1. Микробиология как наука. Предмет и задачи микробиологии. Микробиология (от греч. micros – малый,bios – жизнь,logos – учение) – наука о мельчайших невидимых невооруженным взглядом живых объектах – микроорганизмах, закономерностях их развития и тех изменениях, которые они вызывают в среде обитания и в окружающей среде.  Термин «микроорганизмы» ввел французский ученый Седдило в конце XIX века. Микроорганизмы – наиболее древняя форма организации жизни на Земле, они появились задолго до возникновения растений и животных – примерно 3-4 млрд. лет тому назад. В настоящее время они представляют собой по количеству самую значительную и самую разнообразную часть организмов, населяющих биосферу Земли. Они находятся в воздухе, воде, почве, пище, на окружающих нас предметах, на поверхности и внутри нашего тела и других организмов животного и растительного мира, и даже в космосе. Все микроорганизмы подразделяются на:

• патогенные (от греч. patos – болезнь) – болезнетворные, т.е. способные вызвать инфекционное заболевание;

• условно-патогенные – вызывают заболевания при определенных условиях;

• сапрофитные (от греч. sapros – гнилой и phyton – растения) – непатогенные/неболезнетворные, не вызывают заболевания у человека.

Название «микробиология» предложено французским ученым Дюкло. Микробиология зародилась в пределах биологии. Затем она постепенно дифференцировалась на самостоятельные научные дисциплины: 

• общая;

• частная;

• медицинская;

• клиническая (изучает микроорганизмы, вызывающие заболевания в ЛПУ);

• санитарная;

• ветеринарная (изучает микроорганизмы, патогенные для животных);

• сельскохозяйственная (изучает микроорганизмы – вредителей растений);

• морская (изучает микроорганизмы – обитателей морей и океанов);

• космическая (изучает микроорганизмы, населяющих космическое пространство);

• техническая микробиология (использует микроорганизмы для получения разнообразных продуктов, необходимых для жизнедеятельности людей – вакцины, диагностикумы, ферменты и т.д.).

Предмет изучении общей микробиологии – общие закономерности, биологические свойства микроорганизмов вне зависимости от их видовой принадлежности: морфологию, физиологию, биохимию, генетику, экологию, эволюцию и другие признаки микроорганизмов.  Предмет изучении частной микробиологии – особенности биологических свойств микроорганизмов, характерных определенному виду. Предмет изучения медицинской микробиологии – патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, процессы их взаимодействия с макроорганизмом.  Задачи медицинской микробиологии:

• микробиологическая диагностика инфекционных заболеваний;

• разработка методов специфической профилактики;

• разработка этиотропного лечения инфекционных болезней. 

В составе медицинской микробиологии выделяю следующие разделы:

• бактериология (объект изучения – бактерии);

• вирусология (объект изучения – вирусы);

• микология (объект изучения – грибы);

• прототозоология (объект изучения – простейшие);

• альгология (объект изучения – микроскопичские водоросли);

• иммунология (объект изучения – защитных реакции организма) и др.

2. Место микробиологии и ее роль в современной биологии

Соответственно теперь мы можем определить место микробиологии как науки среди других дисциплин: перекрываясь по многим аспектам с ботаникой, зоологией и микологией, имеет также связи с биохимией и генетикой. Если мы рассматриваем химические науки, то микробиология имеет неразрывную связь с биоорганической химией.

3.Выделяют 5 исторических периода развития и становления микробиологии как науки. I. Эвристический период.  Многие тысячелетия человечество пользовалось плодами жизнедеятельности микроорганизмов, не подозревая об их существовании. Хотя мысль о наличии в природе невидимых живых существ возникала у многих исследователей. Гиппократ, Парацельс (VI век до н.э.) высказывали предположение о том, что «миазмы», обитающие в болотах, вызывают различные болезни у человека, попадая в его организм через рот. В наиболее законченной форме идею сформулировал Джироламо Фракосторо в труде «О контагиях, контагиозных болезнях и лечении» (1546 г.): заражение человека может происходить тремя путями – при непосредственном соприкосновении, опосредованно (через предмет) и на расстоянии, но при обязательном участии контагий («зародышей болезней»). Однако это были гипотезы, доказательств которых у них не было. II. Описательный период (морфологический) – охватывает вторую половину XVIII века и продолжается до середины XIX века. Связан с созданием микроскопа и открытием микроскопических существ, невидимых глазом человека. Первый микроскоп был создан в 1590 г. Гансом и Захарием Янсенами, но у него было увеличение всего лишь в 32 раза. Голландский натуралист Антоний Левенгук (1632-1723 гг.) сконструировал микроскоп с увеличением в 160-300 раз, при помощи которого ему удалось обнаружить мельчайших «живых зверьков» (анималькусов) в дождевой воде, зубном налете и других материалах. Зарисованные им формы микроорганизмов были удивительно правдивы.

Предмет изучения санитарной микробиологии, тесно связанной с медицинской микробиологией, – санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды и пищевых продуктов, разработка санитарно-микробиологических нормативови методов индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах окружающей среды.

История изучения микроорганизмов. До XV в. предполагали, что болезни вызывают ≪миазмы≫ — особые болезнетворные испарения, содержащиеся в воздухе. Теорию ≪болезнетворных миазмов≫ в IV в. до н. э. создал Гиппократ. Его теория была подвергнута пересмотру в V в. до н. э. греческим ученым Фукидидом. Наблюдая ужасы чумы, свирепствовавшей во время пелопонесской войны, он 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 столетии. Позднее итальянский врач Д. Фракасторо (1478-1553), развивая учение о ≪контагии≫, писал, что контагий представляет собой инфекционного возбудителя. Попадая, например в организм, этот возбудитель активно размножается и быстро распространяется по всему телу. Своей гениальной догадкой Фракасторо, как и Фукидид, предвосхитил открытие микробов. Первые оптические приборы появились тысячи лет назад: в Древнем Вавилоне находили двояковыпуклые линзы из горного хрусталя. Дальнейшее совершенствование оптической техники относится к XVI–XVII вв. и связано с развитием астрономии. Микроскоп был создан в 1610 г. Г. Галилеем (1564-1642). Изобретение микроскопа открыло новые возможности для изучения живой природы. Р. Гук (1635-1703) обнаружил ячеистое строение древесной ткани и ввел термин «клетка» («Микрография», 1665). Дальнейшие этапы изучения микромира связаны с совершенствованием оптических приборов. Открытие невидимого мира принадлежит голландскому ученому А. ван Левенгуку (1632—1723). Система Левенгука давала линейное увеличение в 280 раз. Благодаря интересным открытиям, сделанным при помощи микроскопов, А. ван Левенгук вошел в историю как великолепный естествоиспытатель. Он наблюдал компоненты крови, систему кровообращения, структуру тканей растений, микроскопировал насекомых, водоросли, простейших и т. д. Непосредственное открытие микробов произошло в 1676 г., когда А. ван Левенгук, рассматривая в микроскоп капли дождевой воды, стоявшей несколько дней в бочке, заметил огромное количество очень маленьких движущихся организмов. Дальнейшее широкое развитие микробиологии связано с именем великого французского ученого Луи Пастера (1822—1895).

4. Дальнейшее широкое развитие микробиологии связано с именем великого французского ученого Луи Пастера (1822—1895). 3 Он впервые показал роль микроорганизмов как участников разнообразных биохимических превращений и возбудителей заболеваний живых существ. Исследования Л. Пастера, заложили основы новой науки — иммунологии. Его вклад – разработка принципов асептики, методов стерилизации, ослабления (аттенуации) вирулентности и получения вакцин (вакцинных штаммов). Он наблюдал, как гриб Penicillium glaucum и дрожжи, развиваясь на соли рацемической винной кислоты, потребляют лишь один из оптических изомеров. Первым шагом на пути Л. Пастера к будущим микробиологическим исследованиям послужило открытие брожения как результата жизнедеятельности микроорганизмов. В дальнейшем ученый доказал, что сахар превращается в молочную кислоту под воздействием специфических молочнокислых бактерий, спиртовое же брожение вызывают другие микроорганизмы — дрожжи. Позднее, изучая возбудителей маслянокислого брожения, Л. Пастер выявил, что они могут жить только в отсутствие кислорода, т. е. были открыты ≪строгие анаэробы≫. Обнаруженное Л. Пастером явление анаэробиоза имело большое значение в создании теории брожения. Л. Пастер обнаружил анаэробный способ существования, вел термины «аэробный» и «анаэробный». Л. Пастер доказал невозможность самозарождения. Пастер разработал рекомендации по предупреждению попадания посторонних микробов из внешней среды (пастеризация). Исследуя болезни шелковичных червей, ученый приблизился к решению медицинских и ветеринарных вопросов. В результате анализа проведенных работ исследователь разработал микробную теорию заразных заболеваний. В середине XIX в. в крови животных, павших от сибирской язвы, учеными были обнаружены неподвижные нитевидные тельца — ≪бактеридии≫. Л. Пастер установил, что его вызывает бактерия. Это было доказано опытами по отстаиванию чистой культуры сибиреязвенной палочки. Бактерии оседали на дно сосуда, и животное не заболевало от прививки ему из верхнего прозрачного слоя жидкости, так как развитие болезни могли вызвать только бактерии, содержащиеся в нижнем, мутном слое.

Роберт Кох – создатель современной микробиологической техники. 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.

Роберт Кох — современник Пастера — внес огромный вклад в развитие медицинской микробиологии, открыл и изучил возбудителей таких тяжелых инфекционных заболеваний человека, как туберкулез и холера. Микробиологическая наука обязана Коху совершенствованием методов микробиологической, техники: он предложил способы окраски микроорганизмов, которые помогли изучить строение многих микробов, использовал при микроскопии освещение (осветитель Аббе), ввел микрофотографирование. Методы микробиологических исследований, разработанные Кохом, позволили получить чистую культуру возбудителей инфекционных болезней (микроорганизмы только одного вида). Это стало возможным при выращивании микроорганизмов на плотных питательных средах, предложенных Кохом. На этих средах можно получить из одной клетки популяцию микроорганизмов, растущую  в виде колонии. Появилась возможность изучить не только морфологию, но и физиологические и биохимические свойства микробов, определить их способность вызывать заболевания у экспериментальных животных. Указанные методы за 10—20 лет позволили открыть, описать и изучить многих возбудителей инфекционных заболеваний и послужили основой формирования медицинской микробиологии. Кох пытался приготовить из туберкулезной палочки препарат для лечения этого заболевания — туберкулин, представляющий продукт жизнедеятельности возбудителя. Однако туберкулин был неэффективен при лечении заболевания. В настоящее время он успешно применяется с диагностической целью (пробы Пирке и Манту), выявляя зараженность человека туберкулезными микобактериями.

Л. Пастер (1822-1895 гг.) – основатель французской школы микробиологии (химик по образованию, талантливый экспериментатор, сделал ряд фундаментальных открытий во многих областях науки, в том числе и в микробиологии), его основные достижения:

• открытие бактериальной природы брожения и гниения при изучение болезней вина и пива;

• предложение мягкого метода стерилизации – пастеризации;

• доказательство невозможности самопроизвольного зарождения жизни (если стерильный бульон оставить в открытой колбе, то он прорастет, но если стерильный бульон поместить в колбу, сообщающуюся с воздухом через спиральную трубку, то бульон не прорастет, т.к бактерии осядут на изогнутых частях трубки);

• создание основ вакцинного дела;

• разработка и получение вакцины против бешенства, сибирской язвы у животных и куриной холеры;

• открытие возбудителей сибирской язвы (Bacillus anthracis), родовой горячки (стрептококки), фурункулеза (стафилококки).

Р. Кох (1843-1910 гг.) – основатель школы немецких микробиологов, его достижения:

• внедрение в практику микробиологии анилиновых красителей, иммерсионной системы, плотных питательных сред;

• открытие возбудителей туберкулеза и холеры у человека;

• сформулирована триаду критериев, по которым можно было установить связь инфекционного заболевания с определенным микроорганизмом (триада Генле-Коха – эти принципы до Коха выдвигал Генле, а Кох сформулировал и развил): 

1. микроб, предполагаемый в качестве возбудителя болезни, всегда должен обнаруживаться только при данном заболевании, не выделяясь при других болезнях и от здоровых людей;

2. данный микроб должен быть выделен в чистой культуре;

3. чистая культура этого микроба должна вызывать у экспериментального животного заболевание с клинической и паталогоанатомической картиной, свойственной заболеванию человека.

5. У прокариот нет ядра, кольцевая ДНК (кольцевая хромосома) расположена прямо в цитоплазме (этот участок цитоплазмы называется нуклеоид). У эукариот есть оформленное ядро (ДНК отделена от цитоплазмы ядерной оболочкой).

Дополнительные отличия

1) Раз у прокариот нет ядра, то нет и митоза/мейоза. Прокариоты размножаются делением надвое.

2) У прокариот из органоидов имеются только рибосомы (мелкие, 70S), а у эукариот кроме рибосом (крупных, 80S) имеется множество других органоидов: митохондрии, эндоплазматическая сеть, клеточный центр, и т.д.

3) Клетка прокариот гораздо меньше клетки эукариот: по диаметру в 10 раз, по объему – в 1000 раз.

Сходства

Клетки всех живых организмов (всех царств живой природы) содержат плазматическую мембрану, цитоплазму и рибосомы.

Систематика

Все живые организмы на Земле делятся на три надцарства (домена): архей, бактерий и эукариот.

• Эукариоты – это растения, животные и грибы.

• Прокариоты – это общее название бактерий и архей.

• Архебактерии – старое название архей.

• Цианобактерии – тип бактерий, в связи с крупным размером раньше назывались "синезеленые водоросли".

6. Среди основных морфологических форм бактерий различают:

1. Шаровидные (кокковые), которые по характеру взаиморасположения делятся на:

2. микрококки (отдельное изолированное расположение);

3. диплококки (сцепленные попарно);

4. тетракокки (сцепленные по четыре);

5. стрептококки (сцепленные в цепочку);

6. сарцины (сцепленные в пакеты по 8, 12, 16 и т. д.);

7. стафилококки (сцепленные беспорядочно в виде виноградной грозди);

8. Палочковидные, которые различаются по форме:

9. правильная (энтеробактерии, псевдомонады);

10. неправильная (коринебактерии).

по размеру:

1. мелкие (бруцеллы, бордетеллы);

2. средние (бактероиды, кишечная палочка);

3. крупные (бациллы, клостридии);

по форме концов

1. обрубленные (бациллы);

2. закругленные (сальмонеллы, псевдомонады);

3. заостренные (фузобактерии);

4. утолщенные (коринебактерии);

по характеру взаиморасположения все палочки делятся на:

1. расположенные по одиночке;

2. диплобактерии и диплобациллы (сцепленные попарно);

3. стрептобактерии и стрептобациллы (сцепленные в цепочку);

4. Извитые формы (по характеру и количеству завитков они делятся на:

5. вибрионы (слегка изогнутые палочки или неполные завитки);

6. спириллы (один или несколько завитков); 

7. Спирохеты, которые в свою очередь, делятся на:

8. лептоспиры (завитки с загнутыми крючкообразными концами — S-образная форма);

9. боррелии (4-12 неправильных завитков);

10. трепонемы (14-17 равномерных мелких завитков).

Структуру бактерий изучают в основном с помощью электронной микроскопии (техника ультратонких срезов), дифференциального ультрацентрифугирования, цитохимических методов.

Структурные компоненты бактериальной клетки делятся на обязательные и необязательные.

Обязательными структурными компонентами являются:

1. клеточная стенка,

2. цитоплазматическая мембрана,

3. цитоплазма с локализованными в ней рибосомами и ядерным аппаратом.

Необязательные структурные компоненты — капсула, микрокапсула, внеклеточная слизь, включения, жгутики, пили, споры.

7Расположение жгутиков, их строение, рельеф колоний, характер края колоний, расположение спор у бактерий.

8Химический состав прокариота.

Химический состав бактериальной клетки для построения белков, углеводов и липидов включает такие элементы: азот, водород, кислород, углерод. Если брать количественное соотношение, то процент воды достигает 85, а сухое вещество, состоящее из белков, минеральных соединений, липидов, углеводов, аминокислот, составляет оставшиеся проценты.

9. Строениепрокариота, клеточная стенка, цитопрлазматическая мембран и ее производные.

Морфология клеточной стенки

Клеточная стенка ─ это наружный слой, защищающий клетку от внешних воздействий и придающий ей постоянную форму, к примеру, округлую или форму вибриона, палочки. Клеточная стенка играет функцию скелета. Она такая же плотная, как и растительная оболочка, в отличие от животной клеточной оболочки, которая мягкая. Внутри самой клетки давление в несколько раз больше, чем атмосферное, и если бы не ее плотная оболочка, то ее разорвало бы. Толщина стенки варьируется от 0,01 до 0,04 мкм и составляет в среднем 10-50% от общей массы.

Основным химическим компонентом всех изученных ранее видов есть муреин. Он состоит из аминосахаров и аминокислот.

В зависимости от того, как реагирует клеточная стенка на окрашивание по Граму, микроорганизмы делятся на грамположительные и грамотрицательные. У грамположительных видов стенка может окрашиваться анилиновыми красителями и после обработки йодом и спиртом сохраняет цвет. Грамотрицательные после реакции на спирт становятся бесцветными. У грамположительных и грамотрицательных видов химический состав бактериальной клетки отличается.

Грамположительные бактерии имеют сравнительно просто организованную, но мощную клеточную стенку. Она состоит преимущественно из множества слоев пептидогликана, составляющего до 90% её сухой массы (см. рис. 4-4), часто включающих вместо диаминопимелиновой кислоты лизин и уникальные водорастворимые полимеры тейхоевых кислот, состоящих из 8-50 остатков глицерина или рибита, связанных между собой фосфодиэфирными связями. Тейхоевые кислоты [от греч. teichos, стенка] могут составлять до 50% сухого веса клеточной стенки. Известно два типа кислот — рибиттейхоевые (состоят из остатков рибитфосфата и 10-50 остатков спирта) и глицеринтейхоевые (состоят из остатков глицерофосфата и 20 остатков спирта). Клеточная стенка каждого вида содержит только один тип теихоевых кислот (за исключением вида Streptomyces). Тейхоевые кислоты — основные поверхностные Аг многих бактерий. У большей части грамноложительных бактерий также имеются периплазматические теихоевые кислоты, располагающиеся между клеточной стенкой и ЦПМ. Периплазматические кислоты, выявляемые горячей кислотной экстракцией, являются группоспецифичными Аг.

В составе стенки грамположительных форм есть мукопептиды, полисахариды, тейхоевые кислоты.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий по своему химическому составу несколько сложнее. В ней есть большое содержание липидов, которые вместе с белками и сахарами образуют сложные соединения: липополисахариды и липопротеиды. Клеточные стенки грамотрицательных бактерий муреина содержат меньшее количество, но сама структура стенки имеет более сложное строение, чем у грамположительных.

Структура клеточной стенки грамотрицательных микроорганизмов

Она состоит из нескольких слоев:

• внутреннего, состоящего из муреина;

• за ним слой, состоящий из белков;

• после идет слой липополисахаридов;

• внешний, состоящий из липопротеидов.

Клеточная стенка пропускает внутрь необходимые вещества, из нее выходят продукты жизнедеятельности.