Микробиология

Микробиология – это наука, изучающая микроорганизмы (бактерии, микроскопические грибы, водоросли), их систематику, морфологию, физиологию, биохимию, наследственность и изменчивость, их распространение и роль в круговороте  веществ в природе, а также  их практическое значение.

 

 Начало микробиологии  связывают с именем голландского  исследователя А. Левенгука (1632-1723), который впервые увидел бактерии  и дрожжи, рассматривая с помощью  изготовленных им микроскопов  зубной налёт, растительные настои, пиво и т.д. Однако подлинным  творцом микробиологии как науки был Л. Пастер, выяснивший роль микроорганизмов в брожении (виноделие, пивоварение) и в возникновении болезней животных и человека. Исключительное значение для борьбы с заразными болезнями имел предложенный Пастером метод предохранительных прививок, основанный на введении в организм животного или человека ослабленных культур болезнетворных микроорганизмов. Задолго до открытия вирусов Пастер предложил прививки против вирусной болезни - бешенства. Работы Пастера послужили научной основой стерилизации хирургических инструментов и перевязочных материалов, приготовления консервов, пастеризации пищевых продуктов и т.д. Идеи Пастера о роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе были развиты основоположником общей микробиологии в России С.Н. Виноградским, открывшим хемоавто-трофные микроорганизмы, которые усваивают углекислый газ атмосферы за счет энергии окисления неорганических веществ, и бактерии, разлагающие целлюлозу в аэробных условиях.

 В развитии медицинской  микробиологии важная роль принадлежит  Р. Коху, открывшему возбудителей  туберкулеза и холеры и предложившему  плотные питательные среды для  выращивания микроорганизмов. Существенный  вклад в развитие медицинской  микробиологии и иммунологии  внесли Э. Беринг (Германия), Э.  Ру (Франция), С. Китазато (Япония), а в России и СССР – И.И. Мечников, Л.А. Тарасевич, Д.К. Заболотный, Н.Ф. Гамалея.

 

Развитие микробиологии  и потребности практики привели  к обособлению ряда разделов микробиологии  в самостоятельные научные дисциплины, в частности, такие как:

 

1. Общая микробиология,  которая изучает фундаментальные  закономерности биологии микроорганизмов.

 

2. Техническая, или промышленная микробиология, задачей которой является изучение и осуществление микробиологических процессов, применяемых для получения дрожжей, кормового белка, липидов, бактериальных удобрений, а также получение путем микробиологического син-теза антибиотиков, витаминов, ферментов, аминокислот, нуклеотидов, органических кислот и т.п.

 

3. Сельскохозяйственная микробиология,  которая выясняет состав почвенной  микрофлоры, её роль в круговороте  веществ в почве, а также  её значение для структуры  и плодородия почвы, влияние обработки на микробиологические процессы в ней, действие бактериальных препаратов на урожайность растений. В ее задачу входят также изучение микроорганизмов, вызывающих заболевания растений, и борьба с ними, разработка микробиологических способов борьбы с насекомыми - вредителями, методов консервирования кормов, мочки льна, предохранения урожая от порчи, вызываемой микроорганизмами.

 

4. Геологическая микробиология,  объектом изучения которой является  роль микроорганизмов в круговороте  веществ в природе, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Результатом прикладных исследований в этой области являются методы получения (выщелачи-вания) из руд металлов (медь, германий, уран, олово) и др. ископаемых с помощью бактерий.

 

5. Водная микробиология изучающая количественный и качественный состав микрофлоры соленых и пресных вод и ее роль в биохимических процессах, протекающих в водоемах, осуществляет контроль за качеством питьевой воды, совершенствует микробиологические методы очистки сточных вод.

 

6. Медицинская микробиология,  которая исследует микроорганизмы, вызывающие заболева-ния человека, и разрабатывает эффективные методы борьбы с ними.

 

Следует отметить, что если ранее к объектам изучения микробиологии  относили также и вирусы, то в  настоящее время своеобразие  строения и размножения вирусов, а также применение специальных  методов их исследования привели  к возникновению вирусологии  как самостоятельной науки, не относящейся  к микробиологии. В наши дни микробиология  бурно развивается. Существуют три  основных причины такого развития:

 

– благодаря успехам физики, химии и техники микробиология  получила большое число новых  методов исследования;

 

– начиная с 40-х гг. XX в. резко возросло практическое применение микроорганизмов;

 

– микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических  проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ  и др.

 

Успешное развитие современной  микробиологии невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органном и молекулярном уровнях. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроско-пической техники. Так, в СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.

 

Для изучения обмена веществ  и химического состава микроорганизмов  получили распространение различные  методы физико-химической биологии: хроматография, масс-спектрометрия, метод изотопных  индикаторов, электрофорез. С помощью  электронного микрос-копа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).

 

Широкое распространение  получило непрерывное культивирование микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие куль-туры, т.е. возрастные изменения у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся измене-нием их физиологии. Примером может служить тот факт, что молодые клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми культурами. Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов дали возможность расшифровать особенности их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.

 

Практическое значение микробиологии. В настоящее время весьма велика роль прикладных исследований в области  микробиологии. Еще в глубокой древности, за несколько тысяч лет до возникновения  микробиологии как науки человек, не зная о существовании микроорганизмов, широко применял их для приготовления  кумыса и др. кисломолочных продуктов, получения вина, пива, уксуса, при  силосовании кормов, мочке льна. Микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в образовании и разрушении залежей полезных ископаемых. Особенно важна способность микроорганизмов  минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины XIX в. до 40-х гг. XX в. техническая микробиология в основном изучала различные брожения, а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40х гг. быстро развиваются новые направления технической микробиологии, которые связаны с появлением нового поколения оборудования и аппаратуры. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена.

 

Одним из первых возникло и  развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан

 и др.), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на  непищевом сырье (сульфитные щелока, гидролизаты древесины, торфа и сельскохозяйственные растительные отходы, углеводороды нефти и природного газа, фенольные или крахмалсодержащие сточные воды и т.д.). Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов. Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений, в частности, нитрагина, приго-товляемого из культур клубеньковых бактерий, фиксирующих азот в условиях симбиоза с бобовыми растениями, и применяемого для заражения семян бобовых культур. Новое направление сельскохозяйственной микробиологии связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками - вредителями сельскохозяйственных растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов. Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных. Известно, что деление микроорганизмов на полезные и вредные условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых она проявляется. Так, разложение целлюлозы микроорганизмами важно и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте (животные и человек не способны усваивать целлюлозу без её предварительного гидролиза микробным ферментом целлюлозой). В то же время эти же микроорганизмы разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги, хлопчатобумажные ткани и т.д. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний. Микроорганизмы используются, когда возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов, в почве. Велика роль микроорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).

Существовало множество  теорий о возникновение жизни  на Земле. Часть ученых считала, что  возникновение жизни на Земле  было обязано Творцу, другие же полагали, что существуют некие “семена  жизни”, переносимые с планеты  на планету метеоритами - “теория  панспермии”. И благодаря этому  произошло возникновение жизни  на Земле . Третья группа ученых считала, что возникновение жизни на Земле произошло само собой, благодаря “жизненной силе”. По их мнению, эта “жизненная сила” существует везде. Идея виталистов господствовала в средние века. Теория самозарождения возникновение жизни на Земле включала в себя то, что рыбы могли зарождаться из ила, черви из почвы, мыши из грязи ( земли ) , мухи из мяса и т. д.

 

 Против этой теории  выступил Франческо Реди, который на основе опытов доказал не возможность существования мифической “силы жизни”. Но виталисты не сдавались, утверждая, что в опыте Реди не было доступа кислорода, а следовательно не могла проникнуть и “жизненная сила”, благодаря которой и происходит возникновение жизни на Земле  .

 

 Независимо от Франческо Реди французский ученый Луи Постер, принимая во внимание утверждения виталистов, проделал эксперимент на тему возникновение жизни на Земле   : он взял две колбы с S-образными горлышками, в которых содержалась питательная среда, после длительного кипячения, при котором погибали не только микроорганизмы, но их споры. Колба с целым горлом долго оставалась стерильной, а в сосуде с удаленным S-горлом быстро появились микроорганизмы, этот опыт показал, что “живительная сила” не существует.

 

 Были и такие, которые  считали, что жизнь зародилась  из неживого - теория абиогинеза. Основоположником этой теории был Опарин, который в 1924г. высказал предположение, что при мощных электрических разрядах в земной атмосфере, которая 4,5 млрд. лет назад состояла из аммиака, метана, углекислого газа и паров воды могло произойти возникновение жизни на Земле и   возникнуть простейшие органические соединения, необходимые для возникновения жизни.

 

 Это предположение,  на опытной основе, доказал американский  исследователь С. Миллер , который так же пытался объяснить возникновение жизни на Земле .

 

 Таким образом, всё  множество теорий и гипотез  на тему  возникновение жизни  на Земле сводятся к двум  взаимоисключающим друг друга  точкам зрения:

 

 биогенез: теория возникновения  живого из живого

 

 абиогенез: возникновения  живого из неживого.

 

 Современная наука  рассматривает абиогенное возникновение  жизни на Земле, считая эту  теорию наиболее вероятной.

 

 Абиогенез состоит  из 3-х основных этапов развития  жизни:

 

 Абиогенное возникновение  биологических мономеров. 

 

 Образование биологических  полимеров. 

 

 Формирование мембранных  структур и первичных организмов (пробионтов).

 

 Абиогенное возникновение  жизни на Земле  , или небиологическое возникновение жизни на Земле - возникновение органических молекул из неорганических доказывали ещё в 1924г. русский учёный академик Александр Иванович Опарин (1894 – 1980) и в 1929г. английский естествоиспытатель Джон Холдейн (1892 – 1964). Они исходили из того, что на первых этапах формирования Земля имела очень высокую температуру , при этом никак не могло произойти возникновение жизни на Земле . По мере остывания планеты тяжелые металлы перемещались к ее центру, а более легкие оставались на поверхности. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (H2O, CH4, NH3, HCN), что служило предпосылкой возникновению органических молекул небиологическим путем, а следовательно и возникновение жизни на Земле очень даже казалось возможным .   До начала 20в. многие ученые предполагали, что такие соединения могут возникать только в живых организмах, их называли органическими веществами в противоположность веществам неживой природы – минералам, названным неорганическими соединениями.