Микробиология XX и XXI века

Содержание

1. Введение………………………………………………………………….3
2. Основная часть

2.1.История развития микробиологии…………………………………4

2.2. Практическое значение микробиологии……………………………12

2.3. Основные проблемы  современной микробиологии……………….14

3. Заключение……………………………………………………………….15
4. Литература……………………………………………………………….16

                                               Введение

На протяжении длительного  времени человек жил в окружении  невидимых существ, использовал  продукты их жизнедеятельности (например, при выпечке хлеба из кислого  теста, приготовлении вина и уксуса), страдал, когда эти существа являлись  причинами болезней или портили  запасы пищи, но не подозревал о их присутствии. Не подозревал потому, что не видел, а не видел потому, что размеры  этих «микросуществ» лежали много ниже того предела видимости, на который  способен человеческий глаз.

Создание в 1676 году первого  микроскопа позволило решить эту  проблему.

И началось становление новой  науки, которая получила название –  микробиология.

Микробиология – это наука, изучающая закономерности развития и жизнедеятельности микроорганизмов  в единстве со средой обитания. 

                                              Основная часть

 История микробиологии.

История микробиологии начинается примерно с 1661 г, когда голландский  торговец сукном Антони ван Левенгук (1632-1723) впервые описал микроскопические существа, наблюдаемые им в микроскоп  собственного изготовления. В своих  микроскопах Левенгук использовал  одну короткофокусную линзу, закрепленную в металлическую оправу. Перед  линзой находилась толстая игла, к  кончику которой прикреплялся исследуемый  объект. Иглу можно было передвигать  относительно линзы с помощью  двух фокусирующих винтов. Линзу следовало  приложить к глазу и через  нее рассматривать объект на кончике  иглы. Будучи по складу характера любознательным и наблюдательным человеком, Левенгук изучил различные субстраты естественного  и искусственного происхождения, рассмотрел под микроскопом огромное количество объектов и сделал очень точные рисунки. Он исследовал микроструктуру растительных и животных клеток, сперматозоиды,  эритроциты, строение сосудов растений и животных, особенности развития мелких насекомых.

Антони ван Левенгук повсюду  обнаруживал микроорганизмы и пришел к выводу, что окружающий мир густо  заселен микроскопическими обитателями .

Открытия   Антони ван  Левенгука были настолько неожиданными и фантастическими, что напротяжении почти 50 лет последующих лет вызывали всеобщее изумление.

После смерти Левенгука изучение микроорганизмов долго сдерживалось несовершенством увеличительных приборов.

Только к середине XIX века были созданы модели световых микроскопов, позволившие другим исследователям детально описать основные группы микроорганизмов. Этот период истории микробиологии можно условно назвать описательным.

С  середины 19-го века начался  новый этап развития микробиологии, который был назван физиологическим. Он связан с  работами французского химика-кристаллографа Луи Пастера (1822-1895) и немецкого сельского  врача Роберта Коха (1843-1910).

Человеком, который своими работами положил начало современной  микробиологии, был выдающийся французский  ученый Луи Пастер. Его научная  деятельность многогранна и охватывала все основные проблемы того времени, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов.

Изучая молочнокислое, спиртовое, маслянокислое брожение, Л. Пастер выяснил, что эти процессы вызываются определенными  видами   микроорганизмов и  непосредственно связаны с их жизнедеятельностью. Позднее, изучая «болезни»  вина, болезни животных и человека, он экспериментально установил, что  их «виновниками» также являются микроорганизмы. Таким образом, Л. Пастер впервые показал, что микроорганизмы – это активные формы, полезные или  вредные, энергично воздействующие на окружающую природу, в том числе  и на человека.

Л. Пастер обнаружил существование  «жизни без кислорода», т. е. анаэробный способ существования. Он же ввел термины  «аэробный» и «анаэробный» для обозначения  жизни в присутствии или в  отсутствии молекулярного кислорода.

К  области теоретических  открытий Л. Пастера относятся его  работы о невозможности сомозарождения.

 К тому времени вопрос  о самозарождении животных и  растений из неживого материала  был уже решен отрицательно, а  относительно микроорганизмов спор  продолжался. Опыты итальянского  ученого Ладзаро Спалланцани  и французского исследователя  Франсуа Аппера по длительному  прогреванию питательных субстратов  в герметичных сосудах для  предотвращения развития микробов  подвергались критике сторонников  теории самозарождения: они считали, что именно укупорка сосудов препятствует проникновению внутрь некой «жизненной силы». Пастером был проведен изящный эксперимент, поставивший точку в этой дискуссии. Прогретый питательный бульон был помещен в открытый стеклянный сосуд, горлышко которого было вытянуто трубкой и S-образно изогнуто. Воздух мог беспрепятственно проникать внутрь колбы, а клетки микроорганизмов оседали в нижнем изгибе горлышка и не попадали в бульон. В этом случае бульон оставался стерильным неопределенно долго. Если же колбу наклоняли так, что жидкость заполняла нижний изгиб, а затем бульон возвращали обратно в сосуд, то внутри быстро начинали развиваться микроорганизмы.

Пастер сделал вывод о  возможности прививать ослабленных  возбудителей заболевания здоровым и зараженным людям и животным, чтобы стимулировать защитные силы организма в борьбе с инфекцией. Ученый назвал материал для прививок вакциной, а сам процесс – вакцинацией.

Открытия Л. Пастера показали, как разнообразен, необычен, активен не видимый простым глазом микромир и какое огромное поле представляет его изучение.

Роберт Кох - немецкий микробиолог, один из основоположников современной бактериологии и эпидемиологии, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1884). Открыл (1882) возбудителя туберкулёза («палочка Коха»). Впервые выделил чистую культуру возбудителя сибирской язвы, доказал её способность к спорообразованию. Предложил способы дезинфекции. Кох окончательно сформулировал и экспериментально подтвердил постулаты, доказывающие микробное происхождение заболевания:

1. микроорганизм должен  присутствовать в материале больного;

2. выделенный в чистой  культуре, он должен вызывать  ту же болезнь у экспериментально  зараженного животного; 

3. из этого животного  возбудитель должен быть опять  выделен в чистую культуру, и  две эти чистые культуры должны  быть одинаковыми. 

Эти правила получили в  дальнейшем название «триада Коха». При исследовании возбудителя сибирской  язвы ученый наблюдал образование клетками особых плотных телец (спор). Кох  пришел к выводу, что устойчивость этих бактерий в окружающей среде  связана со способностью к спорообразованию.

Родоначальником русской  микробиологии является Л. С. Ценковский (1822—1887). Объектом его исследований были микроскопические простейшие, водоросли, грибы. Л. С. Ценковский открыл и описал большое число простейших, изучал их морфологию и циклы развития. Это позволило ему сделать  вывод об отсутствии резкой границы  между миром растений и животных. Л. С. Ценковский интересовался проблемами медицинской микробиологии.

Основоположником медицинской  микробиологии справедливо считают  также И. И. Мечникова (1845—1916). И. И. Мечников был разносторонним исследователем, но основные свои научные интересы он сосредоточил на проблеме изучения взаимоотношений хозяина и микроорганизма-паразита. В 1883 г. И. И. Мечников создал фагоцитарную теорию иммунитета. И. И. Мечников показал, что защита организма от болезнетворных микроорганизмов — сложная биологическая реакция, в основе которой лежит способность белых кровяных телец (фагоцитов) захватывать и разрушать посторонние тела, попавшие в организм.

Развитие микробиологии  в нашей стране тесно связано  также с именем крупнейшего ученого, друга и соратника И. Мечникова, Н.Ф. Гамалеи (1859-1949). Всю свою жизнь  Гамалея посвятил изучению инфекционных болезней и разработке мер борьбы с их возбудителями. Гамалея внес крупнейший вклад в изучение туберкулеза, холеры, бешенства, в 1886 г. вместе с И. Мечниковым организовал в Одессе первую пастеровскую станцию и ввел в практику прививки против бешенства. Он открыл птичий вибрион - возбудителя холероподобного заболевания птиц - и в честь Ильи Ильича назвал его вибрионом Мечникова. Затем была получена вакцина против холеры человека.

Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли русский  микробиолог С. Н. Виноградский (1856—1953) и голландский микробиолог М. Бейеринк (1851—1931). Оба много и плодотворно работали в разных областях микробиологии. Впитав идеи Л. Пастера о многообразии форм жизни в микромире, С. Н. Виноградский ввел микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов, который был успешно развит М. Бейеринком и применен при выделении различных групп микроорганизмов. В частности, спустя восемь лет после открытия С. Н. Виноградским анаэробного азотфиксатора, М. Бейеринк обнаружил в почве еще один вид бактерий, способных к росту и азотфиксации в аэробных условиях, — Azotobacter chroococcum. Круг научных интересов М. Бейеринка был необычайно широк. Ему принадлежат работы по исследованию физиологии клубеньковых бактерий, изучению процесса денитрификации и сульфатредукции, работы по изучению ферментов разных групп микроорганизмов.

К числу выдающихся основоположников отечественной микробиологии следует  отнести также ученика С. Виноградского  В.Л. Омалянского (1867-1928). Он был не только замечательным ученым, но и талантливым  педагогом, популяризатором достижений микробиологии. В. Омелянский, подобно  Пастеру, обладал глубокими знаниями в области химии, которые легли  в основу его и экологического изучения микроорганизмов. Круг научных  интересов В. Омелянского очень  широк, однако главное направление  его исследований связано с изучением  круговорота веществ в природе, в котором существенную роль он отводил  микроорганизмам. Изучая процессы разложения органического вещества, он впервые  выделил целлюлозоразрушающие бактерии, описал их физиологию и химизм самого процесса.

Глубоко и всесторонне  Омелянским были изучены микроорганизмы, участвующие в круговороте азота, особенно свободноживущие азотофиксаторы и нитрификаторы.

К новой области исследований относится одна из последних работ  Омелянского «Роль микроорганизмов  в выветривании горных пород». Эта  работа легла в основу геологической  микробиологии.

Большой заслугой Омелянского  является создание первого русского учебника «Основы микробиологии», вышедшего  из печати в 1909 г. и выдержавшего 9 изданий. В нем В. Омелянский обобщил результаты микробиологических исследований и дал общие схемы круговорота в природе отдельных элементов, в том числе азота, углерода, серы и железа. В течение десятилетий этот учебник был настольной книгой специалистов.

Большой вклад в развитие отечественной и мировой микробиологии  внес Д.И. Ивановский (1864-1920), открывший  в 1892 г. вирусы растений и тем самым  заложивши основу новой науки - вирусологии. Подчеркивая важность исследования Ивановского, английский вирусолог Н. Пири писал: «Огромное значение открытия Ивановского для теоретического естествознания заключается в том, что им была открыта новая форма существования белковых тел». Идеи Ивановского сыграли решающую роль в последующих блестящих успехах вирусологии, в результате которых были открыты возбудители большинства вирусных болезней человека, животных, растений и микроорганизмов.

Владимир Николаевич Шапошников (1884-1968) является основателем отечественной  технической микробиологии. Его  работы по физиологии микроорганизмов  посвящены изучению различных видов  брожения. Им открыто явление двухфазности ряда микробиологических процессов  и разработка способов управления ими. Исследования В.Н.Шапошникова стали  основой для организации в  СССР микробиологических производств  органических кислот и растворителей.

Работы З. В. Ермольевой (1898–1974) внесли существенный вклад в физиологию и биохимию микроорганизмов, медицинскую микробиологию, а также способствовали становлению микробиологического производства ряда отечественных антибиотиков. Так, она исследовала возбудители холеры и другие холероподобные вибрионы, их взаимодействие с организмом человека и предложила санитарные нормы хлорирования водопроводной воды в качестве средства профилактики этого опасного заболевания.

Работы Н. А. Красильникова (1896-1973) посвящены изучению мицелиальных прокариотических микроорганизмов – актиномицетов. Подробное исследование свойств этих микроорганизмов позволило Н.А.Красильникову создать определитель актиномицетов. Ученый был одним из первых исследователей явления антагонизма в мире микробов, что позволило ему выделить актиномицетный антибиотик мицетин. Н.А.Красильников изучал также взаимодействие актиномицетов с другими бактериями и высшими растениями. Его работы по почвенной микробиологии посвящены роли микроорганизмов в почвообразовании, распределению их в почвах и влиянию на плодородие.

Ученица В.Н.Шапошникова, Е. Н. Кондратьева (1925-1995) возглавляла изучение физиологии и биохимии фотосинтезирующих и хемолитотрофных микроорганизмов. Ею подробно проанализированы особенности метаболизма таких прокариот и выявлены общие закономерности фотосинтеза и углеродного обмена. Под руководством Е.Н.Кондратьевой был открыт новый путь автотрофной фиксации углекислого газа у зеленых несерных бактерий, проведено выделение и подробное изучение штаммов фототрофных бактерий нового семейства. В ее лаборатории была создана уникальная коллекция бактерий-фототрофов. Е.Н.Кондратьева была инициатором исследований метаболизма микроорганизмов-метилотрофов, использующих в своем метаболизме одноуглеродные соединения.

В XX веке микробиология полностью  сложилась как самостоятельная  наука. Дальнейшее ее развитие происходило  с учетом открытий, сделанных в  других областях биологии (биохимии, генетике, молекулярной биологии).

В современном мире как  общая микробиология,  так и  её специальные разделы развиваются  исключительно бурно. Существуют три  основных причины такого развития. Во-первых, благодаря успехам физики, химии и техники микробиология получила большое число новых методов исследования. Во-вторых, начиная с 40-х гг. 20 в. резко возросло практическое применение микроорганизмов. В-третьих, микроорганизмы стали использовать для решения важнейших биологических проблем, таких, как наследственность и изменчивость, биосинтез органических соединений, регуляция обмена веществ и др. Успешное развитие современной микробиологии невозможно без гармонического сочетания исследований, проводимых на популяционном, клеточном, органоидном и молекулярном уровнях. Для получения бесклеточных ферментных систем и фракций, содержащих определённые внутриклеточные структуры, применяют аппараты, разрушающие клетки микроорганизмов, а также градиентное центрифугирование, позволяющее получать частицы клеток, обладающие различной массой. Для исследования морфологии и цитологии микроорганизмов разработаны новые виды микроскопической техники. В СССР был изобретён метод капиллярной микроскопии, позволивший открыть новый, ранее не доступный для наблюдения мир микроорганизмов, обладающих своеобразной морфологией и физиологией.

Для изучения обмена веществ  и химического состава микроорганизмов  получили распространение различные  способы хроматографии, масс-спектрометрия, метод изотопных индикаторов, электрофорез и др. физические и физико-химические методы. Для обнаружения органических соединений применяют также чистые препараты ферментов. Предложены новые  способы выделения и химической очистки продуктов жизнедеятельности  микроорганизмов (адсорбция и хроматография  на ионообменных смолах, а также иммунохимические методы, основанные на специфической адсорбции определённого продукта, например фермента, антителами животного, образовавшимися у него после введения этого вещества). Сочетание цитологических и биохимических методов исследования привело к возникновению функциональной морфологии микроорганизмов. С помощью электронного микроскопа стало возможным изучение тонких особенностей строения цитоплазматических мембран и рибосом, их состава и функций (например, роль цитоплазматических мембран в процессах транспорта различных веществ или участие рибосом в биосинтезе белка).

Лаборатории обогатились  ферментёрами различной ёмкости  и конструкции. Широкое распространение  получило непрерывное культивирование  микроорганизмов, основанное на постоянном притоке свежей питательной среды  и оттоке жидкой культуры. Установлено, что наряду с размножением клеток (ростом культуры) происходит развитие культуры, т. е. возрастные изменения  у клеток, составляющих культуру, сопровождающиеся изменением их физиологии (молодые  клетки, даже интенсивно размножаясь, не способны синтезировать многие продукты жизнедеятельности, например ацетон, бутанол, антибиотики, образуемые более старыми  культурами). Современные методы изучения физиологии и биохимии микроорганизмов  дали возможность расшифровать особенности  их энергетического обмена, пути биосинтеза аминокислот, многих белков, антибиотиков, некоторых липидов, гормонов и др. соединений, а также установить принципы регуляции обмена веществ у микроорганизмов.

 Практическое  значение микробиологии. 

Активно участвуя в круговороте  веществ в природе, микроорганизмы играют важнейшую роль в плодородии почв, в продуктивности водоёмов, в  образовании и разрушении залежей  полезных ископаемых. Особенно важна  способность микроорганизмов минерализовать органические остатки животных и растений. Всё возрастающее применение микроорганизмов в практике привело к возникновению микробиологической промышленности и к значительному расширению микробиологических исследований в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. С середины 19 в. до 40-х гг. 20 в. техническая микробиология в основном изучала различные брожения, а микроорганизмы использовались преимущественно в пищевой промышленности. С 40-х гг. быстро развиваются новые направления технической микробиологии, которые потребовали иного аппаратурного оформления микробиологических процессов. Выращивание микроорганизмов стали проводить в закрытых ферментёрах большой ёмкости, совершенствовались методы отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости, выделения из последней и химической очистки их продуктов обмена. Одним из первых возникло и развилось производство антибиотиков. В широких масштабах микробиологическим путём получают аминокислоты (лизин, глутаминовая кислота, триптофан ), ферменты, витамины, а также кормовые дрожжи на не пищевом сырье. Осуществляется получение микробиологическим путём полисахаридов и осваивается промышленный биосинтез липидов. Резко возросло применение микроорганизмов в сельском хозяйстве. Увеличилось производство бактериальных удобрений. Новое направление сельскохозяйственной микробиологии связано с микробиологическими методами борьбы с насекомыми и их личинками — вредителями сельского хозяйства, растений и лесов. Найдены бактерии и грибы, убивающие своими токсинами этих вредителей, освоено производство соответствующих препаратов. Высушенные клетки молочнокислых бактерий используют для лечения кишечных заболеваний человека и сельскохозяйственных животных.

Деление микроорганизмов  на полезных и вредных условно, т.к. оценка результатов их деятельности зависит от условий, в которых  она проявляется. К примеру,  разложение целлюлозы микроорганизмами важно  и полезно в растительных остатках или при переваривании пищи в пищеварительном тракте . В то же время микроорганизмы, разлагающие целлюлозу, разрушают рыболовные сети, канаты, картон, бумагу, книги. Даже болезнетворные микроорганизмы не могут быть отнесены к абсолютно вредным, т.к. из них приготовляют вакцины, предохраняющие животных или человека от заболеваний. Порча микроорганизмами растительного и животного сырья, пищевых продуктов, строительных и промышленных материалов и изделий привела к разработке различных способов их предохранения (низкая температура, высушивание, стерилизация, консервирование, добавление антибиотиков и консервантов, подкисление). В других случаях возникает необходимость ускорить разложение определённых химических веществ, например пестицидов, в почве. Велика роль микроорганизмов при очистке сточных вод (минерализация веществ, содержащихся в сточных водах).

Основные проблемы современной микробиологии:

1. Молекулярная структура  и метаболизм микробов

2. Регуляция их метаболизма  и влияние факторов внешней  среды на функции бактерий

3. Изучение генетики и  биохимии микроорганизмов

4. Изучение вирусов

5. Расшифровка генетического  кода и выявление механизмов  мутации

6. Изыскание средств борьбы  с инфекционными болезнями

7. Микробиологический синтез  новых препаратов

8. Разработка средств  противодействия биотерроризму,  которые обеспечили бы безопасность  населения всей планеты.

                                                  Заключение

Микробиология прошла длительный путь развития, исчисляющийся многими  тысячелетиями. Уже в V-IV тысячелетии  до н.э. человек пользовался плодами  деятельности микроорганизмов, не зная об их существовании.

В своем развитии она прошла несколько этапов, не столько связанных  хронологически, сколько обусловленных  основными достижениями и открытиями.

В настоящее время микробиология по праву может считаться одной из основных дисциплин биологии, поскольку без знания особенностей микроорганизмов нельзя понять всего многообразия жизни на Земле, условий ее появления и эволюции. Огромное значение имело и продолжает иметь исследование микроорганизмов для развития таких наук, как биохимия, молекулярная биология, генетика, биофизика, экология и ряд других. Возникновение и быстрое развитие биотехнологии, приобретающей все большее значение в народном хозяйстве, базируется прежде всего на использовании микроорганизмов как продуцентов множества полезных веществ: кормового белка, многих ферментов, антибиотиков, стероидных препаратов, аминокислот, витаминов и других. Возможности микроорганизмов в этом отношении чрезвычайно велики. На использовании микроорганизмов основаны методы генетической инженерии, позволяющие создавать новые штаммы, обладающие полезными свойствами и образующие ряд важных веществ. Большое значение имеет разработка способов рационального использования биохимической активности микроорганизмов для повышения плодородия почв, добычи полезных ископаемых, восполнения энергетических ресурсов и очистки окружающей среды от многих загрязняющих веществ. Вместе с тем остается необходимым изыскание эффективных способов борьбы с некоторыми микроорганизмами, вызывающими заболевания человека, животных и растений, а также порчу промышленных изделий и нежелательные изменения в окружающей среде.

                                                Литература

1. Гусев М. В.. Микробиология: Учебник для студ. биол. Специальностей вузов / - М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 464с.
2. http://slovari.yandex.ru
3. http://mewo.ru
4. http://otherreferats.allbest.ru
5. http://www.lomonosov-fund.ru
6. http://www.bestreferat.ru
7. http://micro.moy.su
8. http://books4study.info