История развития микробиологии.Задачи микробиологии

ГЛАВА I. ЗАДАЧИ МИКРОБИОЛОГИИ
I.1. Основные термины и понятия
I.2. Основные задачи микробиологии
ГЛАВА II. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ
II.1. История становления микробиологии
II.2. Современное состояние микробиологии
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЯ

История развития микробиологии.Задачи микробиологии

Слизистые виды бактерий имеют капсулу или слизистый чехол, чаще состоящий из полисахаридов, реже – из полипептидов. Это дополнительный защитный барьер клетки, источник запасных питательных веществ.
Строение эукариотической клетки
Клеточная стенка эукариотической клетки, в отличие от клеточной стенки прокариот состоит главным образом из полисахаридов. У грибов основным является азотсодержащий полисахарид хитин. У дрожжей 60–70% полисахаридов представлены глюканом и маннаном, которые связаны с белками и липидами. Функции клеточной стенки эукариот те же, что и у прокариот.
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ) также имеет трехслойную структуру. Поверхность мембраны имеет выпячивания, близкие к мезосомам прокариот. ЦПМ регулирует процессы обмена веществ клетки.
У эукариот ЦПМ способна захватывать из окружающей среды большие капли, содержащие углеводы, липиды и белки. Это явление называется пиноцитозом. ЦПМ эукариотической клетки способна также захватывать из среды твердые частицы (явление фагоцитоза). Кроме того, ЦПМ ответственна за выброс в среду продуктов обмена.
Ядро отделено от цитоплазмы двумя мембранами, в которых имеются поры. Поры у молодых клеток открыты, служат они для миграции из ядра в цитоплазму предшественников рибосом, информационной и транспортной РНК. В ядре в нуклеоплазме имеются хромосомы, состоящие из двух нитевидных цепочных молекул ДНК, соединенных с белками. В ядре имеется также ядрышко, богатое матричной РНК и связанное со специфической хромосомой – ядрышковым организатором.
Основной функцией ядра является участие в размножении клетки. Это носитель наследственной информации.
В эукариотической клетке ядро – важнейший, но не единственный носитель наследственной информации. Часть такой информации содержится в ДНК митохондрии и хлоропластов12.
Митохондрии – мембранная структура, содержащая две мембраны – наружную и внутреннюю, сильно складчатую. На внутренней мембране сосредоточены окислительно-восстанови-тельные ферменты. Основной функцией митохондрии является снабжение клетки энергией (образование АТФ). Митохондрии – саморепродуцирующая система, так как в ней имеется собственная хромосома – кольцевая ДНК и другие компоненты, которые входят в состав обычной прокариотической клетки.
Эндоплазматическая сеть (ЭС) – мембранная структура, состоящая из канальцев, которые пронизывают всю внутреннюю поверхность клетки. Бывает гладкой и шероховатой. На поверхности шероховатой ЭС располагаются рибосомы, более крупные, чем рибосомы прокариот. На мембранах ЭС расположены также ферменты, осуществляющие синтез липидов, углеводов и ответственных за транспорт веществ в клетке.
Комплекс Гольджи – пакеты уплощенных мембранных пузырьков – цистерн, в которых осуществляется упаковка и транспорт белков внутри клетки. В комплексе Гольджи происходит также синтез гидролитических ферментов (место образования лизосом).
В лизосомах сосредоточены гидролитические ферменты. Здесь происходит расщепление биополимеров (белков, жиров, углеводов).
Вакуоли отделены от цитоплазмы мембранами. В запасных вакуолях содержатся запасные питательные вещества клетки, а в шлаковых – ненужные продукты обмена и токсические вещества13.
I.2. Основные задачи микробиологии
В связи с тем, что микроорганизмы буквально пронизывают всю человеческую жизнь, оказывая как положительное, так и негативное воздействие, рамки общей микробиологии не случайно оказались тесными для этой биологической науки. Поэтому наряду с общей микробиологией сформировались так называемые специальные разделы микробиологии, объектами изучения которых оказались микроорганизмы14:
1. Общая микробиология – изучаются основные закономерности развития и жизнедеятельности микроорганизмов – наследственность и изменчивость, видообразование, круговорот веществ в природе и т.п.
2. Медицинская микробиология – изучаются патогенные микроорганизмы, вызывающие болезни человека, и разрабатываются методы лабораторной диагностики, специфической профилактики и лечения.
3. Ветеринарная микробиология – изучаются возбудители инфекционных болезней животных, способы диагностики, профилактики и лечения.
4. Сельскохозяйственная микробиология – изучается роль микроорганизмов в почвообразовании и питании растений, разрабатываются методы обеспечения высокого ровня почвенного плодородия, получения и хранения сельскохозяйственной продукции, используемой в качестве корма.
5. Водная микробиология – изучается микрофлора, пресных и соленых водоемов и разрабатываются способы их очистки.
6. Техническая микробиология – изучаются научные основы возможного использования функциональной активности микроорганизмов для обеспечения различных отраслей народного хозяйства крайне необходимыми продуктами (пищевыми и кормовыми средствами, медикаментами, средствами защиты растений и др.), получение которых другими способами нерентабельно или затруднено.
Помимо деления микробиологии на разделы, охватывающие микрофлору определенных местообитаний, дополнительно выделяют направления микробиологии, изучающие отдельные систематические группы микроорганизмов:
1. Бактериология – наука о бактериях.
2. Микология (являющаяся также одним из разделов ботаники)- наука о микроскопических грибах.
3. Вирусология – наука о вирусах.
4. Альгология (также один из разделов ботаники) – наука о микроскопических водорослях.
5. Протозоология (один из полноправных разделов зоологии) – наука, изучающая простейших.
В связи с тем, что специальный раздел микробиологии – медицинская микробиология – тесно связан с жизнедеятельностью человека, он начал разрабатываться еще на рубеже XIX – XX веков, включив три взаимосвязанных подраздела:
1. Клиническая микробиология.
2. Фармацевтическая микробиология.
3. Санитарная микробиология.
Санитарная микробиология является самостоятельной дисциплиной, изучающей санитарно-микробиологическое состояние окружающей среды и пищевых продуктов. Иными словами, санитарная микробиология – раздел медицинской микробиологии, изучающий микроорганизмы, содержащиеся в окружающей среде, включая свободноживущие и паразитические бактерии и вирусы, способные оказать неблагоприятное воздействие на жизнедеятельность человека и экологическую ситуацию в различных биотопах. В рамках этой дисциплины производится мониторинг почвы – основного резервуара микроорганизмов; воды; воздуха; производственных и жилых помещений; сырья и пищевых продуктов; а также ведутся необходимые наблюдения за состоянием организмов людей и животных – носителей инфекционного начала15.
ГЛАВА II. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ
II.1. История становления микробиологии
Человек с древних времен интуитивно использовал уникальные особенности микроорганизмов, даже не подозревая об этом. С давних пор процессы брожения применялись при приготовлении теста для хлеба, пива, вина, уксуса, кисломолочных продуктов, росяной мочке льна. Только в настоящее время стало известно, что все эти процессы происходят при участии определенных микроорганизмов, которые присутствуют на используемых для брожения субстратах.
Исторический путь развития древнейшей науки микробиологии можно разбить на 5 этапов, в зависимости от уровня и методов познания мира микробов: эвристический, морфологический, физиологический, иммунологический, молекулярно-генетический.
Эвристический этап связан с неожиданными находками и догадками о существовании на Земле невидимых живых существ, вызывающих болезни. Микробы существовали на нашей планете задолго до появления животных и человека, о чем догадывались уже древние мыслители и ученые. Еще в III — IУ вв. до н.э. основоположник античной медицины Гиппократ считал, что болезни человека вызываются какими-то невидимыми частицами, которые он называл миазмами, выделяемыми в болотистых и других местностях.
Ибн Сина (Авиценна) (980-1037) писал в Каноне врачебной науки о том, что причиной чумы, оспы и других болезней являются невидимые простым глазом мельчайшие живые существа, передающиеся через воздух и воду. Основоположник морфологического периода голландский натуралист Антоний ван Левенгук (1632—1723) сконструировал микроскоп с увеличением в 300 раз. Рассматривая под ним капли воды, зубной налет, различные настои, он всюду находил мельчайших «зверюшек» — amimalcula16.
Первые наблюдения Левенгук опубликовал в трудах Лондонского королевского общества. В 1695 г. была издана его книга «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком», где были описаны микроорганизмы с точки зрения их формы, подвижности, окраски - открытие микробов и доказательство их патогенности для человека связано с именами таких известных ученых и врачей, как д. С. Самойлович (1744-1805), Р. Кох (1843-1910), И. И. Мечников (1845- 1916), Н.Ф.Гамалея (1859-1949) и многих других.За это время открыто и описано более 2000 видов бактерий и грибов — возбудителей болезней человека17.
В конце ХIХ века было доказано, что причиной болезней человека и животных могут быть не только бактерии, но и простейшие: амебы, лейшмании, плазмодии малярии и др. Эти открытия послужили основой для создания науки протозоологии — учения о болезнях, вызываемых простейшими. Основоположниками протозоологии были русские исследователи Ф.А.Леш (1840-1 903), выявивший возбудителя амебиаза, П.Ф.Боровскпй (1863-1 932), изучивший лейшманиоз, и французский врач АЛаверан (1845-1922), описавший возбудителя малярии.
Начало физиологического периода относится к 60-м годам ХIХ в. и связано с деятельностью выдающегося французского ученого Луп Пастера (1822—1895), который заложил основы изучения микроорганизмов с точки зрения их физиологии. Он установил биологическую природу спиртового, масляно-кислого и молочнокислого брожений. Изучил болезни вина и пива и разработал способы предохранения их от порчи.
Общебиологическое значение имеют работы Пастера по самопроизвольному зарождению жизни. На простых и убедительных примерах он показал, что в стерильных бульонах, закрытых ватными пробками во избежание контакта с воздухом, самозарождение микроорганизмов из неживой природы в условиях развитой жизни невозможно. В 1860 г. Пастер как ученый-биолог был награжден премией Парижской Академии наук.
Занимаясь вопросами брожения и гниения, Пастер решал одновременно и практические задачи. Им предложен метод пастеризации. Большое значение для развития микробиологии в этот период имели исследования немецкого ученого Роберта Коха (1813—1910). Он предложил методику получения чистых культур на питательных средах, стал применять в практике изучения микроорганизмов анилиновые красители18.
Кох открыл возбудителей холеры и туберкулеза. Возбудитель туберкулеза был назван палочкой Коха. Из него Кох получил препарат туберкулин, который хотел использовать для лечения больных туберкулезом. Однако на практике он себя не оправдал, зато оказался хорошим диагностическим средством и помог в создании ценных противотуберкулезных препаратов. Одним из таких препаратов явилась вакцина BCG, полученная французским микробиологом, учеником Пастера, Альбертом Капьметтом совместно с Шарлем Гереном (название вакцины по заглавным буквам фамилий — Callmett и Geren). Кох и его ученики открыли также возбудителей дифтерии, столбняка, брюшного тифа, гонореи19.
Развитие микробиологии тесно связано также с работами русских и советских ученых. Основоположником общей микробиологии в России следует назвать Льва Семеновича Ценковского (1822—1887), опубликовавшего свою работу до низших водорослях и инфузориях», в которой установил близость бактерий и сине-зеленых водорослей. Он также создал вакцину против сибирской язвы, до настоящего времени успешно применяемую в ветеринарной практике.
Илья Ильич Мечников (1845—1916) занимался вопросами медицинской микробиологии. Изучал взаимоотношения бактерии и «хозяина» и установил, что воспалительный процесс — реакция организма на внедрившиеся микробы; разработал фагоцитарную теорию иммунитета. 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 рака20.
Развитие микробиологии тесно связано с именем крупнейшего ученого, друга и соратника И. И. Мечникова Н. Ф. Гамалея (1859— 1949). Всю жизнь он посвятил изучению инфекционных болезней и разработке мер борьбы с их возбудителями. Он открыл возбудителя холероподобного заболевания птиц, разработал вакцину против холеры человека и оригинальный метод получения оспенной вакцины. Гамалея первый описал лизис бактерий под влиянием бактериофага21.
Он организовал первую в России станцию по прививкам против бешенства, принимал участие в ликвидации оспы. Н. Ф. Гамалеяявляется не только одним из основоположников медицинской микробиологии, но и иммунологии и вирусологии.
Основоположником эпидемиологии считается д. К. Заболотный (1866—1920). Он изучал чуму в Индии, Китае, Шотландии; холеру — на Кавказе, Украине, в Петербурге. В результате им получены научные доказательства о роли диких грызунов как хранителей возбудителя чумы в природе. Им установлены пути заноса холеры, роль бациллоносительства в распространении заболевания, изучена биология возбудителя в природе и разработаны эффективные методы диагностики холеры.
С. Н. Виноградский (1856—1953) внес большой вклад в исследование физиологии серобактерий, нитрифицирующих и железобактерий; открыл хемосинтез у бактерий — величайшее открытие ХIХ века. Виноградским изучены азотфиксирующие бактерии и открыт новый тип питания микроорганизмов — автотрофизм. Ученый опубликовал более ЗОО научных работ, посвященных экологии и физиологии почтенных микроорганизмов. Его по праву считают отцом почтенной микробиологии.
Большой вклад в область технической микробиологии внесли В. Н. Шапошников Я. Я. Никитинский (1878—1941). Шапошников написал первый учебник по технической микробиологии, а труды Никитинского и его учеников положили начало развитию микробиологии консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Значительные успехи в области микробиологии молока и молочных продуктов достигнуты школой С. А. Королева (1876—1932) и др22.
Экологическое направление в микробиологии успешно развивалось Б. Л. Исаченко (1871—1948). Всеобщую известность приобрели его работы в области водной микробиологии. Он впервые исследовал распространение микроорганизмов в Северном Ледовитом океане и указал на их роль в экологических процессах и в круговоротах веществ в водоемах.
Ведущая роль в изучении изменчивостей микроорганизмов принадлежит работам Г. А. Надсона (1867—1940). Он впервые выделил в чистую культуру и исследовал зеленую бактерию, а также взаимоотношения между микроорганизмами (антагонизм, симбиоз). Научный интерес представляют работы ученого об участии микроорганизмов в круговоротах железа, серы и кальция. Он впервые указал на перспективы развития геологической микробиологии. Надсон допускал возможность сохранения жизнеспособности микроорганизмов в космосе, подчеркивая значение лучей короткой волны в изменении их наследственности и таким образом заложил основу космической микробиологии.
Благодаря огромным научным достижениям в области микробиологии и смежных биологических дисциплин (молекулярной биологии, генетики, биохимии и др.) появилась реальная возможность сделать микроорганизмы неисчерпаемым источником биологически активных веществ (кормового и пищевого белка, аминокислот, ферментов, витаминов, гормонов, антибиотиков, спиртов, органических кислот, средств защиты растений и др.). Эти продукты микробного синтеза находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и, в том числе, в пищевой промышленности. Достижения в области технической микробиологии использовались для создания биотехнологии – науки, описывающей и изучающей способы производства важных для человека веществ и продуктов питания с использованием живых клеток. Одним из разделов биотехнологии является генная инженерия, благодаря которой в настоящее время стало возможным конструирование микроорганизмов с нужными (целевыми) свойствами23.
Создание электронного микроскопа и разработка новых методов исследования микроорганизмов позволяют изучать их на молекулярном уровне, что в свою очередь дает возможность более глубоко познать свойства микробов, их химическую деятельность, лучше использовать и управлять микробиологическими процессами.
К технической микробиологии относится микробиология пищевых производств, изучающая способы получения пищевых продуктов с использованием микроорганизмов: вина, пива, хлеба, спирта, кисломолочных продуктов, сыров, квашеных овощей и др. Микробиология пищевых производств изучает и нежелательную деятельность посторонних микроорганизмов, что позволяет подавить развитие этих микроорганизмов и получить доброкачественную продукцию. Все крупные отрасли пищевой промышленности имеют научно-исследовательские институты, в которых имеются микробиологические лаборатории. На предприятиях пищевой промышленности функционируют микробиологические лаборатории, контролирующие производства, качество сырья и готовой продукции24.
II.2. Современное состояние микробиологии
На стыке микробиологии, молекулярной биологии, генетической инженерии, химической технологии и ряда других наук сформировалась новая наука – биотехнология.
Рождение биотехнологии обусловлено потребностями общества в новых, более дешевых продуктах для народного хозяйства, в том числе медицины и ветеринарии, а также в принципиально новых технологиях. Биотехнология (от греч. bios — жизнь, teken — искусство, мастерство, logos — наука, умение, мастерство) — это получение продуктов из биологических объектов или с применением биологических объектов. В качестве биологических объектов могут быть использованы организмы животных и человека (например, получение иммуноглобулинов из сывороток вакцинированных лошадей или людей; получение препаратов крови доноров), отдельные органы (получение гормона инсулина из поджелудочных желез крупного рогатого скота и свиней) или культуры тканей (получение лекарственных препаратов)25.
Однако в качестве биологических объектов чаще всего используют одноклеточные микроорганизмы, а также животные и растительные клетки. Выбор этих объектов обусловлен следующими причинами:
клетки являются своего рода «биофабриками», вырабатывающими в процессе жизнедеятельности разнообразные ценные продукты (белки, жиры, углеводы, витамины, аминокислоты, антибиотики, гормоны, антитела, антигены, ферменты, спирты и пр.). Эти продукты, крайне необходимые в жизни человека, пока недоступны для получения «небиотехнологическими» способами из-за сложности технологии процессов или экономической нецелесообразности, особенно в условиях крупномасштабного производства;
клетки чрезвычайно быстро воспроизводятся, что позволяет за относительно короткое время искусственно нарастить на сравнительно дешевых и недефицитных питательных средах в промышленных масштабах огромные количества биомассы микробных, животных или растительных клеток;
биосинтез сложных веществ (белков, антибиотиков, антигенов, антител и др.) значительно экономичнее и технологически доступнее, чем химический синтез. Коэффициент полезного действия «работы» клетки равен 70 %, а самого совершенного технологического процесса — значительно ниже;
возможность проведения биотехнологического процесса в промышленных масштабах, т.е. наличие соответствующего технологического оборудования и аппаратуры, доступность сырья, технологии переработки и др.
Клетки животных и растений, микробные клетки в процессе жизнедеятельности (ассимиляции и диссимиляции) образуют новые продукты и выделяют метаболиты, обладающие разнообразными физико-химическими свойствами и биологическим действием. Обычно продукты жизнедеятельности одноклеточных делят на 4 категории:
сами клетки как источник целевого продукта. Например, выращенные бактерии или вирусы используют для получения живой или убитой корпускулярной вакцины; дрожжи — как кормовой белок или основу для получения гидролизатов питательных сред и т.д.26;