Історичний нарис розвитку мікробіології (демонстраційний матеріал представнений у презентації)

1. Предмет та задачі мікробіології. Мікробіологія (від грец.-малий, лат.–життя) – наука, предмет вивчення якої – мікроскопічні істоти (мікроорганізми або мікроби), їх біологічні ознаки, систематика, екологія, взаємовідносини з іншими організмами. Термін для назви науки запропонований Дюкло, одним зі співробітників Пастера.

Мікроорганізми – найдревніша форма організації життя на Землі, вони з’явилися задовго до виникнення рослин і тварин – близько 3-4 млрд. років тому. На теперішній час – це найчисельніша і найрізноманітніша група організмів, яка населяє біосферу Землі. Усі мікроорганізми поділяють на 4 великі царства – бактерії, гриби, найпростіші та віруси. Кожне з них – предмет вивчення окремих розділів мікробіології – бактеріології, мікології, протозоології, вірусології. Зосередимо свою увагу, передусім, на бактеріях, – прокаріотичних організмах, що відрізняються особливістю організації, швидкістю росту, різноманітністю фізіологічних властивостей, здатністю швидко адаптуватися, важливістю участі в екологічних процесах, розвитку інфекційних захворювань та можливістю використання в біотехнологічній, фармакологічній, медичній, нанопромисловій практиці.

У процесі розвитку мікробіології розроблено оригінальні методи дослідження, багато з яких перейшли з інших дисциплін – біофізики, біохімії, генетики, цитології та інших. За всю історію розвитку перед мікробіологією стояли певні завдання, успішне розв’язання яких сприяло науковому і суспільному прогресу людства. А вже це стимулювало розвиток спеціалізованих розділів мікробіології: загальної (вивчає найзагальніші закономірності, властиві кожній групі перерахованих мікроорганізмів, – структуру, метаболізм, генетику, екологію), технічної (розробка технологій синтезу мікроорганізмами біологічно активних речовин), сільсько-господарської (займається вивченням мікроорганізмів, які беруть участь у кругообізі речовин і викликають захворювання рослин), ветеринарної (вивчає збудників захворювань тварин, розробляє методи їх біологічної діагностики, специфічної профілактики й етіотропного лікування), медичної (предмет вивчення – патогенні й умовно-патогенні для людини мікроорганізми, а також розробка методів мікробіологічної діагностики, специфічної профілактики й етіотропного лікування викликаних ними інфекційних захворювань), санітарної (предмет вивчення – санітарно-мікробіологічний стан об’єктів навколишнього середовища, харчових продуктів, напоїв), морської, космічної.

У становленні мікробіології розглядають кілька історичних етапів – описово-морфологічний, пастерівський, сучасний.

2. Початковий період розвитку мікробіології. Думка про існування невидимих істот виникла ще у древності. Увесь історичний час людина жила в оточенні невидимих істот, продукти життєдіяльності яких використовувала (наприклад, під час випікання хліба, виготовлення вина й оцту), і потерпала, коли ці істоти були причиною хвороб або псували запаси їжі. Використання збільшуваних приладів дозволило ідентифікувати невидимі оком істоти (двоопуклі лінзи Стародавнього Вавилона, мікроскопи братів Ясенів, Г. Галілея, Р. Гука). Відкриття мікробів пов’язане з ім’ям голландського фабриканта А. ван Левенгука, який, використовуючи власноруч сконструйований мікроскоп (зі збільшенням у 200 разів), постулював, що навколишній світ густо заселений мікроскопічними мешканцями. Усі побачені ним мікроорганізми, в тому числі й бактерії, А. ван Левенгук уважав маленькими тваринами –„анімалькулями” і був переконаний, що вони влаштовані так само, як і великі організми, тобто мають органи травлення, ніжки, хвостики і т.д. Спостереження дослідник виклав у листах до Лондонського Королівського товариства та книзі “Таємниці природи, відкриті Антонієм Левенгуком”. Левенгук, вражений кількістю організмів у зубній осузі писав: «Я побачив безліч дрібних тварин, що швидко рухалися…У моєму роті їх більше, ніж людей у Сполученому Королівстві». Відкриття А. ван Левенгука були настільки несподіваними і навіть фантастичними, що шокували тогочасне товариство і протягом майже 50 наступних років викликали загальний подив (див. презентацію).

Проте саме відтоді людство намагалося розв’язати 3 проблеми, пов’язані з діяльністю мікроорганізмів – дослідження процесів бродіння та гниття, встановлення причин виникнення інфекційних хвороб, проблема самозародження організмів.

У творах стародавніх грецьких і римських авторів можна знайти рецепти приготування вина, кислого молока, хліба, що свідчать про широке використовування в побуті бродіння. В роки Середньовіччя алхіміки не обійшли увагою ці процеси і вивчали їх разом з іншими, суто хімічними перетвореннями. У цей період зроблено перші спроби з’ясувати природу процесів бродіння.

Термін „бродіння” (fermentatio) для позначення всіх процесів, що йдуть із виділенням газу, вперше застосував голландський алхімік Я. ван Гельмонт (1577-1644 рр.). Погляд на бродіння та гниття як на суто хімічні процеси сформулював у 1697 р. німецький лікар і хімік Р. Шталь (1660-1734 рр.). За уявленнями Р. Шталя, бродіння та гниття – це хімічні перетворення, що відбуваються під дією молекул „ферменту”, які передають властивий їм внутрішній активний рух молекулам субстрату, виступаючи своєрідними каталізаторами реакції. Однак цей погляд поділяли не всі дослідники.

Одне з перших припущень про зв’язок описаних А. ван Левен-гуком „глобул” (дріжджів) з явищами бродіння та гниття належить французькому натуралісту Ж. Л. Бюффону (1707-1788 рр.). Дуже близько підійшов до розуміння ролі дріжджів у процесі бродіння французький хімік А. Л. Лавуазьє (1743-1794 рр.), вивчаючи хімічні перетворення цукру при спиртовому бродінні.

Із 30-х рр. XIX ст. починається період інтенсивних мікроскопічних спостережень. У 1827 р. французький хімік Ж. Б. Демазьєр (1783-1862 рр.) описав будову дріжджів, що формують плівку на поверхні пива. Довести, що життєдіяльність живих істот - це причина бродіння, вдалося французькому ботаніку Ш. Каньяр де Латуру (1777-1859) та німецьким природодослідникам Ф. Кютцингу (1807-1893) і Т. Шванну (однак їх ідеї не отримали визнання та навіть критикувалися прихильниками теорії фізико-хімічної природи бродіння).

Означений період характеризується також інтенсивним вивченням збудників захворювань, хоча ще старогрецький лікар Гіппократ (460-377 до н. е.) у книзі „Канон медицини” висловлював припущення, що чума та віспа викликаються невидимими живими істотами. Подібні думки можна знайти і у працях Аристотеля („Чому від деяких хвороб заражаються при дотику хворих, а від здоров‘я ще ніхто не одужав”), Авіценни (980-1037 рр.), італійського лікаря, астронома і поета Дж. Фракастро (1478-1553 рр.), російського лікаря-епідеміолога Д.С. Самойловича (1744-1805 рр.). Фракастро ввів поняття про контагіуми – дрібні, невидимі оком живі істоти, які є не лише збудниками хвороб, а й викликають розпад рослинних залишків у ґрунті та воді. Підсумком його міркувань стали твори «Про контагії, про контагіозні хвороби і лікування» та поема «Сифіліс чи французька хвороба».

Протягом тривалого періоду людство потерпало від численних епідемій та пандемій. Збереглися свідчення про значні людські втрати у Європі в період Середньовіччя – у XIV ст. зі 106 млн мешканців загинуло 26 млн від чуми. Засобами своєрідної профілактики було запровадження карантину (від італ. 40 днів). За іронією долі багато відкриттів і чудових творів зроблено та написано в період закриття наукових закладів і цілих міст – Ньютон, Пушкін. В 1827 році італійський природодослідник А. Бассі (1773-1856 рр.), вивчаючи захворювання шовкопрядів, помітив передачу хвороби під час перенесення мікроскопічного грибка від хворої особини до здорової та експериментально встановив мікробну природу захворювання.

У 30-х роках ХІХ ст. французьким медиком Я.Генле виявлені трихомонади у вмісті вагіни жінок, а також грибки у хворих фавусом і трихофітією. В 1849-1850 рр. описані паличкоподібні бактерії у крові корів і овець, хворих сибірською виразкою.

3. Наукова діяльність мікробіологів ХІХ ст. Розвиток виноробства Франції та інших країн спонукав до розв’язання ряду технологічних питань, зокрема виявлення й усунення причин скисання вина. Водночас у сфері медицини визріла необхідність з’ясування причин нагнивання ран та природи інфекційних захворювань. Відповідь на ці та інші питання вдалося знайти видатному французькому вченому Луї Пастеру (1822-1895 рр.), який вважається основоположником сучасної мікробіології. Наукова діяльність Л. Пастера була багатогранною. Вивчаючи молочнокисле, спиртове, маслянокисле бродіння, „хвороби” вина, захворювання тварин і людини, Л. Пастер з’ясував, що ці процеси викликаються певними видами мікроорганізмів і безпосередньо пов’язані з їхньою життєдіяльністю. Отже, Л. Пастер уперше показав, що мікроорганізми – це активні форми, корисні або шкідливі, що енергійно впливають на оточуючу природу, в тому числі й на людину.

У 1857 р. Л. Пастер встановив, що спиртове бродіння – є результат життєдіяльності дріжджів без доступу кисню, дещо пізніше – маслянокисле бродіння відбувається лише в умовах, які виключають вільний доступ кисню.

Роботи Л. Пастера з вивчення інфекційних хвороб тварин і людини (хвороба шовковичних червів, сибірська виразка, куряча холера, сказ) дозволили йому не тільки з’ясувати природу цих захворювань, а й знайти спосіб боротьби з ними. Науково спростував хибну думку про самозародження життя, стверджуючи, що істоти походять лише від подібних собі батьків. Експерименти, що постулюють протилежне – або помилка та самообман, або погано проведені досліди.

Одним із перших, хто оцінив значення відкриттів Л. Пастера, був англійський хірург Дж. Лістер (1827-1912 рр.). Він зрозумів, що причина високої смертності після операцій – зараження ран бактеріями через незнання та недотримання елементарних правил антисептики. Дж. Лістер ввів у медичну практику методи попередження подібного зараження ран, що полягали в обробці всіх хірургічних інструментів і операційних приміщень карболовою кислотою.

Одним з основоположників медичної мікробіології вважається також німецький мікробіолог Р. Кох (1843-1910 рр.). Працюючи сільським лікарем, Р. Кох вивчав розвиток сибірської виразки і в 1877 р. опублікував працю, присвячену збуднику цього захворювання – Bacillus anthracis. Надалі увагу вченого привернула інша важка й поширена хвороба того часу – туберкульоз. У 1882 р. Р. Кох повідомив про відкриття збудника туберкульозу, який у його честь був названий "паличкою Коха" (в 1905 р. за дослідження туберкульозу Р. Коху була присуджена Нобелівська премія). Йому належить також відкриття збудника холери (1883 р.) та введення в мікробіологічну практику методу виділення чистих культур, використання анілінових барвників, водно-імерсійних об’єктивів (масляно-імерційні об‘єктиви створені Карлом Цейсом у 1878 році), мікрофотографування. В ті ж роки сформувалася тріада Генне–Коха для оцінки інфекційних мікроорганізмів:

• Передбачуваний мікроб-збудник завжди повинен виявлятися при цьому захворюванні, не виділятися при інших хворобах і у здорових осіб;

• Мікроб-збудник повинен бути виділений у чистій культурі;

• Чиста культура цього мікроба повинна викликати в експериментально заражених тварин захворювання з клінічною та патологічною картиною, аналогічною людському.

Основоположником медичної мікробіології справедливо вважають також І.І. Мечникова (1845-1916 рр.). І.І. Мечников був різностороннім дослідником, але найбільшу зацікавленість у нього викликала проблема вивчення взаємовідносин господаря і мікроорганізму-паразита. В 1883 р. І. І. Мечников сформував фагоцитарну теорію імунітету (автор теорії гуморального імунітету П. Ерліх). Учений показав, що захист організму від хвороботворних мікроорганізмів – складна біологічна реакція, в основі якої знаходиться здатність фагоцитів захоплювати і руйнувати сторонні тіла, що потрапили в організм (у 1909 р. за дослідження фагоцитозу І. І. Мечникову була присуджена Нобелівська премія). Запровадив поняття антибіоз – здатність молочнокислих бактерій пригнічувати розвиток гнильної мікрофлори в кишечнику та довів корисність молочнокислих продуктів. Створив одну з теорій старіння організму, що базується на забрудненні організму шкідливими шлаками.

„Золотий” вік мікробіології характеризується численними відкриттями збудників інфекційних захворювань: стафілококів, стрептококів, клостридіїв анаеробної інфекції, спірохет поворотного тифу, респіраторних захворювань, найпростіших (малярія, дизентерія, лейшманія). Встановлена здатність окремих бактерій утворювати токсини. У 1888 р. Е.Ру і А.Ієрсен уперше виділили дифтерійний екзотоксин, через кілька років створили антитоксичну сироватку.

Відомості про активну участь мікроорганізмів у процесах перетворення речовин у природі швидко нагромаджувалися в 70-80-х рр. XIX ст. У 1877 р. французькі хіміки Т. Шлезинг і А. Мюнц довели мікробіологічну природу процесу нітрифікації. У 1882 р. П. Дегерен відкрив природу процесу денітрифікації, а двома роками пізніше встановив мікробіологічну природу анаеробного розпаду рослинних залишків. М. С. Воронін у 1867 р. описав бульбочкові бактерії, а через майже двадцять років Г. Гельригель і Г. Вільфарт показали їх здатність до азотфіксації. П. А. Костичев створив теорію мікробіологічної природи процесів ґрунтоутворення.

Значний внесок у розвиток загальної мікробіології внесли російський мікробіолог С. М. Виноградський (1856-1953 рр.) і голландський мікробіолог М. Бейєринк (1851-1931 рр). Для виділення в лабораторних умовах групи бактерій із певними властивостями С. М. Виноградський запропонував створювати специфічні (елективні) умови, що дають можливість розвиватися лише певній групі організмів (виділення азотфіксаторів). Користуючися мікроекологіч-ним принципом, С. М. Виноградський виділив із ґрунту мікроорганізми, що є абсолютно новим типом життя – хемолітоавтотрофи. Як єдине джерело вуглецю для побудови всіх речовин клітини хемолітоавтотрофи використовують СО2, а енергію одержують у результаті окислення неорганічних сполук сірки, азоту, заліза або молекулярного водню.

Мікроекологічний принцип був успішно розвинений М.Бейєринком і застосований під час виділення різних груп мікроорганізмів. Зокрема, М. Бейєринк виділив із ґрунту ще один вид бактерій, здатний до росту й азотфіксації в аеробних умовах, – Azotobacter chroococcum. Йому також належать праці з вивчення фізіології бульбочкових бактерій, процесів денітрифікації та сульфатредукції.

М.Г. Холодний виявив і дослідив залізобактерії, можливість продукування бактеріями летких речовин. В.Л.Омелянський вивчав процеси розпаду клітковини та пектинових речовин.

Кінець XIX ст. ознаменувався ще одним важливим відкриттям у галузі мікробіології. В 1892 р. Д. І. Івановський відкрив вірус тютюнової мозаїки (у 1898 р. незалежно від нього описаний М. Бейєринком).

Отже, на зміну описовому морфолого-систематичному вивченню мікроорганізмів, що панувало в першій половині XIX ст., прийшло фізіологічне вивчення мікроорганізмів, засноване на точному експерименті. До кінця XIX ст. намітилася диференціація мікробіології на ряд напрямків.

4. Досягнення мікробіологічної науки у ХХ ст. У першій половині ХХ ст. розвиток мікробіології гальмується відставанням біохімії, генетики, біофізики. Водночас інтенсивно продовжувалося виділення та вивчення збудників інфекційних захворювань. Американцем Х.Т. Рикетсом і, незалежно від нього, бразильцем Е. Роха-Лімою та чехом С. Провацеком відкрита група рикетсій (висипний тиф, лихоманка). Пізніше відкриті хламідії, збудники токсоплазмозу. З винайденням у 1934 році Л. Мартоном електронного мікроскопа розвиток науки відбувався значними темпами. Описані фільтруючі віруси і бактерії (поліомієліту, віспи, грипу, паротиту, саркоми курей, бактеріофагів). У 1944 р. в інституті ім. Лістера М. Ітоном виділений збудник атипової пневмонії, що є першим представником нового класу мікроорганізмів – мікоплазм. Французами Ш. Кальметом і К. Гереном отримана вакцина з туберкульозної палички БЦЖ (BCG). Г. Рамоном створені анатоксини для профілактики дифтерії та правця. Окрім того, були розроблені серологічні реакції для діагностики сифілісу (реакція Васермана), черевного тифу і паратифу (реакція Відаля), висипного тифу (реакція Вейля–Фелікса). Ш.Ріше і П.Портьє заклали початок вивченню імунопатологічних реакцій організму (алергія та ін.). Завдяки працям П.Ерліха, А.Флемінга, Г.Флорі, Е.Чейна, З.Ваксмана розвивається хіміо- й антибіотикотерапія інфекційних захворювань.

У 1944 році О.Евері, К.Мак-Леод, К.Мак-Карті отримали дані про роль ДНК як матеріального носія спадковості пневмококів, у 1953 р. – Крік і Уотсон описали структуру ДНК. А. Клюйвер і його учні (одним із них був Д. ван Ніль) провели порівняльні біохімічні дослідження у відносно віддалених один від одного фізіологічних групах мікроорганізмів. Було вивчено багато форм мікроорганізмів і приблизно до середини 50-х рр. сформульована теорія біохімічної єдності життя. Вона ґрунтується на єдності конструктивних, енергетичних процесів і механізмів передачі генетичної інформації: всі живі організми побудовані з однотипних хімічних макромолекул, універсальною одиницею біологічної енергії слугує АТФ, в основі фізіологічної різноманітності живих істот знаходиться кілька основних метаболічних шляхів. У 1955 році Г.Френкель-Конрат показав, що молекули вірусу тютюнової мозаїки спонтанно об’єднуються один з одним, утворюючи впорядковані структури. У 1959 р. А.Коренерг і М.Гуліан отримали штучну вірусну ДНК. Велике значення мали дослідження француза А.Львова, який у 1953 році показав інтеграцію вірусних нуклеїнових кислот у бактеріальний геном. У 1982 році Р.Галло виділив Т-лімфотропний вірус, у 1983 р., незалежно від Л. Монтеньє – вірус СНІДу. Інтенсивно розвивається імунологія: ідентифіковані Т-, В-лімфоцити, імуноглобуліни, вроджені імунодефіцити, сформована клонально-селективна теорія Бернета.