Що таке мікробіологія. Що вивчає мікробіологія. Основи мікробіології

Наука біологія включає в себе велику кількість підрозділів і дочірніх наук. Однак однією з наймолодших і перспективних, корисних для людини і його діяльності є мікробіологія. Порівняно недавно виникла, але стрімко набрала обертів у розвитку, ця наука на сьогоднішній день сама стала родоначальницею таких розділів, як біотехнологія та генна інженерія. Що таке мікробіологія і як проходили етапи її становлення і розвитку? Розберемося в цьому питанні докладніше.

Що таке мікробіологія?

В першу чергу, мікробіологія - це наука. Об`ємна, цікава, молода, але динамічно розвивається наука. Етимологія слова веде своє походження від грецької мови. Так, "mikros" означає "малий", друга частина слова походить від "bios", що означає "життя", і заключна частина від грец. "Logos", що перекладається як вчення. Тепер можна дати дослівний відповідь на питання, що таке мікробіологія. Це вчення про мікро-життя.

Іншими словами, це вивчення самих дрібних живих істот, які не видимі неозброєним оком. До таких одноклітинним організмам відносяться:

1. Прокаріоти (без`ядерні організми, або не мають оформленого ядра):

• бактерії;
• археї.

2. Еукаріоти (організми, що мають оформлене ядро):

• одноклітинні водорості;
• найпростіші.

3. Віруси.

Однак пріоритетне значення в мікробіології приділяється вивченню саме бактерій самих різних видів, форм і способів отримання енергії. Саме в цьому полягають основи мікробіології.

Предмет вивчення науки

На питання, що вивчає мікробіологія, можна відповісти так: вона вивчає зовнішнє різноманіття бактерій за формою і розмірами, їх вплив на навколишнє середовище і на живі організми, способи харчування, розвитку і розмноження мікроорганізмів, а також їх вплив на господарську та практичну діяльність людини.

Мікроорганізми - це істоти, здатні мешкати в найрізноманітніших умовах. Для них практично немає меж по температурі, по кислотності і лужності середовища, тиску і вологості. За будь-яких умов існує хоча б одна (а найчастіше безліч) група бактерій, здатна виживати. Сьогодні відомі співтовариства мікроорганізмів, які заселяють абсолютно анаеробні умови всередині вулканів, на дні термоісточніков, в темних глибинах океанів, суворих умовах гір і скель і так далі.

Науці відомі сотні видів мікроорганізмів, які з часом складаються в тисячі. Проте встановлено, що це тільки мала дещиця того розмаїття, що є в природі. Тому роботи у мікробіологів дуже багато.

Одним з найбільш знаменитих центрів, в якому відбувалося докладне вивчення мікроорганізмів і всіх процесів, з ними пов`язаних, був Пастеровский інститут у Франції. Названий на честь знаменитого засновника мікробіології як науки Луї Пастера, цей інститут мікробіології випустив зі своїх стін масу чудових фахівців, якими були вчинені не менш чудові і значні відкриття.

У Росії на сьогоднішній день діє інститут мікробіології ім. С. Н. Виноградського РАН, який є найбільшим дослідницьким центром в галузі мікробіології в нашій країні.

Історичний екскурс в мікробіологічну науку

Історія розвитку мікробіології як науки складається з трьох основних умовних етапів:

• морфологічний або опісательний;
• фізіологічний або накопітельний;
• сучасний.

В цілому, історія мікробіології налічує у своєму розвитку близько 400 років. Тобто початок виникнення припадає приблизно на XVII століття. Тому і вважається, що вона досить молода наука в порівнянні з іншими розділами біології.

Морфологічний або описовий етап

Сама назва говорить про те, що на даному етапі проходило, строго кажучи, просто накопичення знань про морфології бактеріальних клітин. Почалося все з відкриття прокаріотів. Дана заслуга належить родоначальнику мікробіологічної науки італійцеві Антоніо ван Левенгук, який володів гострим розумом, чіпким поглядом і хорошим вмінням логічно мислити й узагальнювати. Будучи також непоганим техніком, він зумів виточити лінзи, що дають збільшення в 300 разів. Причому повторити його досягнення змогли тільки в середині XX століття російські вчені. І щось не виточування, а виплавкою лінз з оптичного скловолокна.

Ось ці лінзи і послужили матеріалом, через який Левенгук виявив мікроорганізми. Причому спочатку він ставив перед собою завдання вельми прозаїчного характеру: вченого цікавило, чому хрін такий гіркий. Розтерши частини рослини і розглянувши їх під мікроскопом власного виробництва, він і побачив цілий живий світ крихітних створінь. Було це в 1695 році. З цих пір Антоніо починає активно вивчати і описувати різні види бактеріальних клітин. Він розрізняє їх тільки по формі, однак і це вже немало.

Левенгук належить близько 20 рукописних томів, які описують детально кулясті, паличкоподібні, спіральні та інші види бактерій. Їм написаний перший працю по мікробіології, який називається "Таємниці природи, відкриті Антоні ван Левенгука". Перша спроба систематизувати та узагальнити накопичені знання з морфології бактерій належить вченому О. Мюллеру, який зробив її в 1785 році. З цього моменту історія розвитку мікробіології починає набирати свої обороти.

Фізіологічний або накопичувальний етап

На даному етапі розвитку науки були вивчені механізми, що лежать в основі життєдіяльності бактерій. Розглянуто процеси, в яких вони беруть участь і які без них неможливі в природі. Була доведена неможливість самозародження життя без участі живих організмів. Всі ці відкриття були здійснені в результаті експериментів великого вченого-хіміка, але після цих відкриттів ще й мікробіолога, Луї Пастера. Складно переоцінити його значення в розвитку цієї науки. Історія мікробіології навряд чи зуміла б розвинутися так швидко і повно, якби не цей геніальний чоловік.

Відкриття Пастера можна відобразити декількома основними пунктами:

• довів, що знайомий людям здавна процес бродіння цукристих речовин обумовлений наявністю певного виду мікроорганізмів. Причому для кожного виду бродіння (молочно-кисле, спиртове, масляне і так далі) характерна наявність специфічної групи бактерій, які його і осуществляют;
• ввів в харчову галузь процес пастеризації для позбавлення продуктів від мікрофлори, що викликає їх гниття і порчу;
• йому належить заслуга підвищення імунітету до хвороб шляхом введення вакцини в організм. Тобто Пастер - родоначальник щеплень, саме він довів, що хвороби викликаються наявністю хвороботворних бактерій;
• зруйнував уявлення про аеробні всього живого і довів, що для життя багатьох бактерій (маслянокислих, наприклад) кисень взагалі не потрібен, і навіть шкідливий.

Головною незаперечною заслугою Луї Пастера стало те, що всі свої відкриття він доводив експериментально. Так, що ні в кого не могло залишатися сумнівів у справедливості отриманих результатів. Але на цьому історія мікробіології, звичайно, не закінчується.

Ще одним вченим, що працювали в XIX столітті і які зробили неоціненний внесок у вивчення мікроорганізмів, став Роберт Кох - німецький учений, якому належить заслуга виведення чистих ліній бактеріальних клітин. Тобто в природі все мікроорганізми тісно взаємопов`язані між собою. Одна група в процесі життєдіяльності створює живильне середовище для іншої, інша робить теж саме для третьої і так далі. Тобто це ті ж ланцюга живлення, що і у вищих організмів, тільки всередині бактеріальних спільнот. Внаслідок цього дуже складно вивчити якесь окреме співтовариство, групу мікроорганізмів, адже їх розміри надзвичайно малі (1^-6 м або 1 мкм) і, перебуваючи в постійному тісній взаємодії між собою, вони не піддаються ретельному вивченню поодинці. Ідеальною представлялася можливість виростити безліч ідентичних клітин бактерій одного співтовариства в штучних умовах. Тобто отримати масу однакових клітин, які будуть видні неозброєним оком і вивчити процеси у яких стане значно легше.

Ось саме це відкриття і зробив Кох. Він ввів в ужиток виведення чистих культур бактерій на живильному середовищі, яка для кожної спільноти своя. Також йому належать заслуги у фарбуванні колоній мікроорганізмів і окремих її учасників. Роберт Кох першим відкрив туберкульозну паличку (паличку Коха), паразитуючу в тварин і людину. Цей учений застосовував метод зараження піддослідних тварин хвороботворними (патогенними) бактеріями з метою виведення чистих культур таких мікроорганізмів і розробив методи дезінфекції і боротьби з ними.

Таким чином було накопичено безліч цінних відомостей про життєдіяльності бактерій, їх користь і шкоду для людини. Розвиток мікробіології пішло ще більш інтенсивним шляхом.

Сучасний етап

Сучасна мікробіологія - це цілий комплекс підрозділів і міні-наук, які займаються вивченням не тільки самих бактерій, але і вірусів, грибків, архей і всіх відомих і знову відкриваються мікроорганізмів. На питання, що таке мікробіологія, сьогодні можна дати дуже повний і розгорнуту відповідь. Це комплекс наук, що займаються вивченням життєдіяльності мікроорганізмів, їх застосування в практичному житті людини в різних областях і сферах, а також впливу мікроорганізмів один на одного, на навколишнє середовище і живі організми.

У зв`язку з таким великим поняттям мікробіології слід привести сучасну градацію даної науки на розділи.

1. Загальна.
2. Ґрунтова.
3. Водна.
4. Сільськогосподарська.
5. Медична.
6. Ветеринарна.
7. Космічна.
8. Геологічна.
9. Вірусологія.
10. Харчова.
11. Промислова (технічна).

Кожен з наведених розділів займається докладним вивченням мікроорганізмів, їх впливу на життя і здоров`я людей і тварин, а також можливості використання бактерій в практичних цілях для поліпшення якості життя людства. Все це в комплексі і є те, що вивчає мікробіологія.

Найбільший внесок у розвиток сучасних методів мікробіології, способів виведення та обробітку штамів мікроорганізмів внесли такі вчені, як Вольфрам Цілліг і Карл Штеттер, Карл Воуз, Норман Пейс, Уотсон Крик, Полінг, Цукеркандль. З вітчизняних вчених це такі імена, як І. І. Мечников, Л. С. Ценковський, Д. І. Івановський, С. Н. Виноградський, В. Л. Омелянський, С. П. Костичев, Я. Я. Нікітінський і Ф. М. Чистяков, А. І. Лебедєв, В. Н. Шапошников. Завдяки роботам перерахованих вчених, були створені способи боротьби з серйозними хворобами тварин і людей (Сибірська виразка, цукровий кліщ, ящур, віспа і так далі). Були створені способи підвищення імунітету до бактеріологічними та вірусних захворювань, отримані штами мікроорганізмів, здатних переробляти нафту, створювати в процесі життєдіяльності масу різних органічних речовин, очищати і покращувати екологічну обстановку, розкладати нераспадающіеся хімічні сполуки і багато іншого.

Внесок цих людей справді неоціненний, тому деякі з них (Мечников І. І.) отримали Нобелівську премію за свої роботи. На сьогоднішній день існують дочірні науки, що утворилися на основі мікробіології, які є найбільш передовими в біології - це біотехнологія, біоінженерія і генна інженерія. Робота кожної з них спрямована на отримання організмів або групи організмів з наперед заданими властивостями, зручними людині. На виведення нових методів роботи з мікроорганізмами, на отримання максимальної вигоди від використання бактерій.

Таким чином, етапи розвитку мікробіології хоча і нечисленні, однак дуже змістовні і повні подіями.

Методи вивчення мікроорганізмів

Сучасні методи мікробіології засновані на роботі з чистими культурами, а також використанні новітніх досягнень техніки (оптичної, електронної, лазерної і так далі). Ось основні з них.

1. Використання мікроскопічних технічних засобів. Як правило, тільки світлові мікроскопи повного результату не дають, тому застосовуються також люмінесцентні, лазерні та електронні.
2. Посіви бактерій на спеціальних поживних середовищах для виведення і культивування абсолютно чистих колоній культур.
3. Фізіолого-біохімічні методи аналізу культури мікроорганізмів.
4. Молекулярно-біологічні методи аналізу.
5. Генетичні методи аналізу. На сьогоднішній день стало можливим простежити генеалогічне древо практично кожної відкритої групи мікроорганізмів. Це стало можливим завдяки роботам Карла Воуз, який зумів розшифрувати ділянку генома колонії бактерій. З цим відкриттям стало можливим побудова філогенетичної системи прокаріот.

Сукупність перерахованих методів дозволяє отримувати повну та детальну інформацію про будь-якому з знову відкриваються або вже відкритих мікроорганізмів і знаходити їм правильне застосування.

Етапи мікробіології, які вона пройшла у своєму становленні як наука, не завжди включали такий щедрий і точний набір методів. Однак примітно, що найдієвішим в будь-які часи є метод експериментальний, саме він послужив основою для накопичення знань і умінь в роботі з мікросвітом.

Мікробіологія в медицині

Один з найбільш важливих і значимих саме для людського здоров`я розділів мікробіології є медична мікробіологія. Предметом її вивчення стали віруси і патогенні бактерії, які викликають важкі захворювання. Тому перед медиками-мікробіологами стоїть завдання: виявити патогенний організм, культивувати його чисту лінію, вивчити особливості життєдіяльності та причини, з яких наноситься шкоди організму людини, і знайти засіб для усунення даної дії.

Після того як чиста культура патогенного організму буде отримана, необхідно провести ретельний молекулярно-біологічний аналіз. На основі результатів провести випробування стійкості організмів до антибіотиків, виявити шляхи поширення захворювання і вибрати найбільш ефективний метод лікування проти даного мікроорганізму.

Саме медична мікробіологія, в тому числі ветеринарна, допомогла вирішити ряд злободенних проблем людства: створені вакцини проти сибірської виразки, сказу, пики непарнокопитних, віспи овець, анаеробних інфекцій, туляремії та паратифу, стало можливим позбавлення від чуми і парапневмоніі і так далі.

Харчова мікробіологія

Основи мікробіології, санітарії та гігієни тісно взаємопов`язані між собою і взагалі єдині. Адже патогенні організми здатні поширюватися набагато швидше і в більшому обсязі, коли умови санітарії та гігієни залишають бажати кращого. І в першу чергу це знаходить відображення в харчовій промисловості, при масових виробництвах продуктів харчування.

Сучасні дані про морфології і фізіології мікроорганізмів, біохімічних процесах, що викликаються ними, а також вплив екологічних факторів на мікрофлору, що розвивається в продуктах харчування при транспортуванні, зберіганні, реалізації та переробці сировини, дозволяють уникнути багатьох проблем. Роль мікроорганізмів у процесі формування та зміни якості харчових продуктів і виникнення ряду захворювань, що викликаються патогенними та умовно-патогенними видами, дуже значна, і тому завданням харчової мікробіології, санітарії та гігієни є цю роль виявити і повернути на благо людині.

Також харчова мікробіологія культивує бактерії, здатні перетворювати з нафти білки, використовує мікроорганізми для розкладання харчових продуктів, для обробки багатьох продуктів харчування. Процеси бродіння на основі молочно-кислих і олійно-кислих бактерій дають людству безліч необхідних продуктів.

Вірусологія

Зовсім окрема і дуже велика група мікроорганізмів, яка на сьогоднішній день є самою маловивченою - це віруси. Мікробіологія і вірусологія - дві тісно взаємопов`язані категорії мікробіологічної науки, які вивчають патогенні бактерії і віруси, здатні завдати тяжка шкода здоров`ю живих організмів.

Вірусологія розділ дуже великий і складний, тому заслуговує окремого вивчення.