2. Исторический очерк развития микробиологии

В становлении и развитии медицинской микробиологии обычно выделяют четыре исторических периода.

1. Начальный период (вторая половина XVIII - середина XIX века, когда произошло открытие микроорганизмов и зарождалась микробиология как наука.

2. Пастеровский период (вторая половина X!X века), характеризующийся становлением и развитием микробиологии и иммунологии как единой научной дисциплины, развитием медицинской микробиологии.

3. Третий период - первая половина ХХ века, когда происходило бурное развитие микробиологии и иммунологии, их достижения использовались в практике, происходило становление вирусологии.

4. Современный период, характеризующийся возрастающей ролью микробиологии и иммунологии в научно-техническом прогрессе в медицине и биологии.

Начальный период в развитии микробиологии - это время открытия мира микроорганизмов и описания их морфологии. Мысль о существовании невидимых живых организмов интуитивно высказывалась многими мыслителями древности. Однако открытие микроорганизмов произошло лишь в XVII веке, причем не ученым, а любителем. Первооткрывателем микробов стал голландский коммерсант Антоний ван Левенгук (1632-1723), который имел небольшое образование и никогда не посещал университета. Это не помешало ему стать одним из крупнейших натуралистов своего времени. Его самым большим увлечением в жизни было изготовление микроскопов и рассматривание в них всего, что его пытливый ум находил интересным. Левенгук стал первооткрывателем сперматозоидов, красных кровяных телец, капилляров. Но в основном с его именем связывают открытие всех основных групп одноклеточных микроорганизмов - простейших, водорослей, дрожжей и бактерий. Его рисунки морфологии микроорганизмов были настолько точными, что мы можем по ним даже распознавать отдельные виды. Левенгук называл открытых им живых существ «анималькулями» - зверушками. Левенгук первым указал на невероятное изобилие микроорганизмов. Например, он писал: « В моем доме побывало несколько дам, которые с интересом разглядывали крошечных «червячков», живущих в уксусе; однако у некоторых это зрелище вызывало такое отвращение, что они поклялись никогда больше не пользоваться уксусом. Ну, а если бы им сказали, что в соскобе с человеческого зуба подобных существ больше, чем людей в целом королевстве?».

Вы знакомы с микроскопом и историей его изобретения. Современный сложный микроскоп имеет систему из объектива и окуляра и обеспечивает увеличение в сотни раз, предельная разрешающая способность его ограничивается половиной длины волны видимого света - 0,2 мкм, т.е. 200 нанометров. Кстати, хочу напомнить, что разрешающая способность микроскопа - это минимальное расстояние между двумя точками, на котором они в данной оптической системе воспринимаются раздельно. Разрешающая способность измеряется мерами длины, а не кратностью увеличения.

Но приборы Левенгука нельзя назвать микроскопом в нашем понимании, это были простые лупы с увеличением от 50 до 300 раз. Во всех книгах по микробиологии говорится о том, что Левенгук был искусным шлифовальщиком стекол, что позволило ему изготовить высококачественные лупы. По-видимому, это - заблуждение. За свою жизнь Левенгук изготовил несколько сотен «микроскопов», два из них даже хранятся в Санкт-Петербургской Кунсткамере. Их приобрел Петр I у Левенгука, когда был у него в гостях в 1695 г.

Об открытиях Левенгука научный мир узнал из его писем в английское Королевское общество, которые он регулярно посылал на голландском языке, но они сразу же переводились на английский и публиковались в трудах Королевского общества. Свои открытия Левенгук обобщил в 1695 г. в книге «Тайны природы, открытые Антонием ван Левенгуком». Но две свои главные тайны он так и не открыл никому. Речь идет о тайне изготовления микроскопа и технике микроскопии.

Оказывается, Левенгук вовсе не шлифовал свои стекла. Да и трудно предположить, чтобы в то время можно было изготовить вручную такое количество высококачественных очень сильных луп. Ведь иногда Левенгук готовил постоянные микроскопические препараты - объект со специальным для него «микроскопом». Как недавно выяснили советские микробиологи, Левенгук просто отливал свои лупы. Каждый из Вас может изготовить себе микроскоп Левенгука. Для этого нужно вытянуть на пламени тонкую стеклянную нить и ее кончик на мгновение зафиксировать в пламени. На кончике появится стеклянный шарик, который и дает в зависимости от его величины разной силы увеличение. Специальные исследования над микроскопами, хранящимися в Кунсткамере, подтвердили это. Об этом есть сообщение в журнале «Наука и жизнь».

Вторая тайна Левенгука - способ микроскопии. Современные ему исследователи не смогли увидеть то, о чем говорил Левенгук, даже пользуясь сложными двухлинзовыми микроскопами. Оказывается, весь секрет заключался в использовании Левенгуком эффекта бокового освещения. Как вы знаете, существует ультрамикроскоп, микроскоп с темным полем зрения. В этом микроскопе благодаря эффекту бокового освещения, когда видны лишь объекты, от которых луч света отражается и попадает в объектив микроскопа, разрешающая способность увеличивается на порядок, в 10 раз.

Исследования Левенгука и многих его последователей установили сам факт существования микроорганизмов, который длительное время рассматривался не более чем занимательный феномен. Предположение о роли микроорганизмов в возникновении заразных болезней человека высказывалось некоторыми учеными еще в конце XVIII века (А.Кирхер, Д.Самойлович), но достаточных научных оснований для этого еще не было. Только в 30-х годах XIX века, после обнаружения трихомонад в вагинальном содержимом страдающих трихомонозом, а также грибов при парше и трихофитии французский медик Я.Генле сформулировал идею о связи инфекций с микроорганизмами-возбудителями. В 1849-50 г.г. были описаны палочковидные бактерии, обнаруживаемые в крови больных сибирской язвой животных. Все это предшествовало установлению этиологической роли микроорганизмов в инфекционных заболеваниях людей и животных.

Новый этап в развитии микробиологии связан с именем гениального французского ученого Л.Пастера (1822-1895). Его открытия составили эпоху в развитии естествознания и привели к коренным изменениям в биологии и медицине. Об основных работах Л.Пастера можно судить по надписи на мемориальной доске на здании, где помещалась лаборатория Пастера в Высшей нормальной школе в Париже:

Здесь была лаборатория Пастера: 1857 г. - Брожения 1860 г. - Самопроизвольное зарождение 1865 г. - Болезни вина и пива 1868 г. - Болезни шелковичных червей 1881 г. - Зараза и вакцина 1885 г. - Предохранение от бешенства

Научный поиск Пастера начинался с химических исследований - он исследовал причину брожения, считавшегося химической реакцией. Пастер применил для этих исследований микроскоп и установил, что спиртовое брожение вызывается определенными видами микроорганизмов, а скисание вина связано с попаданием в виноградный сок других микроорганизмов, вызывающих уксуснокислое брожение. Для борьбы со скисанием вина Пастер предложил термическую обработку виноградного сока. Теперь мы называем такой метод предохранения от скисания пищевых продуктов пастеризацией. Говорят, что это практическое предложение Пастера позволило Франции выплатить контрибуцию после поражения во франко-прусской войне, настолько оно давало высокий экономический эффект.

Исследования по брожению позволили Пастеру допустить, что инфекционные болезни человека тоже представляют собой «брожение соков организма», вызванное микроорганизмами, в частности, микроорганизмы являются виновниками послеоперационных и послеродовых гнойных осложнений. Идеи Пастера позволили Джозефу Листеру в 1867 г. предложить антисептический метод в хирургии, основанный на применении раствора карболовой кислоты для уничтожения микроорганизмов.

Крупной вехой в творческом пути Пастера были его работы по самозарождению микроорганизмов. К тому времени уже было доказано отсутствие самозарождения червей в мясе и т.п., но в отношении микроорганизмов существовали заблуждения. Пастер обратился к исследованию этой проблемы и блестяще поставил точку в многолетнем споре. В 1861 г. он публикует работу под названием «Мемуар об организованных тельцах, находящихся в атмосфере», в которой доказывает присутствие бактерий в воздухе. «Самопроизвольное» появление микробов в питательной среде -

результат не самозарождения, а попадания микроорганизмов в питательную среду из воздуха. Пастер продемонстрировал, что прокипяченная питательная среда может оставаться неопределенно долго стерильной (лишенной микробов), если она помещена в колбу с длинным узким горлом, изогнутым вниз так, чтобы микроорганизмы из воздуха не могли оседать на поверхность среды. Последователь Пастера, английский физик Джон Тиндаль повторяя эксперименты Пастера обнаружил, что для полной стерилизации достаточно прогревать при невысокой температуре, но многократно, чтобы успевали прорасти споры бактерий в вегетативные формы, погибающие при относительно невысокой температуре, в то время как споры выдерживали многочасовое кипячение. Впоследствии такой метод стерилизации был назван тиндализацией и широко используется в настоящее время.

При изучении причин заболевания шелковичных червей, наносившего огромный ущерб производству шелка во Франции, Пастер доказал, что оно вызывается особым микроорганизмом и предложил простой, но эффективный метод борьбы. Нужно было выбирать и уничтожать больных гусениц-производителей шелка и заменять их здоровыми. По сути был предложен основной способ предупреждения инфекционных заболеваний - выявление и изоляция источников инфекции, но примененный пока к насекомым.

Логика научного поиска Пастера привела его к доказательству этиологической роли микроорганизмов в инфекционных заболеваниях. Он доказывал сомневающимся врачам, что родильная горячка, от которой погибала каждая пятая рожавшая в Париже женщина, вызывается стрептококком, фурункулез и остеомиелит, несмотря на разную клиническую картину, вызываются одним микроорганизмом - стафилококком. Рассказывают, что во время суда над человеком, который застрелил врача, принимавшего роды у его жены, после чего она заболела и погибла от родильной лихорадки, обвиняемый в качестве своего оправдания сослался на брошюру Пастера об этиологии родильной лихорадки. Пастер доказывал, что врачи заражают своих пациенток из-за того, что не соблюдают никаких предосторожностей. В частности, пострадавший врач не мыл рук после каждого пациента, на что и указывал обвиняемый.

Изучая этиологию сибирской язвы, Пастер экспериментальным путем, заражая животных выделенной культурой микроорганизмов, доказал, что именно микроорганизм является возбудителем этого заболевания.

Таким образом, работы Пастера положили основу медицинской микробиологии.

Но Пастер не ограничился доказательством бактериальной природы инфекционных заболеваний, он разработал способ борьбы с ними. Из случайно обнаруженного им факта, что введение ослабленного в результате длительного хранения возбудителя куриной холеры приводит к развитию невосприимчивости к этому заболеванию, Пастер с гениальной прозорливостью смог предложить принцип профилактики инфекционных заболеваний путем введения аттенуированного

(ослабленного) возбудителя. Пастер разработал и принцип аттенуации - культивирование микроорганизма в неблагоприятных условиях, получил первую научно разработанную вакцину - сибиреязвенную. Здесь еще раз демонстрируется исследовательский принцип Пастера: от установления научного факта - к теоретическому обобщению, а от него - к практическому применению.

Вершиной научного подвига Пастера по праву считается разработка вакцины против бешенства. Бешенство вызывается вирусом, который невозможно было ни увидеть в микроскоп, ни выделить на питательных средах, вирусы были открыты позднее. Но это не помешало Пастеру создать эффективную вакцину, предохраняющую от этого абсолютно смертельного заболевания, причем мы до сих пор готовим такую вакцину из варианта пастеровского вируса (Пастер его называл фиксированным вирусом).

Оценивая с позиций современного человека то, что сделал для развития науки Пастер, дивишься величию научного подвига Пастера, Он - один из немногих гениев человечества, ускоривших развитие научного прогресса на несколько десятков лет.

Все, сделанное Пастером, огромно по значению, но я бы выделил главное для нас, медиков - разработку научного принципа профилактики инфекционных заболеваний путем вакцинации.

В эти же годы сформировалась еще одна крупная научная школа микробиологов - немецкая, во главе с Робертом Кохом (1843-1910). Р.Кох - один из основоположников медицинской микробиологии. Труды Р.Коха были посвящены трем основным направлениям: доказательство микробной природы инфекционных заболеваний, открытие возбудителей ряда болезней и расшифровке их патогенеза (механизма развития болезни), совершенствованию микробиологической техники.

Кох принял постулаты Генле, позволяющие признать микроорганизм возбудителем заболевания, высказанную Генле еще в 1840 г., и на ее основе убедительнейшим образом доказал этиологию сибирской язвы. Впоследствии стали говорить о « триаде Генле-Коха», суть ее: 1) предполагаемый микроб-возбудитель должен обнаруживаться при данном заболевании и не встречаться при других болезнях и у здоровых; 2) возбудитель должен быть выделен в чистой культуре; 3) чистая культура микроба должна вызывать у экспериментально зараженных животных заболевание, сходное с заболеванием у человека.

Р.Кох открыл возбудителя туберкулеза и холеры, получил туберкулин и использовал его для диагностики и лечения, открыл явление нестерильного иммунитета и инфекционной аллергии.

Однако наиболее значительный для того времени вклад Роберта Коха в развитие микробиологии заключается в разработке им основных методов микробиологического исследования. Главная заслуга Коха - разработка и внедрение метода выделения чистых культур на плотных питательных средах, метода, которым мы пользуемся до настоящего времени. Кох ввел микробиологическую технику плотные питательные Среды, позволяющие разобщить микроорганизмы и получить чистые культуры. Только с разработкой надежного метода выделения чистых культур микробиология стала настоящей наукой, освободившись от интуитивно-эмпирического метода исследования. Пастеру, например, не удавалось работать с чистыми культурами.

Кроме того, Кох ввел микробиологическую практику анилиновые красители для окраски бактерий, впервые применил иммерсионные объективы, впервые использовал микрофотографирование.

Заслуги Р.Коха перед наукой были отмечены высшим признанием - Нобелевской премией по медицине в 1905 г.

На этом этапе развития микробиологии основное внимание уделялось установлению роли микроорганизмов в этиологии инфекционных заболеваний, т.е. шло становление и развитие медицинской микробиологии. Но параллельно развивалась и общая микробиология. Была установлена кардинальная роль микроорганизмов в биологически важных круговоротах веществ на Земле - углерода, азота, серы. В этом наибольшая заслуга принадлежит Сергею Николаевичу Виноградскому (1856-1953), выдающемуся отечественному ученому, который долгое время работал в Петербурге, а потом - в США. Виноградский стал основоположником сельскохозяйственной и экологической микробиологии. Велика заслуга в этом и голландского ученого Мартинуса Бейерника (1851-1931). Роль микробов в круговороте веществ и плодородии почвы обусловлена их колоссальной хемосинтетической активностью, позволяющей им совершать химические превращения, недоступные ни растениям, ни животным.

После основополагающих работ Пастера и Коха за очень короткий срок в несколько десятилетий были открыты возбудители большинства инфекционных заболеваний. Тогда же были открыты токсины бактерий - в 1888 году Ру и Иерсен выделили дифтерийный токсин, в 1890 г. Беринг и С.Китазато получили противодифтерийную сыворотку, спасшую многие жизни больных дифтерией. Этот период называют «золотым веком микробиологии».

Первая половина ХХ века характеризовалась дальнейшим развитием микробиологии, описанием новых и уточнением свойств известных микроорганизмов, описанием изменчивости микроорганизмов и вариантов видов. К этому периоду относится и возникновение химиотерапии инфекционных заболеваний. Это направление связано с именем выдающегося немецкого ученого - Пауля Эрлиха (1854-1915). Эрлих разработал основы синтеза лекарственных средств и испытания их противомикробной активности, получил первые синтетические химиопрепараты - сальварсан и неосальварсан на основе мышьяка для лечения сифилиса, получил метиленовый синий. В дальнейшем химиотерапия стала одним из важнейших направлений в терапии инфекционных заболеваний.

Другое важнейшее направление в лечении - антибиотикотерапия. Она также зародилась в этот период развития микробиологии. После открытия А.Флемингом в 1929 г. пенициллина и выделения его Флори и Чейном в 1940 г. в стабильном состоянии началось триумфальное шествие антибиотикотерапии. Эра антибиотиков еще и сейчас продолжается, т.к. антибиотики - пока главное средство борьбы с патогенными микроорганизмами при большинстве инфекционных заболеваний.

Характерным для этого периода развития микробиологии (первая половина ХХ века) было два обстоятельства. Долгое время биология и микробиология развивались как бы параллельно, но около 1950 года биологи осознали ценность многих методических достижений микробиологии, в частности - культивирование растительных и животных клеток. Кроме того, микробиология внесла существенный вклад в развитие новой науки - биохимии. Открытия, сделанные микробиологами и физиологами в отношении биосинтеза, показали, что все живые системы на биохимическом уровне очень сходны, была провозглашена концепция «единства биохимии» всего живого, и в этом существенная роль принадлежит микробиологии.

К этому периоду относится и второе важное событие в биологии ХХ века - возникновение науки генетики на основе интеграции цитологии и менделевского принципа анализа наследственности. Микробиология вошла в систему генетических наук после открытия мутаций у грибов Бидлом и Татумом в 1941 г., после чего гриб нейроспора стал наравне с дрозофилой важнейшим объектом генетических исследований. В последующем первое экспериментальное доказательство Эвери, Мак-Леодом и Мак-Карти в 1944 г. генетической роли ДНК в процессе трансформации бактерий легло в основу развития новой науки - молекулярной биологии. Молекулярная биология возникла и развивалась в результате интеграции микробиологии, генетики и биохимии, и микробиология внесла фундаментальный вклад в это второе важнейшее событие в биологии.

Современный период в развитии микробиологии в основном связан с бурным развитием вирусологии и иммунологии, в результате чего микробиология, используя новые препараты и методы получила мощный импульс своего развития. Кроме того, микробиологические объекты становятся основой для генной инженерии. Так, дрожжи или кишечная палочка являются излюбленными микроорганизмами для получения штаммов-продуцентов необходимых веществ, в том числе и лекарственных.

Исторический очерк развития двух других дисциплин, изучаемых на нашей кафедре, - вирусологии и иммунологии мы рассмотрим во время изучения соответствующих курсов вирусологии и иммунологии, так как по нашим рабочим планам эти дисциплины выделены в отдельные курсы. Начинаем же мы с изучения микробиологии.