Наука биология включает в себя большое количество подразделов и дочерних наук. Однако одной из самых молодых и перспективных, полезных для человека и его деятельности является микробиология. Сравнительно недавно возникшая, но стремительно набравшая обороты в развитии, эта наука на сегодняшний день сама стала родоначальницей таких разделов, как биотехнология и генная инженерия. Что такое микробиология и как проходили этапы ее становления и развития? Разберемся в этом вопросе подробнее.
Что такое микробиология?
В первую очередь, микробиология - это наука. Объемная, интересная, молодая, но динамично развивающаяся наука. Этимология слова ведет свое происхождение от греческого языка. Так, "mikros" означает "малый", вторая часть слова происходит от "bios", что значит "жизнь", и заключительная часть от греч. "logos", что переводится как учение. Теперь можно дать дословный ответ на вопрос, что такое микробиология. Это учение о микро-жизни.
Другими словами, это изучение самых мелких живых существ, которые не видимы невооруженным глазом. К таким одноклеточным организмам относятся:
- Прокариоты (безъядерные организмы, или не имеющие оформленного ядра):
- бактерии;
- археи.
2. Эукариоты (организмы, имеющие оформленное ядро):
- одноклеточные водоросли;
- простейшие.
3. Вирусы.
Однако приоритетное значение в микробиологии отводится изучению именно бактерий самых разных видов, форм и способов получения энергии. Именно в этом состоят основы микробиологии.
Предмет изучения науки
На вопрос, что изучает микробиология, можно ответить так: она изучает внешнее многообразие бактерий по форме и размерам, их влияние на окружающую среду и на живые организмы, способы питания, развития и размножения микроорганизмов, а также их влияние на хозяйственную и практическую деятельность человека.
Микроорганизмы - это существа, способные обитать в самых разнообразных условиях. Для них практически нет пределов по температуре, по кислотности и щелочности среды, давлению и влажности. При любых условиях существует хотя бы одна (а чаще всего множество) группа бактерий, способная выживать. Сегодня известны сообщества микроорганизмов, которые заселяют совершенно анаэробные условия внутри вулканов, на дне термоисточников, в темных глубинах океанов, суровых условиях гор и скал и так далее.
Науке известны сотни видов микроорганизмов, которые со временем складываются в тысячи. Однако установлено, что это только малая толика того разнообразия, что есть в природе. Поэтому работы у микробиологов очень много.
Одним из самых знаменитых центров, в котором происходило подробное изучение микроорганизмов и всех процессов, с ними связанных, являлся Пастеровский институт во Франции. Названный в честь знаменитого основателя микробиологии как науки Луи Пастера, этот институт микробиологии выпустил из своих стен массу замечательных специалистов, которыми были совершены не менее замечательные и значительные открытия.
В России на сегодняшний день действует институт микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, который является самым крупным исследовательским центром в области микробиологии в нашей стране.
Исторический экскурс в микробиологическую науку
История развития микробиологии как науки складывается из трех основных условных этапов:
- морфологический или описательный;
- физиологический или накопительный;
- современный.
В целом, история микробиологии насчитывает в своем развитии около 400 лет. То есть начало возникновения приходится примерно на XVII век. Поэтому и считается, что она достаточно молодая наука в сравнении с другими разделами биологии.
Морфологический или описательный этап
Само название говорит о том, что на данном этапе проходило, строго говоря, просто накопление знаний о морфологии бактериальных клеток. Началось все с открытия прокариот. Данная заслуга принадлежит родоначальнику микробиологической науки итальянцу Антонио ван Левенгуку, который обладал острым умом, цепким взглядом и хорошим умением логически мыслить и обобщать. Будучи также неплохим техником, он сумел выточить линзы, дающие увеличение в 300 раз. Причем повторить его достижение смогли только в середине XX века русские ученые. И то не вытачиванием, а выплавкой линз из оптического стекловолокна.
Вот эти линзы и послужили материалом, через который Левенгук обнаружил микроорганизмы. Причем изначально он ставил перед собой задачу весьма прозаичного характера: ученого интересовало, почему хрен такой горький. Растерев части растения и рассмотрев их под микроскопом собственного производства, он и увидел целый живой мир крошечных созданий. Было это в 1695 году. С этих пор Антонио начинает активно изучать и описывать различные виды бактериальных клеток. Он различает их только по форме, однако и это уже немало.
Левенгуку принадлежит около 20 рукописных томов, которые описывают подробно шаровидные, палочковидные, спиральные и другие виды бактерий. Им написан первый труд по микробиологии, который называется "Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком". Первая попытка систематизировать и обобщить накопленные знания по морфологии бактерий принадлежит ученому О. Мюллеру, который предпринял ее в 1785 году. С этого момента история развития микробиологии начинает набирать свои обороты.
Физиологический или накопительный этап
На данном этапе развития науки были изучены механизмы, лежащие в основе жизнедеятельности бактерий. Рассмотрены процессы, в которых они принимают участие и которые без них невозможны в природе. Была доказана невозможность самозарождения жизни без участия живых организмов. Все эти открытия были совершены в результате экспериментов великого ученого-химика, но после этих открытий еще и микробиолога, Луи Пастера. Сложно переоценить его значение в развитии этой науки. История микробиологии вряд ли сумела бы развиться так быстро и полно, если бы не этот гениальный человек.
Открытия Пастера можно отобразить несколькими основными пунктами:
- доказал, что знакомый людям издревле процесс брожения сахаристых веществ обусловлен наличием определенного вида микроорганизмов. Причем для каждого вида брожения (молочно-кислое, спиртовое, масляное и так далее) характерно наличие специфической группы бактерий, которые его и осуществляют;
- ввел в пищевую отрасль процесс пастеризации для избавления продуктов от микрофлоры, вызывающей их гниение и порчу;
- ему принадлежит заслуга повышения иммунитета к болезням путем введения вакцины в организм. То есть Пастер - родоначальник прививок, именно он доказал, что болезни вызываются наличием болезнетворных бактерий;
- разрушил представления об аэробности всего живого и доказал, что для жизни многих бактерий (маслянокислых, например) кислород вообще не нужен, и даже вреден.
Главной неоспоримой заслугой Луи Пастера стало то, что все свои открытия он доказывал экспериментально. Так, что ни у кого не могло оставаться сомнений в справедливости полученных результатов. Но на этом история микробиологии, конечно, не заканчивается.
Еще одним ученым, работавшим в XIX веке и внесшим неоценимый вклад в изучение микроорганизмов, стал Роберт Кох - немецкий ученый, которому принадлежит заслуга выведения чистых линий бактериальных клеток. То есть в природе все микроорганизмы тесно взаимосвязаны между собой. Одна группа в процессе жизнедеятельности создает питательную среду для другой, другая делает тоже самое для третьей и так далее. То есть это те же цепи питания, что и у высших организмов, только внутри бактериальных сообществ. Вследствие этого очень сложно изучить какое-то отдельное сообщество, группу микроорганизмов, ведь их размеры чрезвычайно малы (1-6 м или 1 мкм) и, находясь в постоянном тесном взаимодействии между собой, они не поддаются тщательному изучению поодиночке. Идеальной представлялась возможность вырастить множество идентичных клеток бактерий одного сообщества в искусственных условиях. То есть получить массу одинаковых клеток, которые будут видны невооруженным глазом и изучить процессы у которых станет значительно легче.
Вот именно это открытие и сделал Кох. Он ввел в обиход выведение чистых культур бактерий на питательной среде, которая для каждого сообщества своя. Также ему принадлежат заслуги в окрашивании колоний микроорганизмов и отдельных ее участников. Роберт Кох первым открыл туберкулезную палочку (палочку Коха), паразитирующую в животных и человеке. Этот ученый применял метод заражения подопытных животных болезнетворными (патогенными) бактериями с целью выведения чистых культур таких микроорганизмов и разработал методы дезинфекции и борьбы с ними.
Таким образом было накоплено множество ценных сведений о жизнедеятельности бактерий, их пользе и вреде для человека. Развитие микробиологии пошло еще более интенсивным путем.
Современный этап
Современная микробиология - это целый комплекс подразделов и мини-наук, которые занимаются изучением не только самих бактерий, но и вирусов, грибков, архей и всех известных и вновь открываемых микроорганизмов. На вопрос, что такое микробиология, сегодня можно дать очень полный и развернутый ответ. Это комплекс наук, занимающихся изучением жизнедеятельности микроорганизмов, их применения в практической жизни человека в разных областях и сферах, а также влияния микроорганизмов друг на друга, на окружающую среду и живые организмы.
В связи с таким обширным понятием микробиологии следует привести современную градацию данной науки на разделы.
- Общая.
- Почвенная.
- Водная.
- Сельскохозяйственная.
- Медицинская.
- Ветеринарная.
- Космическая.
- Геологическая.
- Вирусология.
- Пищевая.
- Промышленная (техническая).
Каждый из приведенных разделов занимается подробным изучением микроорганизмов, их влияния на жизнь и здоровье людей и животных, а также возможности использования бактерий в практических целях для улучшения качества жизни человечества. Все это в комплексе и есть то, что изучает микробиология.
Наибольший вклад в развитие современных методов микробиологии, способов выведения и возделывания штаммов микроорганизмов внесли такие ученые, как Вольфрам Циллиг и Карл Штеттер, Карл Везе, Норман Пейс, Уотсон Крик, Полинг, Цукеркандль. Из отечественных ученых это такие имена, как И. И. Мечников, Л. С. Ценковский, Д. И. Ивановский, С. Н. Виноградский, В. Л. Омелянский, С. П. Костычев, Я. Я. Никитинский и Ф. М. Чистяков, А. И. Лебедев, В. Н. Шапошников. Благодаря работам перечисленных ученых, были созданы способы борьбы с серьезными болезнями животных и людей (сибирская язва, сахарный клещ, ящур, оспа и так далее). Были созданы способы повышения иммунитета к бактериологическим и вирусным заболеваниям, получены штаммы микроорганизмов, способных перерабатывать нефть, создавать в процессе жизнедеятельности массу различных органических веществ, очищать и улучшать экологическую обстановку, разлагать нераспадающиеся химические соединения и многое другое.
Вклад этих людей поистине неоценим, поэтому некоторые из них (Мечников И. И.) получили Нобелевскую премию за свои работы. На сегодняшний день существуют дочерние науки, образовавшиеся на основе микробиологии, которые являются самыми передовыми в биологии - это биотехнология, биоинженерия и генная инженерия. Работа каждой из них направлена на получение организмов или группы организмов с заранее заданными свойствами, удобными человеку. На выведение новых методов работы с микроорганизмами, на получение максимальной выгоды от использования бактерий.
Таким образом, этапы развития микробиологии хотя и немногочисленны, однако очень содержательны и полны событиями.
Методы изучения микроорганизмов
Современные методы микробиологии основаны на работе с чистыми культурами, а также использовании новейших достижений техники (оптической, электронной, лазерной и так далее). Вот основные из них.
- Использование микроскопических технических средств. Как правило, только световые микроскопы полного результата не дают, поэтому применяются также люминесцентные, лазерные и электронные.
- Посевы бактерий на специальных питательных средах для выведения и культивирования абсолютно чистых колоний культур.
- Физиолого-биохимические методы анализа культуры микроорганизмов.
- Молекулярно-биологические методы анализа.
- Генетические методы анализа. На сегодняшний день стало возможным проследить генеалогическое древо практически каждой открытой группы микроорганизмов. Это стало возможным благодаря работам Карла Везе, который сумел расшифровать участок генома колонии бактерий. С этим открытием стало возможным построение филогенетической системы прокариот.
Совокупность перечисленных методов позволяет получать полную и подробную информацию о любом из вновь открывающихся или уже открытых микроорганизмов и находить им правильное применение.
Этапы микробиологии, которые она прошла в своем становлении как наука, не всегда включали такой щедрый и точный набор методов. Однако примечательно, что самым действенным в любые времена является метод экспериментальный, именно он послужил основой для накопления знаний и умений в работе с микромиром.
Микробиология в медицине
Один из наиболее важных и значимых именно для человеческого здоровья разделов микробиологии является медицинская микробиология. Предметом ее изучения стали вирусы и патогенные бактерии, которые вызывают тяжелые заболевания. Поэтому перед медиками-микробиологами стоит задача: выявить патогенный организм, культивировать его чистую линию, изучить особенности жизнедеятельности и причины, по которым наносится вред организму человека, и найти средство для устранения данного действия.
После того как чистая культура патогенного организма будет получена, необходимо провести тщательный молекулярно-биологический анализ. На основе результатов провести испытание устойчивости организмов к антибиотикам, выявить пути распространения заболевания и выбрать наиболее эффективный метод лечения против данного микроорганизма.
Именно медицинская микробиология, в том числе ветеринарная, помогла решить ряд злободневных проблем человечества: созданы вакцины против сибирской язвы, бешенства, рожи непарнокопытных, оспы овец, анаэробных инфекций, туляремии и паратифа, стало возможным избавление от чумы и парапневмонии и так далее.
Пищевая микробиология
Основы микробиологии, санитарии и гигиены тесно взаимосвязаны между собой и вообще едины. Ведь патогенные организмы способны распространяться гораздо быстрее и в большем объеме, когда условия санитарии и гигиены оставляют желать лучшего. И в первую очередь это находит отражение в пищевой промышленности, при массовых производствах продуктов питания.
Современные данные о морфологии и физиологии микроорганизмов, биохимических процессах, вызываемых ими, а также влияние экологических факторов на микрофлору, развивающуюся в продуктах питания при транспортировании, хранении, реализации и переработке сырья, позволяют избежать многих проблем. Роль микроорганизмов в процессе формирования и изменения качества пищевых продуктов и возникновения ряда заболеваний, вызываемых патогенными и условно-патогенными видами, весьма значительна, и поэтому задачей пищевой микробиологии, санитарии и гигиены является эту роль выявить и повернуть на благо человеку.
Также пищевая микробиология культивирует бактерии, способные преобразовывать из нефти белки, использует микроорганизмы для разложения пищевых продуктов, для обработки многих товаров питания. Процессы брожения на основе молочно-кислых и масляно-кислых бактерий дают человечеству множество необходимых продуктов.
Вирусология
Совершенно отдельная и очень большая группа микроорганизмов, которая на сегодняшний день является самой малоизученной - это вирусы. Микробиология и вирусология - две тесно взаимосвязанные категории микробиологической науки, которые изучают патогенные бактерии и вирусы, способные нанести тяжкий вред здоровью живых организмов.
Вирусология раздел очень обширный и сложный, поэтому заслуживает отдельного изучения.
