План
1. Общая характеристика микроорганизмов.
2. Основные этапы развития микробиологии. Связь микробиологии с другими науками.
3. Методы микробиологической диагностики.
Общая характеристика микроорганизмов. Биосфера заселена огромным числом живых существ. Одни из них составляют макромир, другие - микромир, К макромиру относятся животные, птицы, растения, насекомые и другие - видимые невооруженным глазом существа; к микромиру принадлежат невидимые невооруженным глазом мельчайшие живые существа, имеющие как растительное, так и животное происхождение; это главным образом бактерии, грибы, простейшие и вирусы. По ориентировочным подсчетам в биосфере обитает до 1045 бактерий, а число вирусов, простейших вообще не поддается учету.
Микроорганизмы в зависимости от молекулярно-биологической организации подразделяют на прокариотов и эукариотоз. Прокариоты (от греч. karyon - ядро) - доядерные простейшие одноклеточные формы жизни, не имеющие ядерной мембраны и высокоорганизованных органелл, К ним относятся бактерии, в том числе актиномицеты и сине-зеленые водоросли, К эукариотам, имеющим оформленное ядро и высокоорганизованные органеллы относятся одноклеточные и многоклеточные организмы - простейшие, грибы, водоросли (кроме сине-зеленых). Прокариоты и эукариоты имеют определенное строение, формы жизнедеятельности и находятся в биоценотическом (от греч. bios - жизнь и kolnos - общий) отношении с другими живыми существами, а также неживой природой.
Особое место среди микроорганизмов занимают вирусы (от лат. virus -яд) - мельчайшие и простейшие формы жизни, стоящие на грани между живым и неживым, не способные жить и размножаться вне животной, растительной или иной клетки. В состав вирусов входят нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК), белки, ферменты.
Вирусы и прионы («инфекционные» белковые частицы, лишенные генетического материала), являются облигатными (обязательными) внутриклеточными паразитами. Прокариоты, как правило, размножаются вне клетки, однако могут являться факультативными внутриклеточными паразитами; только некоторые из бактерий (риккетсии, хламидии) являются облигатными внутриклеточными паразитами. Эукариоты устроены значительно сложнее, чем прокариоты. Об этом можно судить по объему генома, составляющего генетический аппарат клетки. У эукариотов его объем в десятки и сотни раз больше, чем у прокариотов. Размеры отдельных представителей микромира колеблются от 0,01-0,4 мкм, или 10-400 нм (вирусы), до 10 мкм и более (бактерии, грибы, простейшие).
В таксономическом отношении микроорганизмы очень разнообразны. Они включают прионы, вирусы, бактерии, водоросли, грибы, простейшие и даже микроскопические многоклеточные животные.
По уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки все живое делят на 4 царства жизни: эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды.
К прокариотам, объединяющим эубактерии и архебактерии, относят бактерии, низшие (сине-зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, архебактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы- эукариоты.
Микроорганизмы - это невидимые простым глазом представители всех царств жизни. Они занимают низшие (наиболее древние) ступени эволюции, но играют важнейшую роль в экономике, круговороте веществ в природе, в нормальном существовании и патологии растений, животных, человека.
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.
Микроорганизмы играют огромную роль в природе и жизни человека. Они обеспечивают круговорот веществ и энергии в природе, плодородие почв, поддержание газового состава атмосферы и других природных процессов.
Подавляющее большинство микроорганизмов безвредно для человека, а многие из них полезны. В частности, микроорганизмы, населяющие кожу и слизистые оболочки, желудочно-кишечный тракт, составляют экологическое единство с организмом человека и поддерживают постоянство некоторых процессов его жизнедеятельности. Многие микроорганизмы используются человеком при получении жизненно необходимых продуктов и материалов.
Микроорганизмы, которые оказывают неблагоприятных влияний на организм человека и не вызывают у него заболеваний, называют непатогенными, или сапрофитами (от греч. sapros - гнилой и phyton - растение). Микроорганизмы, вызывающих у человека различные заболевания, патологические процессы, называют патогенными (от греч. pathos - болезнь). Патогенных микроорганизмов насчитывается более 3000 видов (бактерии, вирусы, грибы). При соответствующих условиях, главным образом снижении сопротивляемости организма, сапрофиты могут вызывать болезни, т.е. вести себя как патогенные микроорганизмы. Их называют условно-патогенными.
Микроорганизмы изучает наука, которая получила название микробиологии. Это (греч. mikros – малый, лат. bios - жизнь) - наука, предметом изучения которой являются микроскопические существа, названные микроорганизмами, или микробами, их биологические признаки, систематика, экология, взаимоотношения с другими организмами, населяющими нашу планету, - животными, растениями и человеком.
Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.
В настоящее время микроорганизмы представляют собой по количеству самую значительную и самую разнообразную часть организмов, населяющих биосферу Земли. Все микроорганизмы разделены на 4 большие царства: бактерии, грибы, простейшие и вирусы. Каждая из них является объектом изучения отдельных разделов микробиологии - бактериологии, микологии, протозоологии и вирусологии.
В процессе развития микробиологии были разработаны оригинальные методы исследования, многие заимствованы из других дисциплин - биофизики, биохимии, генетики, цитологии и т.д.
За всю историю своего развития перед микробиологией так же, как и перед другими естественными науками, стояли определенные цели и задачи, успешное развитие которых способствовало научному и общественному прогрессу всего человечества. Это в свою очередь стимулировало развитие специализированных разделов микробиологии.
Так сформировались общая микробиология и частная микробиология, которая включает техническую, сельскохозяйственную, ветеринарную, медицинскую, санитарную, морскую, космическую и другие.
Общая микробиология изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структур, метаболизм, генетику, экологию и т.д.
Основной задачей (промышленной) микробиологии является разработка биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, витаминов, ферментов, спиртов, органических кислот, антибиотиков и др.
Сельскохозяйственная микробиология занимается изучением микроорганизмов, которые участвуют в круговороте веществ, используются для изготовления удобрений, вызывают заболевания растений и другими проблемами.
Ветеринарная микробиология изучает возбудителей заболеваний животных, разрабатывает методы их биологической диагностики, специфической профилактики.
Предметом изучения медицинской микробиологии являются патогенные и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения вызываемых ими инфекционных заболеваний.
Одновременно с медицинской микробиологией сформировалась иммунология, которая занимается изучением специфических механизмов защиты организмов людей и животных от болезнетворных микроорганизмов и другими проблемами.
Предметом изучения санитарной микробиологии, тесно связанной с медицинской и ветеринарной микробиологией, является санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды, пищевых продуктов и напитков и разработка нормативов и методов индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах окружающей среды.
В становлении и развитии микробиологии просматривается несколько исторических периодов.
1. Эмпирических знаний (до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира).
Дж.Фракасторо (1546 г.) предположил живую природу агентов инфекционных заболеваний- contagium vivum.
2. Морфологический период занял около двухсот лет.
Антони ван Левенгук в 1675 г. впервые описал простейших, в 1683 г.- основные формы бактерий. Несовершенство приборов (максимальное увеличение микроскопов X300) и методов изучения микромира не способствовало быстрому накоплению научных знаний о микроорганизмах.
3. Физиологический период (с 1875 г.) - эпоха Л.Пастера и Р.Коха.
Л.Пастер- изучение микробиологических основ процессов брожения и гниения, развитие промышленной микробиологии, выяснение роли микроорганизмов в кругообороте веществ в природе, открытие анаэробных микроорганизмов, разработка принципов асептики, методов стерилизации, ослабления (аттенуации) вирулентности и получения вакцин (вакцинных штаммов).
Р.Кох - метод выделения чистых культур на твердых питательных средах, способы окраски бактерий анилиновыми красителями, открытие возбудителей сибирской язвы, холеры (запятой Коха), туберкулеза (палочки Коха), совершенствование техники микроскопии. Экспериментальное обоснование критериев Хенле, известные как постулаты (триада) Хенле-Коха.
4. Иммунологический период.
И.И.Мечников – «поэт микробиологии» по образному определению Эмиля Ру. Он создал новую эпоху в микробиологии - учение о невосприимчивости (иммунитете), разработав теорию фагоцитоза и обосновав клеточную теорию иммунитета.
Одновременно накапливались данные о выработке в организме антител против бактерий и их токсинов, позволившие П.Эрлиху разработать гуморальную теорию иммунитета. В последующей многолетней и плодотворной дискуссии между сторонниками фагоцитарной и гуморальной теорий были раскрыты многие механизмы иммунитета и родилась наука иммунология.
В дальнейшем было установлено, что наследственный и приобретенный иммунитет зависит от согласованной деятельности пяти основных систем : макрофагов, комплемента, Т- и В-лимфоцитов, интерферонов, главной системы гистосовместимости, обеспечивающих различные формы иммунного ответа. И.И.Мечникову и П.Эрлиху в 1908 г. была присуждена Нобелевская премия.
12 февраля 1892 г. на заседании Российской академии наук Д.И.Ивановский сообщил, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату можно считать днем рождения вирусологии, а Д.И.Ивановского - ее основоположником. Впоследствии оказалось, что вирусы вызывают заболевания не только растений, но и человека, животных и даже бактерий. Однако только после установления природы гена и генетического кода вирусы были отнесены к живой природе.
5. Следующим важным этапом в развитии микробиологии стало открытие антибиотиков. В 1929 г. А.Флеминг открыл пенициллин и началась эра антибиотикотерапии, приведшая к революционному прогрессу медицины. В дальнейшем выяснилось, что микробы приспосабливаются к антибиотикам, а изучение механизмов лекарственной устойчивости привело к открытию второго - внехромосомного (плазмидного) генома бактерий.
Изучение плазмид показало, что они представляют собой еще более просто устроенные организмы, чем вирусы, и в отличие от бактериофагов не вредят бактериям, а наделяют их дополнительными биологическими свойствами. Открытие плазмид существенно дополнило представления о формах существования жизни и возможных путях ее эволюции.
6. Современный молекулярно-генетический этап развития микробиологии, вирусологии и иммунологии начался во второй половине 20 века в связи с достижениями генетики и молекулярной биологии, созданием электронного микроскопа.
В опытах на бактериях была доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Использование бактерий, вирусов, а затем и плазмид в качестве объектов молекулярно-биологических и генетических исследований привело к более глубокому пониманию фундаментальных процессов, лежащих в основе жизни. Выяснение принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий и установление универсальности генетического кода позволило лучше понимать молекулярно- генетические закономерности, свойственные более высоко организованным организмам.
Расшифровка генома кишечной палочки сделало возможным конструирование и пересадку генов. К настоящему времени генная инженерия создала новые направления биотехнологии.
1. Начальный период, который охватывает период второй половины XVIII века - середины XIX века. Он связан с созданием А.Левенгуком простейшего микроскопа и открытием микроскопических существ, не видимых глазом человека.
- Пастеровский период (вторая половина XIX века), связанный с именем Луи Пастера, характеризуется становлением и развитием микробиологии и иммунологии как самостоятельной единой естественнонаучной дисциплины, имеющей свои объекты и оригинальные методы их исследования.
- Третий период, охватывающий первую половину XX века, характеризуется дальнейшим развитием микробиологии и иммунологии и становлением вирусологии - науки о вирусах, особой форме живой материи.
- Современный период, начало которому было положено в середине текущего столетия научно-технической революцией в естествознании.
Начальный период развития микробиологии
Открытие мира микроорганизмов произошло только в XVII веке. Первооткрывателем микробов явился Антоний Левенгук (1632-1723), купец по профессии, который стал крупнейшим натуралистом своего времени. Овладев искусством шлифования стекол, он изготовил линзы, которые давали большие увеличения. С их помощью Левенгук обнаружил мельчайших «живых зверьков» в дождевой воде, зубном налете, загнившем мясе и других предметах. Свои наблюдения он обобщил в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком».
Таким образом, был установлен факт существования микроорганизмов, хотя роль их продолжала оставаться неизвестной. Были описаны палочковидные бактерии, обнаруженные в крови коров и овец, больных сибирской язвой. Эти и другие наблюдения предшествовали признанию этиологической роли микроорганизмов в инфекционных заболеваниях людей и животных.
3. Задачи медицинской микробиологии.
К ним можно отнести следующие:
1. Установление этиологической (причинной) роли микроорганизмов в норме и патологии.
2. Разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных заболеваний, индикации (выявления) и идентификации (определения) возбудителей.
3. Бактериологический и вирусологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инфекции в лечебных и детских учреждениях.
4. Контроль за чувствительностью микроорганизмов к антибиотикам и другим лечебным препаратам, состоянием микробиоценозов (микрофлорой) поверхностей и полостей тела человека.
4. Методы микробиологической диагностики.
Методы лабораторной диагностики инфекционных агентов многочисленны, к основным можно отнести следующие.
1. Микроскопический - с использованием приборов для микроскопии. Определяют форму, размеры, взаиморасположение микроорганизмов, их структуру, способность окрашиваться определенными красителями.
К основным способам микроскопии можно отнести световую микроскопию (с разновидностями - иммерсионная, темнопольная, фазово-контрастная, люминесцентная и др.) и электронную микроскопию. К этим методам можно также отнести авторадиографию (изотопный метод выявления).
2. Микробиологический (бактериологический и вирусологический) - выделение чистой культуры и ее идентификация.
3. Биологический - заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях (биопроба).
4. Иммунологический (варианты - серологический, аллергологический) - используется для выявления антигенов возбудителя или антител к ним.
5. Молекулярно-генетический - ДНК- и РНК-зонды, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и многие другие.
Заключая изложенный материал, необходимо отметить теоретическое значение современной микробиологии, вирусологии и иммунологии. Достижения этих наук позволили изучить фундаментальные процессы жизнедеятельности на молекулярно- генетическом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности механизмов развития многих заболеваний и направления их более эффективного предупреждения и лечения.
Развитие микробиологии в России
К одним из первых «охотников за микробами» в России относится русский ботаник Л.С.Ценковский (1822-1887), который организовал в руководимой им лаборатории производство сибиреязвенной вакцины, а в 1883 г. успешно использовал ее для вакцинации скота.
Существенный вклад в изучение сибирской язвы у человека, чумы и проказы внес Г.H.Минх (1836-1896). Его имя получило широкую известность после проведенного им опыта самозаражения, доказавшего, что спирохета возвратного тифа, обнаруженная Обермейером в крови больных, действительно является возбудителем данного заболевания.
О.О.Мочутковский (1845-1903) в одном из опытов самозаражения ввел себе кровь больной сыпным тифом и заболел, доказав тем самым, что возбудитель заболевания присутствует в крови больного.
Широкую известность получили работы Ф.А.Леша (1840-1903), в которых было показано, что дизентерию могут вызывать простейшие, принадлежащие к амебам.
Большое значение в развитии отечественной микробиологии сыграла общественная и научная деятельность И.И.Мечникова, создателя фагоцитарной теории иммунитета. В 1892 г. он опубликовал свой труд «Лекции по сравнительной патологии воспаления», в котором как выдающийся мыслитель рассмотрел патологические процессы с позиций эволюционной теории. В 1901 г. появляется его новая книга «Невосприимчивость к инфекционным болезням», в которой подведены итоги многолетних исследований в области иммунитета.
Введение в России прививок против сибирской язвы открыло дорогу вакцинации против бешенства. При содействии Луи Пастера в Одессе была открыта в 1886 г. первая бактериологическая, Пастеровская, станция, заведовать которой был приглашен И.И.Мечников, а его помощниками стали Н.Ф.Гамалея и Л.В.Бардах.
В 1887 г. в Харькове была открыта вторая пастеровская станция. В 90-х годах в России уже существовал ряд бактериологических школ.
Главным центром Петербургской бактериологической школы стал Институт экспериментальной медицины. Заведующим бактериологическим отделом был утвержден С.Н.Виноградский, получивший мировую известность своими работами в области общей микробиологии. С помощью разработанного им метода элективных культур Виноградский открыл серо- и железобактерии, нитрифицирующие бактерии - возбудители процесса нитрификации в почве.
В этом отделе одной из лабораторий заведовал Д.К.Заболотный (1866-1929), работы которого по микробиологии и эпидемиологии чумы, холеры, брюшного тифа и экспериментального сифилиса получили широкую известность. В 1896 г. он организовал и в течение 30 лет руководил первой в России самостоятельной кафедрой микробиологии при Женском медицинском институте (ныне 1-ый С.-Петербургский медицинский институт им. акад. И.П.Павлова).
Д.К.Заболотным были установлены пути передачи чумы от грызунов, роль тарбаганов как носителей возбудителя, природная очаговость чумы. Эти работы положили начало развитию отечественной эпидемиологии.
В состав Института экспериментальной медицины входила чумная лаборатория, созданная в 1898 г. на одном из фортов, вблизи Кронштадта. Она стала российским центром исследований по чуме. Здесь готовили противочумную сыворотку и вакцину, а также противохолерную сыворотку. В 1903 г. в Петербурге было учреждено Русское микробиологическое общество.
Главой московской бактериологической школы и одним из лидеров российских бактериологов был Г.П.Габричевский (1860- 1907), который в 1895 г. возглавлял открытый на частные средства Бактериологический институт при Московском университете. Он работал в области специфического лечения и профилактики скарлатины, возвратного тифа. Его стрептококковая теория происхождения скарлатины в конечном итоге завоевала всеобщее признание. Габричевский является автором «Руководства к клинической бактериологии для врачей и студентов» (1893) и учебника «Медицинская бактериология», который выдержал четыре издания.
Московскую школу представляли М.Н.Берестнов (изучение возбудителя актиномикоза), В.И.Кедровский (получение культуры возбудителя проказы на искусственной питательной среде), Е.И.Марциновский (установление природы кожного лейшманиоза), П.В.Циклинская (1859-1923) - первая женщина-бактериолог (работы по микрофлоре кишечного тракта взрослых и детей).
В конце XIX - начале XX века бактериологические школы были сформированы в Одессе, Харькове, Казани и Киеве.
Выдающийся русский микробиолог Н.Ф.Гамалея (1859-1949), который еще в 1886 г. работал у Пастера по бешенству, совместно с Мечниковым и Бардахом основал первую в России бактериологическую станцию, где изготавливалась антирабическая вакцина и проводилась вакцинация людей против бешенства.
Н.Ф.Гамалея - автор многих научных работ, посвященных бешенству, холере и другим проблемам микробиологии и иммунологии.
После революции, гражданской войны з работу по восстановлению сети микробиологических лабораторий и научно-исследовательских институтов активно включились многие ученые-микробиологи: к ним относятся уже упоминавшиеся выше Н.Ф.Гамалея, Д.С.Заболотный, И.Г.Савченко, Я.И.Марциновский, Л.А.Тарасович и др.
Еще в предвоенные годы, во время Великой Отечественной воины и в первые послевоенные годы отечественные ученые-микробиологи создали вакцины для специфической профилактики клещевого энцефалита (А.А.Смородинцев и др.), сыпного тифа (А.В.Пшеничное, Б.М.Райхер), туляремии (Б.Я.Эльберт, Н.А.Тайский), чумы (М.М.Файбич), сибирской язвы (Н.Н.Гинсбург, А.Л.Тамарин), смешанную вакцину против брюшного тифа, паратифов, холеры и столбняка - поливакцину НИИСИ и др.
В годы Великой Отечественной войны санитарно-эпидемиологическая служба, в состав которой входили бактериологические лаборатории, проделала огромнейшую работу по предотвращению эпидемий различных инфекционных заболеваний.
В 50-70-е годы А.А.Смородинцевым с сотрудниками были получены вакцины для профилактики гриппа, кори, краснухи, паротита и совместно с М.П.Чумаковым - живая вакцина против полиомиелита.
Многие отечественные ученые - В.А.Барыкин, И.Л.Кричевский, Л.А.Зильбер, П.Ф.Здродовский, В.Д.Тимаков, З.В.Ермольева, А.А.Смородинцев, В.И.Иоффе, В.М.Жданов и др. - внесли существенный вклад в развитие микробиологии, вирусологии и иммунологии.
При медицинских институтах, институтах усовершенствования врачей и университетах в настоящее время работают кафедры микробиологии, где наряду с учебной проводится научно-исследовательская работа по многим проблемам медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии.
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, 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 испытывает воздействие разнообразных природных и антропических (связанных с деятельностью людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.
Наибольшую печальную известность имеют па
