Главная › Рождение ребенка › Микробиология. Микробиологические процессы Раздел биологии изучающий микробы и вирусы

Микробиология. Микробиологические процессы Раздел биологии изучающий микробы и вирусы

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 .

Экология микроорганизмов - наука, изучающая влияние факторов внешней среды на микроорганизмы, взаимоотношения микроорганизмов с другими микроорганизмами и роль микроорганизмов в экосистемах.

Прикладная микробиология и биотехнология микроорганизмов - наука о практическом применении микроорганизмов, производстве биологически активных веществ (антибиотиков, ферментов, аминокислот, низкомолекулярных регуляторных соединений, органических кислот) и биотоплива (биогазы, спирты) с помощью микроорганизмов, условиях образования и способы регуляции образования данных продуктов.

Современное состояние микробиологии

В современной М. имеется большое число фундаментальных и прикладных проблем, важных как для биологии, так и для решения специальных задач науки, практики и народного хозяйства. В результате научно-технического прогресса и все большего проникновения в разные микробиол, специальности методов общей М., привлечения методов исследования других наук (генетики, молекулярной биологии, биохимии, биофизики и др.) в развитии современной М. произошел качественный рост.

Одним из основных направлений М., успехи в к-ром позволят решить многие прикладные проблемы, является биология и генетика разных систематических групп микроорганизмов. В этой области с 60-х гг. 20 в. достигнуты огромные успехи. Актуальными и важными для решения многих вопросов М. остаются исследования ультраструктуры микроорганизмов в сочетании с изучением функциональной активности структур и органелл клеток, а также исследования в области биохимии и физиологии микроорганизмов - конструктивного и энергетического обмена, роста и деления клеток и генетической регуляции этих процессов, биохимического и генетического механизмов биосинтеза и дифференцировки структурных компонентов микроорганизмов. Возросло значение изучения роста и развития микробной популяции и закономерностей их промышленного культивирования, изучения вторичного метаболизма, прикладной генетики микроорганизмов.

В последние годы широкое развитие получило изучение внехромосомных факторов наследственности (см. Плазмиды). С плазмидами как наиболее удобными объектами были осуществлены первые эксперименты по генной инженерии (см.). Изучение плазмид имеет ряд фундаментальных и прикладных аспектов исследования. К ним можно отнести изучение молекулярной организации плазмид, их генетики, роли в функциональной активности микроорганизмов, в частности в биосинтетической активности и вторичном метаболизме. Проблема происхождения плазмид и их эволюции имеет общебиол. значение. В мед. отношении наиболее важным является изучение плазмид множественной лекарственной резистентности, закономерностей их распространения среди бактерий при селективных и неселективных условиях, а также плазмид, определяющих патогенные свойства бактерий, антигены клетки.

В медицинской М. важными проблемами, к-рые не могут быть изучены без глубокого понимания биологии и генетики микроорганизмов, являются проблемы инфекции, патогенности и вирулентности. В решении этих вопросов М. достигла значительных успехов, однако важным направлением исследований остается изучение свойств патогенных микроорганизмов, придающих им патогенность, генетики, вирулентности, строения токсинов и механизмов их действия, этапов взаимодействия бактерий с чувствительными тканями и клетками; важной является проблема персистенции возбудителей и бактерионосительства.

Одной из основных проблем медицинской М. остается проблема получения новых профилактических и диагностических препаратов, в связи с чем важным является изучение антигенной структуры микроорганизмов, изучение антигенов, их хим. строения, локализации и генетического регулирования. Все эти вопросы хорошо изучены только у нек-рых видов патогенных и условно-патогенных микроорганизмов. Для получения новых профилактических препаратов, в частности живых вакцин, требуется изучение различных методов аттенуации (ослабление вирулентности), в т. ч. использование методов генной инженерии.

Наряду с этим отмечается тенденция все более широкого и более глубокого изучения и получения хим. и молекулярных вакцин. Современная М. достигла такого уровня, что эмпирический подход к конструированию вакцин и вакцинных штаммов сменился научно обоснованным, вытекающим из всего комплекса знаний о микробиологии и генетике патогенных микроорганизмов. Изучение иммуногенности микроорганизмов и их отдельных компонентов тесно связано с иммунохимией (см.) и иммунологией (см.).

Происходит дальнейшее изучение свойств патогенных и условно-патогенных микроорганизмов, изучение биол, и генетических закономерностей смены возбудителей при ряде инфекционных болезней, разработка новых методов идентификации микроорганизмов, в т. ч. ускоренных методов.

Важной является проблема нормальной микрофлоры человека (см.), ее роли в норме и патологии. В этой связи особое значение приобрела проблема условно-патогенных микроорганизмов, приобретения ими лекарственной резистентности и возникновения внутрибольничных инфекций.

Продолжают развиваться исследования в области бактериофагии (см. Бактериофаг). Значительно расширилась возможность использования фагов для идентификации бактерий. Продолжение исследований в этом направлении является важным и необходимым. Также важным для изучения многих фундаментальных вопросов биологии микроорганизмов и для решения ряда прикладных задач является продолжение исследований в области фаговой конверсии (см.). Не потеряла своей актуальности проблема использования фага для лечения, особенно на фоне возросшего числа антибиотикорезистентных бактерий, и для профилактики нек-рых инф. болезней.

Большой и важной проблемой современной М. является проблема систематики и номенклатуры микроорганизмов.

Научно-исследовательская работа в СССР в области М. проводится в НИИ и на кафедрах М. ун-тов, медицинских, ветеринарных, сельскохозяйственных и нек-рых других ин-тов.

Первые научные исследования в России проводились в Харьковском бактериологическом ин-те (основан в 1887 г.), Ин-те экспериментальной медицины в Петербурге (основан в 1890 г.), Московском бактериологическом ин-те (основан в 1895 г.), бактериол. ин-тах в Одессе, Томске, Казани и др. После Великой Октябрьской социалистической революции была создана мощная сеть научно-исследовательских, производственных и практических микробиол. учреждений. Наиболее крупными из них являются: Ин-т микробиологии АН СССР, Ин-т эпидемиологии и микробиологии им.

Н. Ф. Гамалеи АМН СССР, Ин-т биохимии и физиологии микроорганизмов АН СССР, Ин-т вакцин и сывороток им. И. И. Мечникова М3 СССР, Ин-т стандартизации и контроля медицинских биологических препаратов им. Л. А. Тарасевича, Центральный НИИ эпидемиологии М3 СССР, Ин-т вирусологии и микробиологии АН УССР, Белорусский ин-т эпидемиологии и микробиологии, Московский и Горьковский ин-ты эпидемиологии и микробиологии М3 РСФСР. Исследования по М. проводятся также в Ин-те инфекционных болезней М3 УССР, Ин-те экспериментальной медицины АМН СССР, ин-тах ВАСХНИЛ и др. Исследования по особо опасным инфекциям проводятся в противочумных ин-тах М3 СССР.

Первый ин-т по М. был организован в Париже в 1888 г. (Пастеровский ин-т) и назван в честь Л. Пастера; затем подобные ин-ты были созданы в Берлине, Лондоне и др. Исследования по М. проводятся в ун-тах, колледжах, мед. школах при ун-тах, а также в ин-тах и центрах, наиболее крупными из к-рых являются: Institut Pasteur (Париж); National Institute for Medical Research (Лондон); National Institute of Health (Токио); National Institute of Health (Бетесда, США); National Institute of Allergy and Infections Diseases (Бетесда, США); Carnegi Institution (Вашингтон, США); Center for Disease Control (Атланта, США); State Serum Institute (Хельсинки); Institute of Fundamental Research (Бомбей, Индия) н др.

В системе высшего мед. образования преподавание М. занимает видное место и проводится кафедрами М. на 2-3-м курсах, при этом преподается бактериология, вирусология, иммунология, основы микологии и протозоологии по программе, утвержденной М3 СССР. Преподавание разделяется на общую М. и частную медицинскую М. и состоит из лекционного курса и практических лаб. занятий. Специалистов по М. готовят в ин-тах усовершенствования врачей и в аспирантуре.

Результаты научных исследований по М. публикуются во многих журналах, основные из* них: «Доклады АН СССР» (СССР), «Микробиология» (СССР), «Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии» (СССР), «Бюллетень экспериментальной биологии и медицины» (СССР), «Антибиотики» (СССР), «Прикладная биохимия и микробиология» (СССР), «Journal of General Microbiology» (Великобритания), «Journal of Medical Microbiology» (Великобритания), «Acta pathologica et microbiologica Scandinavian, Seria B. Microbiology» (Дания), «Acta microbiologica» (Польша), «Journal of Bacteriology» (США), «International Journal of Systematic Bacteriology» (США), «Infection and Immunity» (США), «Journal of Infection Diseases» (США), «Microbiology» (ФРГ), «Infektion» (ФРГ), «Current topics in Microbiology and Immunology» (ФРГ), «Annales de Microbiologie» (Франция), «Журнал гигиены, эпидемиологии, микробиологии и иммунологии», «Folia microbiologica» (Чехословакия), «Journal of General and Applied Microbiology» (Япония), «Zentralblatt fur Bacteriologie, Parasitenkunde Infektionskrankheiten und Hygiene, Ab-teilung 2» (ГДР), «Canadian Journal of Microbiology» (Канада), «Antonie van Leeuwenhoek Journal of Microbiology and Serology» (Нидерланды).

В истории медицинской М. в СССР важная роль принадлежала съездам микробиологов, эпидемиологов и инфекционистов, на к-рых обсуждались актуальные вопросы микробиологии, эпидемиологии и инф. патологии.

В 1972 г. специалисты по инф. болезням выделились в самостоятельное об-во.

Санитарная микробиология изучает жизнедеятельность микроорганизмов в окружающей среде, их влияние на естественные процессы, протекающие в этой среде, а также возможность благоприятного или отрицательного их влияния на окружающую среду и здоровье человека.

Санитарная М. близка к медицинской и ветеринарной М., так как изучает те же объекты, однако отличается подходом к их изучению. Ведущими методами исследования санитарной М. является определение микробной обсемененности, санитарно-показательных и патогенных микроорганизмов в объектах окружающей среды.

Основными задачами санитарной М. являются: 1) разработка и совершенствование микробиол, и вирусол, методов исследований объектов окружающей среды - воды, воздуха, почвы, пищевых продуктов, предметов обихода и т. д.; 2) изучение источников загрязнения окружающей среды разнообразной микрофлорой, представляющей опасность для человека или вносящей заметные изменения в объекты окружающей среды; 3) изучение жизнедеятельности микрофлоры в окружающей среде, особенно в условиях ее хим. и биол, загрязнения; 4) разработка нормативов для гиг. оценки объектов окружающей среды, в т. ч. пищевых продуктов, по микробиол, показателям; 5) разработка мероприятий по оздоровлению объектов окружающей среды и контроль за эффективностью этих мероприятий, включая контроль за качеством водоснабжения, работой предприятий пищевой промышленности и общественного питания, эффективностью обеззараживания сточных вод, отбросов и т. д.

Санитарная М. относится к числу молодых наук. Ее развитие тесно связано с потребностями человеческого об-ва. Формирование санитарной М. происходило прежде всего в нашей стране начиная с 30-х гг. и тесно связано с именами А. А. Миллера, И. Е. Минкевича, Г. Н. Чистовича, Г. П. Калины и др., опубликовавших первые в мире учебные пособия и ряд крупных монографий по санитарной М.

Лаборатории санитарной М. созданы в составе ряда НИИ. Большой вклад в развитие санитарной М. вносят соответствующие лаборатории Ин-та общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина АМН СССР, Московского НИИ гигиены им. Ф. Ф. Эрисмана М3 РСФСР, Ин-та питания АМН СССР, Киевского НИИ общей и коммунальной гигиены им.

А. Н. Марзеева М3 УССР, Куйбышевского НИИ гигиены и профзаболеваний, Молдавского ин-та гигиены и эпидемиологии, кафедр микробиологии Ленинградского санитарно-гигиенического медицинского ин-та и ряда кафедр других мед. ин-тов.

Создана и активно функционирует сеть санитарно-микробиологических лабораторий при СЭС, осуществляющих контроль за выполнением рекомендаций и нормативов в области профилактической службы страны.

Отдельные аспекты вопросов, относящихся к сфере санитарной М., преподаются в составе ряда дисциплин, таких как микробиология, коммунальная гигиена и гигиена питания и др.

В 1963 г. по инициативе акад. АМН Г. И. Сидоренко была организована первая в СССР секция сан. микробиологов при Московском городском отделении Всесоюзного научного об-ва гигиенистов и санитарных врачей. В 1973 г. создана секция санитарной М. при Всесоюзной проблемной комиссии «Научные основы гигиены окружающей среды», а в 1979 г.- секция санитарной М. при Всесоюзной проблемной комиссии «Научные основы питания».

В СССР проведено 7 всесоюзных и ряд республиканских конференций по санитарной М. Статьи по вопросам, входящим в компетенцию санитарной микробиологии, регулярно публикуются в журналах «Гигиена и санитария», «Вопросы питания», «Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии» и ряде других периодических медицинских изданий.

Радиационная микробиология - раздел микробиологии, изучающий влияние ионизирующих излучений на микроорганизмы. Радиационная микробиология охватывает следующий круг вопросов: механизм действия ионизирующих излучений (см.) на микроорганизмы, морфол, и биохим, изменения микроорганизмов при облучении, генетические изменения (см. Радиационная генетика), радиочувствительность микроорганизмов, бактерицидные действия радиации (см. Бактерицидность), действие радиации на антигенные и иммуногенные свойства микроорганизмов, защиту микроорганизмов от воздействия ионизирующей радиации.

Бактерии были одним из первых объектов, на к-рых изучалось действие ионизирующих излучений на живой организм. В 1896 г. появилось первое сообщение о влиянии рентгеновского излучения на возбудителей брюшного тифа, а в 1901 г. был описан бактерицидный эффект рентгеновского излучения. С этого времени началось изучение действия ионизирующих излучений на микроорганизмы. Радиационная микробиология уделяет большое внимание вопросам чувствительности микроорганизмов к ионизирующим излучениям. Микроорганизмы отличаются низкой радиочувствительностью по сравнению с животными и растениями. Средние летальные дозы для микроорганизмов превышают таковые для животных на 1-3 порядка, а бактерицидный эффект для большинства бактерий достигается только при дозах порядка 1-2 мрад. Среди микроорганизмов наиболее чувствительны к ионизирующим излучениям бактерии, затем следуют грибки, споры бактерий, вирусы. Генотипические и другие биол, особенности микроорганизмов определяют различную чувствительность их к ионизирующим излучениям. Так, напр., радиочувствительность бактерий значительно варьирует внутри одного вида, штамма и популяции бактериальных клеток. Грамположительные бактерии менее чувствительны к излучению, чем грамотрицательные. Радиочувствительность спор бактерий варьирует в меньшей степени, чем радиочувствительность бактерий, не образующих спор. Бактерицидный эффект ионизирующего излучения при воздействии на споры проявляется при облучении в дозах 1,5-2,5 мрад. Однако среди неспорогенных видов обнаружены бактерии, значительно более устойчивые к облучению, чем споры, напр. Streptococcus t"aecium А 2 1. Высушенная культура этих бактерий полностью не убивалась в дозе 4,5 мрад [Кристенсен (Е. А. Christensen), 1973]. Примером высокой радиорезистентности могут служить бактерии рода Pseudomonas, выделенные из атомного реактора в лаборатории в Лос-Аламосе (США). Предполагают, что высокая радиорезистентность выделенных бактерий была либо следствием мутагенного действия радиации, либо радиация явилась фактором селекции наиболее радиорезистентных особей популяции [Торнли, Ингрем, Барнс (М. J. Thornley, М. Ingram, E. М. Barns), 1960].

Повышение радиорезистентности различных видов микроорганизмов может быть достигнуто при постоянном воздействии ионизирующего излучения в сравнительно небольших дозах, напр, у парамеций, выделенных из радиоактивных водоемов, или у бактерий, выделенных из источников радиоактивных минеральных вод, у высокочувствительных к радиации представителей сем. Enterobacteriaceae при многократном облучении в суббактерицидных дозах.

Бактериальная клетка неоднородна по своей радиочувствительности. Ядерный аппарат более чувствителен к ионизирующим излучениям, чем цитоплазма или клеточная оболочка, процессы фосфорилирования более чувствительны, чем весь процесс дыхания клетки и т. д. На радиочувствительность микроорганизмов влияют условия облучения, напр, мощность дозы излучения, температура во время облучения и после него, наличие радиопротекторов, облучение микроорганизмов во влажной среде или в высушенном виде, концентрация и фаза роста микроорганизмов, состав питательной среды и др.

Широкое развитие радиационной М. в СССР началось в 20-х гг. работами Г. А. Надсона и Г. С. Филиппова по действию ионизирующего излучения на грибки и бактерии (Г. А. Надсон, 1920, 1935; Г. А. Надсон, Г. С. Филиппов, 1925). В этот период было накоплено много фактов об изменениях, возникающих в клетке под влиянием ультрафиолетового и ионизирующего излучений. Наиболее важными были данные о мутагенном и бактерицидном действии излучений. Работы Г. А. Надсона и Г. С. Филиппова о мутагенном эффекте ионизирующих излучений положили начало учению о радиационной генетике микроорганизмов, к-рое вошло как часть в радиационную генетику и в общую генетику микроорганизмов.

Ионизирующие излучения в зависимости от дозы могут оказывать бактерицидное действие, мутагенный эффект и изменять свойства микроорганизмов. Изменения свойств могут быть стойкими и сохраняться в последующих поколениях (наследственные изменения) или исчезающими при культивировании облученных микроорганизмов.

Функциональные и морфологические изменения микроорганизмов, возникающие под влиянием УФ- и ионизирующих излучений, многообразны. Подавляется функция деления клеток, что при продолжающемся росте клеток приводит к образованию удлиненных нитевидных форм, а при облучении кокков - к образованию длинных цепочек. Изменяются размеры клеток и без подавления функции деления. Эти изменения приводят к замедлению роста колоний, изменению их формы и величины, образованию окрашенных колоний складчатой формы или слизистого типа. При действии на бактерии и амебы излучения вызывают дегенеративные изменения в ядре: его гипертрофию, вакуолизацию, разбухание, пикноз и фрагментоз ядер. Изменения ядерного аппарата в большинстве случаев приводят к гибели клетки. Если клетка продолжает существовать, то многие ее свойства существенно изменяются. Напр., изменяются тинкториальные свойства, приобретается способность к пигментообразовании), изменяется способность расщеплять углеводы, изменяется чувствительность к антибиотикам, антигенная структура клеток, что влияет на способность агглютинироваться специфическими антисыворотками. Под влиянием УФ- и ионизирующих излучений могут возникать мутационные и не связанные с мутациями изменения вирулентности микроорганизмов и их способности образовывать токсины. В обоих случаях изменения приводят к снижению вирулентности и способности к токсинообразованию.

Установлено, что изменения свойств и способности клетки противостоять большим дозам радиации - радиорезистентности - в значительной мере связаны с лучевыми повреждениями ДНК. Обнаружена способность бактериальной клетки репарировать лучевые повреждения ДНК, что является одним из основных факторов, определяющих радиорезистентность бактерий. Способность к репарации лучевых повреждений у бактерий связана с особенностями генетического аппарата клетки, и поэтому высокая радиорезистентность является признаком, закрепленным наследственно. Однако условия облучения и другие факторы могут существенно изменить степень биол, действия радиации на бактерии и повысить или снизить дозу излучения, необходимую для достижения бактерицидного эффекта.

Бактерицидный эффект ионизирующих излучений широко используется в СССР и за рубежом для стерилизации в медицине и медицинской промышленности (см. Стерилизация).

Становление радиационной М. как самостоятельного раздела М. связано с именами М. Н. Мейселя, В. Л. Троицкого, А. И. Алиханяна, В. Л. Корогодина, 3. Г. Першиной, А. Г. Скавронской и др. За рубежом эта область знаний обязана работам Игали (S. Igali) в ВНР, Д. Ли и Говард-Фландерс (P. Howard-Flanders) в США, Уиткин и Альпер (E. Witkin, Т. Alper) в Англии, Кристенсена (Е.А. Christensen) в Дании. Работы по радиационной М. получили развитие в Ин-те микробиологии и в Ин-те биофизики АН СССР, Ин-те атомной энергии им. И. В. Курчатова, в Ин-те эпидемиологии и микробиологии АМН СССР.

Работы по радиационной М. публикуются в журналах «Радиобиология», «Микробиология», «Биофизика», «Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии», «Radiationreserch», «J. Bakteriology», «Molecular General Geneticks» и др.

Программы международных конгрессов и съездов микробиологов, радиобиологов, генетиков включают материалы и по радиационной М. Об-ва микробиологов и биохимиков в СССР посвящают свои отдельные заседания вопросам радиационной М.

Библиография: Авакян А. А., Кац Л. Н. и Павлова И. Б. Атлас анатомии бактерий, патогенных для человека и животных, М., 1972, библиогр.; Б а г д а с а-рьян Г. А. и др. Основы санитарной вирусологии, М., 1977, библиогр.; Г а-з и e в А. И. Молекулярные механизмы репарации однонитевых разрывов ДНК, индуцируемых у-радиацией, в кн.: Биофизика сложных систем и радиационных нарушений, под ред. E. М. Франка, с. 150, М., 1977; Гершанович В. Н. Биохимические и генетические основы переноса углеводородов в бактериальную клетку, М., 1973, библиогр.; Калакуц-с к и й Л. В. и А г р e H. С. Развитие актиномицетов, М., 19 77, библиогр.; К о-р о т я e в А. И. Механизмы саморегуляции бактериальной клетки, М., 1973, библиогр.; К у д л а й Д. Г. Внехромо-сомные факторы наследственности бактерий и их значение в инфекционной патологии, М., 1977, библиогр.; Методы санитарно-микробиологического исследования объектов окружающей среды, под ред. Г. И. Сидоренко, М., 1978; Многотомное руководство по микробиологии, клинике и эпидемиологии инфекционных болезней, под ред. H. Н. Жукова-Вережникова, т. 1-10, М., 1962-1968; Молекулярная микробиология, пер. с англ., под ред. Б. Н. Ильяшенко, М., 1977; Молекулярные основы действия антибиотиков, пер. с англ., под ред. Г. Ф. Гаузе, М., 1975; Петровская В. Г. Проблема вирулентности бактерий, Л., 1967, библиогр.; Петровская В. Г. и Марко О. П. Микрофлора человека в норме и патологии, М., 1976; Пешков М. А. Сравнительная цитология синезеленых водорослей, бактерий, актиномицетов, М., 1966; ПяткинК. Д. и Криво-шеин Ю. С. Микробиология, М., 1980; Роуз Э. Химическая микробиология, пер. с англ., М., 1971; Санитарная микробиология, под ред. Г. П. Калины и Г. Н. Чистовича, М., 1969; T e ц В. И. Санитарная микробиология, Л., 1958, библиогр.; Туманян М. А. и Кау-шанский Д. А. Радиационная стерилизация, М., 1974; Шлегель Г. Общая микробиология, пер. с нем., М., 1972; Bergey’s manual of determinative bacteriology, ed. by R. E. Buchanan a. N. E. Gibbons, Baltimore, 1975; Microbiology - 1974, ed. by D. Schlessinger, Washington, 1974, bibliogr.; Microbiology - 1975, ed. by D. Schlessinger, Washington, 1975, bibliogr.; Schlegel H. G. Allgemeine Mikrobiologie, Stuttgart, 1976.

Периодические издания - Антибиотики, М., с 1956; Биология, Реферативный журнал, в. 2 - Вирусология, Микробиология, М., с 1954; Журнал гигиены, эпидемиологии, микробиологии и иммунологии, Прага, с 1957; Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунологии (1924-1929 - Журнал микробиологии, патологии и инфекционных болезней, 1930 -1934 - Журнал микробиологии и иммунобиологии), М., с 1935; Микробиология, М., 1932-1979; Acta patho-logica et microbiologica Scandinavica, K0benhavn, с 1924; Annales de Microbiolo-gie, P., с 1973 (Annales de l’lnstitut Pasteur, P., 1887 -1972); Annual Review of Microbiology, Palo Alto,с 1947; Archivfiir Mikrobiologie, В., с 1930; Journal of Bacteriology, Baltimore, с 1916; Journal of General Microbiology, L., с 1947; Microbiological Reviews, L., с 1978 (Bacteriological Reviews, Baltimore, 1937 - 1977); Zentralblatt fur Bakteriologie, Parasitenkunde, Infektions-krankheiten und Hygiene. I. Abt. Medi-zinisch-hygienische Virusforschung und Parasitologie, Originale, Jena, с. 1887.

В. С. Левашев; Ю. П. Пивоваров (сан. микр.), М. А. Туманян (рад. микр.).

Окружающее нас богатство животного и растительного мира поражает воображение, однако гораздо больше видов живых существ остаётся скрытыми от нашего взгляда по причине их чрезвычайно малых размеров.

Тем не менее, они требуют самого пристального изучения, и этим занимается одно из важнейших направлений биологических наук, получившее название микробиологии.

Микробиология – что это за наука?

Каждого из нас окружает невероятно огромное количество микроорганизмов. Их можно встретить в каждой капле воды, которую мы пьём, в каждом глотке вдыхаемого . Более того, человеческий организм не мог бы нормально функционировать, если бы в нём не обитали полезные микроорганизмы-симбионты.

Изучением всех микроскопических организмов занимается наука, получившая название микробиология. Слово образовано от греческих «микрос» — маленький , «биос» — жизнь и «логос» — слово, учение , и в целом означает учение о жизни маленьких существ.

История микробиологии

Ещё в глубокой древности люди подозревали о существовании невидимых глазу живых организмов, вызывающих болезни. Так, древнегреческий учёный и медик Гиппократ высказал это предположение в одном из своих трудов. Но вплотную заняться их изучением человечество получило возможность лишь после того, как голландский оптик ван Левенгук в XVI веке создал и своими глазами увидел бактерии в капле воды.

Впрочем, многие представители учёного сословия отрицали существование болезнетворных микроорганизмов в течение нескольких веков после изобретения Левенгука. Наиболее известным стал поступок врача М. Петтенкофера, который, отрицая существование холерных вибрионов, выпил культуру этих микроорганизмов на глазах у своих оппонентов и не заболел после этого холерой. Впрочем, несмотря на отчаянное сопротивление ортодоксов, микробиология развивалась, учёные накапливали материалы наблюдений и совершали открытия.

По мере роста возможностей оптики возрастали и научные знания о мире микроорганизмов. Наибольшее число фундаментальных открытий пришлось на конец XIX – начало ХХ века, когда появились работы Роберта Коха, Луи Пастера, С. Виноградского, Х. Грама, И. Мечникова и многих других учёных. Современная микробиология во многом базируется на открытиях, сделанных в тот период.

Что и как изучают микробиологи?

Основной целью микробиологии является изучение всех видов микроскопических организмов, их свойств и биологических признаков, а также их воздействия на окружающую природу, организмы людей, животных и растений.

Особый интерес учёных вызывают патогенные и болезнетворные микроорганизмы, так как необходимо знать, чем их существование угрожает людям и как можно предупреждать и лечить инфекционные болезни, вызываемые этими микроорганизмами. Для микробиологических исследований в настоящее время используются следующие методы:

микроскопический, т.е. изучение при помощи микроскопа, который, в свою очередь, подразделяется на фазово-контрастный, темнопольный и флуоресцентный способы, а также с использованием электронной микроскопии;
культуральный, т.е. выращивание культур микроорганизмов на чистых питательных средах с последующим изучением воздействий на культуры различных веществ и условий среды;
биологический, который заключается в заражении микроорганизмами лабораторных животных и последующем изучении болезнетворного процесса;
генетический, состоящий в изучении белковых ДНК и РНК молекул, ПЦР и других подобных исследованиях.

При исследованиях, как правило, используются разные методы, так как только их совокупность зачастую позволяет полно и всесторонне изучить ту или иную культуру микроорганизмов.

Для чего нужна микробиология?

С накоплением объёма знаний в микробиологии начали выделяться различные направления исследований. Сегодня их результаты находят применение в самых разных сферах деятельности:

во многих отраслях медицины – для предупреждения и лечения инфекций, создания новых лекарственных препаратов и лечебных методов;
в промышленной сфере – для синтеза различных органических и неорганических соединений, извлечения металлов из руд и т.д.;
в сельском хозяйстве – для улучшения и синтеза органических удобрений, для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур и т.д.;
в ветеринарии – для предупреждения и лечения заболеваний животных, создания лекарств;
в пищевой промышленности – для разработки новых пищевых технологий, предупреждения порчи продуктов и увеличения сроков их хранения.

Микробиология – одна из наиболее бурно развивающихся сегодня наук, которая открывает грандиозные перспективы применения биотехнологий в самых разных отраслях деятельности.

Страница 33 из 36

Микробиология

Микробиология – это наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли), их систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, их распространение и роль в круговороте веществ в природе, а также их практическое значение.

Возникновение и развитие микробиологии. Начало микробиологии связывают с именем голландского исследователя А. Левенгука (1632-1723), который впервые увидел бактерии и дрожжи, рассматривая с помощью изготовленных им микроскопов зубной налёт, растительные настои, пиво и т.д. Однако подлинным творцом микробиологии как науки был Л. Пастер, выяснив-ший роль микроорганизмов в брожении (виноделие, пивоварение) и в возникновении болезней животных и человека. Исключительное значение для борьбы с заразными болезнями имел предложенный Пастером метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов. Задолго до открытия вирусов Пастер предложил прививки против вирусной болезни - бешенства. Работы Пастера послужили научной основой стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов, приготовления консервов, пастеризации пищевых продуктов и т.д. Идеи Пастера о роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе были развиты основоположником общей микробиологии в России С.Н. Виноградским, открывшим хемоавто-трофные микроорганизмы, которые усваивают углекислый газ атмосферы за счет энергии окисления неорганических веществ, и бактерии, разлагающие целлюлозу в аэробных условиях.
В развитии медицинской микробиологии важная роль принадлежит Р. Коху, открывшему возбудителей туберкулеза и холеры и предложившему плотные питательные среды для выращивания микроорганизмов. Существенный вклад в развитие медицинской микробиологии и иммунологии внесли Э. Беринг (Германия), Э. Ру (Франция), С. Китазато (Япония), а в России и СССР – И.И. Мечников, Л.А. Тарасевич, Д.К. Заболотный, Н.Ф. Гамалея.

Развитие микробиологии и потребности практики привели к обособлению ряда разделов микробиологии в самостоятельные научные дисциплины, в частности, такие как:

1. Общая микробиология, которая изучает фундаментальные закономерности биологии микроорганизмов.

2. Техническая, или промышленная микробиология, задачей которой является изучение и осуществление микробиологических процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений, а также получение путем микробиологического син-теза антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т.п.

3. Сельскохозяйственная микробиология, которая выясняет состав почвенной микрофлоры, её роль в круговороте веществ в почве, а также её значение для структуры и плодородия почвы, влияние обработки на микробиологические процессы в ней, действие бактериальных препаратов на урожайность растений. В ее задачу входят также изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, и борьба с ними, разработка микробиологических способов борьбы с насекомыми - вредителями, методов консервирования кормов, мочки льна, предохранения урожая от порчи, вызываемой микроорганизмами.

4. Геологическая микробиология, объектом изучения которой является роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Результатом прикладных исследований в этой области являются методы получения (выщелачи-вания) из руд металлов (медь, германий, уран, олово) и др. ископаемых с помощью бактерий.

5. Водная микробиология изучающая количественный и качественный состав микрофлоры соленых и пресных вод и ее роль в биохимических процессах, протекающих в водоемах, осуществляет контроль за качеством питьевой воды, совершенствует микробиологические методы очистки сточных вод.

6. Медицинская микробиология, которая исследует микроорганизмы, вызывающие заболева-ния человека, и разрабатывает эффективные методы борьбы с ними.

Следует отметить, что если ранее к объектам изучения микробиологии относили также и вирусы, то в настоящее время своеобразие строения и размножения вирусов, а также применение специальных методов их исследования привели к возникновению вирусологии как самостоятельной науки, не относящейся к микробиологии. В наши дни микробиология бурно развивается. Существуют три основных причины такого развития:

– благодаря успехам физики, химии и техники микробиология получила большое число новых методов исследования;

– начиная с 40-х гг. XX в. резко возросло практическое применение микроорганизмов;

– микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ и др.

Успешное развитие современной микробиологии невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органном и молекулярном уровнях. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроско-пической техники. Так, в СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.

Для изучения обмена веществ и химического состава микроорганизмов получили распространение различные методы физико-химической биологии: хроматография, масс-спектрометрия, метод изотопных индикаторов, электрофорез. С помощью электронного микрос-копа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).

Широкое распространение получило непрерывное культивирование микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие куль-туры, т.е. возрастные изменения у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся измене-нием их физиологии. Примером может служить тот факт, что молодые клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми культурами. Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов дали возможность расшифровать особенности их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.

Практическое значение микробиологии. В настоящее время весьма велика роль прикладных исследований в области микробиологии. Еще в глубокой древности, за несколько тысяч лет до возникновения микробиологии как науки человек, не зная о существовании микроорганизмов, широко применял их для приготовления кумыса и др. кисломолочных продуктов, получения вина, пива, уксуса, при силосовании кормов, мочке льна. Микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Особенно важна способность микроорганизмов минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины XIX в. до 40-х гг. XX в. техническая микробиология в основном изучала различные брожения, а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40х гг. быстро развиваются новые направления технической микробиологии, которые связаны с появлением нового поколения оборудования и аппаратуры. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена.

Одним из первых возникло и развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан
и др.), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на непищевом сырье (сульфитные щелока, гидролизаты древесины, торфа и сельскохозяйственные растительные отходы, углеводороды нефти и природного газа, фенольные или крахмалсодержащие сточные воды и т.д.). Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов. Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений, в частности, нитрагина, приго-товляемого из культур клубеньковых бактерий, фиксирующих азот в условиях симбиоза с бобовыми растениями, и применяемого для заражения семян бобовых культур. Новое направление сельскохозяйственной микробиологии связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками - вредителями сельскохозяйственных растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов. Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных. Известно, что деление микроорганизмов на полезные и вредные условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых она проявляется. Так, разложение целлюлозы микроорганизмами важно и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте (животные и человек не способны усваивать целлюлозу без её предварительного гидролиза микробным ферментом целлюлозой). В то же время эти же микроорганизмы разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги, хлопчатобумажные ткани и т.д. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний. Микроорганизмы используются, когда возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов, в почве. Велика роль микроорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).

Оглавление
Живые системы.
Дидактический план
Специфика и системность живого
Основные свойства живых систем
Уровни организации живых систем
Биохимические основы жизни
Становление клеточной теории
Строение и размножение клеток
Типы клеток и организмов

№ 60 Классы иммуноглобулинов, их характеристика.

Иммуноглобулины по структуре, антигенным и иммунобиологическим свойствам разделяются на пять классов: IgM, IgG, IgA, IgE, IgD.

Иммуноглобулин класса G . Изотип G составляет основную массу Ig сыворотки крови. На его долю приходится 70-80 % всех сывороточных Ig, при этом 50 % содержится в тканевой жидкости. Среднее содержание IgG в сыворотке крови здорового взрослого человека 12 г/л. Период полураспада IgG - 21 день.

IgG - мономер, имеет 2 антигенсвязывающих центра (может одновременно связать 2 молекулы антигена, следовательно, его валентность равна 2), молекулярную массу около 160 кДа и константу седиментации 7S. Различают подтипы Gl, G2, G3 и G4. Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами и плазматическими клетками. Хорошо определяется в сыворотке крови на пике первичного и при вторичном иммунном ответе.

Обладает высокой аффинностью. IgGl и IgG3 связывают комплемент, причем G3 активнее, чем Gl. IgG4, подобно IgE, обладает цитофильностью (тропностью, или сродством, к тучным клеткам и базофилам) и участвует в развитии аллергической реакции I типа. В иммунодиагностических реакциях IgG может проявлять себя как неполное антитело.

Легко проходит через плацентарный барьер и обеспечивает гуморальный иммунитет новорожденного в первые 3-4 месяца жизни. Способен также выделяться в секрет слизистых, в том числе в молоко путем диффузии.

IgG обеспечивает нейтрализацию, опсонизацию и маркирование антигена, осуществляет запуск комплемент-опосредованного цитолиза и антителозависимой клеточно-опосредованной цитотоксичности.

Иммуноглобулин класса М. Наиболее крупная молекула из всех Ig. Это пентамер, который имеет 10 антигенсвязывающих центров, т. е. его валентность равна 10. Молекулярная масса его около 900 кДа, константа седиментации 19S. Различают подтипы Ml и М2. Тяжелые цепи молекулы IgM в отличие от других изотипов построены из 5 доменов. Период полураспада IgM - 5 дней.

На его долю приходится около 5-10 % всех сывороточных Ig. Среднее содержание IgM в сыворотке крови здорового взрослого человека составляет около 1 г/л. Этот уровень у человека достигается уже к 2-4-летнему возрасту.

IgM филогенетически - наиболее древний иммуноглобулин. Синтезируется предшественниками и зрелыми В-лимфоцитами. Образуется в начале первичного иммунного ответа, также первым начинает синтезироваться в организме новорожденного - определяется уже на 20-й неделе внутриутробного развития.

Обладает высокой авидностью, наиболее эффективный активатор комплемента по классическому пути. Участвует в формировании сывороточного и секреторного гуморального иммунитета. Являясь полимерной молекулой, содержащей J-цепь, может образовывать секреторную форму и выделяться в секрет слизистых, в том числе в молоко. Большая часть нормальных антител и изоагглютининов относится к IgM.

Не проходит через плаценту. Обнаружение специфических антител изотипа М в сыворотке крови новорожденного указывает на бывшую внутриутробную инфекцию или дефект плаценты.

IgM обеспечивает нейтрализацию, опсонизацию и маркирование антигена, осуществляет запуск комплемент-опосредованного цитолиза и антителозависимой клеточно-опосредованной цитотоксичности.

Иммуноглобулин класса А. Существует в сывороточной и секреторной формах. Около 60 % всех IgA содержится в секретах слизистых.

Сывороточный IgA : На его долю приходится около 10-15% всех сывороточных Ig. В сыворотке крови здорового взрослого человека содержится около 2,5 г/л IgA, максимум достигается к 10-летнему возрасту. Период полураспада IgA - 6 дней.

IgA - мономер, имеет 2 антигенсвязывающих центра (т. е. 2-валентный), молекулярную массу около 170 кДа и константу седиментации 7S. Различают подтипы А1 и А2. Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами и плазматическими клетками. Хорошо определяется в сыворотке крови на пике первичного и при вторичном иммунном ответе.

Обладает высокой аффинностью. Может быть неполным антителом. Не связывает комплемент. Не проходит через плацентарный барьер.

IgA обеспечивает нейтрализацию, опсони-зацию и маркирование антигена, осуществляет запуск антителозависимой клеточно-опос-редованной цитотоксичности.

Секреторный IgA : В отличие от сывороточного, секреторный sIgA существует в полимерной форме в виде ди- или тримера (4- или 6-валентный) и содержит J- и S-пeптиды. Молекулярная масса 350 кДа и выше, константа седиментации 13S и выше.

Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами и их потомками - плазматическими клетками соответствующей специализации только в пределах слизистых и выделяется в их секреты. Объем продукции может достигать 5 г в сутки. Пул slgA считается самым многочисленным в организме - его количество превышает суммарное содержание IgM и IgG. В сыворотке крови не обнаруживается.

Секреторная форма IgA - основной фактор специфического гуморального местного иммунитета слизистых оболочек желудочно-кишечного тракта, мочеполовой системы и респираторного тракта. Благодаря S-цепи он устойчив к действию протеаз. slgA не активирует комплемент, но эффективно связывается с антигенами и нейтрализует их. Он препятствует адгезии микробов на эпителиальных клетках и генерализации инфекции в пределах слизистых.

Иммуноглобулин класса Е. Называют также реагином. Содержание в сыворотке крови крайне невысоко - примерно 0,00025 г/л. Обнаружение требует применения специальных высокочувствительных методов диагностики. Молекулярная масса - около 190 кДа, константа седиментации - примерно 8S, мономер. На его долю приходится около 0,002 % всех циркулирующих Ig. Этот уровень достигается к 10-15 годам жизни.

Синтезируется зрелыми В-лимфоцитами и плазматическими клетками преимущественно в лимфоидной ткани бронхолегочного дерева и ЖКТ.

Не связывает комплемент. Не проходит через плацентарный барьер. Обладает выраженной цитофильностью - тропностью к тучным клеткам и базофилам. Участвует в развитии гиперчувствительности немедленного типа - реакция I типа.

Иммуноглобулин класса D . Сведений об Ig данного изотипа не так много. Практически полностью содержится в сыворотке крови в концентрации около 0,03 г/л (около 0,2 % от общего числа циркулирующих Ig). IgD имеет молекулярную массу 160 кДа и константу седиментации 7S, мономер.

Не связывает комплемент. Не проходит через плацентарный барьер. Является рецептором предшественников В-лимфоцитов.

Микробиология. Микробиологические процессы Раздел биологии изучающий микробы и вирусы

Значение микроорганизмов в природных процессах и человеческой деятельности

История микробиологии

Основные направления в современной микробиологии.

Рекомендуемая литература

Современное состояние микробиологии

Микробиология – что это за наука?

История микробиологии

Что и как изучают микробиологи?

Для чего нужна микробиология?