не тільки в науковому світі. Левенгук демонстрував свої досліди всім бажаючим, у 1698 його навіть відвідав Петро I.

Між тим, наука в цілому ще не була готова до розуміння ролі мікроорганізмів у природі. Система теорій виникла тоді лише в фізиці. За часів Левенгука були відсутні уявлення про ключових процесах живої природи, так, незадовго до нього в 1648 році Ван Гельмонт, не маючи ніякого поняття про фотосинтезі, уклав зі свого досвіду з вербою, що рослина бере харчування тільки з дистильованої води, якою він його поливав. Більше того, навіть нежива матерія ще не була достатньо вивчена, склад атмосфери, необхідний для розуміння того ж фотосинтезу, буде визначено лише в 1766–1776 роках. Тому не дивно що «твариною» Левенгука не знайшлося місце ніде, крім як у колекції курйозів.

Протягом наступних 100–150 років розвиток мікробіології проходило лише з описом нових видів. Значну роль у вивченні різноманіття мікроорганізмів зіграв Отто Фрідріх Мюллер [ хто? ], Який до 1789 описав і назвав по ліннеевского біноміальної номенклатурі 379 різних видів. У цей час було зроблено і кілька цікавих відкриттів. Так, в 1823 була визначена причина «кровоточенія» просфор — бактерія, названа Serratia marcescens (інша назва Monas prodigiosa). Також слід зазначити Християна Готфріда Еренберга [ хто? ], Описав безліч пігментованих бактерій, перші залізобактерій, а також скелети найпростіших і діатомових водоростей в морських і лиманних відкладах, чим поклав початок мікропалеонтологія. Саме він вперше пояснив забарвлення води Червоного моря розвитком в ній ціанобактерій Trichodesmium erythraeum. Він, однак, зараховував бактерій до найпростіших і розглядав їх слідом за Левенгуком як повноцінних тварин зі шлунком, кишечником і кінцівками.

У Росії одним з перших мікробіологів був Л. С. Ценковський (1822–1887), який окреслив велику кількість найпростіших, водоростей і грибів і зробив висновок про відсутність різкої межі між рослинами і тваринами. Він також організував одну з перших Пастерівських станцій і запропонував вакцину проти сибірської виразки.

Висловлювалися в цей час і сміливі гіпотези, наприклад лікар-епідеміолог Д. С. Самойлович (1744–1801) був переконаний в тому що хвороби викликають саме мікроорганізми, проте марно намагався побачити в мікроскоп збудник чуми — можливості оптики тоді ще не дозволяли це зробити. В 1827 італієць А. Бассі виявив передачу хвороби шовковичного хробака при перенесенні мікроскопічного гриба. Ж. Л. Л. Бюффон і А. Л. Лавуазьє пов'язували бродіння з дріжджами, однак загальноприйнятою залишалася чисто хімічна теорія цього процесу, сформульована в 1697 Г. Е. Шталем. Для спиртового бродіння, як для будь-якої реакції, Лавуазье і Л. Ж. Гей-Люссак порахували стехіометричні співвідношення. У 1830-х Ш. Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг і Т. Шванн незалежно один від одного спостерігали велику кількість мікроорганізмів в осаді й плівці на поверхні рідини, що бродить, і пов'язали бродіння з їхнім розвитком. Ці уявлення наштовхнулися, однак, на різку критику з боку таких значних хіміків як Фрідріх Велер, Йенс Якоб Берцеліус і Юстус Лібіх. Останній навіть написав анонімну статтю «Про розгадану таємницю спиртового бродіння» (1839) - саркастичну пародію на мікробіологічні дослідження тих років.

Проте, питання про причини шумування, тісно пов'язаний з питанням про спонтанне самозародження життя, став першим успішно вирішеним питанням про роль мікроорганізмів у природі.

Суперечки щодо самозародження і бродіння[ред.ред. код]

Средние века были временем господства идей Аристотеля, что означало также и признание его теорий зарождения двоякодышащих рыб из ила, насекомых из экскрементов или капель росы на листьях. Первые эксперименты, опровергающие представления Аристотеля поставил тосканский придворный медик Франческо Реди (1626–1697). Общий его принцип — наблюдение за питательным веществом в открытом, куда возможно попадание живых организмов, и в каким-либо образом закрытом от них, но не от воздуха, сосуде — использовался во всех подобных опытах. Тогда было опровергнуто самозарождение насекомых, но уже в XVIII веке католический священник Джон Турбервилл Нидхем выдвинул гипотезу «жизненной силы», существующей в живых телах и вызывающей при их распаде возникновение микроорганизмов. Против него выступил Ладзаро Спалланцани, показав что нагревание препятствует появлению живых существ в настое растительных и животных волокон, закрытом в сосуде. Тогда Нидхем возразил что воздух, в котором имеют потребность живые существа, теряет свою «жизненную силу» при нагревании.

Луї Пастер Франц Шульц после стерилизации сосуда с настоем пускал туда воздух, пропущенный через карболовую кислоту, и не наблюдал развития там микроорганизмов. Чтобы избежать возражений, что кислота тоже лишает воздух жизненной силы, Шрёдер и фон Душ в 1854 году пропускали воздух через хлопковый фильтр, а в 1860 Гофман и независимо от него в 1861 Шевре и Пастер показали, что нет необходимости и в фильтре — достаточно изогнуть соединяющие сосуд с атмосферой трубки, чтобы в нём после стерилизации не «зарождалась» жизнь. Так принцип omne vivum ex vivo (всё живое из живого) окончательно победил в биологии. Используя представления о невозможности самозарождения жизни, Луи Пастер в 1860-х показал что стерилизация делает брожение невозможным, таким образом было доказано участие в нём микроорганизмов. Кроме того, это стало открытием новой формы жизни — анаэробной, не требующей кислорода, а иногда даже гибнущей под его воздействием.

Поступово складалося і усвідомлення особливого становища мікросвіту в живій природі. На початку XIX століття мікроорганізми зараховувалися до черв'якам. В 1866 Ернст Геккель уперше виділив їх в окреме царство Protista. Потім Ф. Кон в 1875, вивчаючи синьо-зелених водоростей, відділив їх від рослин і об'єднав їх з бактеріями як найпростіших з існуючих організмів. До кінця XIX століття стало ясно, що Найпростіші, що об'єднуються за своїми мікроскопічним розмірам, істотно різняться між собою. Вони були розділені на «вищі» (найпростіші, мікроскопічні гриби і водорості, дріжджі) і «нижчі» (бактерії і синьо-зелених водоростей). Лише в 1930-х після нових відкриттів в будові клітини Е. Шаттон запропонував терміни еукаріоти і прокаріоти. Відсікаються і приписувані мікроорганізмам «унікальні» властивості, одним з яких була здатність самозароджуватися. Іншим був їх плеоморфізм, тобто непоширення на бактерій закону Ліннея про сталість видів. Її поява була викликана бідністю зовнішніх форм бактерій при багатстві фізіологічних і біохімічних властивостей, від чого і здавалося що одна та сама бактерія проявляє себе по-різному. Особливу роль у спростуванні цієї теорії також зіграв Кон.

Золотий вік мікробіології[ред.ред. код]

1880-і і 1890-ті ознаменувалися для мікробіології сплеском числа відкриттів. Багато в чому це було пов'язано з докладною розробкою методології. Перш за все тут слід відзначити внесок Роберта Коха, котрий створив у кінці 1870-х — початку 1880-х ряд нових методів і загальних принципів ведення дослідницької роботи. Пастер використовував для вирощування мікроорганізмів рідкі середовища, що містять всі елементи, що знаходяться в живих організмах. Рідкі середовища, однак, були недостатньо зручні. Так, складно було виділити колонію, яка походить від однієї живої клітини («чиста культура»), у зв'язку з чим можна було вивчати тільки збагачені самою природою культури. Лише в 1883 Е. Християном Гансеном була отримана перша чиста культура дріжджів, отримана методом висячої краплі. Тверді середовища вперше використовувалися для вивчення грибів, де необхідність чистих культур також була обгрунтована. Для бактерій тверді середовища застосовував Кон у Вроцлаві взимку 1868 / 69 років, проте тільки в 1881 Роберт Кох поклав початок широкому застосуванню желатинових і агарових пластинок. В 1887 введені в практику чашки Петрі. Коху належать також знамениті постулати:

  • збудник захворювання повинен регулярно виявлятися у пацієнта;
  • він повинен бути виділений в чисту культуру;
  • виділений організм повинен викликати у піддослідних тварин ті ж симптоми, що і у хворої людини.

Ці принципи були прийняті не тільки в медицині, а й в екології для визначення викликають ті чи інші процеси організмів. Також Кох ввів в застосування методи забарвлення бактерій (раніше використані в ботаніці) і мікрофотографії. Публікації Коха містили в собі методики, прийняті мікробіологами усього світу. Слідом за ним почався розвиток і збагачення методології, так в 1884 Ганс Християн Грам використовував метод диференціюючого фарбування бактерій (Метод Грама), С. Н. Виноградський в 1891 застосований перший елективних середу. За наступні роки було описано більше видів ніж за весь попередній час, виділені збудники найнебезпечніших захворювань, виявлені нові процеси, вироблені бактеріями і невідомі в інших царствах природи.

Інфекційні захворювання[ред.ред. код]

У вивченні життєдіяльності мікроорганізмів слід відзначити внесок Луї Пастера (1822–1895). Він же разом з Робертом Кохом (1843–1910) стоять у витоках вчення про мікроорганізми як збудників захворювань.

Екологія мікроорганізмів[ред.ред. код]

Екологічну роль і різноманіття мікробіологічних процесів показали Бейерінк (1851–1931) і С. Н. Виноградський (1856–1953).

Відкриття вірусів[ред.ред. код]

Вивчення обміну речовин мікроорганізмів[ред.ред. код]

Технічна, або промислова, мікробіологія[ред.ред. код]

Технічна мікробіологія вивчає мікроорганізми, використовувані у виробничих процесах з метою отримання різних практично важливих речовин: харчових продуктів, етанолу, гліцерину, ацетону, органічних кислот тощо.

Величезний внесок у розвиток мікробіології внесли російські й радянські вчені: І. І. Мечников (1845–1916), Д. І. Івановський (1863–1920), М. Ф. Гамалія (1859–1949), Л. С. Ценковський, С. Н. Виноградський, В. Л. Омелянський, Д. К. Заболотний (1866–1929), В. С. Буткевич, С. П. Костичев, М. Г. Холодний, В. Н. Шапошников, Н. А. Красильников, А. А. Ішменецкій та ін.

Велика роль у розвитку технічної мікробіології належить С. П. Костичева, С. Л. Іванова і А. І. Лебедєву, які вивчили хімізм процесу спиртового бродіння, викликається дріжджами. На підставі досліджень хімізму освіти органічних кислот міцеліальними грибами, проведеним В. Н. Костичева і В. С. Буткевичем, в 1930 році в Ленінграді було організовано виробництво лимонної кислоти. На основі вивчення закономірностей розвитку молочнокислих бактерій, здійсненого В. Н. Шапошниковим і А. Я. Мантейфель, на початку 1920-х років у СРСР було організовано виробництво молочної кислоти, необхідної в медицині для лікування ослаблених і рахітичних дітей. В. Н. Шапошников та його учні розробили технологію отримання ацетону і бутилового спирту за допомогою бактерій, і в 1934 році в Грозному був пущений перший в СРСР завод з випуску цих розчинників. Праці Я. Я. Нікітінського Ф. М. Чистякова поклали початок розвитку мікробіології консервного виробництва та холодильного зберігання швидкопсувних харчових продуктів. Завдяки роботам А. С. Корольова, А. Ф. Войткевич і їх учнів значний розвиток отримала мікробіологія молока та молочних продуктів.

Частиною технічної мікробіології є харчова мікробіологія, що вивчає способи отримання харчових продуктів з використанням мікроорганізмів. Наприклад, дріжджі застосовують у виноробстві, пивоварінні, хлібопеченні, спиртовому виробництві; молочнокислі бактерії — у виробництві кисломолочних продуктів, сирів, при квашенні овочів; оцтово-кислі бактерії — у виробництві оцту; міцеліальні гриби використовують для одержання лимонної та інших харчових органічних кислот тощо. До теперішнього часу виділилися спеціальні розділи харчової мікробіології: мікробіологія дріжджового і хлібопекарського виробництва, пивоварного виробництва, консервного виробництва, молока та молочних продуктів, оцту, м'ясних і рибних продуктів, маргарину тощо.

Методи і цілі мікробіології[ред.ред. код]

До методів дослідження будь-яких мікроорганізмів відносять:

  • мікроскопічний метод: світлова, фазово-контрастна, темнопольна, флуоресцентна, електронна;
  • культуральний метод (бактеріологічний, вірусологічний);
  • біологічний метод (зараження лабораторних тварин з відтворенням інфекційного процесу на чутливих моделях;
  • молекулярно-генетичний метод [ПЛР — полімеразна ланцюгова реакція, ДНК-і РНК-зонди та ін];
  • серологічний метод — виявлення антигенів мікроорганізмів або антитіл до них;

Мета медичної мікробіології — глибоке вивчення структури і найважливіших біологічних властивостей патогенних мікробів, взаємини їх з організмом людини в певних умовах природного і соціального середовища, удосконалення методів мікробіологічної діагностики, розробка нових, більш ефективних лікувальних і профілактичних препаратів, вирішення такої важливої ​​проблеми, як ліквідація і попередження інфекційних хвороб.

Зв'язок з іншими науками[ред.ред. код]

За час існування мікробіології сформувалися загальна, технічна, сільськогосподарська, ветеринарна, медична, санітарна гілки.

Загальна вивчає найбільш загальні закономірності, властиві кожній групі перелічених мікроорганізмів: структуру, метаболізм, генетику, екологію тощо. Технічна займається розробкою біотехнології синтезу мікроорганізмами біологічно активних речовин: білків, нуклеїнових кислот, антибіотиків, спиртів, ферментів, а також рідкісних неорганічних сполук. Сільськогосподарська досліджує роль мікроорганізмів у кругообігу речовин, використовує їх для синтезу добрив, боротьби зі шкідниками. Ветеринарна вивчає збудників захворювань тварин, методи діагностики, специфічної профілактики та етіотропного лікування, спрямованого на знищення збудника інфекції в організмі хворої тварини. Медична мікробіологія вивчає хвороботворні (патогенні) і умовно-патогенні для людини мікроорганізми, а також розробляє методи мікробіологічної діагностики, специфічної профілактики та лікування етіотопного викликаються ними інфекційних захворювань. Санітарна мікробіологія вивчає санітарно-мікробіологічне стан об'єктів навколишнього середовища, харчових продуктів і напоїв, і розробляє санітарно-мікробіологічні нормативи і методи індикації патогенних мікроорганізмів у різних об'єктах і продуктах [1].

Література[ред.ред. код]

  • Вербина Н. М., Каптерева Ю. В. Мікробіологія харчових виробництв. — М.: изд. ВО «Агропромиздат», 1988. — ISBN 5-10-000191-7
  • Воробйов А. В., Биков А. С., Пашков Є. П., Рибакова А. М. Мікробіологія: Підручник. — 2-е вид. перераб. і доп. — М.: Медицина, 2003. — 336 с. — (Учеб. літ. Для студ. Фарм. Вузів). — ISBN 5-225-04411-5
  • Гусєв М. В., Мінєєва Л. А. Мікробіологія. — 9-е изд., Стер. — М.: Видавничий центр «Академія», 2010. — 464 с. — (Серія: Класична навчальна книга). — ISBN 978-5-7695-7372-9
  • Гусєв М. В., Мінєєва Л. А. Мікробіологія: Підручник для студ. біол. спеціальностей вузів. — 4-е изд., Стер. — М.: Видавничий центр «Академія», 2003. — 464 с. — ISBN 5-7695-1403-5
  • Заварзін Г. А., Колотілова Н. Н. Введення в природознавчу мікробіологію. — М.: Книжковий будинок «Університет», 2001. — 256 с. — ISBN 5-8013-0124-0
  • Кондратьєва О. М. Автотрофні прокаріоти: Учеб. посібник для студентів вузів, що навчаються за напрямом «Біологія», спеціальностями «Мікробіологія», «Біотехнологія». — М.: Изд-во МГУ, 1996. — 302 с. — ISBN 5-211-03644-1
  • Лисак В. В. Мікробіологія: навч. посібник. — Мінськ: БДУ, 2007. — 426 с. — ISBN 985-485-709-3
  • Шлегель Г. Г. Історія мікробіології: Переклад з німецької. — М: вид-во УРСС, 2002. — 304 с. — ISBN 5-354-00010-6
  • Галинкін ​​В. А. Основи фармацевтичної мікробіології — С.-П.: СЗД-во Проспект науки, 2008.