3. История развития микробиологии
Антонии ван Левенгук
Открытие микроорганизмов связано с именем голландского естест-
воиспытателя Антони ван Левенгука (1632–1723), который, заинтере-
совавшись строением льняного волокна, отшлифовал несколько грубых
линз. Позднее он достиг большого совершенства
при изготовлении линз и назвал их «микроско-
пиями» (рис. 1). Микроскопы А. ван Левенгука,
несмотря на простоту конструкции, давали хо-
рошее изображение при увеличении примерно
от 50 до 300 раз. С помощью этих микроскопов
он рассматривал все, что попадалось под руку:
воду из пруда, зубной налет, слюну, кровь, на-
стой перца и многое другое. Результаты своих
наблюдений Левенгук посылал в Лондонское
королевское общество. В своих письмах он со
общал, что окружающий нас мир густо населен
микроскопическими обитателями, которые он
назвал живыми маленькими животными –
«анималькулями». А. ван Левенгук был убежден,
что микроорганизмы устроены так же, как и
макро-организмы, т. е. имеют органы
пищеварения, ножки, хвостики и др.
Открытие А. ван Левенгука привлекло
всеобщее внимание. Оно явилось основой
развития микробиологии, изучения форм
микроорганизмов и их распространения во
внешней среде. Это был морфологический, или
описательный период развития микробиологии,
который продолжался с конца XVII до середины
XIX в. Этот период для микробиологии был ма-
лоплодотворным, так как оптические приборы то-
го времени не позволяли отличить один вид мик-
роорганизма от другого, не могли дать представ-
ление о биологических свойствах и роли микро-организмов в природе.
Луи Пастер
Начало изучению физиологии и биохимии
микроорганизмов, выяснению их роли в природе
и жизни человека положил французский ученый Луи Пастер (1822–
1895). С его работ начался физиологический период микробиологии. Л.
Пастер впервые в противоположность мнению химиков показал, что
процессы брожения и гниения обусловливаются
жизнедеятельностью ми-кроорганизмов,
специфических для каждого вида брожения. Он
установил, что эти процессы могут
осуществляться без доступа молекулярного ки-
слорода в анаэробных условиях. Таким образом,
Пастер открыл принципиально новое биологиче-
ское явление – анаэробиоз. Благодаря своим ис-
следованиям Пастер смог установить природу
«болезней» вина и пива, показав, что их скисание
и прогоркание также являются результатом жиз-
недеятельности микроорганизмов. Он предложил
способ предохранения вина и пива от скисания и
прогоркания (способ борьбы с контаминацией пищевых продуктов): их
кратковременный прогрев до температуры 70–80 °С, названный впослед-
ствии пастеризацией.
К области теоретических открытий Пастера относятся его работы о
невозможности самозарождения жизни. Оппоненты Пастера утверждали,
что в субстратах, подвергающихся брожению или гниению, их возбуди-
тели самозарождаются. Безупречными экспериментами Пастер показал,
что в сосудах со стерильным бульоном, закрытых ватными пробками во
избежание контакта с воздухом, самозарождение микроорганизмов не-
возможно. Рост микроорганизмов наблюдается тогда, когда в сосуд с пи-
тательной средой попадает воздух, содержащий микроорганизмы, или
питательная среда подвергается недостаточной термической обработке,
при которой устойчивые к температуре споры бактерий не погибают.
Неоценимый вклад внес Пастер в медицинскую микробиологию. В
процессе исследований он установил, что не только брожение, болезни
пива и вина, шелковичных червей обусловлены жизнедеятельностью
микроорганизмов, но и многие болезни человека и животных также вы-
зываются микроорганизмами. Они, подобно возбудителям брожения,
очень специфичны: каждый вид патогенных микроорганизмов вызывает
строго определенное заболевание. Пастер доказал микробную природу
таких заболеваний человека и животных, как сибирская язва, куриная
холера, бешенство. Кроме того, он разработал способ борьбы с возбуди-
телями этих заболеваний с помощью вакцин – культур патогенных мик-
роорганизмов с ослабленными вирулентными свойствами.
Л. Пастер с полным основанием может считаться основоположником
общей, промышленной, медицинской и ветеринарной микробиологии.
Роберт Кох
Прогресс микробиологии в конце XIX в. был неразрывно связан с ра-
ботами знаменитого немецкого ученого Роберта
Коха (1843–1910), занимавшегося изучением воз-
будителей инфекционных заболеваний. Свои ис-
следования Кох начал с изучения сибирской язвы и
показал, что возбудителями этого заболевания яв-
ляются бактерии вида Bacillus anthracis. Позднее
он открыл возбудителей туберкулеза (бактерии
вида Mycobacterium tuberculosis), которые в его
честь были названы «палочкой Коха». В 1905 г.
Кох за исследования туберкулеза была присуждена
Нобелевская премия по физиологии и медицине. Он
и его ученики открыли возбудителей и других забо-
леваний – азиатской холеры, дифтерии, брюшного тифа, столбняка, го-
нореи. Исследования специфических возбудителей позволили Коху
сформулировать ряд подходов, необходимых для идентификации возбу-
дителя заболевания, которые вошли в историю медицинской микробио-
логии как постулаты Коха:
1. Микроорганизм обнаруживают в каждом случае конкретного пред-
полагаемого заболевания, а также в условиях, ответственных за патоло-
гические изменения и клиническое течение болезни.
2. Микроорганизм не выделяют при других болезнях как случайный
или не патогенный паразит.
3. После изоляции из организма больного и выделения чистой культу-
ры патогенный микроорганизм должен вызвать аналогичное заболевание
у восприимчивого животного.
Р. Кох и его ученики обогатили микробиологию новыми методами
исследований:
• разработали методы окраски микроорганизмов анилиновыми кра-
сителями;
• усовершенствовали технику микроскопирования – конденсор Аббе
и иммерсионные объективы, что дало возможность выявлять плохо раз-
личимые бактериальные формы;
• ввели в микробиологическую практику плотные питательные сре-
ды, на которых микроорганизмы способны формировать колонии, что в
свою очередь позволяет невооруженным глазом определять количество
жизнеспособных микроорганизмов в пробе. Для создания плотных пита-
тельных сред в качестве уплотнителя испробовали жидкость глаза убой-
ного скота, крахмал, затем желатин и наконец агар-агар (вещество, со-
стоящее из двух кислых полисахаридов – агарозы и агаропектина, со-
держащихся в клеточных стенках красных водорослей);
• разработали методику выделения чистых культур бактерий из изо-
лированных колоний на плотных средах;
• разработали стеклянные емкости для культивирования микроорга-
низмов на плотных средах (стажер Р. Коха – Р. Петри), которые называ-
ются чашками Петри;
• внедрили в микробиологическую практику
дезинфекцию как способ удаления микроорга-
низмов с поверхностей.
Родоначальником русской микробиологии
является Л. С. Ценковский (1822–1887). Он
впервые дал научнообоснованную классифика-
цию микроорганизмов, установил близость бак-
терий к сине-зеленым водорослям. Ценковский
Л. С. Ценковский
интересовался также проблемами медицинской микробиологии и создал
вакцину против сибирской язвы, которая в его честь получила название
«живая вакцина Ценковского» и до настоящего времени успешно приме-
няется в ветеринарной практике.
Велика заслуга в развитии микробиологии И. И. Мечникова (1845–
1916). Он открыл явление фагоцитоза и впервые показал, что защита ор-
ганизма от болезнетворных микроорганизмов – сложная биологическая
реакция, в основе которой лежит способность фагоцитов захватывать и
разрушать посторонние тела, попавшие в организм. В 1909 г. за исследо-
вания по фагоцитозу Мечникову была присуждена Нобелевская премия в
области иммунологии.
И. И. Мечников
Исследования Мечникова не ограничивались формулированием фаго-
цитарной теории. Он изучал патогенез холеры и биологию холероподоб-
ных вибрионов, показал возможность заражения шимпанзе сифилисом и
предложил метод лечения сифилиса монохлори-
дом ртути.
И. И. Мечников является также основополож-
ником учения о микробном антагонизме, послу-
жившем основой для развития науки об антибио-
тикотерапии. Он показал, что молочнокислые бак-
терии подавляют гнилостные бактерии. На прин-
ципе микробного антагонизма Мечников обосно-
вал теорию долголетия и предложил для продле-
ния человеческой жизни использовать просто-
квашу, которая впоследствии получила название
«мечниковской». В настоящее время эта теория
подтверждена многочисленными экспериментами
и положена в основу развития отдельной отрасли биотехнологии, свя-
занной с получением и использованием пробиотиков. Пробиотиками
называют живые культуры микроорганизмов (сре-
ди них преобладают молочнокислые бактерии),
которые вводят в организм, обеспечивая заселение
ими кишечного тракта. В процессе роста и разви-
тия такие культуры осуществляют, прежде всего,
коррекцию нормальной микрофлоры желудочно-
кишечного тракта и выполняют еще ряд полезных
функций.
Соратником И. И. Мечникова был микробиолог
и эпидемиолог Н. Ф. Гамалея (1859–1949), кото-
рый внес большой вклад в изучение туберкулеза,
Н. Ф. Гамалея
холеры, бешенства, организовал в России первую бактериологическую
станцию и ввел в практику вакцинацию людей против бешенства. Он
создал также противохолерную и оспенную вакцины, впервые описал
явление лизиса бактерий под действием агентов, которые впоследствии
были названы бактериофагами. Н. Ф. Гамалея считается одним из осно-
воположников не только медицинской микробиологии, но и иммуноло-
гии и вирусологии, поэтому его имя присвоено Институту эпидемиоло-
гии и микробиологии в Москве.
Большой вклад в развитие микробиологии внес Д. И. Ивановский
(1864–1920), который в 1892 г. открыл вирус,
вызывающий мозаичную болезнь табака. От-
крытие Ивановского послужило толчком к об-
наружению возбудителей вирусных заболева-
ний человека и животных. Д. И. Ивановский по
праву считается основоположником новой ветви
микробиологии – вирусологии.
Д. И. Ивановский
C. Н. Виноградский
Создание учения об экологии почвенных
микроорганизмов неразрывно связано с именем
выдающегося русского исследователя С. Н. Ви-
ноградского (1856–1953). С. Н. Виноградский
внес значительный вклад в познание физиоло-
гического многообразия микроорганизмов. Он
открыл процесс хемосинтеза, показав на примере
нитрифицирующих бактерий, серобактерий и же-
лезобактерий, что в природе существуют микро-
организмы, способные извлекать энергию при
окислении восстановленных неорганических сое-
динений. Виноградский также доказал, что авто-
трофные бактерии могут расти на минеральных
средах, получая необходимую для этого роста
энергию путем окисления восстановленных неор-
ганических соединений и используя в качестве
источника углерода углекислый газ, т. е. открыл
новый хемолитоавтотрофный тип питания микро-
организмов. Заслугой Виноградского является и то,
что он впервые выделил из почвы анаэробные бак-
терии, способные фиксировать молекулярный азот, названные им в честь
Л. Пастера Clostridium pasteurianum.
Для выделения в лабораторных условиях бактерий с определенными
свойствами (определенной физиологической группы) Виноградский
предложил создавать специфические (элективные) условия, способст-
вующие преимущественному развитию данной группы микроорганиз-
мов, т. е. он разработал метод накопительных культур.
С.Н. Виноградский опубликовал свыше 300 научных работ по эколо-
гии и физиологии почвенных микроорганизмов и поэтому его по праву
считают родоначальником почвенной микробиологии.
Принцип выделения микроорганизмов, осно-
ванный на методе накопительных культур, был
успешно развит голландским миробиологом М.
Бейеринком (1851–1931). Он впервые выделил
из почвы чистые культуры клубеньковых бакте-
рий (симбиотических азотфиксаторов) и аэроб-
ных свободноживущих азотфиксирующих бакте-
рий Azotobacter chroоcoccum. Кроме того, Бейе-
ринк выделил чистые культуры сульфатреду-
цирующих бактерий, которые составляют важ-
ное звено в круговороте серы. Ему принадлежат
работы по изучению денитрификации и фермен-
тов разных групп микроорганизмов.
М. Бейеринк
Ученик С. Н. Виноградского В. Л. Омелянский
(1867–1928) многое сделал для изучения нитрифи-
цирующих, азотфиксирующих и пектинолитичес-
ких бактерий. Он впервые выделил целлюлозораз-
рушающие бактерии, описал их физиологию и хи-
мизм брожения клетчатки. В. Л. Омелянский напи-
сал первый учебник по микробиологии на русском
языке.
Таким образом, выдающиеся ученые во второй
половине XIX в. заложили прочный фундамент об-
щей микробиологии, на котором в ХХ в. эта наука
достигла расцвета.
В. Л. Омелянский
Развитие микробиологии в ХХ в. ознаменовалось крупными откры-
тиями в области биохимии и генетики микроорганизмов. Так, в 1925 г.
Г. А. Надсон (1867–1940) впервые получил индуцированные мутации
дрожжей посредством облучения клеток рентгеновскими лучами. Он
также изучал роль микроорганизмов в круговороте веществ в природе и
их геологическую деятельность.
В середине 50-х годов ХХ в. А. Клюйвер (1888–1956) и К. ван Ниль
(1897–1985) провели сравнительное биохимическое изучение относи-
тельно далеко отстоящих друг от друга физиологических групп микроор-
ганизмов. Они обнаружили, что закономерности процессов энергетиче-
ского и конструктивного метаболизма для всех микроорганизмов едины.
На основании этого А. Клюйвер и К. ван Ниль сформулировали основы
теории биохимического единства жизни.
В 1941 г. американские исследователи Дж. Бидл (1903–1989) и Э. Та-
тум (1909–1975), изучая проявление индуцированных мутаций у грибов
рода Neurospora, сумели приблизиться к пониманию функций генов и
сформулировали свой знаменитый постулат «один ген – один фермент».
Это открытие совпало по времени с серией достижений генетики микро-
организмов, и его можно считать началом «генетического» периода в ис-
тории развития микробиологии.
В 1944 г. американские ученые О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-
Карти доказали роль ДНК в хранении и передаче наследственной ин-
формации, осуществив эксперименты по генетической трансформации у
бактерий.
Исследования Дж. Ледерберга, Э. Татума и Н. Циндера в период с
1946 по 1952 г. показали наличие половой дифференциации у бактерий.
Они открыли и изучили трансдукцию и конъюгацию, а также закономер-
ности рекомбинации генетического материала у бактерий при этих спо-
собах обмена генетической информацией.
В 1953 г. Дж. Уотсон и Фр. Крик расшифровали строение молекулы
ДНК, раскрыли генетический код, механизмы репликации ДНК и регу-
ляции синтеза белка.
Успехи в области генетики микроорганизмов обусловили развитие
нового направления – молекулярной генетики, являющейся основой ге-
нетической инженерии. Генетическая инженерия внесла потенциально
новые идеи и методы в производство широкого спектра биологически
активных веществ. Открытия и достижения, полученные на микроорга-
низмах, явились также основой для возникновения таких новых научных
направлений, как молекулярная биология, молекулярная биотехнология,
молекулярная вирусология, белковая инженерия и др.
Современный период развития микробиологии тесно связан с научно-
техническим прогрессом, потребностями народного хозяйства и здраво-
охранения. Он характеризуется комплексностью исследований, направ-
ленных как на решение общебиологических проблем, так и задач, свя-
занных с рациональным использованием природных ресурсов, охраной
окружающей среды, развитием сельского хозяйства, здравоохранения,
микробиологической, горнодобывающей и биотехнологической про-
мышленности.
|