Знания о микроорганизмах до XVII века

До XV века предполагали, что болезни вызывают «миазмы» - особые болезнетворные испарения, содержащиеся в воздухе. Теорию болезнетворных «миазмов» в IV веке до н.э. создал великий врач древности Гиппократ. Его теория была подвергнута пересмотру греческим ученым Фукидидом. Он, наблюдая ужасы чумы, свирепствовавшей во время Пелопонесской войны, предположил, что заболевания вызывают не столько болезнетворные миазмы, сколько мельчайшие живые частицы, проникающие в организм человека через рот, - явление, получившее у римлян название contagium vivum. Столь гениальное предвидение микробной теории начало утверждаться лишь в XIX веке.

Позднее итальянский врач, ученый и поэт Джиларомо Фракасторо (1478-1553), развивая учение о «контагии», что инфекция передается при непосредственном соприкосновении (contagium). Сontagium он представлял себе как маленькие тельца, которые всегда вызывают одну и ту же болезнь. По его мнению, в contagiа принимают участие не только животные и человек, болезнь передается через фрукты «от винограда к винограду, от яблока к яблоку».

Другую возможность заражения Фракастро видел в передаче инфекции через зараженные предметы, такие как постель, одежда и утварь и тому подобные, которые соприкасаются с больными (чумой или воспалением легких) людьми, и этот заразный материал сохраняется два-три года. Он упоминает также третий тип инфицирования, при котором заражение происходит на расстоянии. В качестве примера он приводит чумную лихорадку, чахотку и другие.

Фракасторо известен также своим поучительным учебным стихотворением «Syphilis sive Morbus Gallicus» (1530), написанный латинским гексамером. В нем он впервые детально описывает сифилис.

Идеи Фракасторо опередили свое время, и его представления могли быть оценены только в свете исследований в бактериологии, которые стали достоянием XIX века. Таким образом, можно приписать создание зародышевой теории инфекционных болезней человеку, который никогда не видел инфицирующих микроорганизмов.

В конце XVI века голладцы братья Янсены впервые создали сложный микроскоп.

Влияние эпохи Возрождения на развитие естествознания

В 1646 году ученый-иезуит, профессор Collegium Romanum в Риме А. Кирхнер (1601-1680) обнаружил при помощи лупы в гниющих растворах очень малые живые существа. Он утверждал, что чуму и оспу вызывают живые невидимые частицы. Но наблюдения Кирхнера остались малоизвестными.

Две главные биологические дисциплины, относящиеся к растениям и животным, оформились как науки еще до того, как в распоряжении человечества появились оптические приборы, и до того, как в научные исследования вошел эксперимент. То, что человек мог различить невооруженным глазом, он старался описать, разложить на составные части и систематизировать. Поэтому ботаника и зоология в давние времена уже оформились как науки. В противоположность этому, относительно существования микроорганизмов имелись только догадки. Как силь­но развитие микробиологии зависело от открытий в смежных областях наук, выясняется из поставленного Яном Баптистом ван Гельмонтом (1577-1644) эксперимента с веткой ивы. По мнению ван Гельмонта, рост ивы обеспечивался только веществами, извлекаемыми ею только из воды, без участия воздуха или почвы.

Вывод этот понятен, так как еще не было известно об элементах и газах, участвующих в фотосинтезе. Это открытие было сделано в XVIII столетии.

О микроорганизмах мир узнал только после того, как удалось сделать видимыми невидимые крошечные существа.

Открытием бактерий мы обязаны Антону ван Левенгуку, который уже в то время использовал прибор, называемый сейчас микроскопом, чтобы наблюдать невидимых существ. Обнаружение бактерий позволило упорядочить случайные открытия, которые сегодня обозначаются метким словом «Serendipity» (англ. - интуитивная прозорливость). Левенгук хотел выяснить, что придает остроту семенам перца, и при этом обнаружил живых существ, которые развиваются при разложении этих семян. Он ставил целью решение одной проблемы, а открыл нечто совершенно новое - «крошечных животных» - анималькулей. Возможность их видеть убедила в существовании мельчайших организмов и позволила выдвинуть предположение об их основополагающей роли в природе. И до сих пор именно эта возможность является непосредственным доказательством их существования, в то время как в астрономии, химии и физике элементарных частиц доказательства требуют гораздо больших усилий.

Эти представления о мельчайших организмах вывели бактериологию из первобытного состояния. После того как ученые столетиями ограничивались описанием природы, наблюдаемой невооруженным глазом, с XVI века начались поиски причин биологических процессов.

Сначала исследования, посвященные изучению живых организмов, проводились в очень ограниченных масштабах. Эти исследования осложнялись не только религиозными запретами, но главным образом были невозможны потому, что тогда почти ничего не было известно о физическом и химическом составе материи и живых существ. Прорыв в естественных науках произошел на исходе XVI и в начале XVII веков. Этому способствовали три выдающихся события - появление более четких конкретных знаний о природе, опыт ван Гельмонта с веткой ивы, идеи Фрэнсиса Бэкона - сам дух времени.

Личность Яна Баптиста ван Гельмонта символизирует переход от схоластики к эксперименту. Он родился в Брюсселе, учился в Лёвене и провел большую часть своей жизни недалеко от Брюсселя. Занимаясь химией, физиологией и медициной, он, тем не менее, был противоречивой натурой. С одной стороны, он находился под впечатлением картины мира Коперника, открытия кровообращения Вильямом Гарвеем (1578-1657), сочинений Фрэнсиса Бэкона, и уже ставил эксперименты, а с другой стороны, его труды были полны мистики. Ван Гельмонт первый ввел в употребление термин «газ». Он обнаружил, что воздух, образующийся при брожении вина, и воздух, образующийся при сгорании древесного угля, является полностью идентичным, и обозначил его одним термином «gas sylvestre» (углекислота).

Его научные труды были опубликованы в Амстердаме в 1648 году под названием «Оrtus meditinale, vel opera et opuslula omnia». В этих трудах был описан эксперимент с ивой:

«То, что все растения получают свой строительный материал непосредственно только из элементов, содержащихся в воде, я вывел из следующего опыта: взял глиняный сосуд и наполнил его 200 фунтами земли, которая была высушена в сушильной печи. Землю я увлажнил дождевой водой и посадил в нее ветку ивы 5 фунтов веса. Через пять лет выросло дерево, которое весило 169 фунтов и приблизительно 5 унций. Глиняный сосуд по мере надобности увлажнялся только дождевой или дистиллированной водой. Чтобы окружающая пыль не смешивалась с почвой, почва была покрыта пластиной из оцинкованного железа с отверстиями по краю сосуда. Я не подсчитывал вес опавших листьев в течение четырех лет. Под конец я вынул и снова высушил землю из сосуда. Она имела тот же первоначальный вес, те же 200 фунтов. Таким образом, 164 фунта древесины, коры и корней образовались только из воды».

Для ответа на животрепещущие вопросы ван Гельмонт поставил довольно серьезный эксперимент. Однако для объяснения его результатов отсутствовали предпосылки, так как состав воздуха, зная который, можно было это сделать, был выяснен более чем 100 лет спустя. С другой стороны ван Гельмонт был мистиком, верил в философский камень и самозарождение жизни, например, в происхождении мышей из пшеничных зерен или пропитанной потом рубашки.

В Англии, у истоков экспериментальных исследований стоял известный философ, лорд-канцлер Фрэнсис Бэкон. Он противопоставил «Органону» Аристотеля свой «Новый Органон», в котором заменил метод дедукции методом индукции и анализа. Он начертал перед своими современниками программу исследований, изложив ее, как было принято в то время, в утопической книге «New Atlantis» («Новая Атлантида») в виде рассказа, своего рода научного вымысла. Целью этой программы было познание тайных сил природы, что могло бы расширить власть над ней человека.

Идеи Бэкона и некоторых его современников отразили подъем духа познания, характерный для начала XVII столетия. В этот период импульсы к исследованиям, исходившие из чисто практических задач, оказывались не самыми сильными. Основным стимулом к исследованию было решение теоретических проблем. Тогда считали, что только высокие цели оправдывают любые усилия для их достижения. Побуждение к деятельности, любопытство и потребность знаний стимулировали человечество к более активной деятельности.

Микроорганизмы становятся видимыми

Примерную дату появления бактериологии на свет назвать легко. Первое представление о бактериях человечество получило благодаря Антону ван Левенгуку (1632-1723), жившему в Дельфте (Голландия). Он изобрел способ, сделавший бактерии видимыми. Он видел бактерии, зарисовывал и описывал их, и, таким образом, мир узнал о существовании организмов, значительно меньших, нежели растения и животные. Левенгук начал шлифовать линзы и создавать примитивные микроскопы уже с 1660 года. Микроскопы были очень простые, они имели только двояковыпуклые линзы и не превышали увеличения в 280 раз. Искусство состояло, однако, не в шлифовании линз, а в применении микроскопа, который он сам сконструировал. Занимаясь этими наблюдениями, Левенгук сетовал на то, что тщательный просмотр маленькой капли воды требует напряженной работы и больших усилий.

Сообщение об открытии бактерий было получено (в письменной форме) в результате переписки Левенгука с секретарем Королевского общества в Лондоне, Генри Ольденбургом. Переписка началась в январе 1673 года, и с 1674 Левенгук многократно повторял (на своем родном языке) о «beesjes» и «cleijne Schepsels», которых он видел в воде, слюне и зубном налете. Письма были переведены на английский язык и опубликованы через Королевское общество. В переводе были использованы понятия «маленькие или очень маленькие животные» («veri little animalcules»). Знаменитый рисунок кокков, палочек и спирилл содержался в письме № 39 (17 сентября 1683). В дальнейшем такой способ изображения стал использоваться всеми исследователями.

Интересовался работами ученого и его современник русский царь Петр I. Во время поездки в Голландию весной 1698 г. он встретился с А. Ван Левенгуком, ознакомился с усовершенствованными им микроскопами и серией препаратов. Петр I выразил желание приобрести увеличительные инструменты для русской Кунсткамеры. Один микроскоп царь получил в подарок.

С 1725 г. в мастерских Академии наук в Санкт – Петербурге началось производство отечественных микроскопов. Среди умельцев-конструкторов этих точных инструментов особенно прославился И. Беляев с сыновьями. Производством микроскопов в России в конце XVIII в. руководил известный механик-самоучка И. Кулибин. В 1741 г. в распоряжении российской академии наук уже был 21 микроскоп.

Можно было бы думать, что открытия Левенгука в первую очередь заинтересуют медиков, так как благодаря открытию новых, более мелких, чем черви и насекомые, организмов можно исследовать заболевания под иным углом зрения. Следовало ожидать, что достижения микробиологии сразу же будут использованы в прикладном аспекте, и она будет развиваться в направлении борьбы с болезнями, по крайней мере в том смысле, который однажды кратко выразил Вирхов: «Исследования должны быть полезными». Однако этого не произошло. Левенгук не нашел среди врачей своих последователей. Открытие Левенгука в течение столетия оставалось незамеченным.

Так же очень медленно шло и усовершенствование микроскопа. Первый используемый ахроматический микроскоп был сконструирован в 1821 году Джиованни Б. Амичи (1784-1863), выдающимся итальянским математиком и физиком, в Медине. Апохроматические объективы были сконструированы только в конце XIX века. Первые микрофотографии были произведены Р. Кохом в водной иммерсии в 1876-1877 годах. Первые масляно-иммерсионные линзы были внедрены Эрнстом Аббе и Карлом Цейсом в Йене в 1878 году и затем многократно улучшались. Следующее усовершенствование представлял собой ультрафиолетовый микроскоп, разработанный Ю. Е. Барнардом в 1919 году, и фазово-контрастный метод, впервые примененный Фрицем Цернике (1888-1966) в университете в Гронинге. Фазово-контрастный микроскоп был создан Цернике в 1935 году и с 1946 года находился в распоряжении фирмы «Карл Цейс». Электронный микроскоп был создан в 1934 году в Бельгии Л. Мартеном и в Германии Эрнстом Руска (1900-1988).

Наблюдения Левенгука представляют собой краеугольный камень в истории биологии. Возможность видеть организмы более мелкие, чем черви и водоросли, возбуждала фантазию, удивление, способствовала постановке вопросов и экспериментированию. Прошло очень много времени, прежде чем бактерии стали рассматриваться как представители нового большого царства полноценных независимых организмов, и зародышевая теория брожения, гниения, разложения нашла полное признание. Целью дальнейших исследований стало contagium animatum. То, что болезни передаются через контакты, было известно с давних времен, и Фракасторо уже в средние века систематизировал опыты такого рода. Но экспериментальные доказательства того, что микроорганизмы являются возбудителями инфекционных заболеваний, были впервые получены через два столетия после открытия Левенгука.

Роль химии и физики в становлении микробиологии как науки

Открытие Левенгуком (1684) мельчайших организмов еще не означало начала микробиологии. Пути к пониманию функции и роли этих «veri little animalcules» были разработаны химиками и физиками. Это относится в первую очередь к химической природе питательных веществ и продуктов обмена микроорганизмов. Успехи в получении этих знаний сегодня кажутся нам медленными. Однако следует учитывать время появления первых методов химии и физики. Тогда становится ясным, что это происходило достаточно быстро. Например, состав атмосферы был выяснен в течение десятилетия (1766-1776). Этот период современники назвали периодом «пневматических химиков». Хотя и до этого ван Гельмонтом уже были сделаны отдельные существенные наблюдения. В частности, для обозначения составных частей воздуха он ввел понятие «газ». Стефен Галес (1677-1761) в пневматической ванне улавливал болотный газ, водород, кислород и окись углерода, а Джозеф Блек (1728-1799) получил «fixen luft» (углекислый газ). Генри Кавендиш (1731-1810) описал водород (1766), существование которого, однако, уже было установлено Парацельсом и многими другими учеными. Углекислый газ получался путем растворения мрамора в соляной кислоте; этот газ был впервые описан в 1774 году шведом Торберном Бергманом (1735-1784) и в 1775 - Антуаном Л.Лавуазье (1743-1794) в Париже. Кислород был описан почти одновременно (1771 и 1772) Карлом Вильгельмом Шееле (1742-1786) в Швеции и очень точно Джозефом Пристли (1733-1804). Открытие азота описал Даниэль Рутерфорд (1749-1819) в своей диссертации в 1772 году. Описание метана сделано физиком Алессандро Вольта (1745-1827) в Италии в 1776 году. Описание хлора (1774) и сероводорода (1776) является заслугой Шееле; а аммиак, хлористый водород, закись азота и серный диоксид были открыты Пристли в 1774 году. В 1783 году Кавендиш предпринял первый анализ воздуха, который оказался настолько точным, что обнаружил дефицит 1/120 части воздуха. Как выяснилось впоследствии, дефицит приходился на инертный газ, который был открыт 100 лет спустя. Знаниями о составе воды мы обязаны Кавендишу, Ватту и Лавуазье.

Следует отметить, что при исследовании газа, полученного путем химических превращений, кислород и углекислый газ всегда испытывали на способность поддерживать дыхание животных и рост растений. Открытие многих газов берет начало от биологической постановки вопроса. Химические и биолого-физиологические исследования у своих истоков были тесно связаны друг с другом.

Примерно в то же время, когда химики закладывали основы будущих направлений, философы развивали теоретические методы науки. Суть индуктивного подхода к получению знаний образно и концентрированно обобщил Иммануил Кант (1724-1804) в своей «Критике чистого разума» (1781).

Описанные примеры свидетельствуют о состоянии знаний и тенденциях развития науки в области исследования природы в конце XVIII столетия, а также свидетельствуют о тех препятствиях, которые стояли на пути биологов.

Прежде чем могли быть поставлены вопросы о процессах в живой природе и функциях растений и животных, должны были быть сформулированы законы в математике, физике и химии, и описана неживая материя. У истоков этих открытий стоят имена Христиана Гюйгенса (1629-1695), Исаака Ньютона (1643-1727) и Готфрида Вильгельма Лейбница (1646-1716). Само название «пневматические химики» уже указывало на начало химии. Без знания химического состава растений и животных нельзя было и установить процессы, протекающие в природе. Успехи в биологии зависели также от знаний, полученных в смежных дисциплинах. К этому следует добавить, что работа прозорливых исследователей в области биологии осложнялась верой и суевериями, и только немногие великие и твердые духом могли это преодолеть.

В конце XVIII века существовал большой разрыв между знаниями физиков и химиков и их приложением к экспериментальному выяснению биологами основных вопросов обмена веществ в организмах. Основой накопления знаний являлись, как и всегда, наблюдения, теоретические рассуждения, идеи и концепции. С другой стороны, с каждым временем связаны имена ученых, которые высказывали блестящие идеи, но были не в состоянии подтвердить их экспериментально. Некоторые из таких идей прошли незамеченными, другие стимулировали натурфилософию. Иные, напротив, были настолько захватывающими, что это побуждало других исследователей проводить решающие эксперименты и получать убедительные доказательства. Часто это случалось после того, как в смежных областях появлялись новые знания и методы. Нередко ученые, стоявшие у истоков тех или иных открытий, даже не упоминались. Иногда, наоборот, исследователи проводили серьезные эксперименты и получали ценные результаты, но упускали случай сделать соответствующие выводы. Очень редко встречается, чтобы в одном человеке сочетались хорошая теоретическая основа, фантазия и интуиция с одной стороны, а с другой - осознание исторической важности и наличие практической смекалки.