Микробиология как наука

Грибы́ (лат. Fungi или Mycota) — царство живой природы, объединяющее эукариотические организмы, сочетающие в себе некоторые признаки как растений, так и животных.

Грибы присутствуют во всех биологических  нишах — в воде, на суше и в воздухе. Они играют важную роль в биосфере, разлагая всевозможные органические материалы, поэтому же многие грибы являются опасными вредителями, наносящими серьёзный экономический ущерб. Многие грибы являются паразитами растений и животных (в том числе и человека), вызывая возникновение ряда опасных заболеваний. Некоторые виды грибов активно используются человеком в хозяйственных и медицинских целях.

Во́доросли (лат. Algae) — группа автотрофных, обычно водных, организмов; содержат хлорофилл и другие пигменты и вырабатывают органические вещества в процессе фотосинтеза.

Размеры водорослей колеблются от долей микрона (кокколитофориды и некоторые диатомовые) до 40 м (макроцистис). Многие водоросли одноклеточные; среди них есть подвижные, совершающие скользящие движения (диатомовые, десмидиевые, синезелёные), механизм передвижения которых окончательно не выяснен, и водоросли, снабжённые жгутиками, во многом подобные простейшим — жгутиковым, но отличающиеся от них наличием хлорофилла и хроматофоров. Они могут утрачивать хлорофилл (в темноте), становиться бесцветными и существовать за счёт поглощения органических веществ, растворённых в воде; есть также виды одноклеточных водорослей, способные, подобно простейшим, захватывать органические частицы (некоторые пиррофитовые). Одноклеточные водоросли часто при помощи слизи или выростов объединяются в колонии. Среди многоклеточных водорослей наряду с крупными есть микроскопические; наиболее просто организованные из них имеют вид разветвлённых нитей, состоящих из одного ряда клеток; другие имеют слоевища: корковидные, шнуровидные, шаровидные, пластинчатые или кустистые с «листьями», снабжёнными жилками (саргассум). У части синезелёных, зелёных и красных водорослей в слоевище откладываются соединения кальция, и оно становится твёрдым. Водоросли лишены корней и поглощают нужные им вещества из воды всей поверхностью. Крупные донные водоросли имеют органы прикрепления — подошву (уплощённое расширение в основании) или ризоиды (разветвлённые выросты). У некоторых водорослей побеги стелются по дну и дают новые слоевища.

Протисты (лат. Protista, простейшие, лат. Protozoa) — гетерогенная группа живых организмов, включающая эукариот, которые не относятся ни к животным, ни к растениям, ни к грибам. Протисты — парафилетическая группа. Для организмов, относящихся к данной группе, невозможно указать никаких положительных общих характеристик. Единственная объединяющая их особенность формулируется как отсутствие сложной структуры, что характерно для многих групп, формируемых «по остаточному принципу» (см., например, беспозвоночные). Все простейшие — одноклеточные или многоклеточные, не имеющие высокоорганизованных тканей.

Строение  и жизненные циклы

Простейшие обладают тончайшими морфофизиологическими  приспособлениями к обитанию в различных  экологических условиях. Как правило, микроскопических размеров, обитают  в воде, влажной почве или в  теле различных животных и человека. Форма их тела весьма разнообразна — от неопределенной (как у амебы) до удлиненной, обтекаемой, веретеновидной (трипаносома), некоторые имеют наружную раковину (фораминиферы), а живущие в толще воды — причудливые выросты.

Тело большинства простейших состоит  из одной клетки, содержащей одно или несколько ядер. У одних тело одето лишь тончайшей мембраной, у других помимо клеточной мембраны развит ряд структур, образующих вместе с мембраной более или менее толстую оболочку, обычно эластичную — пелликулу. Они способны передвигаться с помощью ложноножек, жгутиков или ресничек, реагируют на различные раздражения (фототаксис, хемотаксис, термотаксис и др.). Питаются простейшие мельчайшими животными, растительными организмами и гниющими органическими веществами, паразитические формы обитают на поверхности тела, в полостях тела или тканях организмов своих хозяев. Пути поступления пищи в организм клетки также различны: пиноцитоз, фагоцитоз, осмотический путь, активный перенос веществ через мембрану. Поступившую пищу они переваривают в пищеварительных вакуолях, заполненных пищеварительными ферментами. Некоторые из них, имеющие фотосинтезирующих внутриклеточных симбионтов — хлорелл или хлоропласты (например, эвглены) способны синтезировать органическое вещество из неорганических веществ с помощью фотосинтеза.

Газообмен у простейших осуществляется всей поверхностью тела осмотическим путем; выделение продуктов обмена веществ и избытка воды происходит через поверхность тела, а также с помощью специальных периодически образующихся сократительных (или пульсирующих) вакуолей. Вакуолей бывает одна или несколько.

Размножение простейших происходит бесполым и половым путем в зависимости от условий существования. При бесполом размножении сначала ядро делится на две или несколько частей, а затем делится цитоплазма на две (равные или неравные) или много частей (соответственно числу вновь образовавшихся ядер). В результате из одного организма образуется два (одинаковых или неравных по величине) или несколько новых организмов. При половом размножении две равные или различные по величине и строению (мужская и женская) особи сливаются друг с другом, образуя зиготу, которая затем начинает размножаться бесполым путем. Иногда между двумя особями происходит обмен частью ядер при соприкосновении особей (образования зиготы не наблюдается).

При неблагоприятных условиях простейшие способны образовывать цисты: их тело округляется и покрывается толстой оболочкой. В таком состоянии они могут находиться долгое время. При благоприятных условиях животное освобождается от оболочки и начинает вести подвижный образ жизни.

Ви́рус (от лат. virus — яд) — микроскопическая частица, способная инфицировать клетки живых организмов. Вирусы являются облигатными паразитами — они не способны размножаться вне клетки. В настоящее время известны вирусы, размножающиеся в клетках растений, животных, грибов и бактерий (последних обычно называют бактериофагами). Вирусы представляют собой молекулы нуклеиновых кислот (ДНК или РНК), заключённые в защитную белковую оболочку (капсид). Наличие капсида отличает вирусы от других инфекционных агентов, вироидов. Вирусы содержат только один тип нуклеиновой кислоты: либо ДНК , либо РНК. Ранее к вирусам также ошибочно относили прионы, однако впоследствии оказалось, что эти возбудители представляют собой особые белки и не содержат нуклеиновых кислот.

Происхождение вирусов

Вирусы — сборная группа, не имеющая общего предка. В настоящее  время существует несколько гипотез, объясняющих происхождение вирусов.

Считается, что крупные ядерно-цитоплазматические ДНК-содержащие вирусы происходят от более  сложных (и, возможно, клеточных, таких  как современные микоплазмы и риккетсии), внутриклеточных паразитов, утративших значительную часть своего генома. И действительно, некоторые крупные ДНК-содержащие вирусы (мимивирус, вирус оспы) кодируют функционально избыточные на первый взгляд ферменты, по-видимому, оставшиеся им в наследство от более сложных форм существования. Следует также отметить, что некоторые вирусные белки не обнаруживают никакой гомологии с белками бактерий, архей и эукариот, что свидетельствует о сравнительно давнем обособлении этой группы.

ДНК-содержащие бактериофаги и некоторые  ДНК-содержащие вирусы эукариот, возможно происходят от мобильных элементов, участков ДНК способных к самостоятельной репликации в клетке.

Происхождение некоторых РНК-содержащих вирусов связывают с вироидами. Вироиды представляют собой высокоструктурированные кольцевые фрагменты РНК, реплицируемые клеточной РНК-полимеразой. Считается, что вироиды представляют собой «сбежавшие интроны» — вырезанные в ходе сплайсинга незначащие участки мРНК, которые случайно приобрели способность к репликации. Белков вироиды не кодируют. Считается, что приобретение вироидами кодирующих участков (открытой рамки считывания) и привело к появлению первых РНК-содержащих вирусов. И действительно, известны примеры вирусов, содержащих выраженные вироид-подобные участки (вирус гепатита Дельта).

Структура

Вирусные частицы (вирио́ны) представляют собой белковую капсулу — капсид, содержащую геном вируса, представленный одной или несколькими молекулами ДНК или РНК. Капсид построен из капсомеров — белковых комплексов, состоящих в свою очередь из протомеров. Нуклеиновая кислота в комплексе с белками обозначается термином нуклеокапсид. Некоторые вирусы имеют также внешнюю липидную оболочку. Размеры различных вирусов колеблются от 20 (пикорнавирусы) до 500 (мимивирусы) и более нанометров. Вирионы часто имеют правильную геометрическую форму (икосаэдр, цилиндр). Такая структура капсида предусматривает идентичность связей между составляющими её белками, и, следовательно, может быть построена из стандартных белков одного или нескольких видов, что позволяет вирусу экономить место в геноме.

 
3. История науки

 
3. История науки

3.1.Зарождение  микробиологии как науки

Люди издревле имели представление  о множестве микробиологических процессов, однако не знали вызывающих их истинных причин. Это 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 (см. ниже): так, в 1892 Макс Петтенкофер, уверенный в том что холеру вызывают миазмы, выделяемые окружающей средой, и пытаясь доказать свою правоту, проглотил при свидетелях-медиках культуру холерных вибрионов.

 

 

 

 

 

3.2.Первые открытия

 

 

Антони ван Левенгук.

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. Поэтому неудивительно что «животным» Левенгука не нашлось место нигде, кроме как в коллекции курьёзов. В течение следующих 100–150 лет развитие микробиологии проходило лишь с описанием новых видов. Видную роль в изучении многообразия микроорганизмов сыграл Отто Фридрих Мюллер, который к 1789 описал и назвал по линнеевской биномиальной номенклатуре 379 различных видов. В это время было сделано и несколько интересных открытий. Так, в 1823 была определена причина «кровоточения» просфор – бактерия, названная Serratia marcescens (другое название Monas prodigiosa). Также следует отметить Христиана Готтфрида Эренберга, описавшего множество пигментированных бактерий, первые железобактерии, а также скелеты простейших и диатомовых водорослей в морских и лиманных отложениях, чем положил начало микропалеонтологии. Именно он впервые объяснил окраску воды Красного моря развитием в ней цианобактерий Trichodesmium erythraeum. Он, однако, причислял бактерий к простейшим и рассматривал их вслед за Левенгуком как полноценных животных с желудком, кишечником и конечностями. В России одним из первых микробиологов был [[Ценковский Лев Семенович|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 Г. Э. Шталем. Для спиртового брожения, как для любой реакции, Лавуазье и [[Гей-Люссак, Жозеф Луи|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.

 

3.3Установление  прцессов самозарождения и брожения

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 Лаццаро 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.

Луи Пастер

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. Постепенно складывалось и осознание особого положения микромира в живой природе. В начале XIX века микроорганизмы причислялись к червям. В 1866 Эрнст Геккель впервые выделил их в отдельное царство Protista. Затем Ф. Кон в 1875, изучая синезелёные водоросли, отграничил их от раст ений и объединил их с бактериями как наиболее простых из существующих организмов. К концу XIX века стало ясно, что протисты, объединяемые по своим микроскопическим размерам, существенно различаются между собой. Они были разделены на «высшие» (простейшие, микроскопические грибы и водоросли, дрожжи) и «низшие» (бактерии и [[синезелёные водоросли]]). Лишь в 1930-х после новых открытий в строении клетки Э. Шаттон предложил термины эукариоты и прокариоты. Отсекаются и приписываемые микроорганизмам «уникальные» свойства, одним из которых была способность самозарождаться. Другим был их плеоморфизм, то есть нераспространение на бактерий закона Линнея о постоянстве видов. Её появление было вызвано бедностью внешних форм бактерий при богатстве физиологических и биохимических свойств, отчего и казалось что одна та же бактерия проявляет себя по-разному. Особую роль в опровержении этой теории также сыграл Кон.