Учебное пособие «История и методология биологии и биофизики»
Микробиология и ее преобразующее воздействие на биологию
жүктеу/скачать 12.91 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 4.2.1. Открытие микроорганизмов Первым человеком, увидевшим микроорганизмы, был голландец Антони ван Левенгук
- 4.2.2. Учения о брожениях, открытие анаэробиоза
- Г.Э. Шталем
- Ж.Л.Л. Бюффону
- 4.2.3. Опровержение Л. Пастером теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов
- 4.2.4. Формирование представлений о микробной природе инфекционных заболеваний. Подтверждение Л.Пастером микробной теории инфекционных заболеваний
- Игнац Филипп Земмельвейс
- 4.2.5. Золотой век медицинской микробиологии Одним из основоположников медицинской микробиологии наряду с Л. Пастером явился немецкий микробиолог Р. Кох
4.2. Микробиология и ее преобразующее воздействие на биологию До конца XIX в. микробиология имела другое название – «бактериология». Только в 1897 г. Э. Дюкло, ученик и сотрудник Л. Пастера, предложил новое название – «микробиология», пользуясь при этом термином «микроб», впервые введенным в употребление в 1878 г. французским хирургом Шю Седийо. Рождению бактериологии как самостоятельной научной дисциплины предшествовал длительный период умозрительных, а затем эмпирических представлений о природе явлений, связанных с деятельностью микроорганизмов. В основе поисков, приведших к возникновению бактериологии, издавна лежали три главные проблемы: причины возникновения заразных заболеваний, природа процессов брожения и гниения, источник появления мельчайших живых существ. Результаты исследований этих проблем и составили тот фундамент, на котором возникла бактериология. Выдающиеся открытия в области микробиологии произошли во второй половине XIX в. На смену описательному морфолого-систематическому изучению микроорганизмов, господствовавшему в первой половине XIX в., пришло физиологическое изучение микроорганизмов, основанное на точном эксперименте. Оценивая успехи, достигнутые микробиологией во второй половине XIX в., французский исследователь П. Таннери (Р. Tannery) в работе «Исторический очерк развития естествознания в Европе (1300—1900)» писал: «Перед лицом бактериологических открытий история других естественных наук за последние десятилетия XIX столетия кажется несколько бледной». Успехи микробиологии в этот период непосредственно связаны с новыми идеями и методическими подходами, внесенными в микробиологические исследования Л. Пастером. К концу XIX в. намечается дифференциация микробиологии на ряд направлений: общая, медицинская, почвенная. С начала XX в. продолжается дальнейшая дифференциация микробиологии. От нее отпочковываются новые научные дисциплины (вирусология, микология) со своими объектами исследования, выделяются направления, различающиеся задачами исследования: общая микробиология, техническая, сельскохозяйственная, экологическая, медицинская, генетика микроорганизмов. Рассмотрим основные вехи в развитии микробиологии. 4.2.1. Открытие микроорганизмов Первым человеком, увидевшим микроорганизмы, был голландец Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek), мануфактурщик из Дельфта (рис. 4. 2.1). 
Рис. 4.2.1. Антонии ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek, 1632—1723) Заинтересовавшись строением льняного волокна, он отшлифовал для себя несколько грубых линз. Позднее А. ван Левенгук увлекся этой тонкой и кропотливой работой и достиг большого совершенства в деле изготовления линз, названных им «микроскопиями». По внешней форме это были одинарные двояковыпуклые стекла, оправленные в серебро или латунь (то, что мы теперь называем «лупы»), однако по своим оптическим свойствам линзы А. ван Левенгука, дававшие увеличение в 200—270 раз, не знали себе равных, т.к. даже теоретический предел увеличения двояковыпуклой линзы — 250–300 раз (рис. 4. 2.2). 
Рис. 4.2.2. Микроскоп Левенгука (а) и способ его использования (б). Изображения бактерий, которые Левенгук увидел под микроскопом (в). Этот маленький микроскоп - подлинный оптический шедевр XYII века. Металлическая пластина, миниатюрная сферическая линза диаметром до 2-3 мм, закрепленная в центре этой пластины и маленькая иголочка - вот и все его устройство. Но этот микроскоп позволил получить увеличение до 300 раз и открыть микромир на кончике иглы. Тайну создания линзы с таким большим увеличением Левенгук унес с собой. Только спустя почти три столетия ученые раскрыли ее, рассмотрев микроскоп Левенгука через другой микроскоп. Обладая природной любознательностью, А. ван Левенгук с интересом рассматривал все, что попадалось под руку: воду из пруда, зубной налет, настой перца, слюну, кровь и многое другое. Результаты своих наблюдений он начал посылать в Лондонское Королевское общество, членом которого впоследствии был избран. Всего А. ван Левенгук написал в это общество свыше 170 писем, а позднее завещал ему 26 своих знаменитых «микроскопий». Вот выдержка из одного письма: «24 апреля 1676 г. я посмотрел на... воду под микроскопом и с большим удивлением увидел в ней огромное количество мельчайших живых существ. Некоторые из них в длину были раза в 3–4 больше, чем в ширину, хотя они и не были толще волосков, покрывающих тело вши... Другие имели правильную овальную форму. Был там еще и третий тип организмов — наиболее многочисленный — мельчайшие существа с хвостиками». Сопоставив описание, приведенное в этом отрывке, и оптические возможности имевшихся в распоряжении А. ван Левенгука линз, можно сделать заключение, что в 1676 г. ему впервые удалось увидеть бактерии (рис. 4.2.3). А. ван Левенгук повсюду обнаруживал микроорганизмы и пришел к выводу, что окружающий мир густо заселен микроскопическими обитателями. Все виденные им микроорганизмы, в том числе и бактерии, А. ван Левенгук считал маленькими животными, названными им «анималькулями», и был убежден, что они устроены так же, как и крупные организмы, т. е. имеют органы пищеварения, ножки, хвостики и т. д. 
Рис. 4.2.3. Рисунок бактерий А. ван Левенгука Открытия А. ван Левенгука были настолько неожиданными и даже фантастическими, что на протяжении почти 50 последующих лет вызывали всеобщее изумление. Дальнейшее систематическое изучение окружающей природы с помощью совершенствовавшихся микроскопов подтверждало обнаруженное А. ван Левенгуком повсеместное распространение микроорганизмов. 4.2.2. Учения о брожениях, открытие анаэробиоза Явления брожения и гниения привлекали к себе внимание исследователей с древних времен. Первые попытки выяснить природу процессов брожения были сделаны в средние века алхимиками. Термин «брожение» (fermentatio) для обозначения всех процессов, идущих с выделением газа, впервые употребил голландский алхимик Я.Б. ван Гельмонт (рис. 4.2.4). Позднее брожения стали выделять из группы химических процессов, сопровождающихся газовыделением. Для обозначения материальной движущей силы брожения, его активного начала использовали термин «фермент». Взгляд на брожение и гниение как на чисто химические процессы был сформулирован в 1697 г. немецким врачом и химиком Г.Э. Шталем (рис. 4.2.5). По представлениям Г. Шталя, брожение и гниение — это химические превращения, идущие под влиянием молекул «фермента», которые передают присущее им внутреннее активное движение молекулам сбраживаемого субстрата, т.е. выступают в качестве своеобразных катализаторов реакции. Однако эта точка зрения принималась не всеми исследователями. 
Рис. 4.2.4. Ян Баптист ван Гельмонт (J. В. van Helmont, 1577— 1644). 
Рис. 4.2.5. Георг Эрнест Шталь (G.Е.Stahl, 1660—1734). Одна из первых догадок о связи описанных А. ван Левенгуком «глобул» (дрожжей) с явлениями брожения и гниения принадлежит французскому натуралисту Ж.Л.Л. Бюффону (рис. 4.2.6). Весьма близко подошел к пониманию роли дрожжей в процессе брожения французский химик А.Л. Лавуазье, изучавший количественно химические превращения сахара при спиртовом брожении (рис. 4.2.7). В 1793 г. он писал: «Достаточно немного пивных дрожжей, чтобы... дать первый толчок к брожению: оно потом продолжается само собой. Я доложу в другом месте о действии фермента в целом». Однако сделать это ему не удалось: А. Лавуазье стал жертвой террора французской буржуазной революции. С 30-х гг. XIX в. начинается период интенсивных микроскопических наблюдений. В 1827 г. французский химик Ж. Б. Демазьер (J.В. Demazier, 1783—1862) описал строение организмов (дрожжей), формирующих пленку на поверхности пива. Однако в работе Ж.Б. Демазьера нет никаких указаний на возможную связь процесса брожения с развивающейся на поверхности бродящей жидкости пленкой. 
Рис. 4.6. Жорж Луи Леклерк Бюффон (G.L.L. Buffon, 1707—1788). 
Рис. 4.7. Антуан Лоран Лавуазье (A. L. Lavoisier, 1743—1794). Спустя 10 лет французский ботаник Ш. Каньяр де Латур (Ch. Cagniard de Latour, 1777—1859) предпринял тщательное микроскопическое изучение осадка, образующегося при спиртовом брожении, и пришел к выводу, что он состоит из живых существ, жизнедеятельность которых и является причиной брожения. Почти одновременно немецкий естествоиспытатель Ф. Кютцинг (F. Kuthzing, 1807—1893), исследуя образование уксуса из спирта, обратил внимание на слизистую массу, имеющую вид пленки на поверхности жидкости. Изучая эту массу, Ф. Кютцинг установил, что она состоит из микроскопических живых организмов и имеет непосредственное отношение к накоплению уксуса в среде. К аналогичным выводам пришел другой немецкий естествоиспытатель Т. Шванн (Th. Schwann, 1810—1882). Таким образом, Ш. Каньяр де Латур, Ф. Кютцинг и Т. Шванн независимо друг от друга и почти одновременно пришли к заключению о связи процессов брожения с жизнедеятельностью микроскопических живых существ. Однако идеи о биологической природе «фермента» брожения, высказанные тремя исследователями, не получили признания. Более того, они были подвергнуты суровой критике со стороны приверженцев теории физико-химической природы брожения, обвинивших своих научных противников в «легкомыслии в выводах» и отсутствии каких-либо доказательств, подтверждающих эту «странную гипотезу». Господствовавшей оставалась теория физико-химической природы процессов брожения. Человеком, который своими работами положил начало современной микробиологии, был выдающийся французский ученый Луи Пастер (рис. 4.2.8). Научная деятельность Л. Пастера многогранна и охватывала все основные проблемы того времени, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов.
Принципиально важным не только для микробиологии, но для более глубокого понимания сущности живого в его разнообразных проявлениях было открытие Л. Пастером у микроорганизмов новых типов жизни, не похожих на те, которые имеют место в мире растений и животных. В 1857 г. Л. Пастер при изучении спиртового брожения установил, что оно — результат жизнедеятельности дрожжей без доступа кислорода. Позднее при изучении маслянокислого брожения он обнаружил, что возбудители брожения вообще отрицательно относятся к кислороду и могут размножаться только в условиях, исключающих его свободный доступ. Таким образом, 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 отсутствие молекулярного кислорода. 
Рис. 4.2.9. Фердинанд Юлиус Кон (1828—1898) Теория Пастера и его эксперименты вызвали интенсивный интерес к бактериологии. Немецкий ботаник Фердинанд Юлиус Кон (Ferdinand-Julius Cohn) (рис. 4.2.9) в юности интересовался микроскопированием растительных клеток. Он, в частности, показал, что протоплазмы растительной и животной клеток идентичны. В 1860-х годах он обратился к бактериям и в 1872 году опубликовал трехтомные наблюдения над микроорганизмами, которые пытался классифицировать на роды и виды. По этой причине Кона можно считать основоположником науки бактериологии. 4.2.3. Опровержение Л. Пастером теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов В 1859-1860 гг. Французская академия назначила премию за экспериментальное разрешение вопроса о возможности самозарождения жизни в наши дни. Эту премию в 1862 г. получил Л. Пастер. Ученому удалось показать, что в случаях, когда исследователи считали самозарождение доказанным, в действительности имело место несовершенство методики. Появление микробов в прокипяченном бульоне объяснялось тем, что сосуды с бульоном или не были защищены от проникновения микроорганизмов из воздуха, или не были достаточно обеззаражены. Л. Пастер провел эксперимент, соперничающий по своей простоте со знаменитым опытом Ф. Реди, опровергшим самозарождение представителей макромира. Л. Пастер кипятил в колбе различные питательные среды. Предвидя возражение виталистов, что «жизненная сила», превращающая неживое в живое, не может проникнуть в запаянную колбу, он соединил колбу с наружным воздухом длинной S-образно изогнутой трубкой. Микроорганизмы и их споры оседали на стенках трубки и не проникали в питательную среду. Несмотря на доступ воздуха, самозарождения не наблюдалось (рис. 4.2.10). 
Рис. 4.2.10. Пастеровская колба с S-образным горлом, предохраняющим прокипяченный бульон от попадания микроорганизмов из воздуха Предположение Дж. Нидхэма, что прокипяченный бульон теряет способность поддерживать жизнь, Л. Пастер опроверг тем, что в подобный бульон он бросал ватку, через которую перед тем пропускал воздух, после чего легко можно было наблюдать развитие микробов в этом бульоне. Итак, опытами Л. Пастера было показано, что даже самые крошечные живые существа не могут самопроизвольно зарождаться. Вместе с тем, ученый не затрагивал вопроса о происхождении жизни на Земле — он никоим образом не касался проблемы, могли ли живые организмы возникать из неживой материи в отдаленные геологические времена, в других условиях.
Несмотря на блестящие догадки отдельных ученых и опыты А. Басси, в целом представление о микробной природе инфекционных болезней в течение долгого времени не получало признания. Подавляющее большинство исследователей были убеждены в том, что причинами всех заболеваний являются нарушения течения химических процессов в организме. Однако острый интерес к изучению инфекционных заболеваний и совершенствование микроскопической техники приводили к быстрому накоплению данных, говорящих об участии микробов в инфекционных заболеваниях. Теория, необходимость которой давно назрела, родилась у Пастера. В 1865 г. шелковая индустрия на юге Франции понесла большие потери: некая болезнь убивала шелковичного червя. Разобраться с проблемой пригласили Пастера. При помощи микроскопа он обнаружил, что на черве живет крошечный паразит, заражавший непосредственно листья шелковицы, которыми питались черви. Решение Пастера было, хотя ужасающим для шелководов, но рациональным: уничтожить больные колонии червя. Шелковичная индустрия была спасена. Пастер предположил, что если одна инфекционная болезнь может быть вызвана микроорганизмами, то это, вполне вероятно, относится и к другим. Заболевание может распространяться через кашель, насморк, поцелуи, испражнения; могут быть заражены вода и пища. В каждом случае микроорганизмы, вызывающие заболевание, переходят от больного организма к здоровому. И сам врач, контактируя с больными, может быть первым разносчиком заболевания. Последнее заключение сделал венгерский врач Игнац Филипп Земмельвейс (Ignaz Philipp Semmelweis, 1818 — 1865). Не зная об открытиях Пастера, он отметил, что заболеваемость и смертность среди рожениц в больницах Вены была гораздо выше, чем среди женщин, рожавших дома при помощи неграмотных, как правило, повивальных бабок. Значит, разносчиками заболевания являлись сами врачи. Он настоял на том, чтобы врачи, приближаясь к роженице, дезинфицировали руки. Смертность упала, однако оскорбленные врачи-акушеры «выжили» его из сферы своей деятельности, и смертность рожениц вновь поднялась. Земмельвейс умер побежденным и не увидел торжества своей правоты (примерно в это же время в США врач и поэт Оливер Уэнделл Холмс (Oliver Wendell Holmes, 1809 — 1894) вел такую же кампанию против грязных рук врачей — и тоже вызвал целый поток оскорблений и выпадов против себя). Однако наука шла вперед, и условия работы врачей и ученых постепенно менялись. Консервативно настроенные постепенно также сменили позиции. Во время русско-французской войны Пастеру удалось убедить военных врачей в необходимости кипячения инструментов и стерилизации бинтов. В числе первых, кто оценил значение открытий Л. Пастера, был английский хирург Дж. Листер (J. Lister, 1827—1912). Он понял, что причина большого процента смертных случаев после операций — заражение ран бактериями из-за незнания, во-первых, и несоблюдения, во-вторых, элементарных правил антисептики. Так как Листер считал, что большинство бактерий патогенно, то у него возникла идея введения так называемого «спрея», который должен был создавать вокруг раны антисептический слой воздуха. Для этой цели Листером был создан особый распылитель, который разбрызгивал вокруг мелкие капельки карболовой кислоты. Пульверизатор для карболовой кислоты сначала имел очень простую конструкцию, а затем все более и более усложнялся (рис. 4.2.11). Работа с ним требовала большого напряжения от хирурга и делала невозможной работу без ассистентов. При операциях приходилось перетаскивать спрей из помещения в помещение. Это вызывало насмешки со стороны противников антисептического метода, которые прозвали спрей «ослиной машиной». Дж. Листер впервые ввел в медицинскую практику методы предупреждения подобного заражения ран, заключавшиеся в обработке всех хирургических инструментов карболовой кислотой и разбрызгивании ее в операционной во время операции. Таким путем он добился существенного снижения числа смертельных исходов после операций. 
Рис. 4.2.11. Листеровские пульверизаторы – «спрей» и «ослиная машина» Таким образом, работы Л. Пастера в области изучения инфекционных болезней животных и человека (болезнь шелковичных червей, сибирская язва, куриная холера, бешенство) позволили ему не только выяснить природу этих заболеваний, но и найти способ борьбы с ними. Поэтому мы с полным правом можем считать, что своими классическими работами по изучению инфекционных болезней и мер борьбы с ними Л. Пастер положил начало развитию медицинской микробиологии. Работы Л. Пастера были по достоинству оценены его современниками и получили международное признание. В 1888 г. для ученого на средства, собранные по международной подписке, был построен в Париже научно-исследовательский институт, носящий в настоящее время его имя. Л. Пастер был первым директором этого института. Открытия Л. Пастера показали, как разнообразен, необычен, активен невидимый простым глазом микромир и какое огромное поле деятельности представляет его изучение. 4.2.5. Золотой век медицинской микробиологии Одним из основоположников медицинской микробиологии наряду с Л. Пастером явился немецкий микробиолог Р. Кох (рис. 4.2.12), занимавшийся изучением возбудителей инфекционных заболеваний. Свои исследования Р. Кох начал, будучи сельским врачом, с изучения сибирской язвы и в 1877 г. опубликовал работу, посвященную возбудителю этого заболевания — Bacillus anthracis. Вслед за этим внимание Р. Коха привлекла другая тяжелая и широко распространенная болезнь того времени — туберкулез. Кох выращивал бактерию на твердом геле наподобие желатина (для которого позднее стали использовать агар-агар — вещество, выделяемое из водорослей). Это дало эффект: в жидкости бактерии разных видов интенсивно смешиваются, поэтому затруднительно определить, какой именно вид дает заболевание. 
Рис. 4.2.12. Роберт Кох (R. Koch, 1843—1910). Если распределить (размазать) культуру бактерий по твердой поверхности, изолированная культура будет многократно делиться, производя многочисленные новые клетки, которые уже образуют четкие колонии. Хотя культура может быть смесью многих видов бактерий, одна колония будет образовывать чистый штамм. Если именно эта разновидность бактерий в эксперименте даст заболевание, то уже не останется сомнений, что именно она ответственна за него. Первоначально Кох поместил гель на гладкое стекло, однако его помощник Юлиус Ричард Петри (1852 — 1921) предложил плоскую, круглую в сечении чашку со стеклянной крышкой. С тех пор в бактериологии пользуются этими чашками Петри (рис. 4.2.13). 
Рис. 4.2.13. Обильный рост на чашке Петри бактерий из биоптата стенки тонкого кишечника Работая с чистыми штаммами, Кох вывел ряд правил для выявления микроорганизмов, вызывающих конкретное заболевание, вошедших в науку под названием «правил Коха» (1882): 1) подозреваемый микроорганизм должен регулярно обнаруживаться в случае болезни; 2) он должен быть изолирован в чистую культуру; 3) эта чистая культура, будучи введена в восприимчивый организм, должна вызывать у него ту же болезнь; 4) тот же микроорганизм должен быть вновь изолирован из зараженного животного. Кох с помощниками выявил множество возбудителей, и наивысшей точкой в профессиональной деятельности Коха было выделение в 1882 г. возбудителя туберкулеза, который в его честь был назван «палочкой Коха» (рис. 4.2.14). В 1905 г. за исследование туберкулеза Р. Коху была присуждена Нобелевская премия. Ему принадлежит также открытие возбудителя холеры. 
Рис. 4.2.14. Морфология колонии Mycobacterium tuberculosis. До сих пор колонии микобактерии туберкулеза отличают от других микроорганизмов по бесцветной неровной поверхности. Иллюстрация: Олег Сендюрев/«Вокруг света» по микрофотографии Mycobacterium tuberculosis Dr. George Kubica/CDC и иллюстрации Земли F. Espenak/GSFC/NASA 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. Им была организована одна из первых Пастеровских станций в России и предложена вакцина против сибирской язвы (так называемая «живая вакцина Ценковского»). жүктеу/скачать 12.91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
