ВВЕДЕНИЕ В МИКРОБИОЛОГИЮ

ТЕМА 1.

При профилактике описторхоза рыбу следует жарить в пластованном виде кожей вниз в течении 20-25 минут. Рыбные котлеты жарят 20 минут, варят рыбу мелкими кусками не менее 10 минут с момента закипания. Обезвреживание холодом малоэффективно, так как личинки кошачьей двуустки защищены капсулой и устойчивы к воздействию низких температур.

Заражение человека происходит при употреблении такой рыбы в пищу. Эти гельминты живут в организме человека до 10 лет. Заболевание начинается с повышения температуры, увеличения печени, боли в области поджелудочной железы. тошноты, потери аппетита. В дальнейшем наступают изменения в составе крови.

 

Микробиология – наука, которая изучает морфологию, физиологию, экологию, генетику мельчайших организмов – микробов, их роль и значение в жизни человека, животных и растений. Кроме того, она изучает

превращение веществ в природе, инфекцию и иммунитет, возбудителей некоторых инфекционных болезней животных, микробиологические процессы, протекающие в кормах, продуктах животного происхождения и т. д.

Название науки состоит из трех греческих слов: «микрос» – малый, «биос» – жизнь и «логос» – наука. Таким образом, микробиология является наукой о жизни микроскопических существ – микроорганизмов. К ним относятся бактерии, грибы, вирусы и др. Их можно рассмотреть только с помощью светового или электронного микроскопа. Микроорганизмы бывают полезными и вредными: одни из них разлагают остатки растений, трупы животных и тем самым очищают нашу Землю, другие после проникновения в живой организм вызывают болезни, причиняющие огромный вред человеку, животным и растениям.

Мир микроорганизмов сложен и разнообразен. Они широко распространены в природе. Академик В. Л. Омелянский писал о микробах: «Поистине они вездесущи. Незримо они сопутствуют человеку на всем его жизненном пути, властно вторгаясь в его жизнь то в качестве врагов, то, как друзья. В громадном количестве они встречаются в пище, которую мы принимаем, в воде, которую пьем, и в воздухе, которым дышим».

Микроорганизмы были первыми обитателями на нашей планете. Около 3 млрд. лет назад они сформировали микробиосферу – древнейшую оболочку биосферы Земли. Биомасса таких существ превышает суммарную биомассу растений и животных. Накопившееся органическое вещество обладает высоким энергетическим потенциалом, поскольку из него образуются залежи нефти, газа, угля и других полезных ископаемых. Энергетика и в настоящее время во многом определяет прогресс науки, техники, а также благосостояние живущих на Земле.

Микроорганизмы активно участвуют в превращении веществ. Они повышают плодородие почвы. Так, аммонификаторы разлагают белковые вещества. Продукты их жизнедеятельности (аммиак) окисляются нитрифицирующими бактериями вначале до азотистой, а затем до азотной кислот. Соли азотной кислоты — нитраты — усваиваются высшими растениями. Многие микроорганизмы фиксируют азот из воздуха (азотобактеры и др.), обогащают этим элементом почву, что повышает урожайность сель­скохозяйственных культур. Не менее важную роль микроорганизмы играют в процессах пищеварения, особенно у жвачных животных. Микробиология включает в себя ряд самостоятельных дисциплин: общую, медицинскую, ветеринарную, сельскохозяйственную, промышленную, водную (морскую), космическую и др.

Общая микробиология изучает морфологию, физиологию, экологию, генетику микроорганизмов, их роль в превращении веществ в природе, образовании биологически активных соединений, широко применяемых в разных областях народного хозяйства. Она тесно связана с другими биологическими дисциплинами. Медицинская микробиология изучает патогенные и условно-патогенные микроорганизмы, их роль в развитии инфекционной патологии. С ее помощью разрабатывают методы лабораторной диагностики, специфической профилактики и терапии заразных болезней. Границы современной медицинской микробиологии значительно расширились. Из нее выделились вирусология, иммунология, санитарная и космическая микробиология.

Ветеринарная микробиология тесно связана с медицинской, так как многие возбудители инфекционных болезней (зооантропонозы) являются общими для человека и животных. Их объединяет одинаковый подход к профилактике и терапии болезней. Методы диагностики, используемые в медицине, применяют в ветеринарной практике и т. Д.

Сельскохозяйственная микробиология изучает методы использования микроорганизмов в разложении и минерализации органических веществ, обогащении почвы с помощью микроорганизмов веществами, дефицитными для растений, повышения урожайности сельскохозяйственных культур и др.

Промышленная микробиология превратилась в мощную производительную силу, С помощью микроорганизмов на предприятиях микробиологической промышленности в больших емкостях (ферментерах) получают продукты биологического синтеза.

В середине 70-х годов XX в. использование живых организмов и вызываемых ими процессов в производстве биологически активных и других соединений (антибиотиков, ферментов, витаминов, гормонов, аминокислот, вакцин, моноклональных антител и т. д.) получило название биотехнологии.

«Люди наблюдают за природой как бы с вершины, стараясь охватить ее издалека в общих чертах, в то время как ясные и полезные понятия появляются тогда, когда они спускаются с высот, чтобы внимательно и заботливо различить детали и рассмотреть предметы. Ущерб от созерцания с высоты восполняется внизу не только потому, что тогда усиливается и обостряется смысл, но и потому, что человек ближе подходит к предмету». (Фрэнсис Бэкон, 1623 г.)

Свежий ветер, рассеявший мрак средневековья, вызвал к жизни поколение гениальных наблюдателей, которые видели глубже и проникали в природу с большим пониманием, чем это было возможно в предшествующие столетия Обычными стали наблюдения, осмысление, сообщение о своих наблюдениях и возможность выражать их в письменном виде. Из большого числа гуманистов и естествоиспытателей начавшийся 16 век выдвинул таких, которые были наиболее успешны в исследованиях окружающего мира и

заметно опередили своих современников: Леонардо да Винчи (1425 -1519), Георг Агрикола (1494 – 1541), Парацельс (1493–1541) и Ян Баптист Ван

Бальмонт (1579–1644). По сравнению со взглядом любого человека на

жизнь как на явление взгляд биолога, изучающего эту жизнь будет

ограничен, если не учитывать жизнь микроскопического мира. Объекты микробиологии объединяют, прежде всего, их чрезвычайно небольшие размеры.

Это создает трудности в их изучении и диктует необходимость специальных методов наблюдения, но в то же время позволяет микроорганизмам существовать в тонких пленочках вокруг частиц почвы, каплях воды и т.д., т.е. в таких микроэкологических условиях, которые нередко коренным образом отличаются от макроэкологических условий, характерных для нашей планеты в целом. Существование в таких условиях в наше время свидетельствует о том. что микроорганизмам возможно удалось сохранить свойства, соответствующие далекому прошлому нашей Земли. И микроорганизмы можно назвать «миром ископаемых». Это обстоятельство является очень важным для биолога, потому что рассуждения о жизни биолога, должны учитывать те особенности, которые характерны для микроорганизмов, иначе взгляд на жизнь, в этом случае, будет узким. Он не

может соответствовать тем возможностям, которыми жизнь на самом деле располагает и, которые, может быть, являются отголосками прошедшей эволюции, но сохранились до наших времен именно потому, что сохранились и существуют микроскопические живые объекты. Таким образом, изучение микробиологии как науки построено на биологическом значении

микроорганизмов, подтверждающих своим существованием теорию биохимического единства жизни и одновременно иллюстрирующих

возможности далеко идущего разнообразия на уровне физиологии и экологических возможностей. Начиная с Аристотеля (384–322 гг. до и. э.),

которому принадлежит первая попытка систематизировать накопленные к тому времени сведения об организмах, биологи делили живой мир на два царства – растений и животных. С момента открытия А. ван Левенгуком

микроорганизмов, которых он назвал «маленькими живыми зверушками» и до XIX века все открываемые микроорганизмы рассматривали как мельчайшие существа животной природы. И лишь во 2-ой половине XIX в.

предложению Э. Геккеля (1834–1919) все микроорганизмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани (простейшие, водоросли, грибы, бактерии), были выделены в отдельное царство Protista (протисты– первосущества, от греч. protos – самый простой). Под этим термином были

единены микроорганизмы, во многих отношениях занимающие

промежуточное положение между растениями и животными. Однако

впоследствии стало ясно, что термин Protista, выделяющий организмы по их

только малому размеру не имеет таксономического смысла, т. к.

накапливались данные о разнородности этой группы. По строению клеток

протисты могут быть разделены на две четко разграниченные группы. У

высших протистов клетки сходны с растительными и животными клетками; это эукариоты - водоросли, грибы и простейшие. К группе низших

протистов относят бактерии, в том числе цианобактерии (сине-зеленые

водоросли): это прокариоты, которые по строению своих клеток существенно отличаются от всех других организмов, К бактериям относятся

также риккетсии – облигатные внутриклеточные паразиты. Вирусы, как

неклеточные частицы, можно противопоставить всем организмам; они не способны размножаться самостоятельно, их репродукция может происходить внутри живых клеток. Т. о. термин «микроорганизмы» указывает лишь на малую величину всех этих существ, которые в действительности являются протистами.

Элементарной физической единицей живого является клетка; это наименьшая жизнеспособная единица. По химическому составу все живые существа очень сходны. Основные составляющие клетки – белки, липиды, фосфолипиды, РНК. Однако имеются заметные различия между бактериями и цианобактериями, с одной стороны и животными и растениями с другой.

Эти глубокие различия являются основой для разделения организмов на две группы: эукариоты и прокариоты, причем последние

рассматриваются как реликтовые формы, сохранившиеся с самых ранних времен биологической эволюции, а возникшие из них эукариотические формы - как величайший скачок в истории жизни. Р. Виттэкер предложил схему, по которой все живые организмы, имеющие клеточное строение, разделены на пять царств. Такая система классификации живого мира отражает три основных уровня его клеточной организации: Моnеrа включает все прокариотические 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 эукариотических клеток: многоклеточные эукариоты представлены в свою очередь тремя царствами Plantae, Fungi, Animalia. Отметить размеры микроорганизмов 1 мм=10⁵ микрометров (мкм) =10⁶ нанометров (нм) = 10⁷ ангстрем (А)= 10⁹ пикометров (пм). Если принять за критерий границу видимости невооруженным глазом, равную 70 - 80 мкм, то все объекты, которые лежат за пределами этой границы, можно отнести к микроорганизмам. Мир микроорганизмов – это преимущественно мир одноклеточных форм. Диапазон размеров микроорганизмов весьма разнообразен: от 100 мкм (диатомовые водоросли, клетки дрожжей Saccharomyces 10–12 мкм, до самых мелких прокариотных клеток из группы микоплазм: 0,1–0,15 мкм). Вирусы, размер которых в диапазоне от 16 до 200 нм, нельзя увидеть в световой микроскоп. Впервые они стали видимыми после изобретения электронного микроскопа. Размер вирусов находится между самыми мелкими бактериальными клетками и самыми крупными органическими молекулами (18 нм размер вируса-сателлита и 13 нм величина крупной молекулы белка). Как видим размеры их близки между собой.

Таким образом, между известными биологам организмами и молекулярным миром неживой природы, изучаемой химиками, нет пропасти, она заполнена вирусами. В среднем линейные размеры бактерий лежат в пределах 0,5–3 мкм. В отношении размеров микроорганизмов необходимоотметить следующее, как правило, величина, объектов определенно связана с их структурной сложностью. Нижний предел размеров свободноживущего одноклеточного организма определяется пространством, требуемым для упаковки внутри клетки аппарата, необходимого для независимого существования. Ограничение верхнего предела размеров микроорганизмов определяется по современным представлениям, соотношениями между клеточной поверхностью и объемом. При увеличении клеточных размеров поверхность возрастает в квадрате, а объем в кубе, поэтому соотношение между этими величинами сдвигается в сторону последнего. У микроорганизмов по сравнению с макроорганизмами очень велико отношение поверхности к объему. Это благоприятные условия для активного обмена между микроорганизмами и окружающей, средой. И действительно, метаболическая активность микроорганизмов, измеренная по различным показателям, в расчете на единицу биомассы намного выше, чем у более крупных клеток. Чем меньше, тем производительнее – основной принцип использования микроорганизмов в биотехнологических производствах. Поэтому и представляется закономерным что низшие формы жизни могли возникнуть и в настоящее время могут существовать только на базе малых размеров, т.к. последние создают целый ряд преимуществ, обеспечивающих жизнеспособность этим формам жизни.

Сопоставление строения прокариотических и эукариотических клеток. Клетка – это кусочек цитоплазмы, отграниченный мембраной. Последняя под электронным микроскопом имеет характерную ультраструктуру: два электронно-плотных слоя толщиной 2,5–3,0 нм, разделенных электронно-прозрачным промежутком. Такие мембраны получили название элементарных. Цитоплазма и элементарная мембрана, окружающая ее, - непременные и обязательные структурные элементы клетки.

Это то, что лежит в основе строения всех без исключения клеток. Изучение более тонкой структуры выявило существенные различия в строении клеток прокариот (бактерий и циано-бактерий) и эукариот (остальные макро- и микроорганизмы). Прокариотная клетка отличается тем, что имеет одну внутреннюю полость, образуемую элементарной браной, называемой клеточной, или цитоплазматической (ТДПМ). У подавляющего большинства прокариот ЦПМ единственная мембрана, обнаруживаемая в клетке. В эукариотических клетках в отличие от прокариотических есть вторичные полости. Они формируются мембранами органелл -клеточных структур, ограниченных элементарными мембранами и выполняющими в клетке определенные функции (ядерная мембрана, отграничивающая ДНК от остальной цитоплазмы; наружные мембраны хлоропластов и митохондрий, окружающие заключенные в них функционально специализированные мембраны) создают вторичные полости в клетке. В клетках прокариот органеллы, типичные для эукариот отсутствуют, а, следовательно, отсутствуют и вторичные полости ДНК и функционально специализированные структуры не изолированы от цитоплазмы с помощью мембран и не образуют замкнутых полостей. Эти структуры могут быть сформированы мембранами, но они не замкнуты и имеют 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. К отличительным признакам прокариот и эукариот относятся следующие: