для чего нужна микробиология
Что такое микробиология и что она изучает?
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 воздуха. 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 первый микроскоп 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:
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:
Микробиология – одна из наиболее бурно развивающихся сегодня наук, которая открывает грандиозные перспективы применения биотехнологий в самых разных отраслях деятельности.
Для чего нужна микробиология
Микробиология ( от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) — наука, изучающая организмы, неразличимые (невидимые) невооруженным глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микроорганизмами (микробы).
Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни. В таксономическом отношении микроорганизмы очень разнообразны.
По наличию и строению клеток вся живая природа может быть разделена на прокариоты (не имеющие истинного ядра),эукариоты (имеющие ядро) и не имеющие клеточного строения формы жизни. Последние для своего существования нуждаются в клетках, т.е. являются внутриклеточными формами жизни.
По уровню организации геномов, наличию и составу белок синтезирующих систем и клеточной стенки все живое делят на 4 царства жизни:
1.эукариоты
2.эубактерии
3.архебактерии
4.вирусы и плазмиды.
Микроорганизмы заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микроорганизмы чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты (среды обитания), включая и более высокоорганизованные организмы животного и растительного мира.
Можно сказать, что без микроорганизмов жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна.
Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют кругооборот веществ и энергии в природе, расщепление органических соединений и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород и многим другим природным явлениям. С помощью микроорганизмов осуществляются важные производственные процессы — хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных препаратов.
Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывают воздействие разнообразных природных и антропогенных (связанных с деятельностью людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.
Микроорганизмы, приобретающие в процессе эволюции патогенность для человека (способность вызывать заболевания), вызывают эпидемии, уносящие миллионы жизней. До настоящего времени вызываемые микроорганизмами инфекционные заболевания остаются одной из основных причин смертности, причиняют существенный ущерб экономике.
Для чего нужна микробиология
Микробиология (от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) — наука, изучающая организмы, невидимые невооруженным глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микроорганизмами.
Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.
По строению клеток все живые организмы могут быть разделены на эукариоты (имеющие ядро с ядерной оболочкой и ядрышками), прокариоты (не имеющие истинного ядра) и не имеющие клеточного строения (акариоты).
К микроскопическим эукариотам относятся грибки и простейшие; к прокариотам – архебактерии, бактерии, низшие (сине- зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, риккетсии, хламидии и микоплазмы; к акариотам – прионы, вироиды и вирусы.
Микроорганизмы заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микроорганизмы чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты, включая и более высокоорганизованные организмы животного и растительного мира.
Можно сказать, что без микроорганизмов жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна.
Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют кругооборот веществ и энергии в природе, расщепление органических соединений и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород и многим другим природным явлениям. С помощью микроорганизмов осуществляются важные производственные процессы – хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных препаратов.
Предметом изучения медицинской микробиологии являются патогенные микроорганизмы – возбудители заболеваний человека. Эти микроорганизмы способны вызывать эпидемии, уносящие миллионы жизней. Инфекционные заболевания остаются одной из основных причин смертности, причиняют существенный ущерб экономике.
Микробиология
Разделы микробиологии: бактериология, микология, вирусология и т. д. В зависимости от экологических особенностей микроорганизмов, условий их обитания, сложившихся отношений с окружающей средой, и в зависимости от практических потребностей человека наука о микробах в своем развитии дифференцировалась на такие специальные дисциплины как общая микробиология, медицинская, промышленная (или техническая), космическая, геологическая, сельскохозяйственная и ветеринарная микробиология.
Содержание
История науки
За несколько тысяч лет до возникновения микробиологии как науки человек не зная о существовании микроорганизмов, широко применял природные процессы, связанные с брожением, для приготовления кумыса и других кисломолочных продуктов, получения алкоголя, уксуса, при мочке льна.
Донаучный этап развития
Люди издревне знали о многих процессах, вызываемых микроорганизмами, однако не знали истинных причин вызывающих эти явления. Отсутствие сведений о природе таких явлений не мешало делать наблюдения и даже использовать ряд этих процессов в быту. Ряд философов и естествоиспытателей делали умозрительные заключения о причинах тех или иных явлений. При этом наиболее близко к открытию микромира подошел Джироламо Фракасторо (1478—1553), предположивший что инфекции вызывают маленькие тельца, передающиеся при контакте и сохраняющиеся на вещах больного. Однако в то время невозможно было удостовериться в правильности его идей и распространение получили совершенно иные гипотезы.
Бактериальную природу инфекционных заболеваний многие учёные продолжали отвергать и после революционных открытий Пастера и Коха. Так, в 1892 году Макс Петтенкофер, уверенный в том что холеру вызывают миазмы, выделяемые окружающей средой, и пытаясь доказать свою правоту, проглотил при свидетелях-медиках культуру холерных вибрионов и не заболел.
Описательный этап
Возможность изучения микроорганизмов возникла лишь с развитием оптических приборов. Первый микроскоп был создан ещё в 1610 году Галилеем. В 1665 Роберт Гук впервые увидел растительные клетки. Однако 30 кратного увеличения его микроскопа не хватило чтобы увидеть простейших и тем более бактерии. По мнению В. Л. Омельянского «первым исследователем, перед изумлённым взором которого открылся мир микроорганизмов, был учёный иезуит Афанасий Кирхер (1601—1680), автор ряда сочинений астрологического характера», однако обычно первооткрывателем микромира называют Антони ван Левенгука.
В своём письме Лондонскому Королевскому обществу он сообщает как 24 апреля 1676 года микроскопировал каплю воды и даёт описание увиденных там существ, в том числе бактерий. Левенгук считал обнаруженных им микроскопических существ «очень маленькими животными» и приписывал им те же особенности строения и поведения, что и обычным животным. Повсеместное распространение этих «животных» стало сенсацией не только в научном мире. Левенгук демонстрировал свои опыты всем желающим, в 1698 году его даже посетил Пётр I.
Между тем, наука в целом ещё не была готова к пониманию роли микроорганизмов в природе. Система теорий возникла тогда лишь в физике. Во времена Левенгука отсутствовали представления о ключевых процессах живой природы, так, незадолго до него в 1648 году Ван Гельмонт, не имея никакого понятия о фотосинтезе, заключил из своего опыта с ивой, что растение берёт питание только из дистиллированной воды, которой он его поливал. Более того, даже неживая материя ещё не была достаточно изучена, состав атмосферы, необходимый для понимания того же фотосинтеза, будет определён лишь в 1766—1776 годах. Поэтому неудивительно что «животным» Левенгука не нашлось место нигде, кроме как в коллекции курьёзов.
В России одним из первых микробиологов был Л. С. Ценковский (1822—1887), описавший большое число простейших, водорослей и грибов и сделавший вывод об отсутствии резкой границы между растениями и животными. Им также была организована одна из первых Пастеровских станций и предложена вакцина против сибирской язвы.
Высказывались в это время и смелые гипотезы, например врач-эпидемиолог Д. С. Самойлович (1744—1801) был убеждён в том что болезни вызываются именно микроорганизмами, однако тщетно пытался увидеть в микроскоп возбудитель чумы — возможности оптики тогда ещё не позволяли это сделать. В 1827 итальянец А. Басси обнаружил передачу болезни шелковичного червя при переносе микроскопического гриба. Ж. Л. Л. Бюффон и А. Л. Лавуазье связывали брожение с дрожжами, однако общепринятой оставалась чисто химическая теория этого процесса, сформулированная в 1697 году Г. Э. Шталем. Для спиртового брожения, как для любой реакции, Лавуазье и Л. Ж. Гей-Люссаком были посчитаны стехиометрические соотношения. В 1830-х Ш. Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн независимо друг от друга наблюдали обилие микроорганизмов в осадке и плёнке на поверхности бродящей жидкости и связали брожение с их развитием. Эти представление наткнулись, однако, на резкую критику со стороны таких видных химиков как Фридрих Вёлер, Йёнс Якоб Берцелиус и Юстус Либих. Последний даже написал анонимную статью «О разгаданной тайне спиртового брожения» (1839) — саркастическую пародию на микробиологические исследования тех лет.
Тем не менее, вопрос о причинах брожения, тесно связанный с вопросом о спонтанном самозарождении жизни, стал первым успешно решённым вопросом о роли микроорганизмов в природе.
Споры о самозарождении и брожении
Средние века были временем господства идей Аристотеля, что означало также и признание его теорий зарождения двоякодышащих рыб из ила, насекомых из экскрементов или капель росы на листьях. Первые эксперименты, опровергающие представления Аристотеля поставил тосканский придворный медик Франческо Реди (1626—1697). Общий его принцип — наблюдение за питательным веществом в открытом, куда возможно попадание живых организмов, и в каким-либо образом закрытом от них, но не от воздуха, сосуде — использовался во всех подобных опытах. Тогда было опровергнуто самозарождение насекомых, но уже в XVIII веке католический священник Джон Турбервилл Нидхем выдвинул гипотезу «жизненной силы», существующей в живых телах и вызывающей при их распаде возникновение микроорганизмов. Против него выступил Ладзаро Спалланцани, показав что нагревание препятствует появлению живых существ в настое растительных и животных волокон, закрытом в сосуде. Тогда Нидхем возразил что воздух, в котором имеют потребность живые существа, теряет свою «жизненную силу» при нагревании.
Франц Шульц после стерилизации сосуда с настоем пускал туда воздух, пропущенный через карболовую кислоту, и не наблюдал развития там микроорганизмов. Чтобы избежать возражений, что кислота тоже лишает воздух жизненной силы, Шрёдер и фон Душ в 1854 году пропускали воздух через хлопковый фильтр, а в 1860 Гофман и независимо от него в 1861 Шевре и Пастер показали, что нет необходимости и в фильтре — достаточно изогнуть соединяющие сосуд с атмосферой трубки, чтобы в нём после стерилизации не «зарождалась» жизнь. Так принцип omne vivum ex vivo (всё живое из живого) окончательно победил в биологии. Используя представления о невозможности самозарождения жизни, Луи Пастер в 1860-х показал что стерилизация делает брожение невозможным, таким образом было доказано участие в нём микроорганизмов. Кроме того, это стало открытием новой формы жизни — анаэробной, не требующей кислорода, а иногда даже гибнущей под его воздействием.
Золотой век микробиологии
1880-е и 1890-е ознаменовались для микробиологии всплеском числа открытий. Во многом это было связано с подробной разработкой методологии. Прежде всего здесь следует отметить вклад Роберта Коха, создавшем в конце 1870-х — начале 1880-х ряд новых методов и общих принципов ведения исследовательской работы. Пастер использовал для выращивания микроорганизмов жидкие среды, содержащие все элементы, находимые в живых организмах. Жидкие среды, однако, были недостаточно удобны. Так, сложно было выделить колонию, происходящую от одной живой клетки («чистая культура»), в связи с чем можно было изучать только обогащённые самой природой культуры. Лишь в 1883 Э. Христианом Гансеном была получена первая чистая культура дрожжей, полученная методом висячей капли. Твёрдые среды впервые использовались для изучения грибов, где необходимость чистых культур также была обоснована. Для бактерий твёрдые среды применял Кон во Вроцлаве зимой 1868/69 годов, однако только в 1881 Роберт Кох положил начало широкому применению желатиновых и агаровых пластинок. В 1887 году введены в практику чашки Петри. Коху принадлежат также знаменитые постулаты:
Эти принципы были приняты не только в медицине, но и в экологии для определения вызывающих те или иные процессы организмов. Также Кох ввёл в применение методы окраски бактерий (ранее использованные в ботанике) и микрофотографию. Публикации Коха содержали в себе методики, принятые микробиологами всего мира. Вслед за ним началось развитие и обогащение методологии, так в 1884 Ганс Христиан Грам использовал метод дифференцирующего окрашивания бактерий (Метод Грама), С. Н. Виноградский в 1891 применил первую элективную среду. За следующие годы было описано больше видов чем за все предыдущее время, выделены возбудители опаснейших заболеваний, обнаружены новые процессы, производимые бактериями и неизвестные в других царствах природы.
Инфекционные заболевания
В изучении жизнедеятельности микроорганизмов следует отметить вклад Луи Пастера (1822—1895). Он же вместе с Робертом Кохом (1843—1910) стоят в истоках учения о микроорганизмах как возбудителях заболеваний.
Экология микроорганизмов
Экологическую роль и многообразие микробиологических процессов показали Бейеринк (1851—1931) и С. Н. Виноградский (1856—1953).
Открытие вирусов
Изучение обмена веществ микроорганизмов
Техническая, или промышленная, микробиология
Техническая микробиология изучает микроорганизмы, используемые в производственных процессах с целью получения различных практически важных веществ: пищевых продуктов, этанола, глицерина, ацетона, органических кислот и др.
Огромный вклад в развитие микробиологии внесли русские и советские учёные: И. И. Мечников (1845—1916), Д. И. Ивановский (1863—1920), Н. Ф. Гамалея (1859—1949), Л. С. Ценковский, С. Н. Виноградский, В. Л. Омелянский, Д. К. Заболотный (1866—1929), В. С. Буткевич, С. П. Костычев, Н. Г. Холодный, В. Н. Шапошников, Н. А. Красильников, А. А. Ишменецкий и др.
Большая роль в развитии технической микробиологии принадлежит С. П. Костычеву, С. Л. Иванову и А. И. Лебедеву, которые изучили химизм процесса спиртового брожения, вызываемого дрожжами. На основании исследований химизма образования органических кислот мицелиальными грибами, проведённым В. Н. Костычевым и В. С. Буткевичем, в 1930 году в Ленинграде было организовано производство лимонной кислоты. На основе изучения закономерностей развития молочнокислых бактерий, осуществлённого В. Н. Шапошниковым и А. Я. Мантейфель, в начале 1920-х годов в СССР было организовано производство молочной кислоты, необходимой в медицине для лечения ослабленных и рахитичных детей. В. Н. Шапошников и его ученики разработали технологию получения ацетона и бутилового спирта с помощью бактерий, и в 1934 году в Грозном был пущен первый в СССР завод по выпуску этих растворителей. Труды Я. Я. Никитинского Ф. М. Чистякова положили начало развитию микробиологии консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Благодаря работам А. С. Королёва, А. Ф. Войткевича и их учеников значительное развитие получила микробиология молока и молочных продуктов.
Методы и цели микробиологии
К методам исследования любых микроорганизмов относят:
Цель медицинской микробиологии — глубокое изучение структуры и важнейших биологических свойств патогенных микробов, взаимоотношения их с организмом человека в определенных условиях природной и социальной среды, совершенствование методов микробиологической диагностики, разработка новых, более эффективных лечебных и профилактических препаратов, решение такой важной проблемы, как ликвидация и предупреждение инфекционных болезней.
Связь с другими науками
За время существования микробиологии сформировались общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная ветви.
Для чего нужна микробиология
Микробиология находится на стыке фундаментальных и клинических дисциплин, знание ее необходимо врачам всех специальностей. Инфекционные болезни занимают ведущее место среди заболеваний человека. Практически в любом стационаре врачи сталкиваться с внутрибольничными инфекциями. От экологии микробов зависит санитарное благополучие населения. Поэтому, будущий врач должен знать основные сведения из области микробиологии независимо от той специальности, которую он выберет.
Медицинская микробиология изучает микробов, патогенных для человека; ветеринарная – патогенных для животных; сельскохозяйственная – вызывающих заболевания у растений, морская и космическая изучают микробов, соответственно обитающих в морях и океанах, водных бассейнах или в космическом пространстве. Техническая микробиология изучает и реализует в практике возможности и свойства микробов синтезировать и производить в процессе своей жизнедеятельности ценные для человека продукты, например, сахара, спирты, углеводы, белки, в том числе ферменты, кислоты и т.д. На базе технической микробиологии возникла биотехнология.
Медицинская микробиология изучает строение микробов, способных вызвать у человека болезни, их жизнедеятельность (физиологию), генетику, экологию, патогенез (механизм болезнетворности), основные клинические проявления инфекционных болезней, специфическую диагностику, профилактику и лечение инфекционных болезней, а также их эпидемиологические особенности.
Из микробиологии родилась самостоятельная наука – иммунология, изучающая способы и механизмы защиты организма от генетически чужеродных веществ – антигенов. В диагностике инфекционных заболеваний решающую роль играют микробиологические исследования, которые включают комплекс иммунологических методов (иммунные реакции invitro и invivo), применяемых для индикации и идентификации микробов.
Задачи медицинской микробиологии:
1. Установление этиологической роли микроорганизмов в норме и патологии.
2. Разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных заболеваний, индикации и идентификации возбудителей.
3. Бактериологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инфекции в лечебных и других учреждениях.
4. Контроль за чувствительностью микроорганизмов к антибиотикам и другим препаратам, состоянием микробиоценозов поверхностей и полостей тела человека.