Предмет микробиологии и краткие сведения о ее развитии

 

Микробиология является наукой, изучающей строение и жизнедеятельность микроорганизмов, или микробов. Название «микробиология» происходит от греческих слов: микрос - ма­лый и биос - жизнь.

Большинство микроорганизмов можно увидеть только с по­мощью микроскопа. К микроорганизмам относятся бактерии, ультрамикробы, грибки, дрожжи и некоторые другие орга­низмы. Микроорганизмы отличаются простым строением и со­стоят чаще всего из одной клетки.

Бактерии, плесневые грибки и дрожжи относятся к низшим растительным организмам. Из всех микробов они имеют наи­большее значение для товароведения. Ультрамикробы состав­ляют особую группу организмов, характеризующуюся чрезвы­чайно малыми размерами по сравнению с другими микробами.

Микроорганизмы распространены повсюду - в воздухе, воде, почве, во всех зонах земного шара, независимо от клима­тических условий. Они населяют окружающие нас предметы, находятся на пищевых продуктах, на одежде, на поверхности нашего тела и внутри организма.

Повсеместное распространение микробов объясняется их легкой приспособляемостью к условиям обитания, большой вы­носливостью при колебаниях температуры и влажности среды, способностью к необычайно быстрому размножению.

Микроорганизмы обладают свойством воздействовать на окружающую их среду и вызывать в ней различные биохими­ческие превращения. Это давно подмечено человеком и исполь­зуется им в практической деятельности.

Находясь в почве, микробы в результате своей жизнедея­тельности способны восстанавливать ее плодородие. Современ­ная сельскохозяйственная наука отводит важное место микроорганизмам в почвообразовательных процессах и в повышении урожайности сельскохозяйственных культур.

Большое значение имеют микроорганизмы в производстве продовольственных товаров. С помощью дрожжей, например, получают тесто для хлеба, спирт, вино, пиво, брагу и другие продукты. Особую группу бактерий используют для получения молочнокислых продуктов: сметаны, творога, ацидофилина, простокваши и других. Эти же бактерии, называемые молочно­кислыми, участвуют в процессах созревания сыров, а также квашения капусты. Кефир и кумыс получают совместным дей­ствием дрожжей и молочнокислых бактерий.

Промышленное получение уксусной, молочной, масляной, ли­монной и других кислот также основано на применении опре­деленных микроорганизмов.

Микроорганизмы используются для производства витаминов, ферментов и аминокислот. В настоящее время с помощью ми­кробов получают очень ценные лечебные препараты - пеницил­лин, стрептомицин, биомицин и др.

Человек в производстве различных товаров научился созна­тельно регулировать жизнедеятельность полезных микроорга­низмов и направлять ее в нужное русло. Дальнейший успех практического использования микроорганизмов зависит от глу­бины познания их свойств и особенностей вызываемых ими про­цессов.

Велика положительная роль микроорганизмов. Однако мно­гие из них наносят существенный ущерб, вызывая порчу и раз­рушение различных товаров.

Особенно легко поддаются воздействию микроорганизмов продовольственные товары. Поэтому в производстве многих из этих товаров усилия человека направлены на то, чтобы предотвратить или задержать развитие вредных микроорга­низмов.

Одной из важнейших задач для товароведов продовольственных товаров является обеспечение определенных условий их хране­ния и перевозки, которые позволили бы уберечь товары от воз­действия микробов и тем самым сохранить их качество.

Как во время производства, так и при хранении и перевозке товаров человек постоянно ведет борьбу с микроорганиз­мами посредством охлаждения, замораживания или, наоборот, нагреванием продукта до высоких температур, а также путем консервирования с помощью различных химических веществ и т. д. Разработка и применение всех этих процессов основаны на знании микробиологии.

Многие биохимические превращения, протекающие в пище­вых продуктах - овощах, мясе, рыбе, молоке и т. д. - и являющиеся следствием жизнедеятельности микроорганизмов, невоз­можно должным образом осмыслить без знания микробиологии. Ознакомление с микробиологией позволяет работникам тор­говли широко и сознательно проводить профилактические меро­приятия против распространения пищевых инфекций и отрав­лений.

Следовательно, микробиология тесно связана с товароведе­нием продовольственных товаров, поэтому специалисту-товаро­веду в своей практической деятельности постоянно приходится пользоваться данными микробиологии.

Современная микробиология включает ряд специализиро­ванных отделов, являющихся фактически самостоятельными дисциплинами. В процессе развития микробиологии из нее вы­делились медицинская и ветеринарная, сельскохозяйственная и техническая микробиология.

Для товароведения наибольшее значение имеет техническая микробиология, которая изучает хозяйственно полезных и вред­ных микроорганизмов, их влияние на продукты в процессе про­изводства, хранения и транспортирования. Поэтому в учебнике освещаются вопросы, связанные главным образом с техниче­ской микробиологией.

Начиная с Аристотеля (384-322 до н. э.), которому принадлежит первая попытка систематизировать накопленные к тому времени сведения об организмах, биологи делили живой мир на два царства - растений и животных. А. Ван Левенгук, открывший мир микроскопических живых существ, был убежден в том, что они являются «маленькими живыми зверушками». С этого времени и до XIX в. все открываемые микроорганизмы рассматривали как мельчайшие существа животной природы.

Микробиология возникла в конце XVII в. в связи с работами голландского естествоиспытателя Антония Левенгука (1632-1723 гг.). Левенгук одним из первых обнаружил живые микро­скопические существа с помощью изготовленных им линз. Система этих линз (микроскоп) давала увеличение всего в 160 раз. Левенгук наблюдал микроорганизмы в различных на­стоях, в зубном налете, дождевой и колодезной воде, мясе и других предметах. Свои наблюдения он обстоятельно изложил в книге «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком» (1695 г.). В своей книге Левенгук сообщал, что обнаружил мельчайших «живых зверьков». Некоторые из них, по его выра­жению, оживленно двигались, «как щуки в воде». Он зарисовал виденные им микроорганизмы. Книга Левенгука послужила на­чалом для дальнейшего развития микробиологии.

И хотя увидеть микробы удалось только во второй половине XVII столетия, некоторые процессы, вызываемые микроорга­низмами, были известны человеку с глубокой древности. Уже с давних пор человек наблюдал скисание молока, приготовлял виноградные вина и выпекал хлеб из кислого (перебродившего) теста. С незапамятных времен из поколения в поколение пере­давался секрет приготовления кумыса и кефира. Человек в те­чение многих столетий использовал микробиологические про­цессы, не подозревая о существовании вызывающих их возбу­дителей. В течение первого периода (до второй половины XIX в.) своего развития микробиология носила в основном описатель­ный характер, ее исследования сводились только к изучению внешней формы микроорганизмов.

Во второй половине XIX в. немецкий биолог Э. Геккель (Е. Haeckel, 1834-1919 гг.) приходит к заключению, что микроорганизмы настолько существенно отличаются как от царства животных, так и от царства растений, что не укладываются ни в одно из этих подразделений. Э. Геккель предложил выделить все микроорганизмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани (простейшие, водоросли, грибы, бактерии), в отдельное царство Protista (протисты, первосущества), включив в него организмы, во многих отношениях занимающие промежуточное положение между растениями и животными. Термин «protista» и сейчас применим для обозначения объектов, исследуемых микробиологами.

Подлинный расцвет микробиологии связан с работами фран­цузского ученого Луи Пастера (1822-1895 гг.). Своими заме­чательными исследованиями процессов брожения и причин возникновения заразных болезней Пастер убедительно показал огромную роль микроорганизмов в природе и в жизни человека. Его исследования имели неоценимое практическое значение. Они основывались на глубоком знании физиологии микроорга­низмов.

До Пастера считали, что спиртовое брожение, а также гние­ние являются обычными химическими процессами. Пастер же установил и доказал, что спиртовое брожение и гниение - ре­зультаты жизнедеятельности микроорганизмов.

Учение Пастера о процессах брожения и гниения сыграло важную роль в разработке бродильной технологии и методов хранения пищевых продуктов. Его именем назван один из рас­пространенных способов консервирования продовольственных товаров - пастеризация.

Пастер доказал, вопреки господствовавшей в то время тео­рии самопроизвольного зарождения, что живые организмы не могут зарождаться из неживой материи. Его современники по­лагали, будто из гниющих веществ растений зарождаются гу­сеницы, из морского ила - угри, из гнилого мяса - черви и т.д. Считалось, что и микроорганизмы зарождаются самопроиз­вольно.

Однако Пастер неопровержимыми опытами установил, что зародыши микробов всюду носятся в воздухе и оттуда попадают в различные среды, вызывая их гниение. Отрицательное реше­ние вопроса о возможности самопроизвольного зарождения явилось важным вкладом в материалистическое учение о проис­хождении жизни на земле.

Выяснив природу заразных болезней человека, Пастер уста­новил, что эти болезни во всех случаях возникают вследствие заражения определенными микроорганизмами, и предложил методы предохранения человека и животных от заразных бо­лезней. Он изготовил и практически использовал вакцины про­тив сибирской язвы и бешенства. Применение вакцин сыграло огромную роль в борьбе с этими опасными болезнями. Впослед­ствии на основе работ Пастера были найдены эффективные средства борьбы со многими инфекционными заболеваниями человека и животных. Пастер своими смелыми исследованиями превратил описа­тельную микробиологию в подлинную науку, имеющую огром­ное практическое значение и целиком поставленную на службу человеку.

Значительный вклад в развитие микробиологии внес немец­кий ученый Роберт Кох (1843-1910 гг.). Ему принадлежит открытие возбудителей туберкулеза, холеры и других заболе­ваний. Кох разработал имеющую большое практическое значе­ние методику выделения и выращивания чистых культур микро­организмов с помощью твердых питательных сред. Эта методика сыграла важную роль в дальнейшем развитии микробиологии. Она позволила микробиологам простым приемом отделять и изолировать нужный вид микроорганизмов от других видов, с которыми он обычно встречается в природных условиях.

Важный вклад в микробиологию внесли отечественные ученые.

Особенно большие заслуги в развитии современной микро­биологии принадлежат русскому ученому Илье Ильичу Мечни­кову (1845-1916 гг.).

Он разработал всемирно известную фагоцитарную теорию борьбы человеческого и животного организма с проникшими в него болезнетворными бактериями и создал учение об иммуни­тете - невосприимчивости организма к заразным болезням. Ему принадлежит теория об антагонизме между различными группами бактерий. Эта теория послужила началом современ­ного учения об антибиотиках, получившего сейчас исключи­тельно широкое развитие.

И. И. Мечников создал первую в России бактериологиче­скую лабораторию Одессе.

Выдающееся значение для развития отечественной микро­биологии имеют работы Н. Ф. Гамалея (1859-1949 гг.), бли­жайшего сотрудника И. И. Мечникова по Одесской бактериологической лаборатории, впоследствии почетного академика. Он открыл явление лизиса (растворения) бактерий под действием других, еще более мелких микроорганизмов. Это открытие яви­лось началом развития новой отрасли в микробиологии - бакте­риофагии. Гамалея организовал в Одессе вторую в мире (пер­вая была в Париже) Пастеровскую станцию по прививкам против бешенства. Гамалея многое сделал в области улучше­ния здравоохранения в нашей стране.

Важную роль в развитии микробиологии сыграли труды Д. И. Ивановского (1864-1920 гг.). Им создан новый раздел микробиологии - вирусология, приобретающий все большее значение. Исследуя мозаичную болезнь табака, Ивановский первый обнаружил существование вирусов, размеры которых настолько ничтожны, что их невозможно увидеть в оптические микроскопы.

Значительны заслуги Ивановского и в области сельскохозяй­ственной микробиологии. Будучи ботаником, микробиологом и физиологом растений, Ивановский впервые дал систематиче­ское изложение почвенной микробиологии в своем докладе «Из деятельности микроорганизмов в почве».

Сельскохозяйственная микробиология существенно обогатилась работами микробиологов С. Н. Виноградского (1856-1953 гг.) и его последователя В. Л. Омелянского (1867-1928 гг.).

Виноградский своими исследованиями показал, что некото­рые микроорганизмы (нитрифицирующие бактерии) способны усваивать углекислый газ из воздуха без участия хлорофилла и солнечной энергии. Это явление, в отличие от фотосинтеза зеле­ных растений, было названо хемосинтезом.

Позднее Виноградский открыл имеющий важное значение процесс использования атмосферного азота анаэробными бак­териями.

В. Л. Омелянский сделал целый ряд ценных открытий в области сельскохозяйственной микробиологии. Важной заслу­гой его является также написание одного из лучших учебников по общей микробиологии, изданного в 1909 г. под названием «Основы микробиологии».

В развитии технической микробиологии в СССР большую роль сыграли исследования С. П. Костычева, С. Л. Иванова, А. И. Лебедева в области спиртового брожения. Костычев изу­чал также вопросы других видов брожения - молочнокислого, маслянокислого и производства лимонной кислоты с помощью плесневых грибков.

Работы советских микробиологов В. Н. Шапошникова и А. Я. Мантейфель обеспечили получение молочной кислоты с помощью микроорганизмов из продуктов гидролиза крахмала и мелассы.

Важный вклад в развитие микробиологии молока и молоч­ных продуктов внес А. Ф. Войткевич (1875-1950 гг.). Ценны работы в этом же направлении С. А. Королева (1876-1932 гг.), проводившиеся в Вологодском молочном институте.

Техническая (пищевая) микробиология, непосредственно связанная с товароведением, создана Я. Я. Никитинским (1878-1941 гг.). Он в течение многих лет преподавал этот курс в Московском институте народного хозяйства им. В. Г. Плеха­нова студентам, изучавшим товароведение. В настоящее время все большее значение приобретает использование микробиологических процессов в производстве пищевых продуктов, витаминов, ферментов и т. д.

В настоящее время нет единства во взглядах на общую систему живого мира. Согласно одной из точек зрения попытки уложить все существующее разнообразие организмов в жесткую схему нецелесообразны, поскольку любые искусственные разграничения нарушают естественные связи между организмами. Следствие этого - тенденция наименьшего дробления органического мира, признание целесообразности выделения только двух царств: Plantae (растения) и Animalia (животные). Эта точка зрения акцентирует внимание на чертах сходства, соединяющих различные типы организмов, и на существовании переходов от одной группы организмов к другой в процессе эволюции. В соответствии с противоположным представлением разделение всех живых форм на крупные таксоны (царства) наиболее полно отражает существующее многообразие типов жизни, подчеркивая эту сторону живого мира. Согласно первой точке зрения все микроорганизмы рассматриваются как примитивные растения или животные и соответственно входят в состав царств Plantae или Animalia. Согласно второй - микроорганизмы могут претендовать на уникальное место в иерархии живых форм, что впервые понял Э. Геккель. Дальнейшее изучение геккелевских «первосуществ» выявило неоднородность этой группы. Тогда же стало ясно, что понятие «микроорганизм» не имеет таксономического смысла. Оно объединяет организмы по признаку их малых (как правило, видимых только с помощью соответствующих приборов) размеров и связанных с этим специфических методов изучения. Данные о различии в строении клеток микроорганизмов, входящих в группу Protista, начали накапливаться с конца XIX в. Это повлекло за собой деление группы на высшие и низшие протисты. К высшим протистам стали относить микроскопических животных (простейших), микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых) и микроскопические грибы (плесени, дрожжи), к низшим - все бактерии и сине-зеленые водоросли (последние чаще называют теперь цианобактериями). Деление на высшие и низшие протисты происходило в соответствии с двумя выявленными типами клеточной организации - эукариотной и прокариотной. Высшие протисты имеют эукариотное строение клеток, т. е. являются эукариотами, низшие - прокариотное. Обоснование того, что прокариотный и эукариотный типы клеточной организации являются наиболее существенной границей, разделяющей все клеточные формы жизни, связано с работами Р. Стейниера (R. Stanier, 1916-1982 гг.) и К. ван Ниля, относящимися к 60-м гг. Поясним разницу между прокариотами и эукариотами. Клетка - это кусочек цитоплазмы, отграниченный мембраной. Последняя под электронным микроскопом имеет характерную ультраструктуру: два электронно-плотных слоя каждый толщиной 2,5-3,0 нм, разделенных электронно-прозрачным промежутком. Такие мембраны получили название элементарных. Обязательными химическими компонентами каждой клетки являются два вида нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), белки, липиды, углеводы. Цитоплазма и элементарная мембрана, окружающая ее, - непременные и обязательные структурные элементы клетки. Это то, что лежит в основе строения всех без исключения клеток. Изучение тонкой структуры выявило существенные различия в строении клеток прокариот (бактерий и цианобактерий) и эукариот (остальные макро- и микроорганизмы). Прокариотная клетка отличается тем, что имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной мембраной, называемой клеточной, или цитоплазматической (ЦПМ). У подавляющего большинства прокариот ЦПМ - единственная мембрана, обнаруживаемая в клетке. В эукариотных клетках, в отличие от прокариотных, есть вторичные полости. Ядерная мембрана, отграничивающая ДНК от остальной цитоплазмы, формирует вторичную полость. Наружные мембраны хлоропластов и митохондрий, окружающие заключенные в них функционально специализированные мембраны, играют аналогичную роль. Клеточные структуры, ограниченные элементарными мембранами и выполняющие в клетке определенные функции, получили название органелл. Ядро, митохондрий, хлоропласты - это клеточные органеллы. В эукариотных клетках помимо перечисленных выше есть и другие органеллы. В клетках прокариот органеллы, типичные для эукариот, отсутствуют. Ядерная ДНК у них не отделена от цитоплазмы мембраной. В цитоплазме находятся функционально специализированные структуры, но они не изолированы от цитоплазмы с помощью мембран и, следовательно, не образуют замкнутых полостей. Эти структуры могут быть сформированы и мембранами, но последние не замкнуты и, как правило, обнаруживают тесную связь с ЦПМ, являясь результатом ее локального внутриклеточного разрастания. В клетках прокариот есть также образования, окруженные особой мембраной, имеющей иное по сравнению с элементарной строение и химический состав. Таким образом, основное различие между двумя типами клеток - существование в эукариотной клетке вторичных полостей, сформированных с участием элементарных мембран. В связи с тем, что прокариотная и эукариотная организация клеток принципиально различна, было предложено только на основании этого признака выделить все прокариоты в особое царство. Р. Меррей (R. Murray) в 1968 г. предложил все клеточные организмы разделить на две группы по типу их клеточной организации: царство Prokaryotae, куда вошли все организмы с прокариотным строением клетки, царство Eukaryotae, куда включены все высшие протисты, растения и животные. Р. Виттэкер (R. Whittaker) предложил схему, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, представлены разделенными на пять царств (рис. 1). Такая система классификации живого мира отражает три основных уровня его клеточной организации: Monera включает прокариотные организмы, находящиеся на самом примитивном уровне клеточной организации; Protista - микроскопические, в большинстве своем одноклеточные, недифференцированные формы жизни, сформировавшиеся в результате качественного скачка в процессе эволюции, приведшего к возникновению эукариотных клеток; многоклеточные эукариоты представлены в свою очередь тремя царствами Plantae, Fungi и Animalia.

Рис. 1. Схема пяти царств живого мира: прокариоты (царство Monera), одноклеточные эукариоты (царство Protista), многоклеточные эукариоты (царства Plantae, Fungi, Animalia) (no Whittaker, 1969)

Три последние таксономические группы различаются по способу питания: фототрофный тип питания за счет процесса фотосинтеза характерен для растений (Plantae): грибы (Fungi) в основном характеризуются осмотрофным типом питания, т. е. питанием растворенными органическими веществами; животные (Animalia) осуществляют голозойное питание, заключающееся в захватывании и переваривании твердой пищи. Способы питания, специфические для растений и грибов, возникли в процессе эволюции на уровне Monera. На уровне Protista они получили свое дальнейшее развитие; здесь же сформировался третий тип питания - голозойный. Не берясь судить о целесообразности деления живой природы на пять или шесть царств, можно с определенностью утверждать, что обособление прокариотных микроорганизмов в отдельное царство Prokaryotae правомерно, поскольку основано на принципиальных различиях в структуре прокариотных и эукариотных клеток, т. е. тех единиц, из которых построены все клеточные формы жизни. Достижения современной микробиологии, основанные на развитии других наук - физики, химии, биологии, биохимии, - находят применение во все новых и новых сферах хозяйствен­ной деятельности человека.