История и методология микробиологии

     С. Виноградским опубликовано свыше 300 научных  работ, посвященных экологии и физиологии почвенных микроорганизмов. Его  по праву считают отцом почвенной  микробиологии.

     К числу выдающихся основоположников отечественной микробиологии следует отнести также ученика С. Виноградского В.Л. Омелянского (1867-1928 гг.). Он был не только замечательным ученым, но и талантливым педагогом, популяризатором достижений микробиологии. В. Омелянский, подобно Пастеру, обладал глубокими знаниями в области химии, которые легли в основу его и экологического изучения микроорганизмов. Круг научных интересов В. Омелянского очень широк, однако главное направление его исследований связано с изучением круговорота веществ в природе, в котором существенную роль он отводил микроорганизмам. Изучая процессы разложения органического вещества, он впервые выделил целлюлозоразрушающие бактерии, описал их физиологию и химизм самого процесса.

     Глубоко и всесторонне Омелянским были изучены микроорганизмы, участвующие в круговороте азота, особенно свободноживущие азотофиксаторы и нитрификаторы.

     К новой области исследований относится  одна из последних работ Омелянского  «Роль микроорганизмов в выветривании горных пород». Эта работа легла в основу геологической микробиологии.

     Большой заслугой Омелянского является создание первого русского учебника «Основы  микробиологии», вышедшего из печати в 1909 г. и выдержавшего 9 изданий. В  нем Омелянский обобщил результаты микробиологических исследований и дал общие схемы круговорота в природе отдельных элементов, в том числе азота, углерода, серы и железа. В течение десятилетий этот учебник был настольной книгой специалистов.

     Экологическое направление в микробиологии  успешно разрабатывалось Б.Л. Исаченко (1871-1948 гг.). Всеобщую известность приобрели работы в области водной микробиологии. Он впервые исследовал распространение микроорганизмов в Северном Ледовитом океане и указал на их важную роль в геологических процессах и в круговороте веществ в водоемах.

     Большой вклад в развитие отечественной  и мировой микробиологии внес Д.И. Ивановский (1864-1920), открывший в 1892 г. вирусы растений и тем самым  заложивши основу новой науки  – вирусологии. Подчеркивая важность исследования Ивановского, английский вирусолог Н. Пири писал: «Огромное значение открытия Ивановского для теоретического естествознания заключается в том, что им была открыта новая форма существования белковых тел». Идеи Ивановского сыграли решающую роль в последующих блестящих успехах вирусологии, в результате которых были открыты возбудители большинства вирусных болезней человека, животных, растений и микроорганизмов. По заключению американского вирусолога Стенли, имя Ивановского в вирусологии следует рассматривать в том же свете, как имена Пастера и Коха в микробиологии (Жданова, 1982).

Глава III. Достижения современной микробиологии 

     С 20-х годов прошлого столетия интенсивно начала разрабатываться проблема изменчивости микроорганизмов. Ведущую роль здесь  сыграли исследования Г.А. Надсона (1867-1940 гг.). В 1925 г. Надсон и Г. Филиппов впервые показали возможность получения мутантов микроорганизмов под влиянием лучистой энергии. Эти исследования имели исключительно важное значение – они заложили основы нового направления в естествознании – радиационную биологию.

     Большой интерес представляют также более  ранние работы Надсона, характеризующие  его как микробиолога широкого профиля. Так, Надсон впервые выделил в  чистую культуру и изучил зеленую  бактерию Chlorobium limicola. Значительное место среди ранних работ Надсона занимают исследования взаимоотношений микроорганизмов. Им описаны явления антагонизма, хищничества и симбиоза микроорганизмов. На примере плесневого гриба Spicaria им было показано, что микроорганизмы при развитии в микробных ассоциациях вырабатывают пигмент как «средство защиты и нападения».

     Научный интерес и практическое значение имеют исследования Надсона роли микроорганизмов в круговороте  серы, железа и кальция. Надсон впервые  указал на перспективы развития геологической  микробиологии. Заслуживает внимания и точка зрения Надсона по вопросам современной космической микробиологии. Он допускал возможность сохранения жизнеспособности микроорганизмов в космическом пространстве, подчеркивая значение лучей короткой волны в изменении их наследственных свойств. Надсоном в 1935 г. была высказана идея, которая в настоящее время является одной из важнейших проблем космической микробиологии: «Арениус интересовался импортом жизни с других планет на Землю. Меня же больше интересует обратный путь: возможность экспорта жизни с Земли на другие планеты, способные жизнь поддерживать. Может быть такой экспорт происходит теперь, или происходил ранее, или будет происходить в будущем».

     Перед учеными в XX в. встал очень важный вопрос – как объяснить колоссальное разнообразие микромира, определить его границы, выявить, на чем оно основано (Жданова, 1982). Постановкой этой проблемы, имеющей общебиологическое значение, мы обязаны двум крупнейшим микробиологам А. Клюйверу (1888-1956 гг.) и К. Ван Нилю.

     Клюйвер – голландский ученый, ученик Бейеринка. Биохимик по образованию, как это часто бывает, он интересовался микробиологией. Когда Клюйвер начал работать, ему бросилось в глаза разнообразие типов жизни в микромире, но его интересовало то общее, что проступает сквозь это разнообразие. Поскольку Клюйвер был биохимиком, он и его ученики (одним из них был К.Ван Ниль) провели сравнительные биохимические исследования в относительно далеко отстоящих друг от друга группах микроорганизмов. Было изучено много разных форм микроорганизмов и примерно к середине 50-х годов прошлого века сформулировано то, что теперь называется теорией биохимического единства жизни (Гусев, 2006).

     В 1954 г. Клюйвер и К.Ван Ниль выступили  с циклом лекций, а позднее написали книгу «Вклад микробов в биологию», в основу которой были положены прочитанные лекции. Пользуясь накопленным к этому времени экспериментальным материалом, Клюйвер и К.Ван Ниль показали, что поразительное многообразие процессов метаболизма у микроорганизмов покоится на не менее поразительном единообразии процессов биохимических, т.е. «все биохимические процессы, совершенно независимо от рода изучаемых организмов, могут быть сведены к цепям элементарных реакций, принадлежащих к небольшому числу типов» (Жданова, 1982).

     В чем же конкретно состоит биохимическое единство жизни, сочетающееся с большим физиологическим разнообразием и разными типами жизни в мире микроорганизмов? Общее основано на единстве трех групп процессов: единстве механизмов передачи информации, единстве энергетических и конструктивных процессов. Клюйвер доказал два последних положения (Гусев, 2006).

     Единство  системы передачи информации у всех типов жизни было установлено  позднее. В истории вопроса особую роль сыграло исследование природы  явления трансформации, открытого в 1928 г. Ф. Гриффитом. Он установил превращение бескапсульного пневмококка R-типа в капсульный S-тип. Заражая мышей смешанной взвесью живых бескапсульных авирулентных пневмококков и убитых нагреванием капсульных вирулентных пневмококков, Гриффит наблюдал гибель животных, из крови которых выделял наряду с бескапсульными и капсульные пневмококки. Автор пришел к заключению, что бескапсульные варианты приобрели способность образовывать капсулу под влиянием капсульных пневмококков, несмотря на то, что последние были мертвыми. Однако природу трансформирующего начала Гриффит не установил. Он считал, что ответственными за образование капсулы являются полисахариды капсульных пневмококков S-типа.

     В 1931 г. Х. Даусон, Дж. Аллоуэй повторили  опыт Гриффита in vitro. Опираясь на эти опыты, О. Айвери, К. МакЛеод и М. МакКарти в 1944 г. систематически изучили роль разных веществ клетки в явлениях трансформации. Было показано, что полисахариды оболочки пневмококков не дают явления трансформации, То же оказалось для белков клетки. Трансформацию давали молекулы ДНК с высоким молекулярным весом. Позднее была открыта трансформация и на других видах бактерий, что доказало единство системы передачи генетической информации у бактерий (Жданова, 1982).

Глава IV. Зарождение иммунологии 

     Одновременно  с развитием медицинской микробиологии  формировалась иммунология. И чуть позднее санитарная микробиология, изучающая санитарно-микробиологическое состояние окружающей среды и  пищевых продуктов. Медицинская  микробиология развилась в результате изучения инфекционных болезней. Однако еще до того, как открыли микроорганизмы, человечеству были знакомы заболевания. И уже в трудах Гиппократа появляются предположения о связи заразных болезней и особых болезнетворных испарений, которые он назвал «миазмами».

     В трудах учеными Древней Греции Гиппократом (460— 377 до н. э.), Лукрецием (95—55 н. э.), Галеном (131—211 до н. э.) была высказана гипотеза о живой природе возбудителей заразных заболеваний.

     Народы  Азии имели определенные представления  о заразности лепры (проказы) и проводили изоляцию больных этой инфекцией. Авиценна считал, что причиной возникновения заразных болезней являются невидимые простым глазом живые существа, передающиеся через воду и воздух.

     Но  лишь с развитием химии, физики, медицины в эпоху Возрождения и в период промышленной революции XVI— XVII вв. в Западной Европе и России стали накапливаться наблюдения и научные исследования сущности инфекционных болезней.

     Впервые увидел и описал микробы голландский  ученый А. Левенгук (1632—1723 гг.), который изобрел двояковыпуклые линзы с увеличением в 160 раз. Он первый подметил, как кровь движется в капиллярах, а также увидел в семенной жидкости сперматозоиды. В свои самодельные лупы ученый разглядывал все — дождевую воду, мясо, глаз мухи. Каково же было его изумление, когда в зубном налете, в капле воды и многих других жидкостях он увидел множество живых организмов.

     Открытия  Левенгука вызвали живейший интерес  у многих ученых и послужили толчком  к изучению микромира. Но только через 150—200 лет были выяснены причины брожения, гниения, установлена роль микроорганизмов в этиологии инфекционных болезней, круговорота азота, углерода и других веществ в биосфере.

     Уже на первых этапах развития микробиологии  были сделаны попытки связать  ее с практическими задачами борьбы с инфекционными заболеваниями.

     Русский врач Самойлович (1744—1805 гг.), опираясь на богатый опыт борьбы с чумой, пришел к выводу, что чума вызывается «особливым и совсем отменным существом». Чтобы доказать свое предположение, в 1771 г. Самойлович ввел себе заразный материал, взятый от человека, выздоравливающего от бубонной формы чумы. За глубокое изучение чумы Самойлович был избран почетным членом западноевропейских академий.

     Одна  из наиболее интересных глав в истории  микробиологии — это создание метода оспопрививания. В XVIII в. в Париже от оспы умерло 20 тыс. человек, в Неаполе — 16 тыс. человек. Английский врач Эдуард Дженнер заметил, что доярки, которые заражались оспой при доении больных коров, не заражались при контакте с больными людьми. В1796 г. Э. Дженнер привил здоровому мальчику содержимое гнойного пузырька от коровы, больной оспой. Через 1,5 месяца он привил ему материал от человека, больного оспой. Мальчик не заболел. С тех пор прививки принесли человечеству избавление от этой страшной болезни (Прозоркина, 2006). 

Глава V. Достижения иммунологии в XVIII – XIX в.в. 

     Впервые в истории науки Пастером были разработаны методы уничтожения  микроорганизмов при воздействии  на них высоких температур. Этот метод был положен в основу стерилизации. В 1879 г., работая с возбудителем куриной холеры, Пастер установил, что в определенных условиях культивирования патогенные микробы теряют свою вирулентность. На основе этого открытия он создает вакцины. В 1885 г. Пастер предложил прививки против бешенства. Научные открытия Л. Пастера показали роль микроорганизмов в возникновении инфекции. Он научился выращивать бактерии в искусственных питательных средах, но не знал способа обнаружения возбудителя в каждом отдельном случае инфекции.

     Большое значение для медицинской микробиологии имели открытия немецкого ученого Роберта Коха (1843—1910 гг.), который обогатил микробиологию совершенными методами исследования. Им и его учениками в практику лабораторной техники введены плотные питательные среды (картофель, желатин, свернутая сыворотка, МПА), анилиновые красители, иммерсионная система, микрофотографирование. Благодаря усовершенствованию техники и методики микробиологических исследований Р. Кох окончательно установил этиологию сибирской язвы, открыл возбудителя туберкулеза (1882 г.), холеры (1883 г.) и получил из туберкулезных микробактерий туберкулин. Ученый подробно исследовал раневые инфекции и разработал способ выделения в чистой культуре патогенных бактерий.

     В этом же году проводил исследования по изучению мозаичной болезни табака Д.И. Ивановский (1864—1920 гг.). Он пришел к выводу, что эту болезнь вызывает агент, который не растет на питательных средах и проходит через фильтры. Это была первая работа, доказавшая вирусную природу инфекционных болезней.

     Успехи медицинской микробиологии в области этиологии инфекционных болезней обусловили необходимость изучения механизмов защитных реакций организма от инфекционных агентов (Прозоркина, 2006).