История и методология микробиологии

     Основной  вывод из этих исследований был четко  сформулирован Ф. Кютцингом: «Мы  теперь должны каждый процесс брожения рассматривать иначе, чем до сих  пор их рассматривала химия. Весь процесс спиртового брожения зависит от присутствия дрожжей, уксуснокислого - от наличия уксусной матки» (Жданова, 1982).

     Однако  идеи о биологической природе  «фермента» брожения, высказанные тремя  исследователями, не получили признания. Более того, они были подвергнуты суровой критике со стороны приверженцев теории физико-химической природы брожения, обвинивших своих научных противников в «легкомыслии в выводах» и отсутствии каких-либо Доказательств, подтверждающих эту «странную гипотезу». Господствовавшей оставалась теория физико-химической природы процессов брожения.

     В 1827 г. итальянский естествоиспытатель А. Басси (1773-1856 гг.), изучая заболевание шелковичных червей, обнаружил передачу болезни при переносе микроскопического грибка от больной особи к здоровой. Таким образом, А. Басси впервые удалось экспериментально доказать микробную природу этого заболевания (Гусев, 2006).

     Идея  о микробной природе инфекционных болезней в течение долгого времени  не получала признания. Господствующей была теория, согласно которой причинами заболеваний считали различные нарушения течения химических процессов в организме.

     В 1846 г. немецкий анатом Ф. Генле (1809-1885 гг.) в книге «Руководство по рациональной патологии» четко определил основные положения для распознавания инфекционных заболеваний. Позднее идеи Ф. Генле, сформулированные в общей форме (самому Ф. Генле не удалось увидеть ни одного возбудителя инфекционных заболеваний человека), были экспериментально обоснованы Р.Кохом и вошли в науку под названием «триада Генле-Коха» (Жданова, 1982).

     В 60-х годах XIX в. начинается физиологический период изучения микробиологии и связан он с деятельностью выдающегося французского ученого, химика по специальности, Луи Пастера (1822-1895 гг.). Микробиология обязана Пастеру не только своим бурным развитием, но и становлением как науки. С именем Пастера связаны наиболее крупные открытия, принесшие ему мировую известность: брожение (1857 г.), самопроизвольное зарождение (1860 г.), болезни вина и пива (1865 г.), болезни шелковичных червей (1868 г.), инфекция и вакцины (1881 г.), бешенство (1885 г.).

     Пастер  свою научную деятельность начал  с работ по кристаллографии. Им было обнаружено, что при перекристаллизации солей оптически неактивной рацемической винной кислоты образуется два типа кристаллов. Раствор, приготовленный из кристаллов одного типа, вращает плоскость поляризованного света вправо, из кристаллов другого типа – влево. Далее Пастером было обнаружено, что плесневый гриб, выросший в растворе рацемической винной кислоты, потребляет только одну из изомерных форм (правовращающую). Это наблюдение позволило Пастеру сделать вывод о специфическом воздействии микроорганизмов на субстраты и послужило теоретической основой для последующего изучения физиологии микроорганизмов. Наблюдения Пастера над низшим плесневым грибком привлекли его внимание к микроорганизмам вообще.

     В 1854 г. Пастер получил должность штатного профессора в университете г. Лилля. Именно здесь он начал свои микробиологические исследования, положившие начало микробиологии как самостоятельной научной дисциплине.

     Поводом для начала изучения процессов брожения послужило обращение к Пастеру  лилльского фабриканта с просьбой помочь выяснить причины систематических  неудач в сбраживании свекловичного  сока для получения спирта. Результаты исследований, опубликованные в конце 1857 г., с несомненностью доказывали, что процесс спиртового брожения является результатом жизнедеятельности определенной группы микроорганизмов – дрожжей и происходит в условиях без доступа воздуха.

     Почти одновременно с изучением спиртового брожения Пастер приступил к изучению молочнокислого брожения и также  показал, что этот вид брожения вызывается микроорганизмами, названными им «молочнокислыми  дрожжами». Итоги исследований Пастер изложил в опубликованных работах «Мемуар о молочнокислом брожении».

     Действительно, результаты исследований Пастера не просто новые научные данные. Это  смелое опровержение господствовавшей тогда теории физико-химической природы  брожения, поддерживаемой и отстаиваемой крупнейшими научными авторитетами того времени: И. Берцелиусом, Э. Митчерлихом, Ю. Либихом. И Пастер это прекрасно понимал. Молочнокислое брожение – наиболее простой «химический» процесс распада молекулы сахара на две триозы, и доказательство того, что этот распад связан с жизнедеятельностью микроскопических организмов, являлось весомым аргументом, поддерживающим теорию биологической природы брожений.

     Вторым  аргументом в поддержку биологической  природы брожений было экспериментальное  доказательство Пастером возможности осуществлять спиртовое брожение на среде, не содержащей белка. (Согласно химической теории брожения последнее есть результат каталитической активности «фермента», которым является вещество белковой природы.) Полученные данные были затем подробно описаны Пастером в «Мемуаре о спиртовом брожении».

     Изучение  маслянокислого брожения привело Пастера  к выводу, что жизнь некоторых  микроорганизмов не только может  протекать в отсутствие свободного кислорода, но последний вреден для  них. Результаты этих наблюдений были опубликованы в 1861 г. в сообщении, озаглавленном «Анималькули-инфузории, живущие без свободного кислорода и вызывающие брожение». Обнаружение отрицательного влияния свободного кислорода на процесс маслянокислого брожения было, пожалуй, последним моментом, полностью опровергавшим теорию химической природы брожений, поскольку именно кислороду отводилась роль соединения, дававшего первый толчок к внутреннему движению белковым частицам «фермента». Серией исследований в области брожений Пастер убедительно доказал несостоятельность химической теории брожений, вынудив своих противников признать их заблуждения. За работы по исследованию анаэробиоза в 1861 г. Пастер получил премию французской Академии наук и медаль Лондонского Королевского общества. Итог двадцатилетним исследованиям с области брожений был подведен Пастером в «Исследовании о пиве, его болезнях, их причинах, способах сделать его устойчивым, с приложением новой теории брожения» (1876 г.).

     В 1865 г. французское правительство  обратилось к Пастеру с просьбой помочь шелководам, терпевшим большие убытки из-за болезней шелковичных червей. Около пяти лет посвятил Пастер изучению этого вопроса и пришел к выводу, что болезни шелковичных червей вызываются определенными микроорганизмами. Пастер детально изучил течение болезни – пебрины шелковичных червей и разработал практические рекомендации по борьбе с заболеванием: он предложил искать под микроскопом в телах бабочек и куколок возбудителей заболевания, отделять заболевшие особи и уничтожать их и т.д.

     Установив микробную природу инфекционных заболеваний шелковичных червей, Пастер пришел к мысли, что болезни  животных и человека также обусловлены  воздействием микроорганизмов. Первой его работой в этом направлении  было доказательство того, что родильная горячка, широко распространенная в описываемый период, вызывается определенным микроскопическим возбудителем. Пастер выявил возбудителя горячки, показал, что причина ее – пренебрежение правилами антисептики со стороны медицинского персонала, и разработал методы защиты от проникновения возбудителя в организм.

     Дальнейшие  работы Пастера в области изучения инфекционных заболеваний привели  к открытию им возбудителей куриной  холеры. Остеомиелита, гнойных абсцессов, одного из возбудителей газовой гангрены. Таким путем Пастер показал и доказал, что каждое заболевание порождается специфическим микроорганизмом.

     В 1879 г. при изучении куриной холеры Пастер разработал метод получения  культур микробов, которые утрачивают способность быть возбудителем заболевания, т. е. теряют вирулентность, и использовал это открытие для предохранения организма от последующего заражения. Последнее легло в основу создания теории иммунитета.

     Изучение  инфекционных болезней Пастером сочеталось с разработкой мер для активной борьбы с ними. На основе методики получения ослабленных культур вирулентных микроорганизмов, названных «вакцинами», Пастер нашел способы борьбы с сибирской язвой и бешенством. Вакцины Пастера получили всемирное распространение. Учреждения, где проводятся прививки против бешенства, в честь Пастера названы Пастеровскими станциями (Жданова, 1982).

     Работы Пастера были по достоинству оценены его современниками и получили международное признание. В 1888 г. для Пастера на средства, собранные по международной подписке, был построен в Париже научно-исследовательский институт, носящий в настоящее время его имя. Пастер был первым директором этого института.

     Успехи  микробиологии в этот период непосредственно  связаны с новыми идеями и методическими  подходами, внесенными в микробиологические исследования Л.Пастером. В числе первых, кто оценил значение открытий Пастера, был английский хирург Дж. Листер, он понял, что причина большого процента смертных случаев после операций – заражение ран бактериями из-за незнания. Во-первых, и несоблюдения, во-вторых, элементарных правил асептики.

     Одним из основоположников медицинской микробиологии  наряду с Пастером явился немецкий микробиолог Р.Кох (1843-1910 гг.), занимавшийся изучением возбудителей инфекционных заболеваний. Свои исследования Кох начал, еще будучи сельским врачом, с изучения сибирской язвы и в 1877 г. опубликовал работу, посвященную возбудителю этого заболевания – Bacillus anthracis. Вслед за этим внимание Коха привлекла другая тяжелая и широко распространенная болезнь того времени – туберкулез. В 1882 г. Кох сообщил об открытии возбудителя туберкулеза, который в его честь был назван «палочкой Коха». (В 1905 г. за исследование туберкулеза Коху была присуждена Нобелевская премия.) Коху принадлежит также открытие в 1883 г. возбудителя холеры (Гусев, 2006).

     Большое внимание Кох уделял разработке микробиологических методов исследования. Он сконструировал осветительный аппарат, предложил  метод микрофотографирования бактерий, разработал приемы окрашивания бактерий анилиновыми красителями и предложил способ выращивания микроорганизмов на твердых питательных средах с использованием желатины. Получение бактерий в виде чистых культур открыло новые подходы для более углубленного изучения их свойств и послужило толчком для дальнейшего бурного развития микробиологии. Были выделены чистые культуры возбудителей холеры, туберкулеза, дифтерии, чумы, сапа, крупозного воспаления легких.

     Кох экспериментально обосновал выдвинутые ранее Ф. Генле положения о  распознавании инфекционных заболеваний, которые вошли в науку под названием «триада Генле-Коха». (Позднее, правда, оказалось, что она приложима не для всех возбудителей инфекций.)

     Большой вклад в развитие общей микробиологии  внес голландский ученый М. Бейеринк (1851-1931 гг.), который внедрял микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов. Круг научных интересов Бейеринка был необычайно широк. Ему принадлежат работы по исследованию физиологии клубеньковых бактерий, изучению процесса денитрификации и сульфат-редукции, работы по изучению ферментов разных групп микроорганизмов. В 1898 г. независимо от Д.И. Ивановского Бейеринком был описан вирус табачной мозаики (Жданова, 1982).

     Сообщения об активном участии микроорганизмов в процессах превращения веществ в природе стали быстро накапливаться в 70-80-х годах XIX в. В 1877 г. французские химики Т. Шлезинг и А. Мюнц доказали микробиологическую природу процесса нитрификации. В 1882 г. П. Дегерейн обнаружил аналогичную природу процесса денитрификации, а двумя годами позже он же установил микробиологическую природу анаэробного разложения растительных остатков. М. Воронин в 1867 г. описал клубеньковые бактерии, а спустя почти двадцать лет Г. Гельригель и Г. Вильфарт показали их способность к азотофиксации. П. Костычев создал теорию микробиологической природы процессов почвообразования.

     Родоначальником русской микробиологии является Л. Ценковский (1822-1887 гг.). Объектом его исследований были микроскопические простейшие, водоросли, грибы. Он открыл и описал большое число простейших, изучал их морфологию и циклы развития. Это позволило ему сделать вывод об отсутствии резкой границы между миром растений и животных. Им также была организована одна из первых Пастеровских станций в России и предложена вакцина против сибирской язвы («живая вакцина Ценковского») (Гусев, 2006).

     Отечественные исследователи заложили прочный  фундамент нового направления в  микробиологии – эколого-физиологического, ставшего вскоре ведущим и оказавшего влияние на развитие самостоятельных  дисциплин и различных школ ученых.

     В этой связи, прежде всего, следует отметить С.Н .Виноградского, В.Л. Омелянского, Б.Л. Исаченко, Д.И. Ивановского, Г.А. Надсона, явившихся основоположниками тех  или иных направлений в общей  микробиологии. Создание, например, учения об экологии почвенных микроорганизмов неразрывно связано с именем русского исследователя С. Виноградского (1856-1953 гг.). Виноградский внес большой вклад и в познание физиологического многообразия микробного мира. Им выполнены классические работы по физиологии серобактерий, железобактерий, результатом которых явилось открытие хемосинтеза у бактерий – величайшее открытие XIX в.

     С. Виноградский доказал, что существуют бактерии, самостоятельно синтезирующие  органическое вещество, используя при  этом энергию окисления минеральных  соединений (сероводород, аммиак) и углерод углекислоты, тт. е. был открыт новый тип питания микроорганизмов – автотрофизм.

     Неизменным  требованием Виноградского было исследование микроорганизмов в  естественной среде обитания или  условиях, максимально приближающихся к естественным. Следуя этому принципу, он разработал простые и оригинальные методы исследования почвенных микроорганизмов. Всеобщее признание и широкое применение получил метод элективных (избирательных) сред, позволивший выделить из естественной среды ряд новых микроорганизмов и определить их роль в круговороте веществ.