Лекция 1. 2 сем

Лекция 1: История и основные понятия микробиологии

Тема 1. Основные понятия микробиологии

1.1. Предмет и задачи микробиологии, ее место и роль в современной биологии

1.4.Современные методы микробиологических исследований

1.5.Домены жизни

1.6. Строение клетки микроорганизмов

1.1. Предмет и задачи микробиологии. Основные свойства микроорганизмов

Микробиология (от греч. mikros – малый, bios – жизнь, logos – наука) − наука об организмах, имеющих микроскопически малые размеры

Микроорганизмы представляют собой разнородную группу, общей характеристикой которой является малый размер.

Микроорганизмы – наиболее древняя форма организации жизни на Земле. По количеству они представляют собой самую значительную и самую разнообразную часть организмов, населяющих биосферу.

Самые крупные микробы не превышают 100 микрон, большая часть имеет размер 0,1-10 мкм, а размер отдельных представителей равен сотым долям микрона.

Кмикроорганизмам относят

•прокариоты (бактерии, в том числе цианобактерии, археи);

•эукариоты (микроскопические мицелиальные грибы, дрожжи, микроскопические водоросли, простейшие).

Водну группу их объединяет: микроскопически малые размеры, быстрый обмен веществ, общие методы культивирования и исследования.

•вирусы

1.2. Основные свойства микроорганизмов. Значение микроорганизмов в природных процессах, в народном хозяйстве и здравоохранении

Общими свойствами микроорганизмов являются:

малые размеры (размеры микроорганизмов измеряются в мкм, 1 мкм = 1-6 м);

высокая скорость обменных процессов. Это связано с большим отношением поверхности обмена к объему клетки. Для микроорганизмов вся поверхность клетки является поверхностью обмена. Так как клетки бактерий самые мелкие, то они растут и развиваются быстрее всех микроорганизмов, за ними следуют дрожжи и грибы. В свою очередь, скорость обменных процессов у микроорганизмов в десятки и сотни тысяч раз выше, чем у животных. Например, в организме одного быка весом в 500 кг за 24 часа образуется примерно 0,5 кг белка; за это же время 500 кг дрожжей могут синтезировать более 50 000 кг белка;

широкое распространение в природе. Малые размеры микроорганизмов имеют значение для экологии. Микроорганизмы могут распространяться с воздушными потоками и существуют повсюду;

пластичность обмена – высокая способность к адаптации (приспособлению к новым условиям существования). Несравненно большая гибкость обменных процессов у микроорганизмов по сравнению с растениями и животными объясняется их способностью синтезировать индуцибельные ферменты, т.е. ферменты, которые образуются в клетке только при наличии в среде соответствующих веществ;

высокая степень изменчивости. Более высокая степень изменчивости микроорганизмов по сравнению с макроорганизмами связана с тем, что большинство микроорганизмов являются одноклеточными организмами. На отдельную клетку воздействовать легче, чем на организм, состоящий из множества клеток. Высокая степень изменчивости, быстрый рост и развитие, высокая скорость обменных процессов, образование многочисленного потомства – все эти свойства микроорганизмов делают их чрезвычайно удобными объектами для генетического анализа, так как опыты можно проводить в короткие сроки на огромном числе особей.

Микроорганизмы широко распространены в природе. Они могут развиваться в скальных породах на глубине до 6 км, на вершинах высоких гор (6-7 км), в безводных пустынях, на поверхности зданий, сооружений, памятников. Некоторые микробы могут обитать в экстремальных условиях - при высоких (до 113 С) и низких (до -36 С) температурах, при давлении до 1400 атм, при полном отсутствии кислорода, в условиях высокой солености (насыщенный раствор NaCl), высокой кислотности (pH 0-1) и щелочности (pH до 11). Споры микроорганизмов чрезвычайно устойчивы, они могут выдерживать условия космического пространства и выживать в течение 20-30 млн лет (например, в кишечнике пчелы, замурованной в кусочке янтаря).

Микроорганизмы имеют огромное значение в природных процессах и человеческой деятельности. Они участвуют в глобальном круговороте элементов, причем ряд стадий был бы невозможен без них, например, фиксация атмосферного азота, денитрификация и минерализация сложных органических веществ. От деятельности микробов зависит плодородие почв, образование каменного угля, нефти, природного газа, других полезных ископаемых.

На деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств (хлебопечение, пивоварение, виноделие, получение молочнокислых продуктов, производство различных химических веществ, антибиотиков, гормонов, ферментов и др).

Микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений.

Многие микробы являются возбудителями заболеваний человека, животных и растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов.

Область интересов микробиологии:

•систематика микроорганизмов,

•морфология,

•физиология,

•биохимия,

•эволюция,

•роль в экосистемах, а также

•возможности практического использования

Разделы микробиологии:

•бактериология,

•микология,

•вирусология

•и другие

Направления микробиологии

•общая

• медицинская

•санитарная

•промышленная (или техническая)

•сельскохозяйственная

•геологическая

• ветеринарная

•космическая

Методы исследования в микробиологии:

-микроскопия: световая, электронная

-культуральный метод (бактериологический, вирусологический);

-биологический метод (заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях);

-молекулярно-генетический метод (ПЦР, ДНК- и РНК-зонды и др.);

-серологический метод — выявления антигенов микроорганизмов или антител к ним (ИФА).

Микроскопия

Микроскопия со времен Левенгука является неотъемлемой частью научных исследований в области биологии.

Однако возможности методов оптической микроскопии имеют физические ограничения. Дифракционный предел оптической микроскопии — это невозможность различить два

объекта, разделённые расстоянием меньшим,чем половина длины волны света.

Микроскопия сверхвысокого разрешения

Микроскопия структурированного освещения.

Метод STED позволят получить субдифракционное разрешение.

Рисунок 1. Сканирующая (а) и трансмиссионная (б) микроскопии.

Рисунок 2. Многоуровневый подход в изучении биологических систем in vivo — в живом организме (a)

in vitro — в искусственно смоделированной среде (б),

in silico— в полностью смоделированной на компьютере биологической системе (в),

in situ — рассмотрение явления в месте, где оно происходит, то есть без перемещения в спец.среду (г).

Основные разделы микробиологии: общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная.

Общая микробиология изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структуру, метаболизм, генетику, экологию и т. д.

Основной задачей технической микробиологии является разработка биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, ферментов, витаминов, спиртов, органических веществ, антибиотиков и др.

Сельскохозяйственная микробиология занимается изучением микроорганизмов, которые участвуют в круговороте веществ, используются для приготовления удобрений, вызывают заболевания растений и др.

Ветеринарная микробиология изучает возбудителей заболеваний животных, разрабатывает методы их биологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение микробов-возбудителей в организме больного животного.

С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, долгое время даже не догадываясь об их существовании. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания. Однако до средины XIX века не было доказано, что разного рода бродильные процессы и эпидемии могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.

Предметом изучения медицинской микробиологии являются болезнетворные (патогенные) и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разработка методов микробиологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения вызываемых ими инфекционных заболеваний.

Разделом медицинской микробиологии является иммунология, которая занимается изучением специфических механизмов защиты организмов людей и животных от болезнетворных микроорганизмов.

Предметом изучения санитарной микробиологии являются санитарномикробиологическое состояние объектов окружающей среды и пищевых продуктов, разработка санитарных нормативов.

Предмет микробиологии, значение микроорганизмов в природе и различных отраслях человеческой деятельности.

Микробиология изучает морфологию, систематику и физиологические особенности микроорганизмов, условия их жизнедеятельности, роль в природе и жизни человека. Микробиологи разрабатывают способы использования полезных микробов в промышленности и сельском хозяйстве, средства и методы борьбы с патогенными микроорганизмами, вызывающими болезни растений, животных и человека.

Микроорганизмы широко распространены в природе. Они могут развиваться в скальных породах на глубине до 6 км, на вершинах высоких гор (6-7 км), в безводных пустынях, на поверхности зданий, сооружений, памятников. Некоторые микробы могут обитать в экстремальных условиях - при высоких (до 113 С) и низких (до -36 С) температурах, при давлении до 1400 атм, при полном отсутствии кислорода, в условиях высокой солености (насыщенный раствор NaCl), высокой кислотности (pH 0-1) и щелочности (pH до 11). Споры микроорганизмов чрезвычайно устойчивы, они могут выдерживать условия космического пространства и выживать в течение 20-30 млн лет (например, в кишечнике пчелы, замурованной в кусочке янтаря).

Микроорганизмы имеют огромное значение в природных процессах и человеческой деятельности.

Они участвуют в глобальном круговороте элементов, причем ряд стадий был бы невозможен без них, например, фиксация атмосферного азота, денитрификация и минерализация сложных органических веществ. От деятельности микробов зависит

плодородие почв, образование каменного угля, нефти, природного газа, других полезных ископаемых.

На деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств (хлебопечение, пивоварение, виноделие, получение молочнокислых продуктов, производство различных химических веществ, антибиотиков, гормонов, ферментов и др).

Микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений.

Многие микробы являются возбудителями заболеваний человека, животных и растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов.

1.3. История развития микробиологии. Открытие микроорганизмов

Процессы, вызываемые микроорганизмами, люди знали и использовали с незапамятных времен. Издавна они умели готовить вино, квас, кумыс, кислое молоко, сыр и другие продукты.

Однако микробиология – относительно молодая наука, ее история насчитывает немногим более 300 лет.

В истории микробиологии можно выделить три периода: морфологический,

физиологический и современный.

История развития микробиологии. Основные этапы

•Эвристический

•Морфологический

•Физиологический

•Иммунологический

•Молекулярно-генетический

Эвристический период (IV III вв.дон.э.- XVI в.)

Связан с логическими и методическими приемами нахождения истины, то есть эвристикой, а не с экспериментами и доказательствами.

Мыслители этого периода (Гиппократ, римский писатель Варрон, Авиценна и др.) высказывали предположения о природе заразных болезней, миазмах, мелких невидимых животных.

Донаучный период Накопление данных и попытки определить причину болезней

С микроорганизмами человечество соприкасалось всегда, долгое время даже не догадываясь об их существовании. С незапамятных времен люди наблюдали брожение теста, готовили спиртные напитки, сквашивали молоко, делали сыры, переносили различные заболевания. Однако до средины XIX века не было доказано, что разного рода бродильные процессы и эпидемии могут быть следствием деятельности ничтожно малых существ.

Морфологический период (XVII первая половина - XIX вв.)

•Начинается с открытия микроорганизмов А.Левенгуком.

На этом этапе было подтверждено повсеместное распространение микроорганизмов,

описаны формы клеток, характер движения, места обитания многих представителей микромира.

Описательный период (XVII-середина XIX в.)

•А. ван Левенгук, 1676 г.– открытие микробов,

•описание их морфологии.

Рисунок 3. Микроскоп Гука

Попытки систематизации Первым, кто увидел и описал различные микроорганизмы, был голландский торговец

сукном Антони ван Левенгук. А. Левенгук в свободное время конструировал микроскопы, и ему удалось добиться увеличения в 280 раз.

Непосредственное открытие микробов произошло в 1676 г., когда А. Левенгук в капле дождевой воды из бочки заметил огромное количество очень маленьких движущихся организмов. Описания своих наблюдений, сопровождаемые тщательными зарисовками, А. Левенгук отсылал в Английское Королевское общество, где они привлекли внимание других исследователей. С этого времени начинается первый период развития микробиологии – описательный, или микрография.

Морфологический период развития микробиологии связан с именем голландского ученого Антония ван Левенгука (1632-1723), который в конце XVII века с помощью изготовленного им самим микроскопа, дающего увеличение в 300 раз, открыл мир микробов. Этот ученый издал первый научный трактат по микробиологии (1695) «Тайны природы, открытые Антони ван Левенгуком». К настоящему времени собрано 20 объемных томов рукописей Левенгука, в которых он описывает палочковидные, шаровидные, извитые и другие формы микроорганизмов, обнаруженных в различных объектах.

Открытия Левенгука вызвали интерес ученых. Однако, слабое развитие в промышленности, господствующее в науке схоластическое направление препятствовали развитию естественных наук, в том числе зарождающейся микробиологии. Долгое время наука о микробах носила лишь описательный характер – шел так называемый морфологический период ее развития.

Рисунок 4. Антони ван Левенгук

Антони ван Левенгук - голландский ученый-дилетант, основатель микроскопии (изготавливал линзы). Открыл микроорганизмы, кровяные клетки, сперматозоиды, видел в капле воды «зверьков» — движущиеся живые организмы (инфузории, амёбы, бактерии).

Однако в 1676 году достоверность его исследований была поставлена под сомнение, Чтобы проверить их достоверность, в Делфт отправилась группа ученых во главе Неемием Грю, который подтвердил подлинность всех исследований.

А. Левенгук и его последователи описывали морфологию микроорганизмов, которых они видели под микроскопом в разных субстратах. Был сделан вывод о вездесущности микроорганизмов.

Позднее предпринимались попытки систематизировать мельчайшие существа, которые тогда называли анималькулями (живыми зверьками) или инфузориями (от»развивающиеся в настоях). Методики работы были еще несовершенны, культуры микроорганизмов нередко загрязнялись посторонней микрофлорой. Отсюда родилась теория плеоморфизма, согласно которой микробы способны легко менять форму в зависимости от условий существования. С плеоморфистами спорили приверженцы другой теории – мономорфизма, признававшие у бактерий как и у высших организмов, постоянство видов.

Накопление данных о микроорганизмах привело к необходимости их систематизации. Первая научная попытка систематики микроорганизмов принадлежит датскому ученому О.

Мюллеру (1785).

Первым исследователем микроорганизмов в России был врач-микробиолог М.М. Тереховский (1740-1796). В своей работе «О наливочном хаосе Линнея» он экспериментально отверг теорию о самопроизвольном зарождении жизни.

Рисунок 5. Карл Линней (1707 –1778).

Карл Линней - шведский ботаник-систематик. Основоположник современной ТАКСОНОМИИ, объединив все живые организмы в единую систему КЛАССИФИКАЦИИ. Придумал систему БИНАРНОЙ НОМЕНКЛАТУРЫ видов.

Физиологический этап развития микробиологии (с середины XIX в.)

К середине XIX века был накоплен большой материал о разнообразных группах микроорганизмов. Однако физиологию и обмен веществ микробов исследования не затрагивали, поэтому роль микромира в природе, а также в жизни и деятельности человека оставалась невыясненнойБурное 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 их физиологии, основанное на эксперименте.

Физиологический этап развития микробиологии начался примерно с середины XIX века и связан, прежде всего, с именем французского ученого Луи Пастера.

Выясняя причину прокисания вина, Л.Пастер показал, что брожение вызывается микроорганизмами, а не является чисто химическим процессом, как считали раньше. При этом каждый вид брожения обусловлен активностью определенных микробов. Позднее, изучая возбудителей маслянокислого брожения, Л. Пастер обнаружил что они могут жить только в отсутствие кислорода, таким образом, были открыты анаэробные организмы.

Долгое время считалось, что микроорганизмы в природе зарождаются самопроизвольно. Лишь работы Л.Пастера позволили окончательно установить невозможность самозарождения микробов. Безупречные опыты ученого показали, что если питательные среды простерилизованы, то есть надежно освобождены от микроорганизмов, то жизнь в них даже в примитивной форме зародиться не может. Современные дезинфекция, антисептика и асептика основаны с теоретической точки зрения на работах Л.Пастера. Способ тепловой обработки продуктов, предохраняющий их от порчи, получил название

«пастеризация».

Рисунок 6. Луи Пастер (18221895). Французский микробиолог и химик, основоположник современной микробиологии и иммунологии

Со второй половины ХIХ века началось бурное развитие микробиологии – физиологический период, связанный с именем величайшего французского ученого, химика по образованию, Луи Пастера (1822-1895). В истории мировой науки трудно найти другого исследователя, чьи работы имели бы такое теоретическое значение и вместе с тем дали бы такой большой практический эффект. К.А. Тимирязев считал, что «Пастер оказал такое влияние на практические стороны человеческой деятельности, какое не оказывал ни один человек за всю историю цивилизации»

Основной заслугой Пастера является то, что он впервые связал микроорганизмы с процессами, ими вызываемыми. Исследования Пастера завершили многовековой спор о возможности самопроизвольного зарождения жизни. Он экспериментально доказал, что в питательных средах, в которых убиты микроорганизмы, жизнь не зарождается даже при соприкосновении с воздухом, если в последнем они отсутствуют.

Работы Пастера:

1. Установил, что процессы брожения имеют микробиологическую природу, и каждый вид брожения обусловлен своим специфическим возбудителем.