Основоположник микробиологии открывший анаэробные бактерии. Этапы развития микробиологии
Микробы появились на нашей планете раньше, чем животные и человек. Доказано, что патогенные микробы существовали и в древние времена. Об этом свидетельствует обнаружение антигенов болезнетворных бактерий, например возбудителя чумы, в останках древних захоронений (мумиях). Уже до открытия микробов люди догадывались о существовании внешних факторов, вызывающих болезни. Следовательно, можно сказать, что микробиология возникла еще до нашей эры и прошла длительный путь развития. В соответствии с уровнем знаний о микробах, с появлением новых открытий и методов, а также формированием новых направлений историю микробиологии можно разбить на пять периодов: 1) эвристический; 2) морфологический; 3) физиологический; 4) иммунологический; 5) молекулярно-генетический.
Эвристический период
Этот период начинается с момента, когда Гиппократ (III – IV в. до н.э.) высказал догадку (эвристика – догадка) о том, что болезни, передающиеся от человека к человеку, вызываются невидимыми, неживыми веществами. Эти вещества он назвал «миазмами». Нужно сказать, что в древности, не зная о существовании микробов, люди пользовались плодами деятельности микробов – виноделием, пивоварением, выпечкой хлеба и т.д.
Только в XV – XVI вв. итальянский врач и поэт Джералимо Фракасторо (1476 – 1553) обосновал мнение о том, что вызывают болезни «живые контагии», которые передают болезни через воздух или через предметы, что эти существа живут в окружающей среде и для борьбы с болезнями необходима изоляция больного, уничтожение контагий и т.д. Кстати, Фракасторо за эти работы считают основоположником эпидемиологии.
Таким образом, за два тысячелетия ученые прошли путь от догадок и предположений к убеждению, что болезни человека вызываются какими-то невидимыми живыми существами.
Морфологический период
Этот период начинается с конца XVII – начала XVIII в., когда голландский естествоиспытатель Антоний ван Левенгук (1632 – 1723) открыл бактерий. Созданный им микроскоп увеличивал предметы в 150 – 300 раз. Рассматривая все подряд (воду, кровь, налет с зубов и др.), Левенгук обнаружил множество живых «зверушек», которых он назвал «анималькулюсы». Систематически делая зарисовки и описания, он направлял письма в Лондонское королевское научное общество. Эти письма печатались в научных журналах, а потом, в 1695 г., была издана книга под названием «Тайны природы, открытия Антони ван Левенгуком при помощи микроскопа». Таким образом, Левенгук положил начало морфологическому периоду, который продолжается и до наших дней. Первым из россиян, кто увидел микробов, был Петр Великий, посетивший Левенгука в Голландии; он же привез микроскоп в Россию, а первым исследователем был врач М.М.Тереховский(1740 – 0796).
После открытия Левенгука началось победное шествие микробиологии. Открывались новые бактерии, грибы, простейшие, а в конце XIX в. были открыты вирусы. Чтобы доказать этиологическую роль микробов в патологии человека, велись исследования на животных, а также опыты по самозаражению. Следует отметить смелые опыты русского эпидемиолога Данилы Самойловича (1724 – 1810), который заразил себя отделяемым бубона больного чумой. Исторически известен ряд опытов по самозаражению материалами или культурами возбудителей, взятыми от больного холерой (Петенгофер, И.И. Мечников, Д.К. Заболотный, Н.Ф. Гамалея), сыпным тифом (Г.Н. Минх), чумой (В.П. Смирнов), вирусом полиомиелита (М.Н. Чумаков) и др.
Конец XIX в. ознаменовался открытием вирусов. В 1892 году русский ботаник Д.И. Ивановский (1864 – 1920) открыл царство вирусов при изучении мозаичной болезни табака. Затем были открыты многие вирусы, поражающие человека, животных, растения и бактерий. В первой половине XX в. оформилась самостоятельная дисциплина – вирусология, а в 1992 году весь мир отметил 100 – летие со дня открытия вирусов Д.И. Ивановским.
Открытие и появление новых видов микробов, а также изменение патогенных свойств уже известных микробов вполне закономерно, так как, с одной стороны, совершенствуются методы микробиологии, а с другой, представители микромира эволюционируют с общими законами биологии и генетики. Только за последние 20 – 30 лет открыто новых и выявлено измененных вариантов известных микробов более трех десятков. Все они объединены в группу опасных непредсказуемых инфекций.
В будущем человека также ожидает появление новых или измененных возбудителей инфекционных болезней. Примером может служить возрастающая роль в патологии человека вирусов Т- клеточного лейкоза, вирусов гепатита, прионов и др.
Физиологический период
С момента обнаружения микробов, естественно, возник вопрос не только об их роли в патологии человека, но и об устройстве, биологических свойствах, процессах жизнедеятельности, экологии и т.д.
Поэтому с середины XIX века началось интенсивное изучение физиологии бактерий. Этот период, который начинался с XIX века и продолжается до наших дней, условно был назван физиологическим периодом в развитии микробиологии.
Большую роль в этот период сыграли работы выдающегося французского ученого Луи Пастера (1822 – 1895). Будучи химиком по образованию, обладая широкой эрудицией, талантом экспериментатора и мудростью организатора науки, Л. Пастер сделал ряд принципиальных основополагающих открытий во многих областях науки, что позволило ему стать основоположником ряда наук: микробиологии, биотехнологии, дезинфектологиии, стереохимии.
Л. Пастер открыл:
1. Природу брожения;
2. Анаэробиоз;
3. Опроверг теорию самозарождения;
4. Обосновал принцип стерилизации;
5. Разработал принцип вакцинации и способы получения вакцин.
В 26 лет Л. Пастер защитил докторскую диссертацию «О мышьяковистых соединениях калия, натрия и аммиака», в которой он доказал, что при выращивании грибов усваиваются лишь определенные стереоизомеры. Таким образом, Л.Пастер стал основоположником стереохимии.
До Пастера господствовала химическая теория брожения Либиха. Пастер сделал открытие, доказав, что брожение (молочнокислое, спиртовое, уксусное) – это биологическое явление, которое вызывается микробами и их ферментами, т.е. Пастер стал основоположником биотехнологии.
До Пастера бытовала теория самозарождения всего живого, т.е. считалось, что животные не только происходили друг от друга, но и возникают самопроизвольно (лягушки рождаются из ила и т.д.). Таким образом, сомозарождались и микробы. Пастер своими опытами опроверг это положение. Он доказал, что если стерильный бульон оставить в открытой колбе, то он прорастет, но если стерильный бульон поместить в колбу, которая сообщается с воздухом через спиральную стеклянную трубку, то бульон не прорастет, так как бактерии с частицами пыли из воздуха будут осаждаться на изогнутых частях спиральной трубки и не попадут в бульон.
Пастер доказал также, что некоторые бактерии не просто не переносят кислород, но живут и размножаются именно только в бескислородной среде. Таким образом, было открыто явление анаэробиоза, а группа микробов получила название анаэробов.
Доказательство роли микробов в ферментативных процессах привело Пастера к решению ряда практических задач, в частности к разработке способа борьбы с болезнями вина путем прогревания его при 50 - 60˚С с целью уничтожения бактерий. Этот способ, названный затем пастеризацией, широко используется в наши дни в пищевой промышленности.
Значительный вклад в развитие микробиологии в этот период внес немецкий бактериолог Роберт Кох (1843 – 1910), который предложил окраску бактерий, микрофотосъемку, способ получения чистых культур, а также знаменитую триаду Генле – Коха по установлению этиологической роли микробов в инфекционных заболеваниях. Согласно триаде, для доказательства роли микробов в возникновении специфической болезни необходимы три условия:
1. Чтобы микроб обнаруживался только у больного и не обнаруживался у здоровых людей и больных другими болезнями;
2. Должна быть получена чистая культура микроба;
3. Микроб должен вызвать аналогичное заболевание при заражении животных.
Эти принципы до Коха выдвигал Генле, Кох их сформулировал и развил. В наше время эта триада имеет относительное значение, так как иногда трудно воспроизвести болезнь у животных (например, ВИЧ-инфекция) и нередко возбудитель обнаруживается у здоровых лиц (носительство).
Таким образом, изучение биологических и физиологических свойств микроорганизмов с конца XIX в. и в течение всего XX в. привело к познанию глубинных процессов жизнедеятельности бактерий, вирусов и простейших.
Иммунологический период
Этот период в развитии микробиологии связан прежде всего с именами французского ученого Л. Пастера, российского биолога И.И. Мечникова (1843 – 1916) и немецкого химика Пауля Эрлиха (1854 – 1915). Этих ученых с полным правом можно назвать основоположниками иммунологии.
Л. Пастера открыл и разработал принцип вакцинации, И.И. Мечников – фагоцитарную теорию, П. Эрлих высказал гипотезу об антителах и развил гуморальную теорию иммунитета.
Следует отметить, что более 200лет назад английский врач Эдуард Дженнер (1749 – 1823) нашел способ создания невосприимчивости к возбудителю натуральной оспы путем прививки человеку вируса коровьей оспы. Это было величайшое открытие, но оно носило эмперический характер. И только Л. Пастер научно обосновал принцип вакцинации, способ получения вакцин и распросранил его на многие страны. Летом 1886 г. в Одессе и Перми начали работать созданные И.И. Мечниковым и его талантливым учеником Н.Ф. Гамалеей первые пастеровские станции.
Благодарное человечество за сделанные открытия на средства, собранные по международной подписке, в 1888 году построило в Париже Пастеровский институт, который работает и в наши дни. В Пастеровском институте работали такие ученые, как алеей первые пастеровскым учеником Н.И.. полученлю натуральной оспы человека путем прививки человекутных (например, ВИЧ-инфе И.И. Мечников, Э. Ру, А. Кальмет (создал вакцину ВЦЖ), А.М. Безредка (предложил метод десенсибилизации), Ж. Борде (иммунохимик), Г. Рамон (разработал метод получения анатоксинов) и многие другие.
Огромный вклад внес И.И Мечников, который за разработку теории фагоцитоза в 1908 году получил Нобелевскую премию. Кроме того, И.И Мечников увлекался процессами старения, ролью нормальной микрофлоры человека, его по праву считают родоначальником геронтологии и учения о дисбактериозах. Оппонент И.И. Мечникова, П. Эрлих за гуморальную теорию иммунитета также был удостоин в1908 году Нобелевской премии.
В 1900 году Р. Кох открыл гиперчувствительность замедленного типа, в 1902 – 1905 гг. Ш. Рише, Ж. Портье, Г.П. Сахаров описали гиперчувствительность немедленного типа, в 1950-х годах открыта толерантность к антигенам (П. Медовар, М. Гашек), иммунологическая память (Ф. Бернет). В это же время изучена структура иммуноглобулинов (Р. Портер и Э. Эдельман), открыт интерферон (А. Айзекс и Ж. Линдеман) и другие иммуномодуляторы. Кроме того, многочисленные исследования были посвящены изучению лимфоцитов и их роли в иммунитете, кооперативным взаимодействиям клеток и т.д.
Иммунология в середине XX века оформилась как самостоятельная наука, имеющая цели, задачи, структуру и классификацию.
Молекулярно-генетический период
Развитие во второй половине XX века молекулярной биологии, генетики, генной и белковой инженерии и других наук дало толчок к развитию молекулярных и генетических аспектов микробиологии.
В этот период была расшифрована молекулярная структура бактерий и вирусов, строение и состав их генома, факторы патогенности и факторы иммунной защиты.
Расшифровка генов бактерий и вирусов, их синтез позволили искусственно создать рекомбинантные ДНК и получать на их основе рекомбинантные штаммы микроорганизмов, которые широко используются для получения биологически активных веществ (гормонов, лекарственных средств, пищевых белков, сахаров и т.д.). Генная инженерия позволила получить вакцинные и диагностические препараты (вакцина против гепатита В, моноклональные антитела и др.).
Разрабатывается иммуногенетика, целью которой является генопрофилактика и генотерапия иммунодефицитов. Широко применяется в микробиологии генодиагностика (полимеразная цепная реакция).
Большие успехи достигнуты в изучении системы гистосовместимости, что решило проблемы в трансплантологии при пересадке органов и тканей, проблемы несовместимости матери и плода в акушерстве и гинекологии.
Эволюцию претерпела химио- и антибиотикотерапия инфекционных болезней. Создано огромное количество противовирусных и антибактериальных препаратов.
Таким образом, достижения в микробиологии и иммунологии не только обеспечили успехи в борьбе с инфекционными заболеваниями, но и открыли новые пути и методы диагностики и терапии неинфекционных болезней.
Историю развития микробиологии можно разделить на этапы:
Задолго до открытия существования микробов, еще в глубокой древности человек бессознательно применял в своем быту микробы, получая с их помощью некоторые пищевые продукты. Это относится к закваскам в хлебопечении, к получению кочевниками молочнокислых продуктов (кумыс), к получению уксуса, вина и т.д.
Более того, не видя микробов, не зная об их существовании, еще в древности предполагали, что заразные болезни вызываются каким-то живым агентом. При этом полагали, что этот живой агент может передаваться от больного человека к здоровому. Об этом пи-сал еще в I веке до нашей эры известный римский публицист - Вар-рон .
Мысль о живой природе возбудителей заразных болезней полу-чила широкое распространение в средние века. Эту мысль высказал в XVI веке итальянский врач и поэт Фракасторо.
Однако все это были лишь одни предположения, никто не имел доказательств живой природы возбудителей заразных болезней. Для доказательства этого не было еще ни научных, ни материальных предпосылок. Микробы из-за своих малых размеров стали доступны для наблюдения лишь после того, как были изобретены увеличитель-ные приборы: лупы, микроскопы.
Только в конце XVI века был изобретен первый такой прибор, и с этого времени стало возможным изучать микроскопически малые существа. Первым человеком, увидевшим микробы, был Антоний Ле-венгук (1632-1723). Левенгук не был профессиональным ученым, он был самоучкой. Весь свой досуг он посвящал шлифованию мелких стекол, мечтая создать увеличительные стекла невиданной чистоты и силы. Лупы, изготовленные Левенгуком, им самим отлитые и отш-лифованные, были действительно лучшими из лучших. Они увеличива-ли в 300 раз и давали четкую картину. Изучая дождевую воду, нас-той навоза, ил, собственный зубной налет, Левенгук неизменно об-наруживал мельчайших "зверюшек" (анималькулюс) оживленно двигав-шихся во всех направлениях, как щуки в воде. По внешнему виду это были то тончайшие палочки, шарики, очень часто собранные в затейливую цепочку, то короткие спиральки. Судя по описанию и по рисункам, Левенгук видел основные формы бактерий. Свои наблюде-ния он регулярно сообщал в письмах в Лондонское Королевское об-щество, а в 1695 году изложил в книге "Тайны природы, открытые Антонием Левенггуком." В 1698 г. Петр I при посещении Голландии беседовал с Левенгуком, заинтересовался микроскопом и привез микроскоп в Россию. В мастерской при дворе Петра I в 1716 г. бы-ли изготовлены первые в России простые микроскопы.
С работами Левенгука связано начало первого, морфологичес-кого этапа развития микробиологии. Однако ни в своих письмах, ни в опубликованной работе Левенгук не указывал, какую роль в при-роде и в жизни человека играют открытые им микроорганизмы. Вос-полнить этот пробел были не в силах и современники. В течение многих лет замечательные открытия Левенгука не были использова-ны. И только через 80 лет была высказана мысль о том, что мель-чайшие живые существа, открытые Левенгуком, являются возбудите-лями болезней человека и животных. Эта мысль принадлежала венс-кому ученому М. Пленчицу (1705-1786). Пленчиц даже сделал смелое для своего времени предположение о том, что каждая заразная бо-лезнь вызывается особым возбудителем. Однако экспериментально доказать эту идею Пленчиц не мог.
Одним из первых ученых, пытавшихся доказать роль микробов в возникновении заразных болезней, был русский врач Данило Самой-лович (1724 - 1805). Работая на эпидемии чумы, которая в те годы была в России, Самойлович высказал блестящую мысль о том, что существует мельчайший живой возбудитель этой страшной болезни. С помощью микроскопа он пытался найти его в органах умерших людей. Самойлович был глубоко убежден, что чума вызывается "неким особ-ливым и совсем отменным существом". Он пытался получить искусс-твенную невосприимчивость к чуме. Во время вскрытия чумного бу-бона Самоулович заразился и переболел этой болезнью в легкой форме. Убедившись в возможности переболеть чумой в легкой форме, он предложил проводить прививки против чумы, причем в качестве материала для прививки рекомендовал брать гной из созревшего бу-бона, так как только такой бубон содержит ослабленный яд. Ре-зультаты своих исследований Самойлович опубликовал в монографии, опубликованной в Страсбурге в 1782 г. Эти исследования произвели большое впечатление на западноевропейских ученых. Дижонская ака-демия наук так характеризовала труды Самойловича: "В сочинениях его предъявляются такие предметы, о коих даже никто не помышлял, ибо ни в каких преданиях древних и новых врачей не упоминается чтобы яд, столь лютый, каков есть язвенный, мог быть удобно ук-рощен".
Впервые в медицинскую практику вакцинация была введена анг-лийским врачом Эдуардом Дженнером . Почва для работы Дженнера бы-ла подготовлена народным опытом вариоляции, то есть искусствен-ного заражения здоровых людей материалом, взятым от больных. Но вариоляция у многих приводила к тяжелой форме заболевания, а са-ми привитые становились источником заражения. Поэтому такой ме-
тод скоро был оставлен. Дженнер, наблюдая в течение 25 лет за возникновением невосприимчивости к заражению натуральной оспой у людей, переболевших коровьей оспой, пришел к мысли, что можно
искусственно создавать такую невосприимчивость. В 1796 году он произвел прививку коровьей оспы мальчику и через 1,5 месяца за-разил его натуральной оспой. Мальчик не заболел. Метод получил популярность. Но это было лишь гениальным эмпирическим достиже-нием. На первых этапах развития микробиологии гениальные догадки отдельных ученых и открытие микробов не были связаны.
В первой половине XIX века, благодаря усовершенствованию микроскопов, были обнаружены микроорганизмы при некоторых болез-нях: возбудитель парши человека - микроскопический гриб, возбу-дитель сибирской язвы. Но эти открытия заключались только в опи-сании найденного микроба.
Из науки описательной микробиология стала наукой экспери-ментальной со второй половины XIX века. Такой расцвет микробио-логии был подготовлен развитием естествознания в эти годы, что в свою очередь связано с подъемом промышленности и сельскохозяйс-твенного производства. Микробиологическая наука вступила в новый этап развития - физиологический. Он связан прежде всего с именем гениального французского ученого Луи Пастера (1822-1895) - осно-воположника научной микробиологии. Пастер был по образованию хи-миком. Его исследования в области молекулярной ассиметрии послу-жили основой для развития стереохимии. В Академию наук он был избран за исследования по диморфизму - изучение веществ, способ-ных кристаллизоваться различным образом. С вопросами микробиоло-гии Пастер столкнулся при изучении процессов брожения. В те вре-мена в науке брожение считалось чисто химическим процессом. Пас-тер, выращивая плесневые грибы в среде с рацемической винной кислотой, наблюдал, что брожению подвергается только правовраща-ющая часть. Ученый предположил, что брожение связано с жизнью и точными опытами доказал, что брожение происходит под действием микробов. Более того, он установил, что различные типы брожения: уксуснокислое, молочнокислое, маслянокислое, - вызываются строго определенными видами микробов, т.е., что брожение - процесс спе-цифический.
Без понятия о специфичности невозможно было последующее развитие медицинской микробиологии.
Изучение процессов брожения привело Пастера еще к одному открытию, что некоторые микробы, в частности, возбудитель масля-нокислого брожения, развиваются только в бескислородных услови-ях. Это явление получило название анаэробиоза, то есть жизни без воздуха. Это открытие сделало переворот в учении о дыхании.
При изучении брожения Пастер невольно остановился перед следующим вопросом: откуда же берутся эти микроскопические су-щества. Иначе говоря, он столкнулся с давнишним вопросом самоза-рождения жизни - вопросом, который давно уже волновал ученых. Считалось, что микробы возникают из органических веществ той жидкости, в которой они размножаются. Французская академия наук назначила премию тому, кто внесет ясность в этот вопрос. Те уче-ные, которые пытались доказать в своих опытах, что микробы не самозарождаются, а проникают извне, тщательно стерилизовали пи-тательный бульон в плотно закрытом сосуде. Их противники возра-жали, что микробы не развиваются потому, что кипячение убивает в воздухе "воспроизводящую силу". Пастер разрешил этот спор гени-альным по своей простоте опытом: стерильный бульон находился в сосуде с горлышком, изогнутым так, что воздух в сосуд проникал свободно, а микробы оседали в изгибе трубки. Бульон оставался прозрачным. Так был решен спор о самозарождении живых микробов.
С этого времени Пастер все свои силы отдает изучению возбу-дителей инфекционных заболеваний человека и животных. Он открыл возбудителей куриной холеры, родильной горячки, остеомиелита, одного из возбудителей газовой гангрены.
Пастер разработал научные основы получения живых вакцин пу-тем ослабления вирулентности (аттенуации) микроорганизмов. Рабо-тая с микробами куриной холеры, он столкнулся с фактом, что про-стоявшая длительное время пробирке культура этого микроба теряет свою вирулентность. Курица, зараженная этой культурой, не погиб-ла. По ходу работы этот случай был неудавшимся экспериментом. Поэтому через несколько дней эта же курица была заражена свежей вирулентной культурой, однако результат был парадоксальным: ку-рица оказалась невосприимчивой к заражению. У Пастера возникло предположение о возможности получения ослабленных культур для создания невосприимчивости. В этом его убеждало также успешное применение прививок против оспы Дженнером, над исследованиями которого Пастер неоднократно задумывался и впоследствии назвал такие аттенуированные микробы вакцинами, чтобы увековечить па-мять Э. Дженнера, применившего для прививок вирус коровьей оспы (лат. vacca - корова). Таким образом Дженнер открыл единичный факт, общий принцип получения живых вакцин открыт Л. Пастером. Он получил вакцины против куриной холеры, сибирской язвы. Завер-шением блестящей научной деятельности Пастера было создание вак-цины против бешенства. Первая прививка этой вакциной была прове-дена 6 июля 1885 г. Мальчик, искусанный бешеным животным, был спасен от смерти с помощью пастеровской антирабической вакцины. К Пастеру стали обращаться за помощью люди из разных стран, и к 1 марта 1886 г. в Париже было привито 350 человек. Одной из пер-вых стран, где было налажено производство антирабической вакци-ны, была Россия. В июне 1886 г. Н.Ф. Гамалея привез из Парижа двух кроликов - носителей вакцинного штамма, и в Одессе была ор-ганизована Пастеровская станция, в которой начали готовить вак-цину и проводить прививки против бешенства.
В 1888 году по международной подписке в Париже был основан , который до сих пор является одним из ведущих научных учреждений мира. К.А. Тимирязев писал: "Грядущие поколения, конечно, дополнят дело Л. Пастера, но исправлять им сделанное едва ли придется, и как бы далеко они не зашли, впредь они будут идти по проложенному им пути, а более этого в науке не сможет сделать даже гений."
Физиологический этап развития микробиологии связан также с работами Роберта Коха (1843-1910) - выдающегося немецкого учено-го. Р. Кох изобрел плотные питательные среды, на которых можно выделить чистые культуры микробов, ввел методику окрашивания микробов и микрофотографии, открыл возбудителей туберкулеза и холеры. За свои работы Р. Кох стал нобелевским лауреатом в 1905 году.
К этому же этапу развития микробиологии относятся многие работы русских ученых. В 1899 г. русский ботаник Д.И. Ивановский (1864-1920) сообщил об открытии вируса, вызывающего мозаичную болезнь табака и таким образом положил начало изучению нового царства живых существ - царства вирусов.
В героическом опыте самозаражения русский врач О.О. Мочут-ковский (1845-1903) доказал, что возбудитель сыпного тифа может быть передан здоровому человеку с кровью больного и то же дока-зал Г.Н. Минх (1836-1896) в отношении возвратного тифа. Эти опы-ты подтвердили мысль о роли кровососущих насекомых как перенос-чиков этих болезней. Основателем сельскохозяйственной микробио-логии является русский ученый С.Н. Виноградский (1856-1953).
Ф.А. Леш (1840-1903) открыл дизентерийную амебу, П.Ф. Боровский (1863-1932) - возбудителя кожного лейшманиоза.
Третий этап в развитии микробиологии - иммунологический. Он был открыт работами Л. Пастера по вакцинации. Основы нового нап-равления были созданы также работами по антитоксическому иммуни-тету. В 1888 г. Э. Ру и А. Иерсен выделили дизентерийный экзо-токсин, а затем Э. Ру и Э. Беринг получили антитоксическую про-тиводифтерийную сыворотку (Э. Беринг - лауреат Нобелевской пре-мии 1901 года). Исследования механизмов формирования невосприим-чивости к заразным болезням сложились в новую науку - иммуноло-гию. Выдающуюся роль в этом сыграл И.И. Мечников (1845-1916) - ближайший помощник и последователь Л. Пастера, возглавивший впоследствии Пастеровский институт. По образованию он был зооло-гом, но значительную часть своих исследований посвятил медицине. Он создал стройную и законченную фагоцитарную теорию иммунитета.
С именем И.И. Мечникова тесно связано развитие микробиологии. в
России, он был учителем многих русских микробиологов.
Одновременно с И.И. Мечниковым исследованием невосприимчи-вости к инфекционным болезням занимался немецкий врач, бактерио-лог, химик П. Эрлих (1854-1916), выдвинувший гуморальную (лат. humor - жидкость) теорию иммунитета, согласно которой основу им-мунитета составляют антитела. Разносторонний ученый, П. Эрлих построил основы химиотерапии, впервые описал явление лекарствен-ной устойчивости микробов. Он создал теорию иммунитета, объясня-ющую происхождение антител и взаимодействие их с антигенами. В своей теории боковых цепей он предсказал существование рецепто-ров, специфически взаимодействующих с определенными антигенами. Эта теория была много позже подтверждена при изучении процесса образования антител на молекулярном уровне.
Дискуссия между сторонниками фагоцитарной (клеточной) и гу-моральной теориями иммунитета получила логическое завершение - эти теории не исключают, а взаимно дополняют друг друга. В 1908 г. И.И. Мечникову и П. Эрлиху совместно была присуждена Нобе-левская премия.
В первой половине XX века были открыты риккетсии - возбуди-тели сыпного тифа и других риккетсиозов (американский микробио-лог Г.Т. Риккетс и чешский микробиолог С. Провацек).
Открыты первые опухолеродные (онкогенные) вирусы (П. Раус - вирус саркомы кур, 1911 г.); открыты вирусы, поражающие бактерии
Бактериофаги (французский ученый д"Эрелль, 1917 г.) сформули-рована вирусо-генетическая теория рака Л.А. Зильбера (1894 - 1966).
Происходит дальнейшее развитие вирусологии. Открыто нес-колько сотен вирусов. В 1937 г. советские ученые под руководс-твом Л.А. Зильбера в экспедиции на Дальнем Востоке открыли вирус клещевого энцефалита, изучили это заболевание, разработали меры лечения и профилактики.
Французские врачи А. Кальметт и М. Герен получили вакцину против туберкулеза - БЦЖ. Сотрудник Пастеровского института Г. Рамон в 1923 г. получил дифтерийный, а затем столбнячный анаток-сины. Созданы вакцины для профилактики туляремии (Б.Я. Эльберт,
Н.А. Гайский), клещевого энцефалита (А.А. Смородинцев).
Положено начало химиотерапии. П. Эрлих синтезировал проти-восифилитический препарат сальварсан, затем неосальварсан. В
1932 г. Г. Домагк в Германии получил первый антибактериальный препарат - стрептоцид (Нобелевская премия 1939 г.)
В 1928 г. английский микробиолог А. Флеминг наблюдал анти-бактериальное действие зеленой плесени, а в 1940 г. Г. Флори и
Э. Чейн получили препарат пенициллина. В СССР был получен пени-циллин из штамма зеленой плесени, выделенной в лаборатории З.В. Ермольевой. Начались широкие исследования новых антибактериаль-ных веществ, выделяемых грибами и актиномицетами. Эти вещества были названы антибиотиками, по предложению американского микро-биолога Э. Ваксмана, получившего в 1944 г. стрептомицин.
Во второй половине XX века, благодаря созданию новых мето-дов, техники и аппаратуры для научных исследований, стали разви-ваться новые направления науки, появилась возможность изучать явления на молекулярном уровне.
Доказана роль ДНК как материальной основы наследственности : в 1944 г. американские ученые О. Эвери, К. Мак-Леод и К. Мак-Ка-рти показали, что наследственные признаки у пневмококков пере-дает ДНК, а в 1953 г. Д. Уотсон и Ф. Крик раскрыли структуру ДНК и генетический код.
Появились новые науки: генетическая инженерия, биотехноло-гия. Методы этих наук позволяют получать биологически активные вещества (гормоны, интерфероны, вакцины, ферменты) путем перено-са генов человека, генов вирусов в микробные клетки.
Современные технические и методические возможности позволи-ли в 1983 г. Л. Монтанье (Пастеровский институт, Париж) и Р. Галло (США) в короткие сроки выделить вирус, вызывающий новое заболевание - СПИД.
Складывается новое учение об иммунитете , об иммунной систе-ме , об органах и клетках, формирующих иммунный ответ. Большой вклад в исследование строения и функции иммунной системы, взаи-модействия клеток в процессе иммунного ответа внесли отечествен-ные иммунологи Р.В. Петров, Ю.М. Лопухин и другие. Создана кло-нально-селекционная теория иммунитета (М.Ф. Бернет), расшифрова-на структура антител (Р. Портер и Д. Эдельман, 1961), открыты классы иммуноглобулинов. Важным достижением современной иммуно-логии является получение высокоспецифических моноклональных ан-тител с помощью гибридом (Д. Кёлер, Ц. Мильстайн, 1965). Часть первая . Общая микробиология.
Глава 1. Место микроорганизмов среди других живых существ.
Важнейшую роль в истории человечества играет микробиология. Зарождение этой науки приходится на VI - V век до н. э. В те далекие времена люди уже начинали осознавать, что болезни появляются не просто так. А происходит это за счет микроскопических, невидимых глазу, микроорганизмов. Как же возникла и формировалась наука?
Что такое микробиология?
Микробиология - наука, занимающаяся исследованием и изучением жизненных процессов различных микроорганизмов, которых нельзя заметить без специального оборудования. Могут иметь разные виды происхождения: растительное, животное. Одной из фундаментальных наук является микробиология. Для ее глубокого изучения используется множество других наук, а именно:
- химия;
- физика;
- цитология;
- биология и др.
Имеется всего два вида микробиологии: общая, индивидуальная. Общая микробиология занимается изучением строения и жизненных процессов мелких микроорганизмов на различных уровнях. А индивидуальная микробиология (или частная) занимается исследованием отдельных видов микробов.
В XIX веке успехи в сфере медицины, в частности микробиологии, посодействовало формированию иммунологии, которая на сегодняшний день считается общебиологической дисциплиной. В развитии микробиологии можно выделить три основных этапа:
- Выявление того факта, что в природе действительно существуют мелкие микроорганизмы, которые нельзя обнаружить без специального оборудования.
- Дифференцирование видов.
- Исследование иммунитета и болезней (инфекционных).
Основной задачей микробиологии является детальное изучение свойств микроорганизмов. Для этого используется специальное оборудование, например, микроскопы. С их помощью можно увидеть мелких организмов, определить их форму и расположение. В медицине практикуется такой эксперимент, когда мелких микроорганизмов намеренно вживляют здоровому животному. Это помогает воссоздать и изучить каждый этап инфицирования.
Французский исследователь Луи Пастер
27 декабря 1822 года на востоке Франции появился на свет будущий великий ученый - Луи Пастер. В раннем возрасте его интересовала сфера искусства. Но позже он заинтересовался естественными науками. Он обучался в Париже в Высшей школе. После завершения обучения ему предназначалась судьба преподавателя естествознания.
В 48 году XIX века Луи презентовал итоги собственного научного исследования. Именно он привел доказательства того, что в винной кислоте содержится 2 вида кристаллов, поляризирующие свет совершенно по-разному. На этом знаменательном событии начался его блестящий успех в науке.
Луи Пастер является создателем микробиологии. До начала его работы ученые только предполагали, что химический процесс формируют дрожжи. А Луи Пастер, проведя ряд исследований, этот факт смог доказать. Он обнаружил, что имеется 2 вида подобных микроорганизмов: одни формируют алкоголь, а другие его разрушают. Позже ему удалось выяснить, что при медленном нагревании ненужные бактерии разрушаются, что повысило в разы качество спиртосодержащей продукции.
Ученый также интересовался образованием плесени на продуктах. Позже он доказал, что заплесневелость появляется из-за спор, находящихся в окружающей среде. Чем меньше их в пространстве, тем медлительнее портится еда.
Его исследования помогли спасти шелковое производство во Франции. А также многие человеческие жизни, так как именно он изобрел прививку от бешенства.
Немецкий ученый Кох Роберт
Кох Роберт считается современником Пастсера. Его рождение приходится на декабрь 1843 года. В возрасте 23 лет он окончил медицинский университет и получил диплом, после чего работал в нескольких медучреждениях.
Его многозначительная карьера началась с работы бактериологом. Он изучал сибирскую язву на больных животных. Его исследования позволили обнаружить, что зараженные особи имеют массу инородных микроорганизмов, которых нет у здоровых животных. Бактерии эти имели форму палочки.
Позже Кох заинтересовался туберкулезом. Первые исследования проводились на трупе рабочего, умершего от чахотки. Детальное изучение органов не привело к выявлению болезнетворных бактерий. После чего Кох предположил, что образцы нужно окрасить. И действительно, ученый заметил между тканями легких какие-то палочки. После Роберт Кох разрабатывал вакцину от туберкулеза, но излечить болезнь она не смогла, зато 100%-тно определяла, заражен пациент или нет. Данная вакцина используется до сих пор.
Возникновение науки микробиологии
С действием жизнедеятельности микроорганизмов человек встречался гораздо раньше официального их открытия. Люди намеренно квасили молоко, применяли брожение теста, вина. Еще в трудах древнегреческого ученого были обнаружены строки о том, что он предполагает о взаимосвязи между болезнями и опасными патогенными испарениями.
Антони ван Левенгук подтвердил эти догадки с помощью изобретенного им увеличительного стекла. С его помощью Антони удалось рассмотреть окружающие предметы. Выяснилось, что на этих предметах проживают мелкие организмы, которые не видно невооруженному глазу. Но доказать их участие в заражении людей опасными болезнями ему так и не удалось.
Профилактическая обработка жилища в целях предупреждения болезней была предусмотрена еще у индусов. В 1771 г. в Москве военный врач впервые применяет дезинфекцию вещей людей, зараженных чумой, а также вакцинирует тех, кто контактировал с зараженными.
Наиболее увлекательной является история об открытии прививки от оспы. Она применялась еще у персов, турок, китайцев. Происходило это так: обессиленные бактерии вводились человеку, потому как полагалось, что так заболевание протекало легче. Английский врач Эдвард Дженнер отметил, что большая часть людей, не болеющих оспой, не инфицировались при тесном контакте с зараженными. Данный факт был замечен у доярок, которые были в контакте с коровами, зараженными оспой. Изучение этого факта длилось около 10-ти лет. В итоге ученый сделал инъекцию с больной кровью коровы здоровому мальчику. Позже Дженнер прививал юнцу микробы болеющего человека. Так была открыта вакцина, благодаря которой люди освободились от этой страшной болезни.
Исследования отечественных ученых
Известнейшие открытия в сфере микробиологии, сделанные научными исследователями со всего мира, дают понять, что одолеть можно практически любую болезнь. Огромное вложение в формирование современной науки внесли отечественные исследователи. Петр I в 1698 г. завел знакомство с Левенгуком, который, в свою очередь, показал ему действие микроскопа.
Л.С. Ценковский издал свое научное исследование, в котором микроорганизмы были причислены к организмам растительного происхождения. Он также применял методику Пастера в борьбе с сибирской язвой.
И.И. Мечников сформировал теорию иммунитета. Он привел веские аргументы к тому, что многочисленные клеточки организма имеют все шансы подавлять вирусные бактерии самостоятельно. Его изучения стали базой для исследования воспаления. Мечников изучал людской организм и стремился понять, по какой причине он старится. Профессор хотел отыскать метод, который позволил бы увеличить продолжительность жизни. Он полагал, что токсичные элементы, возникающие во время жизнедеятельности гнилостных микроорганизмов, травят человеческое тело. Согласно суждению Мечникова, следует заселить тело кисломолочными микроорганизмами, которые подавляют вредные микроорганизмы. Профессор полагал, что подобным способом можно значительно увеличить продолжительность жизни.
Мечников исследовал большое количество серьезных болезней: туберкулез, тиф, холеру и многие другие.
Техническая микробиология
Техническая микробиология исследует бактерии, которые применяют при производстве витаминов и отдельных веществ. Главной проблемой этой области считается рост научно-технических приемов в изготовлении (больше в пищевой сфере).
Освоение промышленной микробиологии направляет специалиста к потребности кропотливого соблюдения абсолютно всех санитарных общепризнанных норм в изготовлении. Изучив эту науку, можно предотвратить порчу многих продуктов. Предмет больше исследуют будущие эксперты в сфере пищевой индустрии.
Инновационные технологии
Микробиология - основа инновационных технологий. Микроорганизмы и их мир изучены еще не полностью. Большинство ученых уверены, что с помощью микроорганизмов можно разрабатывать такие технологии, которые не будут иметь аналогов. Именно биотехнология станет базой для новейших технологических открытий.
При исследовании месторождения нефти и угля применяются бактерии. Совершенно не секрет, что топливные запасы уже завершаются. Поэтому уже сейчас ученые рекомендуют применять микробиологические методы извлечения спиртов из восстанавливаемых источников.
Преодолеть экологические и энергетические проблемы поможет микробиологические технологии. Невероятно, однако, микробиологическая обработка органических остатков дает возможность очистить окружающую среду, а также заполучить биогаз, не уступающий естественному. Такого рода способ извлечения горючего не требует больших расходов. На сегодняшний день, в природе вокруг существует большое количество использованного материала для обработки.
Многочисленные современные ученые полагают, что в перспективе, именно биология даст возможность преодолеть многие энергетические и экологические трудности, которые имеют все шансы появиться в кратчайшее сроки.
Этапы развития микробиологии связаны между собой не столько хронологически, сколько обусловлены основными достижениями и откры тиями, поэтому многие исследователи выделяют различные периоды, но чаще всего следующие: эвристический, морфологический, физиологиче ский, иммунологический и молекулярногенетический.
ЭВРИСТИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (IV III вв. до н.э. XVI в.)
Связан скорее с логическими и методическими приемами нахожде ния истины, то есть эвристикой, чем с какимилибо экспериментами и до казательствами. Мыслители этого периода (Гиппократ, римский писатель Варрон, Авиценна и др.) высказывали предположения о природе заразных болезней, миазмах, мелких невидимых животных. Эти представления были сформулированы в стройную гипотезу спустя многие столетия в сочине ниях итальянского врача Д. Фракасторо (1478 1553 гг.), высказавшего идею о живом контагии (contagium vivum), который вызывает болезни. При этом каждая болезнь вызывается своим контагием. Для предохранения от болезней им были рекомендованы изоляция больного, карантин, ноше ние масок, обработка предметов уксусом.
МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (XVII ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XIX вв.)
Начинается с открытия микроорганизмов А. Левенгуком. На этом этапе было подтверждено повсеместное распространение микроорганиз мов, описаны формы клеток, характер движения, места обитания многих представителей микромира. Окончание этого периода знаменательно тем, что накопленные к этому времени знания о микроорганизмах и научно методический уровень (в частности, наличие микроскопической техники) позволили ученым разрешить три очень важные (основные) для всех есте ственных наук проблемы: изучение природы процессов брожения и гние ния, причины возникновения инфекционных заболеваний, проблему само зарождения микроорганизмов.
Изучение природы процессов брожения и гниения. Термин «бро жение» (fermentatio) для обозначения всех процессов, идущих с выделени ем газа, впервые употребил голландский алхимик Я.Б. Гельмонт (1579
1644 гг.). Многие ученые пытались дать определение этому процессу и объяснить его. Но ближе всех к пониманию роли дрожжей в процессе брожения подошел французский химик А.Л. Лавуазье (1743 1794 гг.) при изучении количественных химических превращений сахара при спиртовом брожении, но он не успел завершить свою работу, так как стал жертвой террора французской буржуазной революции. Многие ученые изучали процесс брожения, но к заключению о связи процессов брожения с жизне деятельностью микроскопических живых существ одновременно, незави симо друг от друга пришли французский ботаник Ш. Каньяр де Латур (ис следовал осадок при спиртовом брожении и обнаружил живых существ), немецкие естествоиспытатели Ф. Кютцинг (при образовании уксуса обра тил внимание на слизистую пленку на поверхности, которая также состоя ла из живых организмов) и Т. Шванн. Но их исследования были подверг нуты суровой критике сторонниками теории физикохимической природы брожения. Их обвинили в «легкомыслии в выводах» и отсутствии доказа тельств.
Вторая основная проблема о микробной природе инфекционных заболеваний также была решена в морфологический период развития микробиологии. Первыми высказали предположения о том, что заболева ния вызывают невидимые существа, древнегреческий врач Гиппократ (ок. 460 377 гг. до н.э.), Авиценна (ок. 980 1037 гг.) и др. Несмотря на то, что появление болезней теперь уже связывалось с открытыми микроор ганизмами, необходимы были прямые доказательства. И они были полу чены р усским врачом эпидемио логом Д.С. Самойло вичем (1744 1805 гг.). Микроскопы того времени имели увеличение примерно в 300 раз и не позволяли обнаружить возбудителя чумы, для выявления которого, как сейчас известно, необходимо увеличение в 800 1000 раз. Чтобы дока зать, что чума вызывается особым возбудителем, он заразил себя отделяе мым бубона больного чумой человека и заболел чумой. К счастью, Д.С. Самойлович остался жив. Впоследствии героические опыты по само заражению для доказательства заразности того или иного микроорганизма провели русские врачи Г.Н. Минх и О.О. Мочутковский, И.И. Мечников и др. Но приоритет в решении вопроса о микробной природе инфекционных заболеваний принадлежит итальянскому естествоисп ытателю А. Баси (1773 1856 гг.), который впервые экспериментально установил микроб ную природу заболевания шелковичных червей, он обнаружил передачу болезни при переносе микроскопического грибка от больной особи к здо ровой. Но большинство исследователей были убеждены в том, что причи нами всех заболеваний являются нарушения течения химических процес сов в организме.
Третья проблема о способе появления и размножения микроор ганизмов была решена в споре с господствовавшей тогда теорией самоза рождения. Несмотря на то, что итальянский ученый Л. Спалланцани в се редине XVIII в. наблюдал под микроскопом деление бактерий, мнение о том, что они самозарождаются (возникают из гнили, грязи и т.д.), не было опровергнуто. Это было сделано выдающимся французским ученым Луи Пастером (1822 1895 гг.), который своими работами положил начало со временной микробиологии.
В этот же период начиналось развитие микробиологии в России. Ос новоположником русской микробиологии является Л.Н. Ценковский (1822 1887 гг.). Объекты его исследований простейшие, водоросли, грибы. Он открыл и описал большое число простейших, изучил их морфологию и циклы развития, показал, что нет резкой границы между миром растений и животных. Им была организована одна из первых пастеровских станций в России и предложена вакцина против сибирской язвы (живая вакцина Цен ковского).
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (ВТОРАЯ ПОЛОВИНА XIX в.) Бурное развитие микробиологии в XIX в. привело к открытию многих микроорганизмов: клубеньковых бактерий, нитрифицирующих бактерий, возбудителей многих инфекционных болезней (сибирская язва, чума, столбняк, дифтерия, холера, туберкулез и др.), вируса табачной мозаики, вируса ящура и др. Открытие новых микроорганизмов сопровождалось изучением не только их строения, но и их жизнедеятельности, то есть на смену морфологосистематическому изучению первой половины XIX в. пришло физиологическое изучение микроорганизмов, основанное на точном эксперименте. Поэтому вторую половину XIX в. принято называть физиологическим периодом в развитии микробиологии.
Этот период характеризуется выдающимися открытиями в области микробиологии, и его без преувеличения можно было бы назвать в честь гениального французского ученого Л. Пастера Пастеровским, потому что научная деятельность этого ученого охватывала все основные проблемы, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов. Подробнее об основ ных научных открытиях Л. Пастера и их значении для охраны здоровья людей и хозяйственной деятельности человека будет сказано в § 1.3.
Первым из современников Л. Пастера, кто оценил значение его от крытий, был английский хирург Дж. Листер (1827 1912 гг.), который, ос новываясь на достижениях Л. Пастера, впервые ввел в медицинскую прак тику обработку всех хирургических инструментов карболовой кислотой, обеззараживание операционных и добился снижения числа смертельных исходов после операций.
Одним из основоположников медицинской микробиологии является Роберт Кох (1843
1910 гг.), которому принадлежит разработка ме тодов получения чистых культур бактерий, окра ска бактерий при микроскопии, микрофотогра фии. Известна также сформулированная Р. Ко хом триада Коха, которой до сих пор пользуются при установлении возбудителя болезни. В 1877 г. Р. Кох выделил возбудителя сибирской язвы, в 1882 г. возбудителя туберкулеза, а в 1905 г. ему была присуждена Нобелевская премия за откры Р. Кох тие возбудителя холеры.
В физиологический период, а именно в 1867 г., М.С. Воронин опи сал клубеньковые бактерии, а почти через 20 лет Г. Гельригель и Г. Виль фарт показали их спо собность к азотфиксации. Французские химики Т. Шлезинг, А. Мюнц обосновали микробиологическую природу нитрифи кации (1877 г.), а в 1882 г. П. Дегерен установил природу денитрификации, природу анаэробного разложения растительных остатков. Российский уче ный П.А. Костычев создал теорию микробиологической природы процес сов почвообразования.
Наконец, в 1892 г. р усский ботаник Д. И. Ивановский (1864 1920 гг.) открыл вирус табачной мозаики. В 1898 г. независимо от Д.И. Ивановского этот же вирус был описан М. Бейеринком. Затем был открыт вирус ящура (Ф. Леффлер, П. Фрош, 1897 г.), желтой лихорадки (У. Рид, 1901 г.) и многие другие вирусы. Однако увидеть вирусные частицы стало возможным только после изобретения электронного микроскопа, так как в световые микроскопы они не видны. К настоящему времени царство вирусов насчитывает до 1000 болезнетворных видов. Только за последнее время открыт ряд новых Д. И. Ивановский вирусов, в том числе вирус, вызывающий СПИД. Несомненно, что период открытия новых ви русов и бактерий и изучения их морфологии и физиологии продолжается до настоящего времени.
С.Н. Виноградский (1856 1953 гг.) и голландский микробиолог М. Бейеринк (1851 1931 гг.) ввели микроэкологический принцип иссле дования микроорганизмов. С.Н. Виноградский предложил создавать спе цифические (элективные) условия, дающие возможность преимуществен ного развития одной группы микроорганизмов, открыл в 1893 г. анаэроб ный азотфиксатор, названный им в честь Пастера Clostridium pasterianum, выделил из почвы микроорганизмы, представляющие совершенно новый тип жизни и получившие название хемолитоавтотрофных.
Микроэкологический принцип был развит и М. Бейеринком и при менен при выделении различных групп микроорганизмов. Через 8 лет по сле открытия С.Н. Виноградским азотфиксатора М. Бейеринк выделил в аэробных условиях Azotobacter chroococcum, исследовал физиологию клу беньковых бактерий, процессы денитрификации и сульфатредукции и т.д. Оба этих исследователя являются основоположниками экологического на правления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в круговороте веществ в природе.
К концу XIX в. намечается дифференциация микробиологии на ряд частных направлений: общая, медицинская, почвенная.
ИММУНОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (НАЧАЛО ХХ в.)
С наступлением ХХ в. начинается новый период в микробиологии, к которому привели открытия XIX в.
Работы Л. Пастера по вакцинации, И.И. Мечникова по фагоцитозу, П.Эрлиха по теории гуморального иммунитета составили основное содер жание этого этапа в развитии микробиологии, по праву получившего на звание иммунологического.
Пауль Эрлих (1854 1915 гг.) немецкий врач, бактериолог и био химик, один из основоположников иммунологии и химиотерапии, выдви нувший гуморальную (от лат. humor жидкость) теорию иммунитета. Он считал, что иммунитет возникает в результате образования в крови анти тел, которые нейтрализуют яд. Подтверждением этому было открытие ан титоксинов антител, нейтрализующих токсины у животных, которым вводили дифтерийный или столбнячный токсин (Э. Беринг, С. Китазато).
В 1883 г. он сформулировал фагоцитарную теорию иммунитета. Невосприимчивость человека к повторному заражению была известна давно, но природа этого явления была непонятна даже после
И.И. Мечников того, как стала широко применяться вакцинация против многих заболеваний. И.И. Мечников показал, что защита организма от болезне творных бактерий это сложная биологическая реакция, в основе которой лежит способность фагоцитов (макро и микрофаги) захватывать и разру шать посторонние тела, попавшие в организм, в том числе бактерии. Ис следования И.И. Мечникова по фагоцитозу убедительно доказали, что, по мимо гуморального, существует клеточный иммунитет.
И.И. Мечников и П. Эрлих были научными противниками на протя жении многих лет, каждый экспериментально доказывал справедливость своей теории. Впоследствии оказалось, что противоречия между гумо ральным и фагоцитарным иммунитетами нет, так как эти механизмы осу ществляют защиту организма совместно. И в 1908 г. И.И. Мечникову со вместно с П. Эрлихом была присуждена Нобелевская премия за разработку теории иммунитета.
Иммунологический период характеризуется открытием основных ре акций иммунной системы на генетически чужеродные вещества (антиге ны): антителообразование и фагоцитоз, гиперчувствительность замедлен ного типа (ГЗТ), гиперчувствительность немедленного типа (ГНТ), толе рантность, иммунологическая память.
Особенно бурное развитие получили микробиология и иммунология в 50 60 гг. двадцатого столетия. Этому способствовали важнейшие от крытия в области молекулярной биологии, генетики, биоорганической хи мии; появление новых наук: генетической инженерии, молекулярной био логии, биотехнологии, информатики; создание новых методов и использо вание научной аппаратуры.
Иммунология является основой для разработки лабораторных мето дов диагностики, профилактики и лечения инфекционных и многих неин фекционных болезней, а также разработки иммунобиологических препара тов (вакцин, иммуноглобулинов, иммуномодуляторов, аллергенов, диагно стических препаратов). Разработкой и производством иммунобиологиче ских препаратов занимается иммунобиотехнология самостоятельный раз дел иммунологии. Современная медицинская микробиология и иммуноло гия достигли больших успехов и играют огромную роль в диагностике, профилактике и лечении инфекционных и многих неинфекционных болез ней, связанных с нарушением иммунной системы (онкологические, ауто иммунные болезни, трансплантация органов и тканей и др.).
МОЛЕКУЛЯРНОГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (С 50х гг. ХХ в.)
Он характеризуется рядом принципиально важных научных достижений и открытий:
1. Расшифровка молекулярной структуры и молекулярно биологической организации многих вирусов и бактерий; открытие про стейших форм жизни «инфекционного» белка приона.
2. Расшифровка химического строения и химический синтез некото рых антигенов. Например, химический синтез лизоцима (Д. Села, 1971 г.), пептидов вируса СПИДа (Р.В. Петров, В.Т. Иванов и др.).
3. Расшифровка строения антителиммуноглобулинов (Д. Эдельман, Р. Портер, 1959 г.).
4. Разработка метода культур животных и растительных клеток и их выращивание в промышленных масштабах с целью получения вирусных антигенов.
5. Получение рекомбинантных бактерий и рекомбинантных вирусов.
6. Создание гибридом путем слияния иммунных В лимфоцитов продуцентов антител и раковых клеток с целью получения моноклональ ных антител (Д. Келлер, Ц. Мильштейн, 1975 г.).
7. Открытие иммуномодуляторов иммуноцитокининов (интерлей кины, интерфероны, миелопептиды и др.) эндогенных природных регу ляторов иммунной системы и их использование для профилактики и лече ния различных болезней.
8. Получение вакцин с помощью методов биотехнологии и приемов генетической инженерии (гепатита В, малярии, антигенов ВИЧ и други х антигенов) и биологически активных пептидов (интерфероны, интерлей кины, ростовые факторы и др.).
9. Разработка синтетических вакцин на основе природных или син тетических антигенов и их фрагментов.
10. Открытие вирусов, вызывающих иммунодефициты.
11. Разработка принципиально новых способов диагностики инфек ционных и неинфекционных болезней (иммуноферментный, радиоиммун ный анализы, иммуноблотинг, гибридизация нуклеиновых кислот). Созда ние на основе этих способов тестсистем для индикации, идентификации микроорганизмов, диагностики инфекционных и неинфекционных болез ней.
Во второй половине ХХ в. продолжается формирование новых на правлений в микробиологии, от нее отпочковываются новые дисциплины со своими объектами исследований (вирусология, микология), выделяются направления, различающиеся задачами исследования (общая микробиоло гия, техническая, сельскохозяйственная, медицинская микробиология, ге нетика микроорганизмов и т.д.). Было изучено много форм микроорганиз мов и примерно к середине 50х гг. прошлого века А. Клюйвером (1888
1956 гг.) и К. Нилем (1897 1985 гг.) была сформулирована теория биохимического единства жизни.
История развития микробиологии
Микробиология (от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) - наука, изучающая организмы, неразличимые (невидимые) невооруженным какой- либо оптикой глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микроорганизмы (микробы).
Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.
В таксономическом отношении микроорганизмы очень разнообразны. Они включают прионы, вирусы, бактерии, водоросли, грибы, простейшие и даже микроскопические многоклеточные животные.
По наличию и строению клеток вся живая природа может быть разделена на прокариоты (не имеющие истинного ядра), эукариоты (имеющие ядро) и не имеющие клеточного строения формы жизни. Последние для своего существования нуждаются в клетках, т.е. являются внутриклеточными формами жизни (рис.1).
По уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки все живое делят на 4 царства жизни: эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды.
К прокариотам, объединяющим эубактерии и архебактерии, относят бактерии, низшие (сине- зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, архебактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы-эукариоты.
Микроорганизмы-это невидимые простым глазом представители всех царств жизни. Они занимают низшие (наиболее древние) ступени эволюции, но играют важнейшую роль в экономике, круговороте веществ в природе, в нормальном существовании и патологии растений, животных, человека.
Микроорганизмы заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микроорганизмы чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты (среды обитания), включая и более высокоорганизованные организмы животного и растительного мира.
Можно сказать, что без микроорганизмов жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна.
Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют кругоборот веществ и энергии в природе, расщепление органических соединений и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород, многим другим природным явлениям.
С помощью микроорганизмов осуществляются важные производственные процессы - хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных препаратов.
Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывает воздействие разнообразных природных и антропических (связанных с деятельностю людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.
Наибольшую печальную известность имеют патогенные микроорганизмы (микробы-патогены) - возбудители заболеваний человека, животных, растений, насекомых. Микроорганизмы, приобретающие в процессе эволюции патогенность для человека (способность вызывать заболевания), вызывают эпидемии, уносящие миллионы жизней. До настоящего времени вызываемые микроорганизмами инфекционные заболевания остаются одной из основных причин смертности, причиняют существенный ущерб экономике.
Изменчивость патогенных микроорганизмов составляет основную движущую силу в развитии и совершенствовании систем защиты высших животных и человека от всего чужеродного (чужеродной генетической информации). Более того, микроорганизмы являлись до недавнего времени важным фактором естественного отбора в человеческой популяции (пример - чума и современное распространение групп крови). В настоящее время вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) посягнул на святое святых человека - его иммунную систему.
Основные этапы развития микробиологии, вирусологии и иммунологии
1.Эмпирических знаний (до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира).
Дж.Фракасторо (1546г.) предположил живую природу агентов инфекционных заболеваний- contagiumvivum.
2.Морфологический период занял около двухсот лет.
Антони ван Левенгук в 1675г. впервые описал простейших, в 1683г.- основные формы бактерий. Несовершенство приборов (максимальное увеличение микроскопов X300) и методов изучения микромира не способствовало быстрому накоплению научных знаний о микроорганизмах.
3.Физиологический период (с 1875г.)- эпоха Л.Пастера и Р.Коха.
Л. Пастер - изучение микробиологических основ процессов брожения и гниения, развитие промышленной микробиологии, выяснение роли микроорганизмов в кругообороте веществ в природе, открытие анаэробных микроорганизмов, разработка принципов асептики, методов стерилизации, ослабления (аттенуации) вирулентности и получения вакцин (вакцинных штаммов).
Р. Кох - метод выделения чистых культур на твердых питательных средах, способы окраски бактерий анилиновыми красителями, открытие возбудителей сибирской язвы, холеры (запятой Коха), туберкулеза (палочки Коха), совершенствование техники микроскопии. Экспериментальное обоснование критериев Хенле, известные как постулаты (триада) Хенле- Коха.
4.Иммунологический период.
И.И. Мечников - “поэт микробиологии” по образному определению Эмиля Ру. Он создал новую эпоху в микробиологии - учение о невосприимчивости (иммунитете), разработав теорию фагоцитоза и обосновав клеточную теорию иммунитета.
Одновременно накапливались данные о выработке в организме антител против бактерий и их токсинов, позволившие П.Эрлиху разработать гуморальную теорию иммунитета. В последующей многолетней и плодотворной дискуссии между сторонниками фагоцитарной и гуморальной теорий были раскрыты многие механизмы иммунитета и родилась наука иммунология.
В дальнейшем было установлено, что наследственный и приобретенный иммунитет зависит от согласованной деятельности пяти основных систем: макрофагов, комплемента, Т- и В- лимфоцитов, интерферонов, главной системы гистосовместимости, обеспечивающих различные формы иммунного ответа. И.И.Мечникову и П.Эрлиху в 1908г. была присуждена Нобелевская премия.
12 февраля 1892г. на заседании Российской академии наук Д.И.Ивановский сообщил, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату можно считать днем рождения вирусологии, а Д.И. Ивановского - ее основоположником. Впоследствии оказалось, что вирусы вызывают заболевания не только растений, но и человека, животных и даже бактерий. Однако только после установления природы гена и генетического кода вирусы были отнесены к живой природе.
5. Следующим важным этапом в развитии микробиологии стало открытие антибиотиков . В 1929г. А.Флеминг открыл пенициллин и началась эра антибиотикотерапии, приведшая к революционному прогрессу медицины. В дальнейшем выяснилось, что микробы приспосабливаются к антибиотикам, а изучение механизмов лекарственной устойчивости привело к открытию второго- внехромосомного (плазмидного) генома бактерий.
Изучение плазмид показало, что они представляют собой еще более просто устроенные организмы, чем вирусы, и в отличии от бактериофагов не вредят бактериям, а наделяют их дополнительными биологическими свойствами. Открытие плазмид существенно дополнило представления о формах существования жизни и возможных путях ее эволюции.
6. Современный молекулярно-генетический этап развития микробиологии, вирусологии и иммунологии начался во второй половине 20 века в связи с достижениями генетики и молекулярной биологии, созданием электронного микроскопа.
В опытах на бактериях была доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Использование бактерий, вирусов, а затем и плазмид в качестве объектов молекулярно-биологических и генетических исследований привело к более глубокому пониманию фундаментальных процессов, лежащих в основе жизни. Выяснение принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий и установление универсальности генетического кода позволило лучше понимать молекулярно-генетические закономерности, свойственные более высоко организованным организмам.
Расшифровка генома кишечной палочки сделало возможным конструирование и пересадку генов. К настоящему времени генная инженерия создала новые направления биотехнологии.
Расшифрованы молекулярно-генетическая организация многих вирусов и механизмы их взаимодействия с клетками, установлены способность вирусной ДНК встраиваться в геном чувствительной клетки и основные механизмы вирусного канцерогенеза.
Подлинную революцию претерпела иммунология, далеко вышедшая за рамки инфекционной иммунологии и ставшая одной из наиболее важных фундаментальных медико-биологических дисциплин. К настоящему времени иммунология - это наука, изучающая не только защиту от инфекций. В современном понимании иммунология - это наука, изучающая механизмы самозащиты организма от всего генетически чужеродного, поддержании структурной и функциональной целостности организма.
Иммунология в настоящее время включает ряд специализированных направлений, среди которых, наряду с инфекционной иммунологией, к наиболее значимым относятся иммуногенетика, иммуноморфология, трансплантационная иммунология, иммунопатология, иммуногематология, онкоиммунология, иммунология онтогенеза, вакцинология и прикладная иммунодиагностика.
Микробиология и вирусология как фундаментальные биологические науки также включают ряд самостоятельных научных дисциплин со своими целями и задачами: общую, техническую (промышленную), сельскохозяйственную, ветеринарную и имеющую наибольшее значение для человечества медицинскую микробиологию и вирусологию.
Медицинская микробиология и вирусология изучает возбудителей инфекционных болезней человека (их морфологию, физиологию, экологию, биологические и генетические характеристики), разрабатывает методы их культивирования и идентификации, специфические методы их диагностики, лечения и профилактики.
7.Перспективы развития .
На пороге 21 века микробиология, вирусология и иммунология представляют одно из ведущих направлений биологии и медицины, интенсивно развивающееся и расширяющее границы человеческих знаний.
Иммунология вплотную подошла к регулированию механизмов самозащиты организма, коррекции иммунодефицитов, решению проблемы СПИДа, борьбе с онкозаболеваниями.
Создаются новые генно- инженерные вакцины, появляются новые данные об открытии инфекционных агентов - возбудителей “соматических” заболеваний (язвенная болезнь желудка, гастриты, гепатиты, инфаркт миокарда, склероз, отдельные формы бронхиальной астмы, шизофрения и др.).
Появилось понятие о новых и возвращающийся инфекциях (emergingandreemerginginfections). Примеры реставрации старых патогенов- микобактерии туберкулеза, риккетсии группы клещевой пятнистой лихорадки и ряд других возбудителей природноочаговых инфекций. Среди новых патогенов- вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), легионеллы, бартонеллы, эрлихии, хеликобактер, хламидии (Chlamydiapneumoniae). Наконец, открыты вироиды и прионы - новые классы инфекционных агентов.
Вироиды - инфекционные агенты, вызывающие у растений поражения, сходные с вирусными, однако эти возбудители отличаются от вирусов рядом признаков: отсутствием белковой оболочки (голая инфекционная РНК), антигенных свойств, одноцепочечной кольцевой структурой РНК (из вирусов - только у вируса гепатита D), малыми размерами РНК.
Прионы (proteinaceousinfectiousparticle- белкоподобная инфекционная частица) представляют лишенные РНК белковые структуры, являющиеся возбудителями некоторых медленных инфекций человека и животных, характеризующихся летальными поражениями центральной нервной системы по типу губкообразных энцефалопатии й - куру, болезнь Крейтцфельдта - Якоба, синдром Герстманна- Страусслера- Шайнкера, амниотрофический лейкоспонгиоз, губкообразная энцефалопатия коров (коровье “бешенство”), скрепи у овец, энцефалопатия норок, хроническая изнуряющая болезнь оленей и лосей. Предполагается, что прионы могут иметь значение в этиологии шизофрении, миопатий. Существенные отличия от вирусов, прежде всего отсутствие собственного генома, не позволяют пока рассматривать прионы в качестве представителей живой природы.
3. Задачи медицинской микробиологии.
К ним можно отнести следующие:
1. Установление этиологической (причинной) роли микроорганизмов в норме и патологии.
2. Разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных заболеваний, индикации (выявления) и идентификации (определения) возбудителей.
3. Бактериологический и вирусологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инфекции в лечебных и детских учреждениях.
4. Контроль за чувствительностью микроорганизмов к антибиотикам и другим лечебным препаратам, состоянием микробиоценозов (микрофлорой) повехностей и полостей тела человека.
4.Методы микробиологической диагностики.
Методы лабораторной диагностики инфекционных агентов многочисленны, к основным можно отнести следующие.
1. Микроскопический- с использованием приборов для микроскопии. Определяют форму, размеры, взаиморасположение микроорганизмов, их структуру, способность окрашиваться определенными красителями.
К основным способам микроскопии можно отнести световую микроскопию (с разновидностями- иммерсионная, темнопольная, фазово - контрастная, люминесцентная и др.) и электронную микроскопию. К этим методам можно также отнести авторадиографию (изотопный метод выявления).
2. Микробиологический (бактериологический и вирусологический) - выделение чистой культуры и ее идентификация.
3. Биологический - заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях (биопроба).
4. Иммунологический (варианты - серологический, аллергологический) - используется для выявления антигенов возбудителя или антител к ним.
5. Молекулярно-генетический - ДНК- и РНК- зонды, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и многие другие.
Заключая изложенный материал, необходимо отметить теоретическое значение современной микробиологии, вирусологии и иммунологии. Достижения этих наук позволили изучить фундаментальные процессы жизнедеятельности на молекулярно-генетическом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности механизмов развития многих заболеваний и направления их более эффективного предупреждения и лечения.
Литература:
1. Покровский В.И. «Медицинская микробиология, иммунология, вирусология». Учебник для студентов фарм. ВУЗов, 2002.
2. Борисов Л.Б. «Медицинская микробиология, вирусология и иммунология». Учебник для студентов мед. ВУЗов, 1994.
3. Воробьев А.А. «Микробиология». Учебник для студентов мед. ВУЗов, 1994.
4. Коротяев А.И. «Медицинская микробиология, вирусология и иммунология», 1998.
5. Букринская А.Г. «Вирусология», 1986.
