Родоначальником русской микробиологии является Л. Ценковский (1822-1887). Объектом его исследований были микроскопические простейшие, водоросли, грибы. Он открыл и описал большое число простейших, изучал их морфологию и циклы развития. Это позволило ему сделать вывод об отсутствии резкой границы между миром растений и животных. Им также была организована одна из первых Пастеровских станций в России и предложена вакцина против сибирской язвы («живая вакцина Ценковского»).
С именем И. Мечникова (1845-1916) связано развитие нового направления в микробиологии - иммунологии. Впервые в науке Мечниковым была разработана и экспериментально подтверждена биологическая теория иммунитета, вошедшая в историю как фагоцитарная теория Мечникова. В основу этой теории положено представление о клеточных защитных приспособлениях организма. Мечников в опытах на животных (дафниях, личинках морской звезды) доказал, что лейкоциты и другие клетки мезодермального происхождения обладают способностью захватывать и переваривать чужеродные частицы (в т.ч. и микробов), попадающие в организм. Это явление, названное фагоцитозом, легло в основу фагоцитарной теории иммунитета и получило всеобщее признание. Развивая далее поднятые вопросы, Мечников сформулировал общую теорию воспаления как защитную реакцию организма и создал новое направление в иммунологии - учение об антигенной специфичности. В настоящее время оно приобретает все большее значение в связи с разработкой проблемы пересадки органов и тканей, изучения иммунологии рака.
К числу важнейших работ Мечникова в области медицинской микробиологии относятся исследования патогенеза холеры и биологии холероподобных вибрионов, сифилиса, туберкулеза, возвратного тифа. Мечников является основоположником учения о микробном антагонизме, послужившем основой для развития науки об антибиотикотерапии. Идея о микробном антагонизме была использована Мечниковым при разработке проблемы долголетия. Изучая явление старения организма, Мечников пришел к заключению. Что важнейшей причиной его является хроническое отравление организма продуктами гниения, вырабатываемыми в толстом кишечнике гнилостными бактериями.
Практический интерес представляют ранние работы Мечникова по использованию гриба Isaria destructor для борьбы с вредителем полей - хлебным жуком. Они дают основание считать Мечникова основоположником биологического метода борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений, метода, который в наши дни находит все более широкое применение и популярность. Таким образом, И.И. Мечников - выдающийся русский биолог, сочетавший качества экспериментатора, педагога и пропагандиста научных знаний, - был человеком великого духа и труда, высшей наградой которого явилось присвоение ему в 1909 г. Нобелевской премии за исследования по фагоцитозу. Развитие микробиологии в нашей стране тесно связано также с именем крупнейшего ученого, друга и соратника И. Мечникова, Н.Ф. Гамалеи (1859-1949). Всю свою жизнь Гамалея посвятил изучению инфекционных болезней и разработке мер борьбы с их возбудителями. Гамалея внес крупнейший вклад в изучение туберкулеза, холеры, бешенства, в 1886 г. вместе с И. Мечниковым организовал в Одессе первую пастеровскую станцию и ввел в практику прививки против бешенства. Он открыл птичий вибрион - возбудителя холероподобного заболевания птиц - и в честь Ильи Ильича назвал его вибрионом Мечникова. Затем была получена вакцина против холеры человека.
Большое внимание Гамалея уделял и вопросам эпидемиологии инфекционных болезней. Он был крупнейшим специалистом в области иммунологии. Разработав оригинальный метод получения оспенной вакцины, он впервые высказал идею о выделении из бактерий наиболее полноценных антигенов и об использовании их для приготовления так называемых химических вакцин. Гамалея первый наблюдал и описал явление спонтанного лизиса бактерий под влиянием неизвестного в то время агента - бактериофага. Поэтому Гамалея считается не только одним из основоположников медицинской микробиологии, но и иммунологии и вирусологии.
С.Н.Виноградского, В.Л. Омелянского, Б.Л. Исаченко, Д.И. Ивановского, Г.А. Надсона, явившихся основоположниками тех или иных направлений в общей микробиологии. Создание, например, учения об экологии почвенных микроорганизмов неразрывно связано с именем русского исследователя С. Виноградского (1856-1953). Виноградский внес большой вклад и в познание физиологического многообразия микробного мира. Им выполнены классические работы по физиологии серобактерий, железобактерий, результатом которых явилось открытие хемосинтеза у бактерий - величайшее открытие 19 в.
С. Виноградский доказал, что существуют бактерии, самостоятельно синтезирующие органическое вещество, используя при этом энергию окисления минеральных соединений (сероводород, аммиак) и углерод углекислоты, тт. е. был открыт новый тип питания микроорганизмов - автотрофизм.
Неизменным требованием Виноградского было исследование микроорганизмов в естественной среде обитания или условиях, максимально приближающихся к естественным. Следуя этому принципу, он разработал простые и оригинальные методы исследования почвенных микроорганизмов. Всеобщее признание и широкое применение получил метод элективных (избирательных) сред, позволивший выделить из естественной среды ряд новых микроорганизмов и определить их роль в круговороте веществ.
С. Виноградским опубликовано свыше 300 научных работ, посвященных экологии и физиологии почвенных микроорганизмов. Его по праву считают отцом почвенной микробиологии. К числу выдающихся основоположников отечественной микробиологии следует отнести также ученика С. Виноградского В.Л. Омалянского (1867-1928). Он был не только замечательным ученым, но и талантливым педагогом, популяризатором достижений микробиологии. В. Омелянский, подобно Пастеру, обладал глубокими знаниями в области химии, которые легли в основу его и экологического изучения микроорганизмов. Круг научных интересов В. Омелянского очень широк, однако главное направление его исследований связано с изучением круговорота веществ в природе, в котором существенную роль он отводил микроорганизмам. Изучая процессы разложения органического вещества, он впервые выделил целлюлозоразрушающие бактерии, описал их физиологию и химизм самого процесса.
Глубоко и всесторонне Омелянским были изучены микроорганизмы, участвующие в круговороте азота, особенно свободноживущие азотофиксаторы и нитрификаторы. К новой области исследований относится одна из последних работ Омелянского «Роль микроорганизмов в выветривании горных пород». Эта работа легла в основу геологической микробиологии.
Большой заслугой Омелянского является создание первого русского учебника «Основы микробиологии», вышедшего из печати в 1909 г. и выдержавшего 9 изданий. В нем Омелянский обобщил результаты микробиологических исследований и дал общие схемы круговорота в природе отдельных элементов, в том числе азота, углерода, серы и железа. В течение десятилетий этот учебник был настольной книгой специалистов.
Экологическое направление в микробиологии успешно разрабатывалось Б.Л. Исаченко (1871-1948). Всеобщую известность приобрели работы в области водной микробиологии. Он впервые исследовал распространение микроорганизмов в Северном Ледовитом океане и указал на их важную роль в геологических процессах и в круговороте веществ в водоемах.
Большой вклад в развитие отечественной и мировой микробиологии внес Д.И. Ивановский (1864-1920), открывший в 1892 г. вирусы растений и тем самым заложивши основу новой науки - вирусологии. Подчеркивая важность исследования Ивановского, английский вирусолог Н. Пири писал: «Огромное значение открытия Ивановского для теоретического естествознания заключается в том, что им была открыта новая форма существования белковых тел». Идеи Ивановского сыграли решающую роль в последующих блестящих успехах вирусологии, в результате которых были открыты возбудители большинства вирусных болезней человека, животных, растений и микроорганизмов. По заключению американского вирусолога Стенли, имя Ивановского в вирусологии следует рассматривать в том же свете, как имена Пастера и Коха в микробиологии.
10. Сферические формы (кокки) - шаровидные бактерии размером 0,5 - 1,0 мкм; по взаимнму расположению клеток различают микрококии, диплококки, стрептококки, тетракокки, сарцины и стафилококки.
Микрококки (лат. малый) - отдельно расположенные клетки или в виде "пакетов".
Диплококки (лат. двойной) - располагаются парами, так как клетки после деленияне расходятся.
Стрептококки (от греч. streptos - цепочка) - клетки округлой или продолговатой формы, составляющие цепочку вследствие деления клеток в одной плоскости и сохранения связи между ними в месте деления.
Сарцины (от лат. sarcina - связка, тюк) - располагаются в виде пакетов из 8-и и более кокков, так как они образуются при делении клетки в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.
Стафилококки (от. греч. staphyle - виноградная гроздь) - кокки расположенные в виде грозди винограда в результате деления в различных плоскостях.
Палочковидные бактерии различаются пао размерам, форме концов клетки и взаимному расположению клеток. Длина клеток варьирует от 1,0 до 8,0 , толщина от 0,5 до 2,0 мкм. Палочки могут быть правильной (кишечная палочка) и неправильной (коринебактерии) формы, в том числе ветвящиеся, например актиномицеты. Слегка изогнутые палочки называют вибрионами (холерный вибрион). Большинство палочковидных бактерий располагаются беспорядочно, так как после деления клетки расходятся.
Элементарные тельца попадают к эпителиальную клетку путем эндоцитоза с формированием внутриклеточной вакуоли. Внутри клетки они увеличиваются и превращаются в делящиесяретикулярные тельца, образуя скопления в вакуолях (включения). Из ретикулярных телец образуются элементарные тельца, которые выходят из клеток путем экзоцитоза или лизиса клетки.
Микоплазмы - мелкие бактерии (0,15 - 1,0 мкм), окруженные цитоплазматической мембраной и не имеющие клеточной стенки. Из-за отсутствия клеточной стенки микоплазмы осмотически чувствительны. Имеют разнообразную форму: кокковидную, нитевидную, колбовидную. Эти формы видны при фазово-контрастной микроскопии чистых культур микоплазм. Патогенные микоплазмы вызывают хронические инфекции - микоплазмозы.
Актиномицеты - ветвящиеся, нитевидные или палочковидные грамположительные бактерии. Свое название (от греч. actis - луч, mykes - гриб) они получили всвязи с образованием в пораженных тканях друз - гранул из плотно переплетенных нитей в виде лучей, отходящих от центра и заканчивающихся колбовидными утолщениями. Актиномицеты могут делиться путем фрагментации мицелия на клетки, похожие на палочковидные и кокковидные бактерии. На воздушных гифах актиномицетов могут образовываться споры, служащие для размножения. Споры актиномицетов обычно нетермостойки.
Общую филогенетическую ветвь с актиномицетами образуют так называемые нокарднеподобные (нокардиоформные) актиномицеты - собирательная группа палочковидных, неправильной формы бактерий. Их отдельные представители образуют ветвящиеся формы. К ним относят бактерии родов Corynebacterium, bdycobacterium, Hocardia и др.
Нокардиоподобные актиномицеты отличаются наличием в клеточной стенке Сахаров арабинозы, галактозы, а также миколовых кислот и больших количеств жирных кислот. Миколовые кислоты и липиды клеточных стенок обусловливают кислотоустойчивость бактерий, в частности, микобактерий туберкулеза и лепры (при окраске по Цилю-Нельсену они имеют красный цвет, а некислотоустойчивые бактерии и элементы ткани, мокроты - синий цвет).
Извитые формы - спиралевидные бактерии, например спириллы, имеющие вид штопорообразно извитых клеток. К патогенным спириллам относится возбудитель содоку (болезнь укуса крыс). К извитым также относятся кампилобактеры, хеликобактеры, имеющие изгибы как у крыла летящей чайки; близки к ним и такие бактерии, как спирохеты.
Спирохеты - тонкие, длинные, извитые (спиралевидной формы) бактерии, отличающиеся от спирилл подвижностью, обусловленной сгибательными изменениями клеток. Спирохеты имеют наружную мембрану клеточной стенки, окружающую протоплазматический цилиндр с цитоплазматической мембраной. Под наружной мембраной клеточной стенки (в периплазме) расположены периплазматические фибриллы (жгутики), которые как бы закручиваясь вокруг протоплазматического цилиндра спирохеты, придают ей винтообразную форму (первичные завитки спирохет). Фибриллы прикреплены к концам клетки и направлены навстречу друг другу. Другой конец фибрилл свободен. Число и расположение фибрилл варьируют у разных видов. Фибриллы участвуют в передвижении спирохет, придавая клеткам вращательное, сгибательное и поступательное движение. При этом спирохеты образуют петли, завитки, изгибы, которые названы вторичными завитками.
Спирохеты плохо воспринимают красители. Их окрашивают по методу Романовского-Гимзы или серебрением, а в живом виде исследуют с помощью разово-контрастнои или темнопольнои микроскопии.
Лептоспиры (род Leptospira) имеют завитки неглубокие и частые - в виде закрученной веревки. Концы этих спирохет изогнуты наподобие крючков с утолщениями на концах. Образуя вторичные завитки, они приобретают вид букв S или С; имеют 2 осевые нити. Патогенный представитель L. interrogates вызывает лептоспироз.
Размеры бактерий в среднем составляют 0,5-5 мкм. Escherichia coli, например, имеет размеры 0,3-1 на 1-6 мкм, Staphylococcus aureus - диаметр 0,5-1 мкм, Bacillus subtilis 0,75 на 2-3 мкм. Крупнейшей из известных бактерий является Thiomargarita namibiensis, достигающая размера в 750 мкм (0,75 мм). Второй является Epulopiscium fishelsoni имеющая диаметр 80 мкм и длину до 700 мкм и обитающая в пищеварительном тракте хирурговой рыбы Acanthurus nigrofuscus. Achromatium oxaliferum достигает размеров 33 на 100 мкм, Beggiatoa alba - 10 на 50 мкм. Спирохеты могут вырастать в длину до 250 мкм при толщине 0,7 мкм. В то же время к бактериям относятся самые мелкие из имеющих клеточное строение организмов. Mycoplasma mycoides имеет размеры 0,1-0,25 мкм, что соответствует размеру крупных вирусов, например, табачной мозаики, коровьей оспы или гриппа. По теоретическим подсчётам сферическая клетка диаметром менее 0,15-0,20 мкм становится неспособной к самостоятельному воспроизведению, поскольку в ней физически не помещаются все необходимые биополимеры и структуры в достаточном количестве.
Однако были описаны нанобактерии, имеющие размеры меньше «допустимых» и сильно отличающиеся от обычных бактерий. Они, в отличие от вирусов, способны к самостоятельному росту и размножению (чрезвычайно медленным). Они пока мало изучены, живая их природа ставится под сомнение.
При линейном увеличении радиуса клетки её поверхность возрастает пропорционально квадрату радиуса, а объём - пропорционально кубу, поэтому у мелких организмов отношение поверхности к объёму выше, чем у более крупных, что означает для первых более активный обмен веществ с окружающей средой. Метаболическая активность, измеренная по разным показателям, на единицу биомассы у мелких форм выше, чем у крупных. Поэтому небольшие даже для микроорганизмов размеры дают бактериям и археям преимущества в скорости роста и размножения по сравнению с более сложноорганизованными эукариотами и определяют их важную экологическую роль.
11. Общая схема строения бактериальной клетки показана на рисунке 2. Внутренняя организация бактериальной клетки сложна. Каждая систематическая группа микроорганизмов имеет свои специфические особенности строения.
Клеточная стенка. Клетка бактерий одета плотной оболочкой. Этот поверхностный слой, расположенный снаружи от цитоплазматической мембраны, называют клеточной стенкой (рис. 2, 14). Стенка выполняет защитную и опорную функции, а также придает клетке постоянную, характерную для нее форму (например, форму палочки или кокка) и представляет собой наружный скелет клетки. Эта плотная оболочка роднит бактерии с растительными клетками, что отличает их от животных клеток, имеющих мягкие оболочки. Внутри бактериальной клетки осмотическое давление в несколько раз, а иногда и в десятки раз выше, чем во внешней среде. Поэтому клетка быстро разорвалась бы, если бы она не была защищена такой плотной, жесткой структурой, как клеточная стенка.
Толщина клеточной стенки 0,01-0,04 мкм. Она составляет от 10 до 50% сухой массы бактерий. Количество материала, из которого построена клеточная стенка, изменяется в течение роста бактерий и обычно увеличивается с возрастом.
Основным структурным компонентом стенок, основой их жесткой структуры почти у всех исследованных до настоящего времени бактерий является муреин (гликопептид, мукопептид). Это органическое соединение сложного строения, в состав которого входят сахара, несущие азот,- аминосахара и 4-5 аминокислот. Причем аминокислоты клеточных стенок имеют необычную форму (D-стереоизомеры), которая в природе редко встречается.
Составные части клеточной стенки, ее компоненты, образуют сложную прочную структуру.
С помощью способа окраски, впервые предложенного в 1884 г. Кристианом Грамом, бактерии могут быть разделены на две группы:грамположительные и грамотрицательные. Грамположительные организмы способны связывать некоторые анилиновые красители, такие, как кристаллический фиолетовый, и после обработки иодом, а затем спиртом (или ацетоном) сохранять комплекс иод-краситель. Те же бактерии, у которых под влиянием этилового спирта этот комплекс разрушается (клетки обесцвечиваются), относятся к грамотрицательным.
Химический состав клеточных стенок грамположительных и грамотрицательных бактерий различен.
У грамположительных бактерий в состав клеточных стенок входят, кроме мукопептидов, полисахариды (сложные, высокомолекулярные сахара), тейхоевые кислоты (сложные по составу и структуре соединения, состоящие из сахаров, спиртов, аминокислот и фосфорной кислоты). Полисахариды и тейхоевые кислоты связаны с каркасом стенок - муреином. Какую структуру образуют эти составные части клеточной стенки грамположительных бактерий, мы пока еще не знаем. С помощью электронных фотографий тонких срезов (слоистости) в стенках грамположительных бактерий не обнаружено. Вероятно, все эти вещества очень плотно связаны между собой.
Стенки грамотрицательных бактерий более сложные по химическому составу, в них содержится значительное количество липидов (жиров), связанных с белками и сахарами в сложные комплексы - липопротеиды и липополисахариды. Муреина в клеточных стенках грамотрицательных бактерий в целом меньше, чем у грамположительных бактерий. Структура стенки грамотрицательных бактерий также более сложная. С помощью электронного микроскопа было установлено, что стенки этих бактерий многослойные (рис. 6).
Внутренний слой состоит из муреина. Над ним находится более широкий слой из неплотно упакованных молекул белка. Этот слой в свою очередь покрыт слоем липополисахарида. Самый верхний слой состоит из липопротеидов.
Клеточная стенка проницаема: через нее питательные вещества свободно проходят в клетку, а продукты обмена выходят в окружающую среду. Крупные молекулы с большим молекулярным весом не проходят через оболочку.
Капсула. Клеточная стенка многих бактерий сверху окружена слоем слизистого материала - капсулой (рис. 7). Толщина капсулы может во много раз превосходить диаметр самой клетки, а иногда она настолько тонкая, что ее можно увидеть лишь через электронный микроскоп, - микрокапсула.
Капсула не является обязательной частью клетки, она образуется в зависимости от условий, в которые попадают бактерии. Она служит защитным покровом клетки и участвует в водном обмене, предохраняя клетку от высыхания.
По химическому составу капсулы чаще всего представляют собой полисахариды. Иногда они состоят изгликопротеидов (сложные комплексы сахаров и белков) и полипептидов (род Bacillus), в редких случаях - из клетчатки (род Acetobacter).
Слизистые вещества, выделяемые в субстрат некоторыми бактериями, обусловливают, например, слизисто-тягучую консистенцию испорченного молока и пива.
Цитоплазма. Все содержимое клетки, за исключением ядра и клеточной стенки, называется цитоплазмой. В жидкой, бесструктурной фазе цитоплазмы (матриксе) находятся рибосомы, мембранные системы, митохондрии, пластиды и другие структуры, а также запасные питательные вещества. Цитоплазма обладает чрезвычайно сложной, тонкой структурой (слоистая, гранулярная). С помощью электронного микроскопа раскрыты многие интересные детали строения клетки.
Внешний липопротвидный слой протопласта бактерий, обладающий особыми физическими и химическими свойствами, называется цитоплазматической мембраной (рис. 2, 15).
Внутри цитоплазмы находятся все жизненно важные структуры и органеллы.
Цитоплазматическая мембрана выполняет очень важную роль - регулирует поступление веществ в клетку и выделение наружу продуктов обмена.
Через мембрану питательные вещества могут поступать в клетку в результате активного биохимического процесса с участием ферментов. Кроме того, в мембране происходит синтез некоторых составных частей клетки, в основном компонентов клеточной стенки и капсулы. Наконец, в цитоплазматической мембране находятся важнейшие ферменты (биологические катализаторы). Упорядоченное расположение ферментов на мембранах позволяет регулировать их активность и предотвращать разрушение одних ферментов другими. С мембраной связаны рибосомы - структурные частицы, на которых синтезируется белок. Мембрана состоит из липопротеидов. Она достаточно прочна и может обеспечить временное существование клетки без оболочки. Цитоплазматическая мембрана составляет до 20% сухой массы клетки.
Между плазматической мембраной и клеточной стенкой имеется связь в виде десмозов - мостиков. Цитоплазматическая мембрана часто дает инвагинации - впячивания внутрь клетки. Эти впячивания образуют в цитоплазме особые мембранные структуры, названныемезосомами. Некоторые виды мезосом представляют собой тельца, отделенные от цитоплазмы собственной мембраной. Внутри таких мембранных мешочков упакованы многочисленные пузырьки и канальцы (рис. 2). Эти структуры выполняют у бактерий самые различные функции. Одни из этих структур - аналоги митохондрий. Другие выполняют функции зндоплазматической сети или аппарата Гольджи. Путем инвагинации цитоплазматической мембраны образуется также фотосинтезирующий аппарат бактерий. После впячивания цитоплазмы мембрана продолжает расти и образует стопки (табл. 30), которые по аналогии с гранулами хлоропластов растений называют стопками тилакоидов. В этих мембранах, часто заполняющих собой большую часть цитоплазмы бактериальной клетки, локализуются пигменты (бактериохлорофилл, каротиноиды) и ферменты (цитохромы), осуществляющие процесс фотосинтеза.
В цитоплазме бактерий содержатся рибосомы- белок-синтезирующие частицы диаметром 200А. В клетке их насчитывается больше тысячи. Состоят рибосомы из РНК и белка. У бактерий многие рибосомы расположены в цитоплазме свободно, некоторые из них могут быть связаны с мембранами.
Рибосомы являются центрами синтеза белка в клетке. При этом они часто соединяются между собой, образуя агрегаты, называемые полирибосомами или полисомами.
В цитоплазме клеток бактерий часто содержатся гранулы различной формы и размеров. Однако их присутствие нельзя рассматривать как какой-то постоянный признак микроорганизма, обычно оно в значительной степени связано с физическими и химическими условиями среды. Многие цитоплазматические включения состоят из соединений, которые служат источником энергии и углерода. Эти запасные вещества образуются, когда организм снабжается достаточным количеством питательных веществ, и, наоборот, используются, когда организм попадает в условия, менее благоприятные в отношении питания.
У многих бактерий гранулы состоят из крахмала или других полисахаридов - гликогена и гранулезы. У некоторых бактерий при выращивании на богатой сахарами среде внутри клетки встречаются капельки жира. Другим широко распространенным типом гранулярных включений является волютин (метахроматиновые гранулы). Эти гранулы состоят из полиметафосфата (запасное вещество, включающее остатки фосфорной кислоты). Полиметафосфат служит источником фосфатных групп и энергии для организма. Бактерии чаще накапливают волютин в необычных условиях питания, например на среде, не содержащей серы. В цитоплазме некоторых серных бактерий находятся капельки серы.
Помимо различных структурных компонентов, цитоплазма состоит из жидкой части - растворимой фракции. В ней содержатся белки, различные ферменты, т-РНК, некоторые пигменты и низкомолекулярные соединения - сахара, аминокислоты.
В результате наличияв цитоплазме низкомолекулярных соединений возникает разность в осмотическом давлении клеточного содержимого и наружной среды, причем у разных микроорганизмов это давление может быть различным. Наибольшее осмотическое давление отмечено у грамположительных бактерий - 30 атм, у грамотрицательных бактерий оно гораздо ниже - 4-8 атм.
Ядерный аппарат. В центральной части клетки локализовано ядерное вещество - дезоксирибонуклеиновая кислот а (ДНК).
У бактерий нет такого ядра, как у высших организмов (эукариотов), а есть его аналог - «ядерный эквивалент» - нуклеоид (см. рис. 2, 8), который является эволюционно более примитивной формой организации ядерного вещества. Микроорганизмы, не имеющие настоящего ядра, а обладающие его аналогом, относятся к прокариотам. Все бактерии - прокариоты. В клетках большинства бактерий основное количество ДНК сконцентрировано в одном или нескольких местах. В клетках эукариотов ДНК находится в определенной структуре - ядре. Ядро окружено оболочкой- мембраной.
У бактерий ДНК упакована менее плотно, в отличие от истинных ядер; нуклеоид не обладает мембраной, ядрышком и набором хромосом. Бактериальная ДНК не связана с основными белками - гистонами - ив нуклеоиде расположена в виде пучка фибрилл.
Жгутики. На поверхности некоторых бактерий имеются придаточные структуры; наиболее широко распространенными из них являются жгутики - органы движения бактерий.
Жгутик закрепляется под цитоплазматической мембраной с помощью двух пар дисков. У бактерий может быть один, два или много жгутиков. Расположение их различно: на одном конце клетки, на двух, по всей поверхности и т. д. (рис. 9). Жгутики бактерий имеют диаметр 0,01-0,03 мкм, длина их может во много раз превосходить длину клетки. Бактериальные жгутики Состоят из белка - флагеллина - и представляют собой скрученные винтообразные нити.
23Ферме́нты или энзи́мы (от лат.
fermentum
, греч. ζύμη, ἔνζυμον - закваска) - обычно белковые молекулы или молекулы РНК(рибозимы) или их комплексы, ускоряющие (катализирующие) химические реакции в живых системах. Реагенты в реакции, катализируемой ферментами, называются субстратами, а получающиеся вещества - продуктами. Ферменты специфичны к субстратам (АТФаза катализирует расщепление только АТФ, а киназа фосфорилазы фосфорилирует только фосфорилазу). Ферментативная активность может регулироваться активаторами и ингибиторами (активаторы - повышают, ингибиторы - понижают).Белковые ферменты синтезируются на рибосомах, а РНК - в ядре.
Функции ферментов
Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты выступают в роли катализаторов практически во всех биохимических реакциях, протекающих в живых организмах - ими катализируется более 4000 разных биохимических реакций . Ферменты играют важнейшую роль во всех процессах жизнедеятельности, направляя и регулируя обмен веществ организма.
Подобно всем катализаторам, ферменты ускоряют как прямую, так и обратную реакцию, понижая энергию активации процесса. Химическое равновесие при этом не смещается ни в прямую, ни в обратную сторону. Отличительной особенностью ферментов по сравнению с небелковыми катализаторами является их высокая специфичность - константа связывания некоторых субстратов с белком может достигать 10 −10 моль/л и менее. Каждая молекула фермента способна выполнять от нескольких тысяч до нескольких миллионов «операций» в секунду. Например, одна молекула фермента ренина, содержащегося в слизистой оболочке желудка теленка, створаживает около 10 6 молекул казеиногена молока за 10 мин при температуре 37 °C. При этом эффективность ферментов значительно выше эффективности небелковых катализаторов - ферменты ускоряют реакцию в миллионы и миллиарды раз, небелковые катализаторы - в сотни и тысячи раз. См. также Каталитически совершенный фермент
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ФЕРМЕНТОВ
Ферменты, являясь белками, обладают рядом характерных для этого класса органических соединений свойств, отличающихся от свойств неорганических катализаторов.
Термолабильность ферментов. Скорость химических реакций зависит от температуры, поэтому катализируемые ферментамиреакции также чувствительны к изменениям температуры. Установлено, что скорость большинства биохимических реакций повышается в 2 раза при повышении температуры на 10°С и, наоборот, снижается в 2 раза при понижении температуры на 10°С. Этот показатель получил название температурного коэффициента. Однако вследствие белковой природы фермента тепловая денатурация при повышении температуры будет снижать эффективную концентрацию фермента с соответствующим снижением скорости реакции. Так, при температуре, не превышающей 45–50°С, скорость реакции увеличивается согласно теории химической кинетики. При температуревыше 50°С на скорость реакции большое влияние начинает оказывать тепловая денатурация белка-фермента, приводящая к полному прекращению ферментативного процесса (рис. 4.16).
Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышению температуры, является одним из характерных свойствферментов, резко отличающих их от неорганических катализаторов. В присутствии последних скорость реакции возрастает экспоненциально при повышении температуры (см. кривую «а» на рис. 4.16). При температуре 100°С почти все ферменты утрачивают свою активность (исключение составляет, очевидно, только один фермент мышечной ткани – миокиназа, которая выдерживает нагревание до 100°С). Оптимальной для действия большинства ферментов теплокровных животных является температура 40°С; в этих условиях скорость реакции оказывается максимальной вследствие увеличения кинетической энергии реагирующих молекул. При низкихтемпературах (0°С и ниже) ферменты, как правило, не разрушаются, хотя активность их падает почти до нуля. Во всех случаях имеет значение время воздействия соответствующей температуры. В настоящее время для пепсина, трипсина и ряда других ферментовдоказано существование прямой зависимости
Рис. 4.17. Зависимость скорости катализируемой ферментом реакции от рН (стрелка указывает оптимум рН).
между скоростью инактивации фермента и степенью денатурации белка. Следует отметить, что на термолабильность ферментовопределенное влияние оказывает концентрация субстрата, рН среды и другие факторы. Зависимость активности ферментов от рН среды. Ферменты обычно наиболее активны в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей для животныхтканей в основном выработанным в процессе эволюции физиологическим значениям рН среды 6,0–8,0. При графическом изображении на кривой колоколообразной формы имеется определенная точка, в которой фермент проявляет максимальную активность; эту точку называют оптимумом рН среды для действия данного фермента (рис. 4.17). При определении зависимости активности фермента отконцентрации водородных ионов реакцию проводят при разных значениях рН среды, обычно при оптимальной температуре и наличии достаточно высоких (насыщающих) концентраций субстрата. В табл. 4.3 приводятся оптимальные значения рН среды для рядаферментов. 
Из данных табл. 4.3 видно, что рН-оптимум действия ферментов лежит в пределах физиологических значений. Исключение составляютпепсин, рН-оптимум которого 2,0 (при рН 6,0 он не активен и не стабилен). Объясняется это, во-первых, структурной организациеймолекулы фермента и, во-вторых, тем, что пепсин является компонентом желудочного сока, содержащего свободную соляную кислоту, которая создает оптимальную кислую среду для действия этого фермента. С другой стороны, рН-оптимум аргиназы лежит в сильнощелочной зоне (около 10,0); такой среды нет в клетках печени, следовательно, in vivo аргиназа функционирует, по-видимому, не в своей оптимальной зоне рН среды.
Согласно современным представлениям, влияние изменений рН среды на молекулу фермента заключается в воздействии на состояние и степень ионизации кислотных и основных групп (в частности, СООН-группы дикар-боновых аминокислот, SH-группы цистеина, имидазольного азота гисти-дина, NH 2 -группы лизина и др.). При резких сдвигах от оптимума рН среды ферменты могут подвергаться конформационным изменениям, приводящим к потере активности вследствие денатурации или изменения заряда молекулы фермента. При разных значениях рН среды активный центр может находиться в частично ионизированной или неионизированной форме, что сказывается на третичной структуре белка и соответственно на формировании активного фермент-субстратного комплекса. Имеет значение, кроме того, состояние ионизации субстратов и кофакторов.
Специфичность ферментов. Ферменты обладают высокой специфичностью действия. Это свойство часто существенно отличает их от неорганических катализаторов. Так, мелкоизмельченные платина и палладий могут катализировать восстановление (с участием молекулярного водорода) десятков тысяч химических соединений различной структуры. Высокая специфичность ферментовобусловлена, как было отмечено, конфор-мационной и электростатической комплементарностью между молекулами субстрата ифермента и уникальной структурной организацией активного центра, обеспечивающими «узнавание», высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции из тысячи других химических реакций, осуществляющихся одновременно в живых клетках.
В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной (или групповой) и абсолютной специфичностью. Так, для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например,пепсин в одинаковой степени расщепляет белки животного и растительного происхождения, несмотря на то что эти белки существенно отличаются друг от друга как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Однакопепсин не расщепляет ни углеводы, ни жиры. Объясняется это тем, что точкой приложения, местом действия пепсина является пептидная -СО-NH-связь. Для действия липазы, катализирующей гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, подобным местом является сложноэфирная связь. Аналогичной групповой специфичностью обладают трипсин, химотрипсин, пептидазы, ферменты, гидроли-зующие α-гликозидные связи (но не β-гликозидные связи, имеющиеся в целлюлозе) в полисахаридах, и др. Обычно этиферменты участвуют в процессе пищеварения, и их групповая специфичность, вероятнее всего, имеет определенный биологический смысл. Относительной специфичностью наделены также некоторые внутриклеточные ферменты, например гексокиназа, катализирующая в присутствии АТФ фосфорилиро-вание почти всех гексоз, хотя одновременно в клетках имеются и специфические для каждой гексозы ферменты, выполняющие такое же фос-форилирование (см. главу 10).
Абсолютной специфичностью действия называют способность фермента катализировать превращение только единственногосубстрата. Любые изменения (модификации) в структуре субстрата делают его недоступным для действия фермента. Примерами такихферментов могут служить аргиназа, расщепляющая в естественных условиях (в организме) аргинин, уреаза, катализирующая распадмочевины, и др.
Имеются экспериментальные доказательства существования так называемой стереохимической специфичности, обусловленной существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических (цис-и транс-) изомеров химических веществ. Так, известны оксидазы L- и D-аминокислот, хотя в природных белках обнаружены только L-ами-нокислоты. Каждый из видов оксидаз действует только на свой специфический стереоизомер.
Наглядным примером стереохимической специфичности является бактериальная аспартатдекарбоксилаза, катализирующая отщепление СО 2 только от L-аспарагиновой кислоты с превращением ее в L-аланин. Сте-реоспецифичность проявляют ферменты, катализирующие и синтетические реакции. Так, из аммиака и α-кетоглутарата во всех живых организмах синтезируется L-изомерглутаминовой кислоты, входящей в состав природных белков. Если какое-либо соединение существует в форме цис-и транс-изомеров с различным расположением групп атомов вокруг двойной связи, то, как правило, только один из этих геометрических изомеров может служить в качестве субстрата для действия фермента. Например, фумараза катализирует превращение только фумаровой кислоты(трансизомер), но не действует на малеиновую кислоту (цис-изомер):
Таким образом, благодаря высокой специфичности действия ферменты обеспечивают протекание с большой скоростью лишь определенных химических реакций из огромного разнообразия возможных превращений в микропространстве клеток и целостном организме, регулируя тем самым интенсивность обмена веществ.
Роль ферментов в обмене веществ.
ТЕМА 1. ВВЕДЕНИЕ. МОРФОЛОГИЯ, ФИЗИОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ БАКТЕРИЙ.
1. Предмет и задачи медицинской микробиологии.
2. История развития микробиологии.
3. Морфология бактерий.
4. Физиология бактерий.
5. Классификация бактерий.
6. Методы изучения морфологии и свойств бактерий.
Предмет и задачи медицинской микробиологии.
Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – учение) – наука о микроорганизмах, закономерностях их развития и тех изменениях, которые они вызывают в среде обитания и в окружающей среде.
Размеры микроорганизмов < 0,1 мм, величина их измеряется в мкм.
Микробиология включает разделы:
o Общая – занимается изучением общих закономерностей микроорганизмов.
o Техническая – занимается разработкой биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически-активных веществ: белков, витаминов, ферментов, антибиотиков, спиртов.
o Сельскохозяйственная – занимается изучением микроорганизмов, которые участвуют в круговороте веществ, используются для приготовления удобрений, вызывают заболевания растений и др..
o Ветеринарная – изучает возбудителей заболеваний животных, разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения животных.
o Санитарная – изучает санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды, её влияние на здоровье человека и разрабатывает мероприятия, предупреждающие неблагоприятные воздействия болезнетворных микробов.
o Морская – изучает микрофлору морей и океанов.
o Космическая – изучает микрофлору космического пространства, влияние космических условий на свойства микроорганизмов и микрофлору организма человека.
o Медицинская – изучает микроорганизмы патогенные и условно-патогенные для человека, их экологию и распространённость, методы их выделения и идентификации, а также занимается разработкой методов микробиологической диагностики, специфической профилактики и лечения вызываемых ими заболеваний.
История развития микробиологии.
Выделяют пять исторических периода развития и становления микробиологии как науки.
I.Эвристический период связан скорее с логическими и методическими приемами нахождения истины, чем с какими-либо экспериментами и доказательствами.
Гиппократ, Парацельс (VI век до н.э.) высказывали предположение о природе заразных болезней, миазмах, мелких невидимых животных.
В наиболее законченной форме идею сформулировал Джироламо Фракосторо в труде «О контагиях, контагиозных болезнях и лечении» (1546г.), где высказал идею о живом контагии «зародышей болезни», который вызывает болезни. При этом каждая болезнь вызывается своим контагием. Для предохранения болезней им были рекомендованы изоляция больного, карантин, ношение масок, обработка предметов уксусом. Однако это были гипотезы, доказательств которых у них не было.
II.Описательный период (морфологический) связан с созданием микроскопа и открытием микроскопических существ, невидимых глазом человека. Первый микроскоп был создан в 1590 году голландскими учёными Гансом и Захарием Янсенами , но у него было увеличение всего лишь в 32 раза. Голландский натуралист Антонио Левенгук (1632 – 1723гг.) сконструировал микроскоп с увеличением в 160-300 раз, при помощи которого ему удалось обнаружить мельчайших «живых зверьков» («анималькулей», от лат. animalcula , зверушка) в дождевой воде, зубном налёте и других материалах.
В этот же период в 1771 г. 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. Чтобы доказать, что чума вызывается особым возбудителем, он заразил себя отделяемым бубона больного чумой человека и заболел чумой. К счастью, Д. Самойлович остался жив.
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) – «золотой век» микробиологии.
Л. Пастер (1822 – 1895 гг.)– основатель французской школы микробиологии, его основные достижения:
Брожение и гниение – микробный процесс;
Самопроизвольное зарождение не возможно;
Болезни вина и пива;
Болезни шелковичных червей;
Вакцина против бешенства, сибирской язвы у животных и куриной холеры;
Предложение мягкого метода стерилизации – пастеризации.
Р. Кох (1843 – 1910 гг.)– основатель школы немецких микробиологов, его достижения:
Выделил палочку сибирской язвы;
Выделил возбудителя туберкулеза и холеры;
Внедрил в практику микробиологии анилиновые красители, иммерсионную систему, плотные питательные среды.
IV. Иммунологический период связан с работами И. И. Мечникова и П. Эрлиха.
И. И. Мечников (1845-1916гг.) – один из основоположников иммунологии, описал явление фагоцитоза (клеточная теория иммунитета).
Пауль Эрлих (1854-1915гг.) 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.
Д. И. Ивановский (1864-1920гг.) – 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.
V. Современный период (молекулярно – генетический) связан с научно-технической революцией в естествознании.
1944 г. – Доказана роль ДНК в передаче наследственной информации. (О. Эвери, К. Мак-Леод, К. Мак-Карти)
1953 г. – Расшифровка структуру ДНК Д. Уотсон и Ф. Крик .
1958 г. – Описание явления иммунологической толерантности (П. Медавар и Гашек)
1959 г. – Смоделировали молекулу иммуноглобулина (Р. Портер и Д. Эдельман) .
В 60-70 гг. появились работы по генетике бактерий, становление генной инженерии.
1982 г. – Открыли ВИЧ(Р. Галло, 1883 г. Л. Монтанье ).
Морфология бактерий.
По форме выделяют следующие основные группы микроорганизмов.
1.Шаровидные или кокки.
2.Палочковидные.
3.Извитые.
4.Ветвящиеся.
I. Кокковидные бактерии (кокки) по характеру взаиморасположения после деления подразделяются на:
1.Микрококки - клетки расположенные в одиночку. Входят в состав нормальной микрофлоры, находятся во внешней среде. Заболеваний у людей не вызывают.
2.Диплококки - это парные клетки, к ним относятся гонококки, менингококки, пневмококки.
3.Стрептококки - размножающиеся клетки сохраняют связь (не расходятся), образуя цепочки. Много патогенных микроорганизмов - возбудители ангин, скарлатины, гнойных воспалительных процессов.
4.Тетракокки - имеют вид тетрад (т.е. по четыре клетки). Медицинского значения не имеют.
5.Сарцины - имеют вид пакетов из 8, 16 и более кокков. Часто обнаруживают в воздухе. Болезнетворных форм нет.
6.Стафилококки - образуют скопления, напоминающие грозди винограда. Вызывают многочисленные болезни, прежде всего гнойно - воспалительные.
II. Палочковидные формы микроорганизмов (палочки):
1.Бактерии - палочки, не образующие спор (кишечная палочка, дизентерийная, туберкулезные, дифтерийные и др.).
2.Бациллы - аэробные спорообразующие микробы. Диаметр споры обычно не превышает размера (“ширины”) клетки (бациллы сибирской язвы).
3.Клостридии - анаэробные спорообразующие микробы. Диаметр споры больше диаметра клетки, в связи с чем клетка напоминает веретено или теннисную ракетку (возбудитель столбняка, ботулизма, газовой гангрены).
Необходимо иметь в виду, что термин “бактерия” часто используют для обозначения всех микробов - прокариот. В более узком (морфологическом) значении бактерии - палочковидные формы прокариот, не имеющих спор.
III. Извитые формы микроорганизмов:
1.Вибрионы - имеют один изгиб, могут быть в форме запятой, короткого завитка (холерный вибрион).
2.Спириллы - имеют 2- 3 завитка (возбудитель Содоку - болезнь укуса крыс).
3.Спирохеты - имеют различное число завитков. Из большого числа спирохет наибольшее медицинское значение имеют представители трех родов - трептонемы, боррелии, лептоспиры.
IV. Ветвящиеся бактерии - палочковидные бактерии, которые могут иметь разветвления в форме латинской буквы «Y», встречающиеся у бифидобактерий . Также могут быть представленными в виде нитевидных разветвленных клеток, способных переплетаться, образуя мицелий, что наблюдается у актиномицет .
Помимо истинных бактерии имеются и другие более или менее отличающиеся от них. Это спирохеты, риккетсии, хламидии, актиномицеты и микоплазмы.
Спирохеты - тонкие длинные извитые (спиралевидной формы), грамотрицательные бактерии. Они подвижны, передвигаются волнообразным сокращением тела. Некоторые спирохеты вызывают заболевания человека (возвратный тиф, сифилис).
У человека хламидии вызывают хламидиозы, проявляющиеся поражением глаз (трахома, конъюнктивит), урогенитального тракта, легких и др.
Актиномицеты (или лучистые грибы) имеют вид небольших или длинных разветвленных тонких нитей. Патогенные формы вызывают актиномикоз.
Микоплазмы - мелкие бактерии (0,15-1 мкм), окруженные только цитоплазматической мембраной и не имеющие клеточной стенки. Имеют разнообразную форму: кокковидную, нитевидную, колбовидную. Микоплазмы вызывают у человека атипичную пневмонию и поражения мочеполового тракта.
Физиология бактерий.
Питание бактерий
Дыхание бактерий.
Путем дыхания (или биологическое окисление) микроорганизмы добывают энергию.
По отношению к молекулярному кислороду бактерии можно разделить на три основные группы:
1) облигатные (обязательные) аэробы могут расти только при наличии кислорода (микобактерии туберкулеза);
2) облигатные анаэробы растут на среде без кислорода, который для них токсичен (клостридии ботулизма, газовой гангрены, столбняка, бактероиды);
3) факультативные анаэробы (аэробы) могут расти как при наличии кислорода, так и без него(кишечная палочка, возбудители брюшного тифа, паратифа).
Похожая информация.
Микробиологией называют науку о микроскопических живых существах, размер которых не превышает 1 мм. Такие организмы можно рассмотреть только с помощью увеличительных приборов. Объектами микробиологии являются представители разных групп живого мира: бактерии, археи, простейшие, микроскопические водоросли, низшие грибы. Все они характеризуются малыми размерами и объединяются общим термином «микроорганизмы».
Микроорганизмы представляют собой самую большую группу живых существ на Земле, и ее члены распространены повсеместно.
Место микробиологии в системе биологических наук определяется спецификой ее объектов, которые, с одной стороны, в большинстве своем представляют собой одну клетку, а с другой - являются полноценным организмом. Как наука об определенном классе объектов и их разнообразии микробиология аналогична таким дисциплинам, как ботаника и зоология. В то же время она относится к физиолого-биохимической ветви биологических дисциплин, так как изучает функциональные возможности микроорганизмов, их взаимодействие с окружающей средой и другими организмами. И наконец, микробиология - это наука, исследующая общие фундаментальные законы существования всего живого, явления на стыке одно- и многоклеточности, развивающая представления об эволюции живых организмов.
Значение микроорганизмов в природных процессах и человеческой деятельности
Роль микробиологии определяется значением микроорганизмов в природных процессах и в человеческой деятельности. Именно они обеспечивают протекание глобального круговорота элементов на нашей планете. Такие его стадии, как фиксация молекулярного азота, денитрификация или минерализация сложных органических веществ, были бы невозможны без участия микроорганизмов. На деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств продуктов питания, различных химических веществ, лекарственных препаратов и т.д. Микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений. В то же время многие микроорганизмы являются возбудителями заболеваний человека, животных, растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов. Представители других научных дисциплин часто используют микроорганизмы в качестве инструментов и модельных систем при проведении экспериментов.
История микробиологии
История микробиологии исчисляется примерно с 1661 г, когда голландский торговец сукном Антони ван Левенгук (1632-1723) впервые описал микроскопические существа, наблюдаемые им в микроскоп собственного изготовления. В своих микроскопах Левенгук использовал одну короткофокусную линзу, закрепленную в металлическую оправу. Перед линзой находилась толстая игла, к кончику которой прикреплялся исследуемый объект. Иглу можно было передвигать относительно линзы с помощью двух фокусирующих винтов. Линзу следовало приложить к глазу и через нее рассматривать объект на кончике иглы. Будучи по складу характера любознательным и наблюдательным человеком, Левенгук изучил различные субстраты естественного и искусственного происхождения, рассмотрел под микроскопом огромное количество объектов и сделал очень точные рисунки. Он исследовал микроструктуру растительных и животных клеток, сперматозоиды и эритроциты, строение сосудов растений и животных, особенности развития мелких насекомых. Достигнутое увеличение (50-300 раз) позволило Левенгуку увидеть микроскопические существа, названные им «зверушками», описать их основные группы, а также сделать вывод о том, что они вездесущи. Свои заметки о представителях мира микробов (простейших, плесневых грибах и дрожжах, различных формах бактерий - палочковидных, сферических, извитых), о характере их движения и устойчивых сочетаниях клеток Левенгук сопровождал тщательными зарисовками и в виде писем направлял в Английское Королевское общество, которое имело целью поддерживать обмен информацией среди научной общественности. После смерти Левенгука изучение микроорганизмов долго сдерживалось несовершенством увеличительных приборов. Только к середине XIX века были созданы модели световых микроскопов, позволившие другим исследователям детально описать основные группы микроорганизмов. Этот период истории микробиологии можно условно назвать описательным.
Физиологический этап развития микробиологии начался приблизительно с середины 19-го века и связан он с работами французского химика-кристаллографа Луи Пастера (1822-1895) и немецкого сельского врача Роберта Коха (1843-1910). Эти ученые положили начало экспериментальной микробиологии и существенно обогатили методологический арсенал этой науки.
При исследовании причин прокисания вина Л.Пастер установил, что сбраживание виноградного сока и образование спирта осуществляют дрожжи, а порчу вина (появление посторонних запахов, вкусов и ослизнение напитка) вызывают другие микробы. Для предохранения вина от порчи Пастер предложил способ тепловой обработки (нагревание до 70 о С) сразу после брожения, чтобы уничтожить посторонние бактерии. Такой прием, применяемый и сегодня для предохранения молока, вина и пива, получил название «пастеризация».
Исследуя другие виды брожения, Пастер показал, что каждое брожение имеет главный конечный продукт и вызывается микроорганизмами определенного типа. Эти исследования привели к открытию неизвестного ранее образа жизни - анаэробного (бескислородного) метаболизма , при котором кислород не только не нужен, но и часто вреден для микроорганизмов. В то же время для значительного числа аэробных микроорганизмов кислород является необходимым условием их существования. Изучая на примере дрожжей возможность переключения с одного типа обмена веществ на другой, Л.Пастер показал, что анаэробный метаболизм энергетически менее выгоден. Микроорганизмы, способные к такому переключению, он назвал факультативными анаэробами .
Пастер окончательно опроверг возможность самозарождения живых существ из неживой материи в обычных условиях. К тому времени вопрос о самозарождении животных и растений из неживого материала был уже решен отрицательно, а относительно микроорганизмов спор продолжался. Опыты итальянского ученого Ладзаро Спалланцани и французского исследователя Франсуа Аппера по длительному прогреванию питательных субстратов в герметичных сосудах для предотвращения развития микробов подвергались критике сторонников теории самозарождения: они считали, что именно укупорка сосудов препятствует проникновению внутрь некой «жизненной силы». Пастером был проведен изящный эксперимент, поставивший точку в этой дискуссии. Прогретый питательный бульон был помещен в открытый стеклянный сосуд, горлышко которого было вытянуто трубкой и S-образно изогнуто. Воздух мог беспрепятственно проникать внутрь колбы, а клетки микроорганизмов оседали в нижнем изгибе горлышка и не попадали в бульон. В этом случае бульон оставался стерильным неопределенно долго. Если же колбу наклоняли так, что жидкость заполняла нижний изгиб, а затем бульон возвращали обратно в сосуд, то внутри быстро начинали развиваться микроорганизмы.
Работы по изучению «болезней» вина позволили ученому предположить, что возбудителями инфекционных заболеваний животных и человека также могут быть микроорганизмы. Пастер выделил возбудителей ряда болезней и изучил их свойства. Опыты с патогенными микроорганизмами показали, что при определенных условиях они становились менее агрессивными и не убивали зараженный организм. Пастер сделал вывод о возможности прививать ослабленных возбудителей здоровым и зараженным людям и животным, чтобы стимулировать защитные силы организма в борьбе с инфекцией. Ученый назвал материал для прививок вакциной, а сам процесс - вакцинацией. Пастер разработал способы прививок против ряда опасных заболеваний животных и человека, в том от бешенства.
Роберт Кох, начав с доказательства бактериальной этиологии сибирской язвы, затем выделил возбудителей многих болезней в чистой культуре. В своих экспериментах он использовал мелких подопытных животных, а также наблюдал под микроскопом развитие бактериальных клеток в кусочках тканей зараженных мышей. Кохом были разработаны способы выращивания бактерий вне организма, различные методы окраски препаратов для микроскопии и предложена схема получения чистых культур микроорганизмов на твердых средах в виде отдельных колоний. Эти простые приемы до сих пор используются микробиологами всего мира. Кох окончательно сформулировал и экспериментально подтвердил постулаты, доказывающие микробное происхождение заболевания:
- микроорганизм должен присутствовать в материале больного;
- выделенный в чистой культуре, он должен вызывать ту же болезнь у экспериментально зараженного животного;
- из этого животного возбудитель должен быть опять выделен в чистую культуру, и две эти чистые культуры должны быть одинаковыми.
Эти правила получили в дальнейшем название «триада Коха». При исследовании возбудителя сибирской язвы ученый наблюдал образование клетками особых плотных телец (спор). Кох пришел к выводу, что устойчивость этих бактерий в окружающей среде связана со способностью к спорообразованию. Именно споры в течение длительного времени способны заражать скот и в тех местах, где ранее находились больные животные или устраивались скотомогильники.
В 1909 г. за труды по иммунитету русский физиолог Илья Ильич Мечников (1845-1916) и немецкий врач-биохимик Пауль Эрлих (1854—1915) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
И.И.Мечников разработал фагоцитарную теорию иммунитета, рассматривавшую процесс поглощения лейкоцитами животных чужеродных агентов как защитную реакцию макроорганизма. Инфекционное заболевание представлялось в этом случае как противостояние патогенных микроорганизмов и фагоцитов организма-хозяина, а выздоровление означало «победу» фагоцитов. В дальнейшем, работая в бактериологических лабораториях сначала в Одессе, а потом в Париже, И.И.Мечников продолжал изучение фагоцитоза, а также принимал участие в исследовании возбудителей сифилиса, холеры и других инфекционных заболеваний и разработке ряда вакцин. На склоне лет И.И.Мечников заинтересовался проблемами старения человека и обосновал полезность использования в пище больших количеств кисломолочных продуктов, содержащих «живые» закваски. Он пропагандировал использование суспензии молочнокислых микроорганизмов, утверждая, что такие бактерии и образуемые ими молочнокислые продукты способны подавлять гнилостные микроорганизмы, производящие вредные шлаки в кишечнике человека.
П.Эрлих, занимаясь экспериментальной медициной и биохимией лекарственных соединений, сформулировал гуморальную теорию иммунитета, согласно которой макроорганизм для борьбы с инфекционными агентами производит специальные химические вещества - антитела и антитоксины, нейтрализующие микробные клетки и выделяемые ими агрессивные субстанции. П.Эрлих разработал методы лечения ряда инфекционных заболеваний и участвовал в создании препарата для борьбы с сифилисом (сальварсана). Ученый первым описал феномен приобретения патогенными микроорганизмами устойчивости к лекарственным препаратам.
Русский эпидемиолог Николай Федорович Гамалея (1859-1948) изучал пути передачи и распространения таких серьезных инфекций как бешенство, холера, оспа, туберкулез, сибирская язва и некоторые заболевания животных. Им усовершенствован разработанный Л.Пастером способ профилактических прививок и предложена вакцина против холеры человека. Ученый разработал и внедрил комплекс санитарно-гигиенических и противоэпидемических мероприятий по борьбе с чумой, холерой, оспой, сыпным и возвратным тифами и другими инфекциями. Н.Ф.Гамалея открыл вещества, растворяющие бактериальные клетки (бактериолизины), описал явление бактериофагии (взаимодействия вирусов и бактериальной клетки) и внес существенный вклад в изучение микробных токсинов.
Признание огромной роли микроорганизмов в биологически важных круговоротах элементов на Земле связано с именами русского ученого Сергея Николаевича Виноградского (1856-1953) и голландского исследователя Мартинуса Бейеринка (1851-1931). Эти ученые изучали группы микроорганизмов, способных осуществлять химические превращения основных элементов и участвовать в биологически важных круговоротах на Земле. С.Н.Виноградский работал с микроорганизмами, использующими неорганические соединения серы, азота, железа и открыл уникальный образ жизни, свойственный только прокариотам, при котором для получения энергии используется восстановленное неорганическое соединение, а для биосинтезов - углерод углекислого газа. Ни животные, ни растения не могут существовать таким способом.
С.Н.Виноградский и М.Бейеринк независимо друг от друга показали способность некоторых прокариот использовать атмосферный азот в своем обмене веществ (фиксировать молекулярный азот). Ими были выделены в виде чистых культур свободноживущие и симбиотические микробы-азотфиксаторы и отмечена глобальная роль таких микроорганизмов в цикле азота. Только прокариотические микроорганизмы могут переводить газообразный азот в связанные формы, используя его для синтеза компонентов клетки. После отмирания азотфиксаторов соединения азота становятся доступными для других организмов. Таким образом, азотфиксирующие микроорганизмы замыкают биологический круговорот азота на Земле.
На рубеже XIX-XX веков русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) открыл вирус табачной мозаики, тем самым обнаружив особую группу биологических объектов, не имеющих клеточного строения. При исследовании инфекционной природы мозаичной болезни табака ученый попытался очистить сок растения от возбудителя, пропуская его через бактериальный фильтр. Однако после этой процедуры сок был способен заражать здоровые растения, т.е. возбудитель оказался гораздо меньше всех известных микроорганизмов. В дальнейшем оказалось, что целый ряд известных заболеваний вызывается подобными возбудителями. Их назвали вирусами. Увидеть вирусы удалось только в электронный микроскоп. Вирусы являются особой группой биологических объектов, не имеющих клеточного строения, изучением которых в настоящее время занимается наука вирусология.
В 1929 г. английским бактериологом и иммунологом Александром Флемингом (1881-1955) был открыт первый антибиотик пенициллин. Ученый интересовался вопросами развития инфекционных болезней и действия на них различных химических препаратов (сальварсана, антисептиков). Во время Первой мировой войны в госпиталях раненые сотнями умирали от заражения крови. Повязки с антисептиками лишь немного облегчали состояние больных. Флеминг поставил опыт, создав модель рваной раны из стекла и заполнив ее питательной средой. В качестве «микробного загрязнения» он использовал навоз. Промывая стеклянную «рану» раствором сильного антисептика и затем заполняя ее чистой средой Флеминг показал, что антисептики не убивают микроорганизмы в неровностях «раны» и не останавливают инфекционный процесс. Осуществляя множество посевов на твердые среды в чашках Петри, ученый проверял антимикробный эффект различных выделений человека (слюны, слизи, слезной жидкости) и открыл лизоцим, убивающий некоторые болезнетворные бактерии. Чашки с посевами сохранялись Флемингом длительное время и многократно просматривались. В тех чашках, куда случайно попали споры грибов и выросли колонии плесени, ученый заметил отсутствие роста бактерий вокруг этих колоний. Специально поставленные эксперименты показали, что вещество, выделяемое плесневым грибом из рода Penicillium губительно для бактерий, но не опасно для подопытных животных. Флеминг назвал это вещество пенициллином. Использование пенициллина в качестве лекарства стало возможным только после выделения его из питательного бульона и получения в химически чистом виде (в 1940 г.), что в дальнейшем привело к разработке целого класса лекарственных препаратов, названных антибиотиками. Начались активные поиски новых продуцентов антимикробных веществ и выделение новых антибиотиков. Так, в 1944 г. американский микробиолог Зельман Ваксман (1888-1973) получил с помощью ветвящихся бактерий рода Streptomyces широко применяемый антибиотик стрептомицин.
Ко второй половине XIX века микробиологами был накоплен огромный материал, свидетельствующий о чрезвычайном разнообразии типов микробного обмена веществ. Изучению многообразия жизненных форм и выявлению их общих черт посвящены работы голландского микробиолога и биохимика Алберта Яна Клюйвера (1888-1956) и его учеников. Под его руководством было проведено сравнительное изучение биохимии далеко отстоящих друг от друга систематических и физиологических групп микроорганизмов, а также анализ данных физиологии и генетики. Эти работы позволили делать вывод об однотипности макромолекул, составляющих все живое, и об универсальности биологической «энергетической валюты» - молекул АТФ. Разработка общей схемы метаболических путей в значительной степени базируется на исследованиях фотосинтеза высших растений и бактерий, проведенных учеником А.Я.Клюйвера Корнелиусом ван Нилем (1897-1985). К. ван Ниль изучил обмен веществ различных фотосинтезирующих прокариот и предложил обобщающее суммарное уравнение фотосинтеза: CO 2 +H 2 A+ һν → (CH 2 O) n +A, где H 2 A - либо вода, либо другое окисляемое вещество. Такое уравнение предполагало, что именно вода, а не углекислый газ, разлагается при фотосинтезе с выделением кислорода. К середине XX века выводы А.Я.Клюйвера и его учеников (в частности, К. ван Ниля) легли в основу принципа биохимического единства жизни.
Развитие отечественной микробиологии представлено различными направлениями и деятельностью многих известных ученых. Целый ряд научных учреждений нашей страны носит имена многих из них. Так, Лев Семенович Ценковский (1822-1877) изучил большое число простейших, микроводорослей, низших грибов и сделал вывод об отсутствии четкой границы между одноклеточными животными и растениями. Он также разработал способ прививки против сибирской язвы с применением «живой вакцины Ценковского» и организовал пастеровскую станцию вакцинации в Харькове. Георгий Норбертович Габричевский (1860-1907) предложил способ лечения дифтерии с помощью сыворотки и участвовал в создании производства бактериальных препаратов в России. Ученик С.Н.Виноградского Василий Леонидович Омелянский (1867-1928) исследовал микроорганизмы, участвующие в превращениях соединений углерода, азота, серы и в процессе анаэробного разложения целлюлозы. Его работы расширили представления о деятельности микроорганизмов почвы. В.Л.Омелянский предложил схемы круговоротов биогенных элементов в природе. Георгий Адамович Надсон (1867-1939) сначала занимался микробной геохимической деятельностью и воздействием различных повреждающих факторов на микробные клетки. В дальнейшем его работы были посвящены изучению наследственности и изменчивости микроорганизмов и получению устойчивых искусственных мутантов низших грибов под действием излучений. Одним из основоположников морской микробиологии является Борис Лаврентьевич Исаченко (1871-1948). Им была высказана гипотеза о биогенном происхождении месторождений серы и кальция. Владимир Николаевич Шапошников (1884-1968) является основателем отечественной технической микробиологии. Его работы по физиологии микроорганизмов посвящены изучению различных видов брожения. Им открыто явление двухфазности ряда микробиологических процессов и разработка способов управления ими. Исследования В.Н.Шапошникова стали основой для организации в СССР микробиологических производств органических кислот и растворителей. Работы Зинаиды Виссарионовны Ермольевой (1898-1974) внесли существенный вклад в физиологию и биохимию микроорганизмов, медицинскую микробиологию, а также способствовали становлению микробиологического производства ряда отечественных антибиотиков. Так, она исследовала возбудители холеры и другие холероподобные вибрионы, их взаимодействие с организмом человека и предложила санитарные нормы хлорирования водопроводной воды в качестве средства профилактики этого опасного заболевания. Ею был создан и применен для профилактики препарат холерного бактериофага, а в дальнейшем - и комплексный препарат против холеры, дифтерии и брюшного тифа. Применение лизоцима в медицинской практике основано на работах З.В.Ермольевой по обнаружению новых растительных источников лизоцима, установлению его химической природы, разработке метода выделения и концентрирования. Получение отечественного штамма продуцента пенициллина и организация промышленного производства препарата пенициллина-крустозина в годы Великой Отечественной войны - это неоценимая заслуга З.В.Ермольевой. Эти исследования явились импульсом для поиска и селекции отечественных продуцентов других антибиотиков (стрептомицина, тетрациклина, левомицетина, экмолина). Работы Николая Александровича Красильникова (1896-1973) посвящены изучению мицелиальных прокариотических микроорганизмов - актиномицетов. Подробное исследование свойств этих микроорганизмов позволило Н.А.Красильникову создать определитель актиномицетов. Ученый был одним из первых исследователей явления антагонизма в мире микробов, что позволило ему выделить актиномицетный антибиотик мицетин. Н.А.Красильников изучал также взаимодействие актиномицетов с другими бактериями и высшими растениями. Его работы по почвенной микробиологии посвящены роли микроорганизмов в почвообразовании, распределению их в почвах и влиянию на плодородие. Ученица В.Н.Шапошникова, Елена Николаевна Кондратьева (1925-1995) возглавляла изучение физиологии и биохимии фотосинтезирующих и хемолитотрофных микроорганизмов. Ею подробно проанализированы особенности метаболизма таких прокариот и выявлены общие закономерности фотосинтеза и углеродного обмена. Под руководством Е.Н.Кондратьевой был открыт новый путь автотрофной фиксации СО 2 у зеленых несерных бактерий, проведено выделение и подробное изучение штаммов фототрофных бактерий нового семейства. В ее лаборатории была создана уникальная коллекция бактерий-фототрофов. Е.Н.Кондратьева была инициатором исследований метаболизма микроорганизмов-метилотрофов, использующих в своем метаболизме одноуглеродные соединения.
В XX веке микробиология полностью сложилась как самостоятельная наука. Дальнейшее ее развитие происходило с учетом открытий, сделанных в других областях биологии (биохимии, генетике, молекулярной биологии и т.д.). В настоящее время многие микробиологические исследования проводятся совместно специалистами разных биологических дисциплин. Многочисленные достижения микробиологии конца XX - начала XXI веков будут кратко изложены в соответствующих разделах учебника.
Основные направления в современной микробиологии.
Уже к концу XIX века микробиология в зависимости от выполняемых задач начинает подразделяться на ряд направлений. Так, исследования основных законов существования микроорганизмов и их разнообразия относят к общей микробиологии, а частная микробиология изучает особенности их разных групп. Задача природоведческой микробиологии - выявление способов жизнедеятельности микроорганизмов в естественных местах обитания и их роли в природных процессах. Особенности болезнетворных микроорганизмов, вызывающих заболевания человека и животных, и их взаимодействие с организмом хозяина изучают медицинская и ветеринарная микробиология, а микробные процессы в земледелии и животноводстве исследует сельскохозяйственная микробиология. Почвенная, морская, космическая и т.д. микробиология - это разделы, посвященные свойствам специфических для этих природных сред микроорганизмам и процессам, с ними связанным. И наконец, промышленная (техническая) микробиология как часть биотехнологии изучает свойства микроорганизмов, используемых для различных производств. В то же время от микробиологии отделяются новые научные дисциплины, занимающиеся изучением определенных более узких групп объектов (вирусология, микология, альгология и др.). В конце XX века усиливается интеграция биологии наук и многие исследования происходят на стыке дисциплин, образуя такие направления, как молекулярная микробиология, генная инженерия и др.
В современной микробиологии можно выделить несколько основных направлений. С развитием и совершенствованием методологического арсенала биологии активизировались фундаментальные микробиологические исследования, посвященные выяснению путей метаболизма и способов их регуляции. Бурно развивается систематика микроорганизмов, ставящая цель создать такую классификацию объектов, которая отражала бы место микроорганизмов в системе всего живого, родственные связи и эволюцию живых существ, т.е. осуществить построение филогенетического древа. Изучение роли микроорганизмов в природных процессах и антропогенных системах (экологическая микробиология) крайне актуально в связи с повышенным интересом к современным экологическим проблемам. Значительное внимание привлекают исследования популяционной микробиологии, занимающейся выяснением природы межклеточных контактов и способов взаимодействия клеток в популяции. Не теряют актуальности те направления микробиологии, которые связаны с применением микроорганизмов в человеческой деятельности.
Дальнейшее развитие микробиологии в XXI веке наряду с накоплением фундаментальных знаний призвано помочь решению ряда глобальных проблем человечества. В результате варварского отношения к природе и повсеместного загрязнения окружающей среды антропогенными отходами возник значительный дисбаланс в круговоротах веществ на нашей планете. Только микроорганизмы, обладая широчайшими метаболическими возможностями, высокой пластичностью обмена веществ и значительной устойчивостью к повреждающим факторам, могут преобразовать стойкие и токсичные загрязнения в безвредные для природы соединения, а в ряде случаев и в пригодные для дальнейшего использования человеком продукты. Тем самым понизится выброс так называемых «парниковых газов» и стабилизируется газовый состав атмосферы Земли. Осуществляя защиту окружающей среды от загрязнений, микроорганизмы одновременно будут способствовать постоянству глобального круговорота элементов. Микроорганизмы, развиваясь на отходах промышленности и сельского хозяйства, могут служить альтернативными источниками топлива (биогаза, биоэтанола и других спиртов, биоводорода и т.д.). Это позволит решить энергетические проблемы человечества, связанные с истощением полезных ископаемых (нефти, угля, природного газа, торфа). Восполнение продовольственных ресурсов (особенно белковых) возможно путем введения в рацион питания дешевой микробной биомассы быстрорастущих штаммов, полученной на отходах пищевой промышленности или на очень простых средах. Сохранению здоровья человеческой популяции будут способствовать не только тщательное изучение свойств патогенных микроорганизмов и выработка методов защиты от них, но и переход на «природные лекарства» (пробиотики), повышающие иммунный статус человеческого организма.
Наука о формах, сочетаниях и размерах клеток микроорганизмов, их дифференциации, а также размножении и развитии. - наука о многообразии микроорганизмов и их классификации по степени родства. В настоящее время в основу систематики микроорганизмов положены молекулярно-биологические методы.- наука об обмене веществ (метаболизме) микроорганизмов, включающая способы потребления питательных веществ, их разложение, синтез веществ, а также способы получения микроорганизмами энергии в результате процессов брожения , анаэробного дыхания , аэробного дыхания и фотосинтеза .
Рекомендуемая литература
Поль де Крюи. Охотники за микробами. Научно-популярное издание.
Гучев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. Учебник для ВУЗов.
Нетрусов А.И., Котова И.Б. Общая микробиология. Учебник для ВУЗов.
Нетрусов А.И., Котова И.Б. Микробиология. Учебник для ВУЗов.
Практикум по микробиологии. Под ред. А.И. Нетрусова. Учебное пособие для ВУЗов.
Экология микроорганизмов. Под ред. А.И. Нетрусова. Учебное пособие для ВУЗов.
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. Научное издание.
Колотилова Н.Н., Заварзин Г.А. Введение в природоведческую микробиологию. Учебное пособие для ВУЗов.
Кондратьева Е.Н. Автотрофные прокариоты. Учебное пособие для ВУЗов.
Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. Учебник для ВУЗов.
Промышленная микробиология. Под ред. Н.С. Егорова. Учебное пособие для ВУЗов.
Микробиология играет огромную роль в развитии человечества. Становление науки началось еще 5-6 веке до н. э. Уже тогда предполагали, что многие болезни вызваны невидимыми живыми существами. Краткая история развития микробиологии, которая описана в нашей статье, позволит выяснить, как образовалась наука.
Общая информация о микробиологии. Предмет и задачи
Микробиология - это наука, которая изучает жизнедеятельность и строение микроорганизмов. Микробы невозможно увидеть невооруженным глазом. Они могут иметь как растительное, так и животное происхождение. Микробиология - Для изучения мельчайших оорганизмов используются методы других предметов, таких как физика, химия, биология, цитология.
Существует общая и частная микробиология. Первая изучает строение и жизнедеятельность микроорганизмов на всех уровнях. Предмет изучения частной - отдельные представители микромира.
Достижения медицинской микробиологии в 19 веке способствовали развитию иммунологии, которая сегодня является общебиологической наукой. Становление микробиологии происходило в три этапа. На первом было установлено, что в природе существуют бактерии, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. На втором этапе становления были дифференцированы виды, а на третьем началось изучение иммунитета и инфекционных заболеваний.
Задачи микробиологии - изучение свойств бактерий. Для исследований используют приборы для микроскопии. Благодаря этому можно увидеть форму, расположение и структуру бактерий. Нередко ученые подсаживают микроорганизмы здоровым животным. Это необходимо для воспроизведения инфекционных процессов.
Пастер Луи
Луи Пастер родился 27 декабря 1822 года на востоке Франции. В детстве он увлекался искусством. Со временем его начали привлекать естественные науки. Когда Луи Пастеру исполнился 21 год, он отправился в Париж для обучения в Высшей школе, после окончания которой должен был стать преподавателем естествознания.
В 1848 году Луи Пастер представил в Парижской академии наук результаты своей научной работы. Он доказал, что в винной кислоте есть два типа кристаллов, которые по-разному поляризуют свет. Это было блестящим началом его карьеры ученого.
Пастер Луи - это основатель микробиологии. Ученые до начала его деятельности предполагали, что дрожжи образуют химический процесс. Однако именно Пастер Луи, проведя ряд исследований, доказал, что образование алкоголя при брожении связано с процессом жизнедеятельности мельчайших организмов - дрожжей. Он выяснил, что существует два типа таких бактерий. Один вид создает алкоголь, а другой - так называемую молочную кислоту, которая портит спиртосодержащие напитки.
На этом ученый не остановился. Через некоторое время он выяснил, что при нагревании до 60 градусов по Цельсию нежелательные бактерии погибают. Он рекомендовал технику постепенного подогревания виноделам и поварам. Однако первое время они относились к такому методу отрицательно, считая, что это испортит качество продукции. Со временем они поняли, что такой способ действительно положительно сказывается на процессе изготовления алкоголя. Сегодня метод Пастера Луи известен как пастеризация. Он используется при сохранении не только спиртосодержащих напитков, но и других продуктов.
Ученый нередко задумывался об образовании плесени на продуктах. После ряда исследований, он понял, что пища портится только в том случае, если она на протяжении длительного периода времени контактирует с воздухом. Однако если воздух нагреть до 60 градусов по Цельсию, процесс гниения останавливается на некоторое время. Не портятся продукты и высоко в Альпах, где воздух разреженный. Ученый доказал, что плесень образуется из-за спор, которые находятся в окружающей среде. Чем меньше их в воздухе, тем медленнее портится пища.
Популярность ученого росла. В 1867 году Наполеон III распорядился предоставить Пастеру хорошо оснащенную лабораторию. Именно там ученый создал прививку от бешенства, благодаря которой он стал известен по всей Европе. Умер Пастер 28 сентября 1895 года. Основателя микробиологии похоронили со всеми государственными почестями.
Кох Роберт
Вклад ученых в микробиологию позволил сделать массу открытий в медицине. Благодаря этому человечество знает, как избавиться от многих опасных для здоровья заболеваний. Считается, что Кох Роберт - это современник Пастера. Ученый родился в декабре 1843 года. С детства он интересовался природой. В 1866 году он окончил обучение в университете и получил медицинский диплом. После этого работал в нескольких больницах.
Роберт Кох начал деятельность бактериолога. Он сосредоточился на изучении сибирской язвы. Кох изучал под микроскопом кровь больных животных. Ученый нашел в ней массу микроорганизмов, которые отсутствуют у здоровых представителей фауны. Роберт Кох решил привить их мышам. Подопытные погибли спустя сутки, а в их крови присутствовали такие же микроорганизмы. Ученый выяснил, что сибирскую язву вызывают которые имеют форму палочки.
После успешных исследований Роберт Кох начал задумываться об изучении туберкулеза. Это неслучайно, ведь в Германии (место рождения и проживания ученого) от данного заболевания погибал каждый седьмой житель. В то время врачи еще не знали, как бороться с туберкулезом. Они считали, что это наследственное заболевание.
Для своих первых исследований Кох использовал труп молодого рабочего, который погиб от чахотки. Он исследовал все внутренние органы и не обнаружил никаких болезнетворных бактерий. Затем ученый решил окрашивать препараты и рассматривать их на стекле. Однажды, рассматривая под микроскопом такой препарат, окрашенный в синий цвет, Кох заметил между тканями легких маленькие палочки. Он привил их морской свинке. Животное погибло спустя несколько недель. В 1882 году Роберт Кох рассказал на заседании Общества врачей о результатах своего исследования. Позже он попытался создать вакцину от туберкулеза, которая, к сожалению, не помогла, но применяется до сих пор при диагностировании заболевания.
Краткая история развития микробиологии в то время вызывала интерес у многих. Вакцина от туберкулеза была создана только спустя несколько лет после смерти Коха. Однако это не уменьшает его заслуги в исследовании данного заболевания. В 1905 году ученый был удостоен Нобелевской премии. Бактерии туберкулеза получили название в честь исследователя - палочка Коха. Умер ученый в 1910 году.
Виноградский Сергей Николаевич
Сергей Николаевич Виноградский - это известный бактериолог, который сделал огромный вклад в развитие микробиологии. Родился он в 1856 году в Киеве. Его отец был состоятельным юристом. Сергей Николаевич после окончания местной гимназии получил образование в Консерватории Санкт-Петербурга. В 1877 году он поступил на второй курс естественного факультета. Окончив его в 1881 году, ученый посвятил себя изучению микробиологии. В 1885 году он поехал для обучения в Страсбург.
Сегодня Сергей Николаевич Виноградский считается основателем экологии микроорганизмов. Он изучал грунтовое микробное сообщество и разделил все микроорганизмы, живущие в нем, на автохтонных и аллохтонных. В 1896 году Виноградский сформулировал представление о жизни на Земле как о системе взаимосвязанных биогеохимических циклов, которые катализируют живые существа. Его последняя научная работа была посвящена систематике бактерий. Умер ученый в 1953 году.
Возникновение микробиологии
Краткая история развития микробиологии, описанная в нашей статье, позволит выяснить, как человечество начало борьбу с опасными заболеваниями. С процессами жизнедеятельности бактерий человек сталкивался задолго до их открытия. Люди сквашивали молоко, использовали брожение теста и вина. В трудах врача из Древней Греции были названы предположения о связи опасных заболеваний и особых болезнетворных испарений.
Подтверждение было получено Антони ван Левенгуком. Стачивая стекла, он смог создать линзы, которые увеличивали исследуемый предмет более чем в 100 раз. Благодаря этому он смог рассмотреть все окружающие его объекты.
Он выяснил, что на них проживают мельчайшие организмы. Полная и краткая история развития микробиологии началась именно с результатов исследований Левенгука. Он не смог доказать предположения о причинах заразных заболеваний, но практическая деятельность врачей со времен древности подтверждала их. Законы индусов предусматривали профилактические мероприятия. Известно, что специальной обработке поддавались вещи и жилища больных людей.
В 1771 году военный врач Москвы впервые производит дезинфекцию вещей больных чумой и делает прививки людям, которые контактировали с переносчиками заболевания. Темы по микробиологии разнообразны. Наиболее интересной считается та, которая описывает создание прививки от оспы. Она с давних времен использовалась персами, турками и китайцами. Ослабленные бактерии вводились в тело человека, потому что считалось, что так болезнь протекает легче.
(английский врач) заметил, что большинство людей, которые не болели оспой, не заражаются при близком контакте с переносчиками заболевания. Наиболее часто это наблюдалось у доярок, которые заражались при доении коров больных коровьей оспой. Исследования врача длились 10 лет. В 1796 году Дженнер ввел кровь больной коровы здоровому мальчику. Спустя некоторое время он попытался привить ему бактерии заболевшего человека. Так была создана прививка, благодаря которой человечество избавилось от заболевания.
Вклад отечественных ученых
Открытия в микробиологии, сделанные учеными со всего мира, позволяет понять, как справиться почти с любым заболеванием. Немалый вклад в развитие науки внесли отечественные исследователи. В 1698 году Петр I познакомился с Левенгуком. Тот продемонстрировал ему микроскоп и показал ряд предметов в увеличенном виде.
Во время образования микробиологии как науки Лев Семенович Ценковский опубликовал свою работу, в которой он отнес микроорганизмы к растительным организмам. Он также использовал метод Пастера для угнетения сибирской язвы.
Немалую роль в микробиологии сыграл Илья Ильич Мечников. Он считается одним из основоположников науки о бактериях. Ученый создал теорию иммунитета. Он доказал, что многие клетки организма могут угнетать вирусные бактерии. Его исследования стали основой для изучения воспаления.
Микробиология, вирусология и иммунология, а также сама медицина в то время вызывали огромный интерес почти у каждого. Мечников исследовал человеческий организм и пытался понять, почему он стареет. Ученый желал найти способ, который позволил бы продлить жизнь. Он считал, что ядовитые вещества, которые образуются из-за жизнедеятельности гнилостных бактерий, отравляют человеческий организм. По мнению Мечникова, необходимо заселить тело молочнокислыми микроорганизмами, которые угнетают гнилостных. Ученый считал, что таким образом можно существенно продлить жизнь.
Мечников изучал множество опасных заболеваний, таких как тиф, туберкулез, холера и другие. В 1886 году он создал бактериологическую станцию и школу микробиологов в Одессе (Украина).
Микробиология техническая
Техническая микробиология изучает бактерии, которые используют при создании витаминов, некоторых препаратов и заготовке продуктов. Основной задачей данной науки является интенсификация технологических процессов на производстве (чаще пищевом).
Освоение технической микробиологии ориентирует специалиста на необходимость тщательного соблюдения всех санитарных норм на производстве. Изучив данную науку, можно предупредить порчу продукта. Предмет чаще всего изучают будущие специалисты пищевой промышленности.
Дмитрий Иосифович Ивановский
Основой для создания множества других наук стала микробиология. История науки началась еще задолго до ее общественного признания. Вирусология была образована в 19 веке. Данная наука изучает не все бактерии, а лишь те, которые являются вирусными. Ее основоположником считается Дмитрий Иосифович Ивановский. В 1887 году он начал исследовать заболевания табака. Он обнаружил в клетках больного растения кристаллические вкрапления. Таким образом, он открыл возбудителей заболеваний небактериальной и непротозойной природы, которые в дальнейшем были названы вирусами.
Результаты своих исследований о больных растениях Ивановский представил на заседании Общества естествоиспытателей. Дмитрий Иосифович также активно изучал почвенную микробиологию.
Учебная литература
Микробиология - это наука, которую невозможно изучить за несколько дней. Она играет важную роль в развитии медицины. Книги по микробиологии позволяют самостоятельно изучить данную науку. В нашей статье вы можете ознакомиться с наиболее популярными.
- (2011) - это книга, которая описывает жизнедеятельность бактерий, которые проживают при высоких температурах. Они существуют на большой глубине, где тепло поступает от магмы. В книге собраны статьи различных ученых со всех уголков Российской Федерации.
- "Три жизни великого микробиолога. Документальная повесть о Сергее Николаевиче Виноградском" - это книга о величайшем ученом, автор которой Георгий Александрович Заварзин. Написана она по дневникам Виноградского. Ученым было заложено несколько крупных направлений в микробиологии (микробная, почвенная, хемосинтез). Книга будет необычайно полезна будущим врачам и просто любознательным людям.
- "Общая микробиология", написанная Гансом Шлегелем - это издание, которое позволит познакомиться с удивительным миром бактерий. Стоит отметить, что Ганс Шлегель - известный во всем мире немецкий микробиолог, который еще жив. Издание множество раз обновлялось и дополнялось. Считается, что это одна из лучших книг по микробиологии. Она кратко описывает строение, а также процесс жизнедеятельности и размножения бактерий. Книга легко читается. В ней нет лишней информации.
- "Микробы хорошие и плохие. Наше здоровье и выживание в мире" - это современная книга, написанная Джессикой Сакс и изданная в прошлом году. После улучшения санитарных условий и возникновения антибиотиков продолжительность жизни у людей существенно возросла. Книга посвящена проблеме возникновения иммунных заболеваний, которая связана с чрезмерной заботой об улучшении санитарных условий.
- "Смотри, что у тебя внутри" - это книга Роба Найта. Она была издана в прошлом году. В книге рассказывается о микробах, которые проживают в разных уголках нашего тела. Автор утверждает, что микроорганизмы играют более важную роль, чем мы думали ранее.
Основа новейших технологий
Микробиология - это основа новейших технологий. Мир бактерий изучен еще не до конца. Многие ученые не сомневаются в том, что благодаря микроорганизмам можно создавать не имеющие аналогов технологии. Биотехнология будет служить для них основой.
При разработке месторождения угля и нефти используются микроорганизмы. Не секрет, что ископаемое топливо уже заканчивается, несмотря на то, что человечество использует его на протяжении около 200 лет. В случае его исчерпания ученые рекомендуют использовать микробиологические способы получения спиртов из возобновляемых источников сырья.
Биотехнология позволяет справиться как с экологическими, так и с энергетическими проблемами. Удивительно, но микробиологическая переработка отходов органического типа позволяет не только очистить окружающую среду, но и получить биогаз, который ничуть не уступает природному. Такой метод получения топлива не требует лишних затрат. Уже сегодня в окружающей среде присутствует достаточное количество материала для переработки. Например, только в США его около 1,5 млн тонн. Однако на данный момент не продуман метод утилизации отходов от переработки.
Подводим итоги
Микробиология занимает важное место в жизни человечества. Благодаря данной науке врачи научись справляться с опасными для жизни заболеваниями. Микробиология стала также основой для создания вакцин. Известно немало величайших ученых, которые внесли вклад в данную науку. С некоторыми из них вы познакомились в нашей статье. Многие ученые, живущие в наше время, считают, что в будущем именно микробиология позволит справиться со многими экологическими и энергетическими проблемами, которые могут возникнуть уже в ближайшее время.
Микробиология прошла длительный путь развития, исчисляющийся многими тысячелетиями. Уже в V-IV тысячелетии до н.э. человек пользовался плодами деятельности микроорганизмов, не зная об их существовании. Виноделие, хлебопечение, сыроделие, выделка кож, не что иное, как процессы, проходящие с участием микроорганизмов. Тогда же, в древности, ученые и мыслители предполагали, что многие болезни вызываются какими-то посторонними невидимыми причинами, имеющими живую природу.
Следовательно, микробиология зародилась задолго до нашей эры. В своем развитии она прошла несколько этапов, не столько связанных хронологически, сколько обусловленных основными достижениями и открытиями.
Историю развития микробиологии можно разделить на пять этапов: эвристический, морфологический, физиологический, иммунологический и молекулярно-генетический.
Эвристический период (IV-IIV тысячелетие до н.э - XVI в. н.э.) связан скорее с логическими и методическими приемами нахождения истины, т.е. эвристикой, чем с какими-либо экспериментами и доказательствами. Мыслители того времени (Гиппократ, римский писатель Варрон и др.) высказывали предположения о природе заразных болезней, миазмах, мелких невидимых животных. Эти представления были сформулированы в стройную гипотезу спустя многие столетия в сочинениях итальянского врача Д. Фракасторо (1478 - 1553), высказавшего идею о живом контагии (contagium vivum), который вызывает болезни. При этом каждая болезнь вызывается своим контагием. Для предохранения от болезней им были рекомендованы изоляция больного, карантин, ношение масок, обработка предметов уксусом.
Таким образом, Д. Фракасторо был одним из основоположников эпидемиологии, т. е. науки о причинах, условиях и механизмах формирования заболеваний и способах их профилактики.
Однако доказательство существования невидимых возбудителей болезней стало возможным после изобретения микроскопа. Приоритет в открытии микроорганизмов принадлежит голландскому натуралисту-любителю Антонио Левенгуку (1б32 - 1723). Торговец полотном А. Левенгук увлекался шлифованием стекол и довел это искусство до совершенства, сконструировав микроскоп, позволивший увеличивать рассматриваемые предметы в 300 раз.
Изучая под микроскопом различные объекты (дождевую воду, настои, зубной налет, кровь, испражнения, сперму), А. Левенгук наблюдал мельчайших животных, которых он назвал анималькулюсами. Свои наблюдения А. Левенгук регулярно сообщал в Лондонское королевское общество, а в 1695 г. обобщил в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком».
Таким образом, с изобретением микроскопа А. Левенгуком начинается следующий этап в развитию микробиологии, получивший название морфологического.
Открытие А. Левенгука привлекло огромное внимание специалистов, у него появились многочисленные ученики и последователи. Однако оставались неясными вопросы о появлении микроорганизмов, условиях их жизни, предназначении, участии в возникновении болезней человека. На эти вопросы впоследствии были даны четкие ответы в исследованиях многих ученых.
Хотя появление болезней и связывалось с теперь уже открытыми микроорганизмами, однако необходимы были прямые доказательства. И они были получены русским врачом-эпидемиологом Д. Самойловичем (1744 - 1805). Чтобы доказать, что чума вызывается особым возбудителем, он заразил себя отделяемым бубона больного чумой человека и заболел чумой. К счастью, Д. Самойлович остался жив. Впоследствии героические опыты по самозаражению для доказательства заразности того или иного микроорганизма провели русские врачи Г. Н. Минх и О. О. Мочутковский, И. И. Мечников и др.
Вопрос о способе появления и размножения микроорганизмов был решен в споре с господствовавшей тогда теорией самозарождения. Несмотря на то, что итальянский ученый Л. Спалланцани в середине XVIII в. наблюдал под микроскопом деление бактерий, мнение о том, что они самозарождаются (возникают из гнили, грязи и т.д.), не было опровергнуто.
Это было сделано выдающимся французским ученым Луи Пастером (1822 - 1895), который в остроумном, гениальном по своей простоте опыте показал, что самозарождения не существует. Л. Пастер поместил стерильный бульон в колбу, сообщавшуюся с атмосферным воздухом через изогнутую S-образную трубку. В такой, по существу открытой, колбе бульон при длительном стоянии оставался прозрачным, потому что изогнутость трубки не давала возможности микроорганизмам проникнуть с пылью из воздуха в колбу.
Бурное развитие микробиологии в XIX в. привело к открытию возбудителей многих инфекционных болезней (сибирская язва, чума, столбняк, дифтерия, дизентерия, холера, туберкулез и др.).
Наконец, в 1892 г. русский ботаник Д. И. Ивановский (1864. 1920) открыл вирусы - представителей царства vira. Эти живые существа проходили через фильтры, задерживающие бактерии, и поэтому были названы фильтрующимися вирусами. Вначале был открыт вирус, вызывающий заболевание табака, известное под названием «табачная мозаика», затем вирус ящура, желтой лихорадки и многие другие вирусы. Однако увидеть вирусные частицы стало возможным только после изобретения электронного микроскопа, так как в световые микроскопы вирусы не видны. К настоящему времени царство вирусов (vira) насчитывает до 1000 болезнетворных видов вирусов. Только за последнее время открыт ряд новых вирусов, в том числе вирус, вызывающий СПИД.
Несомненно, что период открытий новых вирусов и бактерий будет продолжаться. Открытие новых микроорганизмов сопровождалось изучением не только их строения, но и жизнедеятельности. Поэтому XIX в., особенно его вторую половину, принято называть физиологическим периодом в развитии микробиологии. Этот этап связан с именем Л. Пастера, который стал основоположником медицинской микробиологии, а также иммунологии и биотехнологии.
Разносторонне образованный, блестящий экспериментатор, член Французской медицинской академии, Л. Пастер сделал ряд выдающихся открытий. За короткий период с 1857 по 1885 г. он доказал, что брожение (молочнокислое, спиртовое, уксуснокислое) не является химическим процессом, а его вызывают микроорганизмы. Опроверг теорию самозарождения; открыл явление анаэробиоза, т.е. возможность жизни микроорганизмов в отсутствие кислорода. Заложил основы дезинфекции, асептики и антисептики; открыл способ предохранения от инфекционных болезней с помощью вакцинации.
Многие открытия Л. Пастера принесли человечеству огромную практическую пользу. Путем прогревания (пастеризации) были побеждены болезни пива и вина, молочнокислых продуктов, вызываемые микроорганизмами; для предупреждения гнойных осложнений ран введена антисептика; на основе принципов Л. Пастера разработаны многие вакцины для борьбы с инфекционными болезнями.
Однако значение трудов Л. Пастера выходит далеко за рамки только этих практических достижений. Л. Пастер вывел микробиологию и иммунологию на принципиально новые позиции, показал роль микроорганизмов в жизни людей, экономике, промышленности, инфекционной патологии, заложил принципы, по которым развиваются микробиология иммунология и в наше время.
Л. Пастер был, кроме того, выдающимся учителем и организатором науки. Пастеровский институт в Париже, основанный в 1888 г. на народные средства, до сих пор является одним из ведущих научных учреждений мира. Не случайно вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) открыт ученым этого института Л, Монтанье (одновременно с американцем Р. Галло).
Физиологический период в развитии Микробиологии связан также с именем немецкого ученого Роберта Коха, которому принадлежит разработка методов получения чистых культур бактерий, окраски бактерий при микроскопии, микрофотографии. Известна также сформулированная Р. Кохом триада Коха, которой до сих пор пользуются при установлении возбудителя болезни.
Работы Л. Пастера по вакцинации открыли новый этап в развитии микробиологии, по праву получивший название "иммунологического».
Принцип аттенуации (ослабления) микроорганизмов с помощью пассажей через восприимчивое животное или при выдерживании микроорганизмов в неблагоприятных условиях (температура, высушивание) позволил Л. Пастеру получить вакцины против бешенства, сибирской язвы, куриной холеры; этот принцип до настоящего времени используется при приготовлении вакцин. Следовательно, Л. Пастер является основоположником научной иммунологии, хотя и до него был известен метод предупреждения оспы путем заражения людей коровьей оспой, разработанный английским врачом Э. Дженнером. Однако этот метод не был распространен на профилактику других болезней.
После работ Л. Пастера появилось множество исследований, в которых пытались объяснить причины и механизмы формирования иммунитета после вакцинации. Выдающуюся роль в этом сыграли работы И. И. Мечникова и П. Эрлиха.
П. Эрлих - немецкий химик, выдвинул гуморальную (от лат. humor - жидкость) теорию иммунитета. Он считал, что иммунитет возникает в результате образования в крови антител, которые нейтрализуют яд. Подтверждением этому было открытие антитоксинов - антител, нейтрализующих токсины у животных, которым вводили дифтерийный или столбнячный токсин (Э. Беринг, С. Китазато). Однако исследования И. И. Мечникова (1845 - 1916) показали, что большую роль в формировании иммунитета играют особые клетки, макро- и микрофаги. Эти клетки поглощают и переваривают чужеродные частицы, в том числе бактерии. Исследования И. И. Мечникова по фагоцитозу убедительно доказали, что, помимо гуморального, существует клеточный иммунитет. И. И. Мечников, ближайший помощник и последователь Л. Пастера, заслуженно считается одним из основоположников иммунологии. Его работы положили начало изучению иммунокомпетентных клеток как морфологической основы иммунной системы, ее единства и биологической сущности. Иммунологический период характеризуется открытием основных реакций иммунной системы на генетически чужеродные вещества (антигены): антителообразование и фагоцитоз/гиперчувствительность замедленного типа (ГЗТ), гиперчувствительность немедленного типа (ГНТ), толерантность, иммунологическая память. ГЗТ и ГНТ, две реакции, лежащие в основе аллергии (от греч. allos - другой и ergon - действие), т. е. болезней характеризующихся определенными клиническими симптомами, вследствие нетипичной, извращенной реакции на антиген. Аллергические реакции могут возникать, например, на сывороточные препараты, антибиотики, животные и растительные белки, домашнюю пыль, пух, шерсть и т.д.
В 1915 г. русский врач М. Райский впервые наблюдал явления иммунологической памяти, т.е. быструю энергичную выработку антител на повторное введение того же антигена.
Впоследствии Ф. Вернет связал это с формированием в организме клеток памяти - Т-лимфоцитов - после первичной встречи с антигеном. В 1953 г. английский ученый П. Медавар и чешский ученый М. Гашек открыли явление толерантности, терпимости, устойчивости к антигену, т.е. состояния, при котором иммунная система не реагирует на антиген. Толерантность к собственным антигенам формируется в эмбриональном периоде, и ее можно искусственно создать, вводя антиген во время эмбрионального периода либо сразу после рождения ребенка или животного. Явление иммунологической толерантности используется в хирургии при решении проблемы пересадки органов и тканей.
Следует отметить также важность открытия в этот период антигенов нормальных органов и тканей человека и животных и индивидуальных, антигенных различий у людей и животных. Частым признаком этих антигенных различий являются индивидуальные группы крови у людей. Отечественный исследователь Л. А. Зильбер (1957) открыл антигены злокачественных опухолей, что явилось началом изучения противоопухолевого иммунитета.
В иммунологический период развития микробиологии был создан ряд теорий иммунитета: гуморальная теория П. Эрлиха, фагоцитарная теория И. И. Мечникова, теория идиотипических взаимодействий Н. Ерне гипофизарно-гипоталамо-адреналовая теория регуляции иммунитета П. Ф. Здродовского и др. Однако, наиболее приемлемой для объяснения многих явлений и механизмов иммунитета остается клонально-селекционная теория, созданная австралийским иммунологом Ф. Бернетом (1899 - 1986). Американский ученый С. Танегава разработал генетические аспекты этой теории.
Особенно бурное развитие получили микробиология и иммунология в 50-60-е годы нашего столетия. Этому способствовали следующие причины
· важнейшие открытия в области молекулярной биологии, генетики, биоорганической химии;
· появление таких новых наук, как генетическая инженерия, биотехнология, информатика;
· создание новых методов и научной аппаратуры, позволяющих глубже проникать в тайны живой природы.
Таким образом, с 50-х годов в развитии микробиологии и иммунологии начался молекулярно-генетический период, который характеризуется рядом принципиально важных научных достижений и открытий. К ним относятся:
· расшифровка молекулярной структуры и молекулярно-биологической организации многих вирусов и бактерий; открытие простейших форм жизни, «инфекционного белка» приона;
· расшифровка химического строения и химический синтез некоторых антигенов. Например, химический синтез лизоцима, пептидов вируса СПИДа (Р. В. Петров, В. Т. Иванов и др.);
· открытие новых антигенов, например опухолевых (Л. А. Зильбер и др.), антигенов гистосовместимости (HLA-система);
· расшифровка строения антител-иммуноглобулинов;
· разработка метода культур животных и растительных клеток и их выращивания в промышленных масштабах с целью получения вирусных антигенов;
· получение рекомбинантных бактерий и рекомбинантных вирусов. Синтез отдельных генов вирусов и бактерий. Получение рекомбинантных штаммов бактерий и вирусов, сочетающих свойства родительских особей или приобретающих новые свойства;
· создание гибридом путем слияния иммунных В-лимфоцитов, продуцентов антител и раковых клеток с целью получения моноклональных антител
· открытие иммуномодуляторов, иммуноцитокинов (интерлейкины, интерфероны, миелопептиды и др.), эндогенных природных регуляторов иммунной системы и их использование для профилактики и лечения различных болезней;
· получение вакцин (вакцина гепатита В, малярии, антигенов ВИЧ и других антигенов), биологически активных пептидов (интерфероны, интерлейкины, ростовые факторы и др.) с помощью методов биотехнологии и приемов генетической инженерии;
· разработка синтетических вакцин на основе природных или синтетических антигенов и их фрагментов, а также искусственного носителя. адъюванта (помощника). стимулятора иммунитета;
· изучение врожденных и приобретенных иммунодефицитов, их роли в иммунопатологии и разработка иммунокорригирующей терапии. Открытие вирусов, вызывающих иммунодефициты;
· разработка принципиально новых способов диагностики инфекционных и неинфекционных болезней (иммуноферментный, радиоиммунный анализы, иммуноблоттинг, гибридизация нуклеиновых кислот). Создание на основе этих способов тест-систем для индикации, идентификации микроорганизмов, диагностики инфекционных и неинфекционных болезней (опухоли, сердечно-сосудистые, аутоиммунные, эндокринные и др.), а также выявления нарушений при некоторых состояниях (беременность, переливание крови, пересадка органов и т.д.)
Теории иммунитета. Разработка теорий иммунитета. Фагоцитарная теория иммунитета. И. И. Мечников
Выявление роли патогенных микроорганизмов в развитии инфекционных болезней, возможность искусственного создания невосприимчивости подтолкнули к изучению факторов защиты организма от инфекционных агентов.
Пастер предложил теорию исчерпанной силы; согласно этой теории «невосприимчивость» представляет состояние, при котором организм человека (как питательная среда) не поддерживает развитие микробов.
Однако автор быстро понял, что его теория не может объяснить ряд наблюдений. В частности, Пастер показал, что если заразить курицу сибирской язвой и держать её ноги в холодной воде, то у неё развивается заболевание (в обычных условиях куры невосприимчивы к сибирской язве). Развитие феномена обусловливало снижение температуры тела на 1-2 °С, то есть ни о каком исчерпывании питательной среды в организме речь идти не могла.
Фагоцитарная теория иммунитета. И. И. Мечников
В 1883 г. появилась теория иммунитета, опирающаяся на эволюционное учение Чарлза Дарвина и основанная на изучении пищеварения у животных, располагающихся на разных ступенях биологического развития. Автор новой теории, И. И. Мечников, обнаружил сходство внутриклеточного переваривания веществ у амёб, клеток энтодермы кишечнополостных и некоторых клеток мезенхимного происхождения (моноцитов крови, тканевых макрофагов). Мечников ввёл термин «фагоциты» от греч. phages, поедать, + kytos, клетка, а позднее предложил разделять их на микрофаги и макрофаги. Такому разделению способствовали и достижения П. Эрлиха, дифференцировавшего посредством окраски несколько типов лейкоцитов. В классических работах по сравнительной патологии воспаления И. И. Мечников доказал роль фагоцитирующих клеток в элиминации патогенов. В 1901 г. в Париже вышел его монументальный итоговый труд «Невосприимчивость в инфекционных болезнях».
Значительный вклад в распространение фагоцитарной теории внесли работы Э. Ру и учеников И. И. Мечникова (A.M. Безрёдка, И. Г. Савченко, Л. А. Тарасёвич, Ф. Я. Чистович, В. И. Исаев).
И. И. Мечников (1845―1916)
Выдающийся русский ученый. В 1882 г. на съезде русских естествоиспытателей и врачей Мечников произнес знаменитую речь «О защитных силах организма», в которой дал глубокое научное обоснование невосприимчивости организма к инфекционным болезням. Эта теория называется фагоцитарной теорией иммунитета. В основу формирования этой теории легли его наблюдения за внутриклеточным пищеварением у различных морских животных (медуз, губок, моллюсков и др.). Мечников открыл в теле этих животных особые, «блуждающие» клетки, которые встречают, захватывают и пожирают поступающие в организм все инородные тела, в том числе различные микробы. Он назвал, «блуждающие» клетки фагоцитами, т. е. клетками-пожирателями.
Мечников подчеркивал, что фагоциты защищают организм и в результате их активности вырабатывается невосприимчивость к инфекционным заболеваниям. Бессмертное учение о невосприимчивости организма и его биологическая теория иммунитета открыли новый этап в развитии медицины. За это открытие в 1908 г. И. И. Мечникову была присуждена Нобелевская премия.
Шарль Никколь образно назвал Мечникова «поэтом микробиологии», которому принадлежит заслуга в разработке учения об антагонизме микробов, ставшего теоретической основой для получения антибиотиков ―препаратов, применяемых для лечения ряда инфекционных болезней. Мечникову также принадлежат оригинальные исследования по экспериментальному сифилису и холере.
Мечников занимался изучением причин возникновения старости. Считая, что «старость есть болезнь, которую надо лечить», он указывал, что она развивается под влиянием хронической интоксикации организма, вызываемой продуктами жизнедеятельности представителей кишечной микрофлоры. К таким продуктам он относил индол, фенол, скатол. Для вытеснения гнилостных бактерий Мечников предложил пищевой рацион преимущественно из овощей, фруктов и кислого молока, в которых содержатся молочнокислые бактерии, являющиеся антагонистами гнилостных бактерий.
Имя И. И. Мечникова пользуется всенародным признанием. Советское правительство учредило золотую медаль и премию имени Мечникова, которая присуждается за лучшие работы в области биологии
Нельзя не отметить и работы М. М. Тереховского (1740-1796). С 1770 г. Тереховский около пяти лет работал за границей, в Страсбургском университете, который славился медицинской школой. Здесь Тереховский защитил докторскую диссертацию - свой главный научный труд. Диссертация называлась «Царство тьмы инфузорий Линнея». В ней была поставлена задача исследовать природу и пути возникновения микроскопических существ в различных настоях. На основании большого числа опытов ученый пришел к заключению, что «анималькули» - живые существа. Они гибнут от высоких температур, ядов и электрического тока. Самым главным заключением было положение о невозможности самозарождения «анималькулей», что противоречило взгляду многих ученых того времени. Тереховский писал, что известное положение Гарвея (1578-1651) - «все живое из яйца» - приобретает силу аксиомы.
По возвращении в Россию Тереховский работал в медицинских учебных заведениях. В 1782 г. он был утвержден в звании профессора Петербургского генерального сухопутного госпиталя и директора Ботанического сада (ныне Ботанический институт АН СССР).
В 1835 г. на основе накопившихся к этому времени фактов К. Эренберг выпустил книгу с весьма знаменательным заголовком: «Инфузории как совершенные организмы». Он разделил низшие существа на 22 класса. К книге прилагался атлас инфузорий, многие из которых были подробно описаны и названы по бинарной номенклатуре. Три класса включали в себя бактерии.
