ЛЕКЦИЯ №1
Предмет и место микробиологии в cсистеме наук История микробиологии
Предмет и задачи микробиологии.
Микробиология – наука, изучающая строение, систематику, физиологию, биохимию, генетику и экологию организмов, имеющих малые размеры и невидимых невооруженным глазом (micros - греческое - малый, bios – жизнь, logos – наука). Микроорганизмы – малые организмы (дословно).
В настоящее время (в соответствии с запросами и нуждами практики) микробиология подразделяется на самостоятельные научные дисциплины: общая, техническая (промышленная), сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская микробиология.
Общая микробиология: изучает морфологию, физиологические, биохимические и другие признаки микроорганизмов, их роль в круговороте веществ, распространение в природе, взаимодействие с факторами среды и др.
Техническая: изучает микроорганизмы, используемые в производстве антибиотиков, спиртов, витаминов, ферментов, пищевых продуктов. Разрабатывает методы защиты материалов, применяемых в промышленности, от разрушающих действий микроорганизмов.
Сельскохозяйственная: изучает роль микроорганизмов в формировании структуры почвы, ее плодородия, разложения и минерализации органических веществ. Разрабатывает методы применения бактерий для удобрения (азотобактер), консервации кормов, методы борьбы с фитопатогенными микроорганизмами.
Медицинская: включала иммунологию, вирусологию, санитарную микробиологию, космическую микробиологию. Изучает свойства патогенных и условно патогенных микробов. Разрабатывает методы лабораторной диагностики, терапии инфекционных заболеваний.
Важнейшие задачи медицинской микробиологии, вирусологии, иммунологии - изучении роли патогенных видов бактерий и вирусов в патогенезе, различных заболеваний людей, возникновении опухолей, а также механизмов формирования наследственного и приобретенного иммунитета.
Космическая: выясняет влияние космических условий на свойства микроорганизмов и микрофлору человека, разрабатывает методы предупреждения заноса микроорганизмов с земной поверхности в космос и другие проблемы.
Сложность и специфика изучения микроорганизмов определяет более позднее формирование микробиологической науки по сравнению с ботаникой и зоологией. Развитие микробиологии шло в тесной связи с общим научным прогрессом и запросами практики. В настоящее время по уровню теоретических и прикладных исследований микробиология заняла ведущее место среди других биологических наук.
Генезис любой науки это цепь из структурных элементов, в фокусе каждого из которых жизнь и деятельность целой плеяды выдающихся ученых.
Задолго до открытия микроорганизмов люди пользовались микробиологическими процессами: изготовление хлеба, вина, кисломолочных продуктов (простокваша, творог, кумыс).
В Китае и Индии, на Кавказе применялись прививки против заразных болезней – оспы людей и воспаления легких крупного рогатого скота. В Древнем Египте – силосование корма (молочнокислое брожение). Однако причины этих процессов, болезней не были известны.
Открытие микроскопа – первый шаг к отделению микробиологии – 1610 г. – Г. Галилей. Усовершенствовал микроскоп – Р. Гук – рассматривая срезы пробки увидел ячеистое строение древесной ткани. Ввел термин «клетка» – 1665 г.
Рождение микробиологии произошло, когда Антони ван Левенгук увидел микроорганизмы (1632 – 1723). Ввел название микроскопии (теперь линзы) – отшлифованные стекла. Изучал строение тканей изо льна (мануфактурщик). Микроскопы тогда давали увеличение в 200-300 раз.
Итак, 1676 г. – Левенгук увидел бактерии в капле воды. Рассматривая ее, он сделал вывод, что мир густо заселен мельчайшими животными – анималькулями.
Петр I посетил Левенгука в 1698 году и привез в Россию микроскопы. При дворе первый микроскоп в России был изготовлен в 1716 г.
Три основные проблемы служили для ученых в течении длительного времени стимулом в развитии исследований, приведших к возникновению и развитию микробиологии:
природа процессов брожения и гниения;
причины возникновения инфекционных болезней;
проблема самозарождения жизни.
Существовало два периода в истории микробиологии:
1. морфологический – описательный – исследование внешнего вида и особенностей строения.
Видные представители:
Терехов Мартын Матвеевич (1740 – 1796) – первый русский ученый наблюдавший микроорганизмы. В своей работе впервые применил экспериментальный метод исследования: для доказательства того, что в разных органических настоях есть живые организмы, действовал на них химическими веществами, температурой, электрическими разрядами разной силы.
В 1775 году защитил диссертацию в Страсбурге, в которой писал: «это истинные мельчайшие животные, которые растут, увеличиваются в размерах, а затем делятся. В прокипяченных средах живые существа не образуются». (Как далек путь от Гения до простонародья...)
Ф. Кон (1854) – описал шаровидные формы микробов и вибрионы, открыл споры.
Негелли (1857) – описал шизомицеты (грибы-дробянки).
Процессы брожения изучали:
Ж. Бюффон (натуралист), А. Лавуазье (химик; близко подошел к пониманию роли дрожжей в процессе спиртового брожения (из сахара)), Т. Шванн, Ф. Кютцинт: «весь процесс спиртового брожения зависит от присутствия дрожжей...». Однако господствующей оставалась физико-химическая теория процесса.
Формирование представлений о микробной природе инфекционных заболеваний:
Гиппократ (460 – 377 до н.э.) – предположил, что агент заразных болезней – невидимые живые существа.
Авиценна (980 – 1037) – в «Каноне медицины» писал о невидимых возбудителях чумы, оспы и др. заболеваний.
Самойлович Д. С. (1744 – 1805) – пытался увидеть в микроскоп возбудителей чумы. Разработал меры по дезинфекции и изоляции больных, которые были очень эффективными.
А. Басен – итальянец – впервые увидел возбудителя болезни шелковичных червей – грибок. Другие были убеждены в химической причине болезни.
В 1846 г. немецкий ученый Ф. Генле в работе «Руководство по рациональной патологии» четко определил основные положения для распознания инфекционных болезней. Позднее его идеи были экспериментально обоснованы и вошли в науку под названием «Триада Генле-Коха».
2. Работами л. Пастера, Генле, Коха открывается новый этап в развитии микробиологии – физиологический.
Луи Пастер (1822 – 1895) – химик; изучил изомеры солей винной кислоты, вращение плоскости поляризованного света: вывод о специфическом воздействии микроорганизмов на субстраты и послужило основой для последующего изучения физиологии микроорганизмов.
Спиртовое брожение – возбудитель – дрожжи из свекловичного сока.
Молочнокислое брожение – определенный вид бактерий.
Маслянокислое брожение – кислород вреден.
«Брожение – жизнь без воздуха, жизнь без свободного кислорода» (1876).
Возбудитель болезней шелковичных червей – гриб.
Работы в области инфекционных болезней привели к открытию возбудителей холеры курей, остеомиелита, гнойных абсцессов, одного из возбудителей газовой гангрены (анаэробы).
1879 г. – изучая куриную холеру, разработал метод получения культур микробов, которые утрачивают способность быть возбудителем заболевания.
Выяснил, что возбудители молочнокислого, спиртового, маслянокислого брожений – разные микроорганизмы.
Ввел термины: «аэробный» и «анаэробный» способы существования.
В теоретической области – работы, доказывающие невозможность самозарождения в нынешних условиях.
Инфекционные болезни – открыл возбудителей куриной холеры, бешенства (1885), сибирской язвы (1881), болезней шелковичных червей, нашел способы борьбы (начало медицинской микробиологии).
Ввел автоклавирование – стерилизацию и пастеризацию.
Роберт Кох (1843 – 1910). Изучал возбудителя сибирской язвы – Bacillus authracis (1877).
1882 – открыл возбудителя туберкулеза – палочка Коха.
1883 – открыт возбудитель холеры у человека. Разработал методы посева и выделения культур микроорганизмов в чистую культуру; ввел в практику окраску микробов анилиновыми красителями, иммерсионную систему микроскопирования и микрофотографию. 1905 – Нобелевский лауреат.
Русские:
Ценковский Лев Семенович (1843 – 1910).
Систематика (научно обосновано) микробов.
Изучил 43 новых вида низших водорослей.
Установил близость бактерий и сине-зеленых водорослей.
Открыл возбудителя превращения сахарной патоки в студень (лейконосток).
Впервые в России приготовил вакцину против сибирской язвы.
Мечников И. И. (1845 – 1916)
Новое направление в микробиологии – иммунологию (невосприимчивость организма к инфекциям).
Антагонизм гнилостных и молочнокислых бактерий.
Фагоцитоз – описал, изучая пищеварение.
Гамалея Н. Ф. – описал явление бактерофагии – растворение бактерий под влиянием особого агента.
Виноградский С. Н. (1856 – 1953) – основоположник почвенной микробиологии.
Применил метод элективных (избирательных) питательных сред.
Открыл анаэробный азотфиксатор Clostridium pasterianum (на среде без N2). На примере почвенных бактерий (нитрифицирующих, серных, железобактерий) открыл новый хемолитоавтотрофный тип питания микробов. Доказал роль нитрифицирующие бактерии в процессах окисления аммиака в HNО3, которые используют углерод ассимилируя СО2.
Омелянский В. Л. – изучал круговорот веществ в природе и роль микроорганизмов в этом процессе.
Исаченко – изучал экологию водных микроорганизмов, круговорот веществ в водоемах.
Ивановский Д. И. – 1892 – методом фильтрации выделил вирус табачной мозаики – через 6 лет.
Бейеринк М. – голландец – почвенные микроорганизмы – открыл аэробный азотфиксатор Az. chroococum.
Бейеринк и Виноградский – основоположники экологического направления в микробиологии.Конец XIX века:
Дегерен П. (1882) – установил биологическую природу денитрификации, через 2 года – биологическую природу разложения растительных остатков.
Воронин М. С. (1867) – описал клубеньковые бактерии.
П. А. Костычев (1895) – создал теорию микробиологической природы процессов почвообразования.
XX век:
А. Клюйвер и Ван Ниль – провели биохимические исследования в далеко отстоящих друг от друга физиологических группах микроорганизмов и сформулировали теорию биохимического единства мира.
В 40-50х годах генетики микроорганизмов О.Эйвери, Мак-Карти, Мак-Мод доказали, что передача наследственных свойств идет через ДНК.
Исследования Чаргаффа (1950 – 1957) показали, что видоспецифичность микроорганизмов имеет свое отражение в отношении сумм азотистых оснований в молекуле ДНК, и раскрали возможность использования этого признака в таксономии бактерий.
Работы Ледерберга, Теймура, Циндера (1946 – 1952) позволили выяснить вопрос о половой дифференцировке бактерий и закономерности рекомбинаций генетического материала у прокариот.
Вольман и Жакоб (1958) открыли плазмиды, внехромосомные факторы наследственности (устойчивость к лекарствам).
Г. А. Надсон (1925) – впервые получил мутанты микроорганизмов под влиянием г-лучей – открыл направление радиационной биологии.
Шапошников, Костычев, Буткевич – сделали много для развития технической микробиологии: получение бутилового спирта, ацетона, Ермольева – пенициллина.
Место микробиологии в системе наук. Физическая картина мира. Биофизическая картина мира
Мировоззрение – микробиология напрямую решает вопрос о самозарождении жизни.
ЛЕКЦИЯ № 2
Эволюция взглядов на происхождение микроорганизмов. Классификация и идентификация
В настоящее время нет единства во взглядах на общую систему живого мира. Согласно одной из точек зрения, попытки уложить все существующее разнообразие организмов в жесткую схему не целесообразны, поскольку это не описывает, а нарушает естественные связи между организмами.
Аристотель (384 – 322 год до н.э.) был первым, кто попытался систематизировать накопленные к тому времени сведения о живых организмах. Биологи с тех пор делят живой мир на два царства: Животные и Растения.
После открытия Левенгука до XIX века все микроорганизмы (открываемые) относили к «маленьким существам животной природы».
Э. Геккель (1834 – 1919) считал, что микроорганизмы настолько отличаются как от царства животных, так и от царства растений, что их необходимо выделить в отдельное царство – Protista. В это царство вошли бактерии, грибы, водоросли, простейшие – у них нет дифференцировки на органы и ткани. Термин Protista и сейчас применим.
Дальнейшее изучение «первосуществ» выявило неоднородность этой группы. Тогда же стало ясно, что понятие «микроорганизмы» не имеет таксономического смысла. Оно объединяет организмы по признаку их «малости» и связанных с этим специфических методов изучения. Данные о различии в строении клеток микроорганизмов накапливались с конца XIX века, и это повлекло за собой деление группы на высшие и низшие протисты.
К высшим стали относить микроскопических животных (простейших), микроводоросли (кроме сине-зеленых), грибы (плесени, дрожжи).
К низшим – все бактерии и сине-зеленые водоросли (циан о бактерии).
Деление на высшие и низшие протисты происходило в соответствии с двумя выявленными типами клеточной организации – эукариотной и прокариотной. Высшие -эукариоты, низшие – прокариоты.
Поэтому Меррей (1968) предложил только два царства: Procaryota и Eucaryota.
Виттэкер (1969) предложил схему, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, представлены разделенными на 5 царств. Такая система классификации живого мира учитывает и отражает 3 уровня организации живых систем.
Моnеrа – включает низшие протисты – бактерии и сине-зеленые водоросли.
Protista – одноклеточные, не дифференцированные формы жизни, образовавшиеся в результате качественного скачка в процессе эволюции (дрожжи, простейшие).
Fungi – грибы – способ питания осмотрофный – всасывание растворенных органических веществ.
Plantae – растения – фототрофные.
Animalia – животные – голозоидные – захватывание и переваривание.
Остановимся на некоторых общих структурных признаках всех клеточных организмов: прокариотов и эукариотов.
ОБЩЕЕ: клетка – это кусочек цитоплазмы ограниченный мембраной. Следовательно, наличие:
цитоплазмы;
мембраны;
обязательными химическими компонентами клетки являются ДНК и РНК – нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы.
Изучение тонкой структуры клеток позволило выявить различия клеток прокариотов и эукариотов.
Специфичность прокариотной клетки:
1. имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, которая называется цитоплазматической (ЦПМ). У подавляющего числа прокариот ЦПМ – единственная мембрана в клетке.
2. В клетке нет органелл. Специфичность эукариотной клетки:
есть вторичные полости: ядерная мембрана, ограничивающая ДНК от остальной цитоплазмы, формирует вторичную полость. Тоже – хлоропласты и митохондрии.
Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, получили название органелл.
Сравнительные характеристики прокариотной и эукариотной клетки приведены в таблице 1.
ВИРУСЫ. Вирусная частица называется также вирионом. Состоит из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК), окруженной белковой оболочкой. Не может размножаться и функционировать без клетки-хозяина. Неклеточная форма жизни (полужизни). Белковая оболочка называется капсид. Капсид + нуклеиновая кислота = нуклеокапсид.
Вирусная частица может быть голой – без оболочки (вирус табачной мозаики, вирус, вызывающий бородавки, аденовирус) и с оболочкой (вирусы гриппа и герпеса).
Итак, вирусы – это совершенно отдельная группа внеклеточных частиц, функционирующих только в клетке.
Если классификация высших организмов отражает их эволюционные связи, то создание на этой же основе классификации внутри царства прокариот значительно сложнее.
Для дальнейшего изложения вопроса целесообразно дать определение терминов, которые используются при дальнейшем изложении материала.
Систематика – теория многообразия организмов, изучающая отношения между их группами (таксонами).
Классификация – распределение множества организмов по группам (таксонам).
Таксономия – наименование групп организмов, установление их границ и отношений подчинения.
Таксон – группа организмов, обладающих заданной степенью однородности.
Основной таксономической категорией является вид. По современным представлениям, вид – это группа близких между собой организмов, имеющих общий корень происхождения и на данном этапе эволюции характеризующихся определенными морфологическими, биохимическими и физиологическими признаками, обособленных отбором и приспособленных к определенной среде обитания.
Виды объединяются в роды, роды в семейства, семейства в порядки, порядки в классы, классы в отделы, отделы в царства.
Следует различать два вида классификаций:
филогенетические (естественные) – объединяют родственные формы, связанные общностью происхождения, цель – филогенетическое древо бактерий.
искусственные – ставит более скромные цели – объединяет микроорганизмы на основе их сходства и используется для идентификации, т.е. для быстрого определения вида в принадлежности к определенному таксону.
Наиболее полный труд, в котором описаны бактерии – это «Руководство по определению бактерий Берги» (1923), восьмое издание которого вышло в 1974 году.
Главная цель искусственной классификации – легкость определения – идентификации.
Для идентификации бактерий используют совокупность признаков:
морфологических (форма тела, наличие или отсутствие жгутиков, капсулы, способность к спорообразованию, особенности внутриклеточного строения, окрашивание по Граму);
культуральных (признаки, выявляемые при культивировании чистой культуры в лабораторных условиях);
физиолого-биохимических (способы получения энергии, потребности в питательных веществах, отношение к факторам внешней среды, нуклеотидный состав и последовательность нуклеотидов в ДНК, нуклеотидный состав рибосомальной РНК,
последовательность аминокислот в ферментных белках с аналогичными функциями).
Для восьмого издания Определителя бактерий по Берги характерен отказ от построения классической иерархической системы классификации. Ценность Определителя в том, что он представляет собой наиболее полную сводку известных бактериальных форм и является самым современным пособием по идентификации.
Мы будем строго придерживаться 8-го издания Определителя Берги, однако там не рассматриваются подробным образом цианобактерии и к выходу 8-го издания не были известны подробности фактов, приведшие к открытию архебактерий.
На основании новых многих открытий можно сказать, что уже вскоре последуют новые перестановки и дополнения. Что безусловно – останутся признаки, видимые в микроскоп, и легко устанавливаемые зависимости роста бактерий от присутствия О2 и окраска по Граму.
Прежде чем перейти к изучению прокариот, через краткое рассмотрение 19 групп бактерий, изложенных в Определители (а мы их просто перечислим), рассмотрим как выглядят на сегодня пути клеточной эволюции в простом графическом изложении:
Краткая характеристика групп микроорганизмов по определителю Берги
ЦАРСТВО Procaryota ОТДЕЛ 1. Цианобактерии;