Что изучает наука микробиология. Микробиология. Донаучный этап развития
Общая микробиология
1. Предмет, задачи, разделы микробиологии, ее связь с другими науками.
Микробиология - наука о живых организмах, невидимых невооруженным глазом (микроорганизмах): бактерии, архебактерии, микроскопические грибы и водоросли, часто этот список продляют простейшими и вирусами. В область интересов микробиологии входит их систематика, морфология, физиология, биохимия, эволюция, роль в экосистемах, а также возможности практического использования.
Предметом изучения микробиологии являются бактерии, плесневые грибы, дрожжи, актиномицеты, риккетсии, микоплазмы, вирусы. Но поскольку вирусы абсолютно не могут существовать без живого организма, изучением их занимается самостоятельная наука, называемая «вирусологией».
Цель медицинской микробиологии - изучение структуры и свойств патогенных микробов, взаимоотношения их с организмом человека в определенных условиях природной и социальной среды, совершенствование методов микробиологической диагностики, разработка новых, более эффективных лечебных и профилактических препаратов, решение такой важной проблемы, как ликвидация и предупреждение инфекционных болезней.
Разделы микробиологии: бактериология, микология, вирусология и т. д.
*Общая микробиология – изучает закономерности жизнедеятельности всех групп микроорганизмов, выясняет роль и значение в природном круговороте.
*Частная микробиология – изучает систематику бактерий, возбудителей отдельных заболеваний и методы их лабораторной диагностики.
В составе обширной науки микробиологии выделяют разделы:
*Сельскохозяйственная микробиология изучает роль и формирование структуры почвы и ее плодородия, роль бактерий в питании растений. Разрабатывает методы и способы использования бактерий для удобрения почв и консервирования кормов.
*Ветеринарная микробиология – изучает микробов, вызывающих заболевания у домашних животных, разрабатывает методы диагностики, профилактики и лечения данных болезней.
*Техническая (промышленная) микробиология – изучает микроорганизмы, которые можно использовать в производственных процессах для получения биологически активных веществ, биомассы и пр. Многие исследования происходят на стыке дисциплин (например, молекулярная биология, генная инженерия, биотехнология).
*Санитарная микробиология изучает бактерий, обитающих в объектах окружающей среды, как автохтонных, так и аллохтонных, способных вызвать загрязнение окружающей среды и играть определенную роль в эпидемиологии инфекций.
*Экологическая микробиология изучает роль микроорганизмов в природных экосистемах и пищевых цепях.
*Популяционная микробиология выясняет природу межклеточных контактов и взаимосвязь клеток в популяции.
*Космическая микробиология характеризует физиологию земных микроорганизмов в условиях космоса, изучает влияние космоса на симбиотические бактерии человека, занимается вопросами предупреждения занесения космических микроорганизмов на Землю.
*Медицинская микробиология – изучает микробов, вызывающих заболевания у человека. Изучает патогенез и клиническую картину заболеваний, факторы патогенности. Разрабатывает методы профилактики, диагностики и лечения инфекционных болезней человека.
За время существования микробиологии сформировались общая, техническая, сельскохозяйственная, ветеринарная, медицинская, санитарная ветви.
Общая изучает наиболее общие закономерности, свойственные каждой группе перечисленных микроорганизмов: структуру, метаболизм, генетику, экологию и т. д.
Техническая занимается разработкой биотехнологии синтеза микроорганизмами биологически активных веществ: белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков, спиртов, ферментов, а также редких неорганических соединений.
Сельскохозяйственная исследует роль микроорганизмов в круговороте веществ, использует их для синтеза удобрений, борьбы с вредителями.
Ветеринарная изучает возбудителей заболеваний животных, методы диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения, направленного на уничтожение возбудителя инфекции в организме больного животного.
Медицинская микробиология изучает болезнетворные(патогенные) и условно-патогенные для человека микроорганизмы, а также разрабатывает методы микробиологической диагностики, специфической профилактики и этиотропного лечения вызываемых ими инфекционных заболеваний.
Санитарная микробиология изучает санитарно-микробиологическое состояние объектов окружающей среды, пищевых продуктов и напитков, и разрабатывает санитарно-микробиологические нормативы и методы индикации патогенных микроорганизмов в различных объектах и продуктах
Перечень тестовых заданий. Правильные ответы обозначены " * "
1) К микроорганизмам, не имеющим клеточного строения, относятся:
1. бактерии
*2. вирусы
4. простейшие
2) Впервые увидел бактерии:
*1. А.-В. Левенгук
2. Л. Пастер
3. И. И. Мечников
3) Бактерии, питающиеся за счет готовых органических соединений:
1. аутотрофы
*2. гетеротрофы
4. фагоциты
4) Бактерии, использующие для построения своих клеток диоксид углерода и другие органические соединения:
1. гетеротрофы
3. фагоциты
*4. аутотрофы
5) Нитрифицирующие бактерии являются:
1. олиготрофами
2. фагоцитами
*3. аутотрофами
4. гетеротрофами
6) Основным регулятором поступления органических веществ в клетку является:
*1. цитоплазматическая мембрана
3. хлоропласты
4. плазмиды
7 - Тест) Микроорганизмы, которые приспособились в процессе эволюции к низким температурам:
1. мезофилы
*2. психрофилы
3. термофилы
8) Микроорганизмы одного вида или подвида, выращенные в лабораторных условиях на искусственных питательных средах:
*1. чистая культура
2. смешанная культура
9) Микроорганизмы почвы, способные получать необходимую им энергию от окисления минеральных соединений:
1. олиготрофы
3. автохтоны
*4. автотрофы
10) Обрабатывание мазка хромовой кислотой, карболовым фуксином Пиля и окрашивание метиленовым синим характерно для:
1. метода Шеффера-Фултона
*2. метода Меллера
3. метода Муромцева
4. метода Романовского-Гимза
11) Обрабатывание мазка раствором малахитовой зелени и дополнительное окрашивание водным раствором сафранина характерно для:
1. метода Меллера
2. метода Муромцева
3. метода Романовского-Гимза
*4. метода Шеффера-Фултона
12) Бактерии, имеющие на одном или обоих концах тела пучок жгутиков, называются:
1. монотрихами
2. перитрихами
*3. лофотрихами
4. амфитрихами
13) Скопления бактерий, напоминающие внешне грозди винограда, называются:
*1. стафилококками
2. сарцинами
3. стрептококками
4. диплококками
14) В процентном соотношении вода в микробной клетке составляет:
15) О свежем фекальном загрязнении почвы свидетельствует обнаружение:
1. стафилококков
2. сальмонелл
3. яиц гельминтов
*4. энтерококков
16) При загрязнении органическими веществами в почве обнаруживают микроорганизмы:
1. энтерококки
*2. семейства кишечных бактерий
3. паратифа А и В
4. сальмонеллы
17) Плесневый гриб, имеющий мицелий белого цвета с перегородками:
1. шоколадная плесень
2. гроздевидная плесень
3. головчатая плесень
*4. молочная плесень
18) По окончании работы лицевые части противогазов и респираторов необходимо тщательно мыть:
1. 0,1-%-м раствором перманганата калия
2. 5-%-м раствором соды
*3. 2-%-м раствором соды
4. 0,5-%-м мыльным раствором
20) К химическим средствам дезинфекции относятся:
1. термофильные микробы
*2. фенолы и креоны
4. ультразвук
21) Для чистой почвы коли-титр кишечной палочки должен составлять:
2. не более 10 мг
*3. не более 1 г
22) Для определения количества живых бактерий в нитрагине делают глубинный посев:
1. на маннитный агар-агар
*2. на бобовый агаг-агар
3. на дрожжевой агар-агар
4. на мясопептонный агар-агар
24) Для борьбы с плесенью используют:
1. ксилонафт-5
2. формалин
*4. оксидифенолят натрия
25) Перитрихи-это бактерии:
1. с полярно расположенными пучками жгутиков
*2. со жгутиками по всей поверхности клетки
3. не имеющие жгутиков
4. с двумя полярными жгутиками
26) К осветительной системе биологического микроскопа не относится:
1. конденсор
2. диафрагма
*3. окуляр
4. зеркало
27. Тест.) К прямым санитарно-биологическим показателям эпидемической опасности почвы относятся:
1. обнаружение яиц гельминтов и их личинок
2. обнаружение сальмонелл и бактерий паратифа А и В
3. обнаружение стафилококков и стрептококков
*4. обнаружение патогенных энтеробактерий и энтеровирусов
28) Актиномицеты-это:
2. палочковидные бактерии
*3. ветвящиеся бактерии
4. простейшие
30) Для изучения морфологии плесневых грибов препараты готовят:
1. методом Шеффера-Фултона
2. методом Меллера
3. методом висячей капли
*4. методом раздавленной капли
31) Хранение пестицидов должно происходить в специально оборудованных складах на расстоянии от населённого пункта:
1. не менее 50 м
2. не менее 100 м
*3. не менее 200 м
4. не менее 500 м
32) Антибиотикограмма - это:
*1. определение чувствительности микробов к антибиотикам
2. определение чувствительности антибиотиков к микробам
3. определение чувствительности животных к антибиотикам
4. определение чувствительности растений к антибиотикам
33) Дезинфицирующее средство имеет бактериостатическое действие, когда оно:
*1. задерживает при определённых условиях рост микроорганизмов, но не приводит к их гибели
2. способно убить микробную клетку
3. вызывает в микробной клетке биохимические изменения
4. вызывает в микробной клетке морфологические изменения
34) К основным группам микроорганизмов не относятся:
1. Бактерии
2. Актиномицеты
3. Микоплазмы
*4. Бациллы
35) Отдалённая корневая микрофлора растений располагается:
1. в радиусе 6-10 см от корней
2. в радиусе 2-3 м от корней
*3. в радиусе 50 см от корней
4. в радиусе 1 м от корней
36) Конечными продуктами разложения органических веществ анаэробными микроорганизмами являются:
1. углекислый газ и вода
2. молочная кислота и спирт
3. клетчатка и лигнин
*4. кислоты и спирты
37) При работе с инсектицидами необходимо использовать респираторы:
1. «Лепесток-200», У-2К
2. «Астра-2»
*3. РСУ-22, РПГ-67
4. РПЦ-22, Ф-57
Тест № 38) Для дезинфекции почвы в парниковых хозяйствах используют:
*1. Тиозон
3. метафон
4. бромид метила
39) Термофилы-это бактерии, развивающиеся при температуре:
1. 30-40 градусов
2. 0-10 градусов
*3. 50-70 градусов
4. 70-80 градусов
40) Микроорганизмы, занимающие промежуточное положение между плесневыми грибами и бактериями:
2. плесени
3. микоплазмы
*4. актиномицеты
41) Система мероприятий по уничтожению патогенных или условно-патогенных микроорганизмов во внешней среде или на теле животного:
*1. дезинфекция
2. дезинсекция
3. дератизация
4. кварцевание
42) Бактерии, образующие цепочку при делении кокков:
1. микрококки
*2. стрептококки
3. диплококки
4. сарцины
43) Олиготрофные микроорганизмы почвы - это:
*1. микроорганизмы, способные ассимилировать органические соединения из растворов низкой концентрации
2. микроорганизмы, способные получать необходимую им энергию от окисления минеральных соединений
3. микроорганизмы, разлагающие органические соединения растительного и животного происхождения
4. микроорганизмы, способные разлагать перегнойные соединения почвы
44) Бактерии по типу дыхания подразделяются на:
1. олиготрофы и сапрофиты
2. анаэрофобы и анаэрофаги
3. аэрофобы и анаэрофобы
*4. аэробы и анаэробы
45) О возможности загрязнения почвы патогенными энтеробактериями свидетельствует индекс санитарно-показательных микроорганизмов БГКП (колиформ) и энтерококков в колличестве:
1. до 10 клеток на 1 г почвы
*2. 10 и более клеток на 1 г почвы
3. до 100 клеток на 1 г почвы
4. 10 и более клеток на 10 г почвы
46) К физическим средствам дезинфекции относятся:
1. соли тяжелых металлов
2. термофильные микробы
*3. гамма лучи и ультразвук
4. патогенные грибы
47) Метод, позволяющий определить минимальную концентрацию антибиотика, подавляющего рост исследуемой культуры бактерий:
1. метод диффузии в агар
2. метод дисков
*3. метод серийных разведений
4. антибиотикограмма
49) Извитые бактерии, имеющие тонкие многочисленные завитки:
1. Вибрионы
2. Спириллы
*3. спирохеты
4. стрептококки
50) Один из первых микроскопов изобрел в 1610 году:
1. А.-В. Левенгук
2. Л. Пастер
*4. Г. Галиллей
51) Микроорганизмы, разлагающие органические соединения растительного и животного происхождения - это:
2. олиготрофы
4. Анаэробы
53) При окрашивании препарата по методу Муромцева микробная клетка окрашивается:
1. в голубой цвет
2. в бледно-розовый цвет
3. в фиолетовый цвет
*4. в темно-синий цвет
54) Микроорганизмы, развивающиеся на поверхности растений, называются:
1. Бактериофагами
2. Олиготрофами
*3. Эпифитами
4. актономицетами
56) Микробы, поражающие и подавляющие растения, являются:
1. Активаторами
*2. Ингибиторами
3. Фагоцитами
57 Тест.) Для количественного учета почвенных микроорганизмов используют:
1. аппликационный метод
2. метод титров
*3. метод питательных пластин в сочетании с методом последовательных разведений
4. метод отмыва корней
Viva animalika – маленькие зверушки.
В середине 19 века Геккель изучая более внимательно строение бактериальных клеток обнаружил, что оно отличаться от строения клеток растений и животных. Он назвал эту группу прокариоты (клетки не имеющие настоящего ядра), а остальные растения, животные и грибы которые в клетке имеют ядро отошли в группу эукариоты.
Начинается II период развития микробиологии пастеровский или физиологический.
Работы Пастера. (1822-1895)
Пастер поставил развитие микробиологии на новый путь. По воззрениям того времени брожение считалось чисто химическим процессом
Пастер в своих работах показал, что каждый вид брожения вызывается свими специфическими возбудителями – микроорганизмами.
Изучая масляно-кислое брожение Пастер установил, что для бактерий вызывающих это брожение воздух вреден и открыл новый тип жизни анаэробиоз.
Пастер доказал невозможность самозарождения жизни.
Пастер изучал инфекционные заболевания (сибирскую язву) и предложил метод предохранительных прививок как способ борьбы с инфекциями. Пастер сделал первый шаг и зарождению новой науки – иммунология. В 1888г. В Париже на средства собранные по подписке был построен институт микробиологии.
Пастеризация.
Роберт Кох (1843-1910)
Окончательно доказал, что заразные болезни вызываются болезнетворными бактериями. Указал приемы борьбы с распространением инфекционных заболеваний – ДЕЗИНФЕКЦИЯ.
Ввел в практику микробиологических исследованный использование твердых патотельных сред для получения чистых культур.
Открыл возбудителей сибирской язвы (1877г.), туберкулеза (1882г.), холеры(1883г.).
Русская микробиология.
^ Н. Н. Мечников (1845-1916)
Продолжил работы Пастера по предохранительным прививкам и обнаружил, что в ответ на введения в кровь ослабленного возбудителя болезни в крови появляется большое количество особых иммунных тел –фагоцитов, и т.о. обосновал теорию иммунитета.
В 1909г. Получил за эту теорию Нобелевскую премию.
^ С. Н. Виноградский (1856-1953)
Следовал серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии. Изучал почвенные бактерии. Открыл явление азотофикации. Открыл процесс хемосинтеза.
Хемосинтез исп. химических связей внутри молекул, как источник энергии для настроения новых молекул.
^ В. Л. Омелонский (1867-1928)
Написал первый учебник по микробиологии.
Методы микробиологических исследований.
Бактериоскопический –это изучение внешней формы микроорганизмов с помощью увеличительных приборов.
Бактериологический – это метод выращивания бактерий искусственных питательных средах. С помощью этого метода изучаеться форма бактериальных колоний, период роста, и др. характеристики роста бактериальных культур.
Общебиологические :
Методы молекулярной биологии,
Цитохимии
Генетики
Биофизики
Химический состав и строение бактериальной клетки.
Поверхностные клеточные структуры и внеклеточные образования: 1- клеточная стенка; 2-капсула; 3-слизистые выделения; 4-чехол; 5-жгутики; 6-ворсинки.
Цитоплазматические клеточные структуры: 7-ЦМП; 8-нуклеотид; 9-рибосомы; 10-цитоплазма; 11-хроматофоры; 12-хлоросомы; 13-пластинчатые тилакоиды; 16-мезасома; 17-аэросомы (газовые вакуоли) ; 18-ламелярные структуры;
Запасные вещества: 19-полисахарные гранулы; 20-гранулы поли-β-оксимасляной кислоты; 21-гранулы полифосфата; 22-цианофициновые гранулы; 23-карбоксисомы (полиэдральные тела); 24-вкючения серы; 25-жировые капли; 26-углеводородные гранулы.
Ультраструктура бактериальной клетки.
Разные методы исследования позволили выявить различия внутренней и внешней структуры у бактерий.
Поверхностная структура это:
Ворсинки
Клеточная стенка
Внутренние структуры:
Цитоплазматическая мембрана (ЦПМ)
Нуклеоид
Рибосомы
Мезосомы
Включения
Функции органеллы.
^ Клеточная стенка – обязательная структура для прокариотов за исключением микоплазмы и L-формы. На долю клеточной стенки приходится от 5 до 50% сухого вещества клетки.
Клеточная стенка имеет поры и пронизана сетью каналов и разрывов.
Функции
Поддержание постоянной внешней формы бактерий.
Механическая защита клетки
Дают возможности существовать в гипотонических растворах.
^ Слизистая капсула (слизистый чехол)
Капсула и слизистый чехол покрывают клетку снаружи. Капсулой называется слизистое образование покрывающее клеточную стенку, имеющее четко очерченную поверхность.
Различают:
Микрокапсулу (меньше 0,2 мкм)
Микрокапсулу (больше 0,2 мкм)
Наличие капсулы зависит от вида микроорганизмов и условий культивирования.
Различают капсульные колонии:
S-типа (гладкие, ровные, блестящие)
R-типа (шероховатые)
Функции:
Защищает клетку от механических повреждений
Защищает от высыхания
Создает дополнительный осмотический барьер
Служит препятствием для проникновения вирусом
Является источником запасных питательных веществ
Может быть приспособлением к окружающей среде
Под слизистым чехлом понимают аморфное бесструктурное слизистое вещество окружающее клеточную стенку и легко отделяющееся от неё.
Иногда ослизнение происходит у нескольких клеток так, что образуется общий чехол (зоология)
Функции:
Те же, что у капсулы.
Ворсинки представляют собой тонкие полые образования белковой природы (длина от 0,3-10 мкм, толщина 10 нм). Ворсинки подобно жгутикам являеться поверхностными придатками бактериальной клетки, но не выполняют локомоторную реакцию.
Жгутики
Функция
Локомоторная
ЦПМ – обязательный структурный элемент клетки. На долю ЦПМ приходиться 8-15% сухого вещества клетки из них 50-70% - белки 15-30% - липиды. Толщина ЦПМ 70-100Å (10⁻¹⁰).
Функции:
Перенос веществ – через мембраны,
Активный (против градиента концентрации, осуществляется белками – ферментами с затратой энергии)
Пассивный (по градиенту концентрации)
Локализуется большинство ферментативных систем клетки
Имеет специальные участки для прикрепления ДНК прекариотной клетки и именно рост мембраны обеспечивает разделение геномов при делении клетки.
Нуклеоид . Вопрос о наличии ядра у бактерий в течении десятилетий носил дискуссионный характер.
При помощи электронной микроскопии ультратонких срезов бактериальных клеток, усовершенствованных цитохимических методах, радиографических и генетических исследований доказано наличие у бактерий нуклеодида – эквивалента ядра в клетке эукариотов.
Нуклеоид :
Не имеет мембраны,
Не содержит хромасом
Не делиться митозом.
Один нуклеоид представляет собой макромолекулу ДНК с молекулярным весом 2-3*10⁹, размером 25-30 Å.
В развернутом состоянии это замкнутая кольцевая структура длинной примерно 1мнм.
В молекуле ДНК нуклеоида закодирована вся генетическая информация клетки и т.о. она является своеобразной кольцевой хромасомой.
Количество нуклеоидов в клетке – 1, реже от 1 до 8.
Рибосомы – это нуклеоидные частицы размером в 200-300Å. Ответственны за синтез белка. Находятся в цитоплазме прокариотов в количестве 5-50 тысяч.
Хроматофоры – это складки цитоплазматической мембраны в виде капель, которые содержат окислительно-восстановительные ферменты. У фотосинтетиков – ферменты осуществляют синтез веществ за счет энергии солнца, у хемосинтетиков- за счет разрушенных химических связей молекулы.
Тилокоиды так же содержат набор окислительно-восстановительных ферментов. Они есть и у фотосинтеиков и у хемосинтетиков. Очевидно прообраз митохондрий.
Пластинчатые
Трубчатые
^ Функции
Окисление веществ.
Аэросомы - структуры, которые содержат какой-либо газ.
Внутрицитоплазмотические включения
В процессе жизнедеятельности бактериологической клетки в её цитоплазме могут формироваться морфологические образования, выявляемые цитохимическими методами. Эти образования названные включениями по своей химической природе различны и не одинаковы у разных бактерий. В одних случаях включения являются продуктами обмена бактериальной клетки, а в других запасным питательным питательным веществом.
Химический состав клеток прокариотов.
В состав любой клетки прокариотов входят:
2 типа нуклеиновых кислот (ДНК и РНК)
Углеводы
Минеральные вещества
Вода
В количественном отношении самый значительный компонент клеток микроорганизмов, количество её составляет 75-85%. Количество воды зависит от вида микроорганизмов, условий роста, физиологического состояния клетки.
Вода в клетках бывает в 3-х состояниях:
Свободном
Связанном
Связанном с боиполимерами
Роль воды. Универсальный растворитель- необходимый для растворения многих химических растворений и осуществления реакций промежуточного метаболизма (гидролиз).
^ Минеральные вещества
Биогены (углерод(50%), водород,кислород,азот(14%),фосфор(1%),сера)
Макроэлементы (0,01-3% от сухой массы клетки) K, Na, Mg, Ca, Cl, Fe.
Микроэлементы (0,001-0,01% от сухой массы клетки) Mg, Zn, Mo, B, Cr, Co, Cu, и др.
Ультрамикроэлементы (<0,001%) вся остальная таблица Менделеева.
Соотношение отдельных химических элементов может колебаться в значительных пределах, в зависимости от систематического положения микроорганизмов, условий роста и ряда других причин.
Количество минеральных веществ составляет 2-14% от сухой массы клетки, после биогенов.
^ Роль минеральных веществ :
Являются активаторами и ингибиторами ферментативных систем.
Биополимеры.
Основные химические элементы входят в состав биополимеров присущих всем живым организмам:
Нуклеиновых кислот
Углеводов (полисахаридов)
Характерным только для клеток – прокариот являются биополимер составляющий основу их клеточной стенки (по химическому составу это гликопептид или пептидогликан).
^ Нуклиновые кислоты .
В клетках в среднем содержится 10% РНК и 3-4% ДНК.
Белки.
Важнейшее значение в структуре и функции клеток принадлежит белкам, на долю которых приходиться 50-75% от сухой массы клетки.
Значит долю белков микроорганизмов составляют ферменты играющие существенную роль в проявлении жизнедеятельности прокариот. К биологически активным белкам принадлежат белки участвующие в транспорте питательных веществ а также многие токсины.
Часть белков составляют белки выполняющие структурную функцию – белки ЦПМ, клеточной стенки и др. органелл клетки.
Лепиды
В состав лепитов прокариот входят жирные кислоты, нейтральные жиры, фосфолепиды, гликолепиды, воска, лепиды содержащие изопреновые единицы (каротеноиды, бактопренол).
Микоплазмы в отличие от всех других прокариот содержат холестерин. Большая часть лепидов входит в состав мембраны клетки и клеточной стенки.
Углеводы
Из них состоят многие структурные компоненты клетки. Они используются в качестве доступных источников энергии и углерода. В клетках содержаться как моносахариды, так и полисахариды.
Морфология бактерий.
По внешнему виду бактерии делятся на 3 группы:
Кокковидной формы
Палочковидной формы
Извитые (или спиралевидные)
^ Шаровидные бактерии – (кокки).
Могут быть самостоятельными клетками – монококки °₀° или связанными попарно – диплококки или связанными в цепочку – стрептококки или в пакете – сарцины
или в виде виноградной кисти – стафилококки
Бактерии шаровидной формы называемые кокками имеют правильную сферическую форму или форму неправильного шара.
Средний диаметр кокков – 0,5-1,5 мкм, у пневмококков например –
По признаку расположения клеток по отношению друг к другу кокки делят на:
Монококки
Диплококки
Стрептококки
Стафилококки
^ Палочковидные бактерии (цилиндрические)
Различаются по форме величине в длину и в поперечнике, в форме концов клетки а так же взаимному расположению.
Размеры в поперечнике 0,5-1 мкм, длинна 2-3мкм.
Большинство палочковидных бактерий имеют форму прямого цилиндра. Некоторые бактерии могут иметь либо прямую либо слегка изогнутую форму.
Изогнутая форма встречается у вибрионов к которым относится возбудитель холеры.
У отдельных бактерий встречаются нитевидные и ветвящиеся формы.
Палочковидные микроорганизмы могут образовывать споры.
Спорообразующие формы называются бациллы.
Неспорообразующие называються бактериями.
Булавовидные.
Клострициальные.
В зависимости от взаимного расположения делят:
Монобациллы
Диплобациллы
Стептобациллы
^ Спиралевидные бактерии
Бактерии имеющие изгибы, равные одному или нескольким оборотам спирали.
В зависимости от количества витков делят на группы:
Вибрионы
Спироллы 4-6 витков
Спирохеты 6-15 витков
Чаще всего это болезнетворные микроорганизмы.
Существуют еще редко встречающиеся бактерии.
Шаровидная, палочковидная и спиралевидная форм бактерий самые распространенные, но встречатся и другие формы:
Имеют вид кольца (замкнутого или разомкнутого в зависимости от стадии роста). Такие клетки предложено называть тороидами.
У некоторых бактерий описано образование клеточных выростов, число которых может колебаться от 1 до 8и более.
Существуют так же бактерии напоминающие по виду правильную шестиугольную звезду.
Для некоторых групп прокариотов характерно ветвление.
В 1980 году английский микробиолог Уолсби сообщил что микроорганизмы могут быть квадратными.
Форма бактерий наследственно закреплена (за исключением мипопиазм и L- форм), и по этому является одним из критериев при определении микроорганизмов.
Движение бактерий.
Способность активно передвигаться присуща многим бактериям. Существуют 2 типа подвижных бактерий:
Скользящие
Плавающее
Скольжение. Микроорганизмы передвигаются по твердому и полу твердому субстрату (почва, ил, камни). В результате волнообразных сокращений вызывающих
периферическое изменение формы тела. Образуется некоторое подобие бегущей волны: выпуклости клеточной стенки, которая перемещаясь в одном направлении способствует движению в противоположную сторону.
Плавание. Палочковидные бактерии относятся к плавающим формам, а так же большинство спирилл и некоторые кокки.
Все эти бактерии передвигаются с помощью особых поверхностных нитевидных образований, называемых жгутиками. Различают несколько типов жгутикования в зависимости от того как они расположены на поверхности и сколько их:
Монотрих
Биполярный монотрих или амфитрих
Лофотрих
Амфитрих или биполярный лофотриф
Перетрих
Толщина жгутиков 0,01-0,03 мкм. Длинна меняется у одной и той же клетки в зависимости от условий окружающей среды от 3-12 мкм.
Число жгутиков различно у разных видов бактерий, у некоторых перитрихов она достигает 100.
Жгутики не являются жизненно важными органами.
Жгутики как бы присутствуют на определенных стадиях развития клетки.
Скорость передвижения бактерий при помощи жгутиков различается у разных видов. Большинство бактерий проходит за секунду расстояние равное длине своего тела. Некоторые бактерии при благоприятных условиях могут проходить расстояния превышающие 50 длин тела.
В перемещениях бактерий есть определенный смысл, они стремятся в сторону наиболее благоприятных условий существования. Они называются таисисами.
Таксисы могут быть хема, фото, аэро,
Если в сторону благоприятных факторов то это положительно таксис , если от факторов, то отрицательно таксис.
Споры и спорообразование.
Многие бактерии способны образовывать структуры помогающие им переживать в течение длительного времени не благоприятные условия и переходить в активное состояние при попадание в подходящие для этого условия. Эти формы называются цистами эндоспорами.
Микроцисты:
При их образовании происходит утолщение стенки вегетативной клетки, в результате чего формируются оптически плотные, яркопреломляющие свет, окруженные слизью, укороченные палочки или сферические формы.
Они функционально аналогичны бактериальным эндоспорам:
Более устойчивы к изменению температур
Высушиванию
Различным физическим воздействиям, чем вегетативная клетка.
Эндоспоры:
Образуются эндоспоры у следующих бактерий:
Desulfotomaculum
Формирование споры начинается с того что в зоне локализации нитей ДНК происходит уплотнение цитоплазмы, которая вместе с генетическим материалом обособляется от остального клеточного содержимого с помощью перегородки. Образуются плотные мембранные слои между которыми начинается формирование кортикального слоя (кортекс).
Спора- это покоящаяся стадия спорообразующих видов бактерий.
Бактерии образуют споры, когда создаются такие условия в окружающей среде которые индуцируют процесс спорообразования.
Считается что споры не обязательная стадия цикла развития споро образующих бактерий.
Можно создать условия в которых рост и размножение бактериальных клеток происходит без спорообразования в течении многих поколений.
Факторы и индуцирующие споро образование:
Недостаток питательных веществ в среде
Изменение pH
Изменение температуры
Накопление выше определенного уровня продуктов клеточного метаболизма.
Принципы систематики микроорганизмов.
Понятие вид, штамм, клон.
Основная таксономическая единица –вид который следует рассматривать как конкретную форму существования органического мира.
В микробиологии понятие вид можно определить как совокупность микроорганизмов имеющих единое происхождение и генотип, сходных по своим биологическим признакам и обладающих наследственно закрепленной способностью вызывать в стандартных условиях качественно-определенные процессы.
Сравнительно однородные виды бактерий определяют в роды → семейства → порядки → классы.
Важным критерием определения понятия вид является однородность особей.
Для микроорганизмов строгая однородность признаков не является характерными, поскольку их морфологические свойства могут изменяться в зависимости от условий окружающей с среды в течение короткого времени.
Название микроорганизма состоит из двух слов: первое слово означает род (оно пишется с большой буквы и является производной от какого либо термина характеризующего признак, или от фамилии автора открывшего или изучившего этот микроорганизм), второе слово обозначает конкретный вид (пишется с маленькой буквы и является производным существительного определяющего источник происхождения микроба, либо название вызываемого им заболевания, либо фамилия автора). Bacillus anthracis.
В микробиологии широко применяются термины штамм и клон.
Штамм более узкое понятие чем вид.
Штаммами называются различные микробные культуры одного вида, выделенные из различных источников или из одного источника, но в разное время.
Штаммы одного вида могут быть совершенно идентичными или различаться по отдельным признакам (например по устойчивости к какому – либо антибиотику, ферментации какого-либо сахара и т.д.).
Однако свойства различных штаммов не выходят за пределы вида.
Термином клон обозначают культуру микроорганизмов полученную из одной клетки.
Популяции микробов состоящие из особей одного вида называются чистой культурой.
Понятие о статических и проточных микробных культурах.
Хемостат
Турбиностат – определение мертвых микроорганизмов по мутности.
Таких емкостях выращивается проточная микробная культура.
Для выращивания проточной микробной культуры, выращенной в условиях постоянной подпитки и удаления продуктов метаболизма и мертвых микробных клеток.
Статичная микробная культура – это популяция бактерий находящихся в ограниченном жизненном пространстве, которое не обменивается ни веществом ни энергией с окружающей средой.
Закономерности роста и развития микроорганизмов.
Изменение и обновление организма в процессе его обмена с окружающей средой называется развитием. Развитие организма имеет 2 следствия:
Размножение.
Под ростом подразумевается увеличение размеров организма или его живого веса.
Под размножением подразумевается увеличение количества организмов.
Скорости роста микробной популяции:
Абсолютная скорость.
Относительная скорость по биомассе.
Понятие генерации:
Фазы развития стационарной микробной культуры.
Фаза – лаг-фоза.
Период от внесения бактерий до достижения ими максимальной относительной скорости роста. В этот период бактерии приспосабливаются к новой среде обитания и поэтому размножаются не значительно. К концу лаг-фазы клетки часто увеличивают свой оббьем и т.к. их количество в этот момент не велико, то относительная скорость роста биомассы становиться максимальной, по окончании этого периода, в то время как абсолютная скорость лишь незначительно увеличиваться. Длительность лаг-фазы зависит как от внешних условий так и от возраста бактерий и их видовой специфичности. Как правило чем полноценней среда, тем короче лаг-фаза. Изменение в химическом составе бактериальной клетки выражается в накоплении запасных питательных веществ и в резком повышении содержания РНК (в 8-12 раз), что свидетельствует об интенсивном синтезе ферментов, необходимых для дальнейшего роста и развития клетки.
Фаза – ускорение роста.
Характеризуется постоянной относительной скоростью деления клеток. В этот период число клеток возрастает по экспоненте. Удельная скорость остается постоянной и максимальной, а абсолютная скорость быстро возрастает. Скорость деления клеток в фазе ускоренного роста является максимальной для них, причем для различных видов бактерий и условий окружающей среды эта скорость различна, так например, кишечная палочка в этой фазе делится каждые 20 минут, для некоторых почвенных бактерий время генерации 60-150 минут, а у нитрифицирующих бактерий 5-10 часов. В течении этой фазы величина клеток и их химический состав остаются постоянными.
Фаза – линейного роста.
Эта фаза характеризуется резким снижением удельной скорости роста, т.е. увеличением времени генерации. Причиной этому служит начинающийся дефицит питательных веществ и избыточное содержание в среде продуктов обмена, которые в определенной концентрации негативно влияют на рост популяции. В этот период количество бактерий увеличивается линейно, а абсолютная скорость достигает максимума.
Фаза – замедление роста.
В этот период дефицит питательных веществ и концентрации продуктов обмена продолжают увеличиваться, что сказывается на падении абсолютной и относительной скоростей роста. Увеличение количества клеток постепенно замедляется и к концу фазы и к концу фазы приближается к максимуму. В этот период характеристика отмирания части наименее приспособленных клеток.
II, III и IV фазы объединяются в одну фазу роста.
Фаза- стационарная.
В течение этой фазы количество живых клеток в культуре сохраняется примерно постоянным, т.к. число вновь образующихся клеток равно числу отмирающих. Абсолютная и относительная скорости роста приближаются к нулевой отметке. Отмирание или выживание бактерий в этой фазе не является случайными событиями. Выживают как правило те клетки, которые способны качественно перестроить свой обмен веществ. Для всех бактерий в этой фазе характерно использование запасенных веществ, распад части клеточных веществ, биомассы статической культуры в этой фазе достигает максимума и поэтому называется выходом или урожаем культуры. количество урожая зависит от видовой принадлежности микроорганизмов, от природы и количества питательных веществ, а так же от условий культивирования. В микробных производствах проточные микробные культуры поддерживают в стационарной фазе развития.
Фаза – отмирание.
Эта фаза наступает в тот момент когда концентрация какого либо из необходимых клеткам питательных веществ, падает до условного нуля, или когда какой-либо продукт обмена достигает такой концентрации в среде, при которой он токсичен для большинства клеток. Абсолютная и удельная скорости роста отрицательны, что говорит об отсутствии деления клеток.
Потребности прокариот в питательных веществах.
Бактерии кик и все живые организмы нуждаються в питательных веществах необходимых для синтеза основных клеточных компонентов, которые могут быть синтезированы клеткой или поступать в готовом виде.
Чем больше готовых соединений должен получать организм извне, тем ниже уровень его биосинтетических способностей, т.к. химическая организация всех живущих форм одинакова.
Источники углерода.
В конструктивном метаболизме основная роль принадлежит углероду. В зависимости от источника углерода для конструктивного метаболизма все прокариоты делятся на:
Автотрофов – организмы способные синтезировать все компоненты клетки из углекислого газа, воды и минеральных веществ.
Гетеротрофы
– источником углерода для конструктивного метаболизма служат органические соединения.
Степени гетеротрофии.
Сапрофиты (сапрос – гнилой, греч.)
Гетеротрофные организмы, которые непосредственно от других организмов не зависят, но нуждаются в готовых органических соединениях. Они используют продукты жизнедеятельности других организмов или разлагающиеся растительные и животные ткани. К сапрофитам относятся большая часть бактерий.
Степень требовательности к субстрату у сапрофитов весьма различна.
В эту группу входят организмы которые могут расти только на достаточно сложных субстратах (молоко, трупы животных, гниющие растительные остатки), т.е. им нужны в качестве обязательных элементов питания углеводы, органические формы азота в виде кабера аминокислот, пентуров, белков, все или часть витаминов, нуклеотиды, или готовые
компоненты необходимые для синтеза последних (азотистые основания, пятиуглеродные сахара). Чтобы удовлетворить потребности этих гетеротрофов в элементах питания их обычно культивируют на средах содержащих мясные или рыбные гидролизаты, автолизаты дрожжей, растительные экстракты, молочную сыворотку.
Есть прокариоты требующие для роста весьма ограниченное число готовых органических соединений, в основном из число витаминов и аминокислот, хотя они не в состоянии синтезировать сами. С другой стороны есть гетеротрофы нуждающееся только в одном органическом источнике углерода (сахар, спирт, кислота или другие углерод содержащие соединения).
Олиготрофные бактерии (олиго – мало) обитают в водоемах, способны расти при низких концентрациях в среде органических веществ (в пределах 1-15 мг. Углерода на литр).
Потребности в азоте.
Азота содержится примерно 10-14% в расчете на сухой вес клетки. В природе азот встречаеться в окисленной, восстановленной форме и в виде молекулярного азота.
Подавляющее большинство прокариот усваивают азот в восстановленной форме (соли аммония, мочевина, аминокислоты или продукты их неполного гидролиза).
Роль микроорганизмов в круговороте азота.
| ↗ | денитрофикация | ↘ |
| нитрофикация | азотофикация |
|
| ↖ | аммонофикация | ↙ |
Источники серы и фосфора.
Сера фосфор необходимы в небольших количествах 1-3% от сухой массы клетки. Сера входит в состав аминокислот, витаминов и кофакторов (биотин, коферменты и т.д.). фосфор неаобходимый компонетк нуклеиновых кислот, коферментов.
В природе сера находится в форме неорганических солей, главным образом сульфатов, молекулярной серы или в составе органических соединений. большинство прокариот потреляют серу в виде сульфата переводя её в сероводород. Основная форма фосфора в природе – фосфаты и прокариоты потребляют в основном одно или двузамещенные фосфаты.
Роль ионов металлов.
Металлы в форме катионов неорганических солей, как составная часть ферментов в достаточно высоких концентрациях необходимы: Mg, Ca, K, Fe. В небольших количествах нужны: Zn, Mn, Na, Cu, Y, Ni, Co.
Факторы роста.
Некоторые прокариоты обнаруживают потребности в одном каком-либо органическом соединении из группы витаминов, аминокислот, или азотистых оснований, которые они по каким-либо причинам не могут синтезировать. Такие органические соединения необходимы в очень не больших количествах получили название факторов роста. Организмы которые в дополнение к основным источникам углерода необходим один и больше факторов роста называеться ауксотрофами, в отличии от прототрофов синтезирующих все необходимые органические соединения из основных источников углерода.
Общая характеристика метаболизма прокариот.
Метаболизм (обмен веществ) – складывается из двух противоположных, но взаимосвязанных потоков реакций.
Энергетический метаболизм (катоболизм) – это поток реакций сопровождающейся мобилизацией энергии и преобразованием её в электрохимическую (поток электронов) и химическую (АТФ), которая затем может использоваться во всех энергозависимых процессах.
Катоболизм характерен только для групп организмов, метаболизм который связан с превращением органических соединений.
Конструктивны метаболизм (анаболизм) (биосинтезы) –это поток реакций в результате которых за счет поступающих из вне веществ строиться вещество клеток. Это процесс
связанный с потреблением свободной энергией, запасенной в химической форме в молекулах АТФ или других богатых энергией соединений.
Есть прокариоты у которых функционирует один поток превращений органических соединений углерода.
Фотолитотрофы и хемолитотрофы.
Метоболические пути состоят из множества последовательных ферментативных реакций.
На начальном этапе потребления веществ из окружающей среды молекулы служащие исходным субстратом для питания перерабатываются в дополнительном (периферическом) метаболизме.
Связь между двумя типами метаболизма.
Катаболизм и анаболизм связаны по нескольким каналам:
Основной энергетический пред. Реакции поставляют энергию необходимую для биосинтеза и других клеточных энергозависимых функций.
Биосинтетические реакции кроме энергии часто нуждаются в поступлении из вне восстановителей в виде протонов H⁺ или электронов, источником которые также служат реакции энергетического метаболизма.
Определенные промежуточные этапы – метаболиты обеих путей могут быть одинаковыми, хотя направленность потоков реакции различно. Это создает возможность для использование общих промежуточных продуктов в каждом из метаболических путей. Промежуточные вещества называются амфиболитами, а промежуточные реакции – амфиболистическими. Ключевые метаболиты образуются на пересечении метаболистичесских путей и выполняющих многообразные функции называются центроболиты.
Ферменты.
Это катализаторы биохимических реакций клетки, белковой природы.
Классификация:
По месту действия.
Эндоферменты – ферменты которые работают внутри клетки.
Экзофермены – ферменты которые клетка выделяет за свою мембрану для того что бы расщеплять крупные молекулы.
По характеру присутствия в клетке.
Конститутивные – ферменты которые в клетке всегда есть.
Индуцибельные – которые вырабатываются клеткой в ответ на поступление нового питательного вещества.
Биохимическая (международная) 1961 год.
По характеру ферментных реакций.
Оксиредуктазы – это ферменты которые катализируют окислительно-восстановительные реакции, сопровождающиеся переносом протонов и электронов.
Трансферазы – это ферменты которые катализируют реакции переноса отдельных групп.
Гидролазы – это ферменты катализирующие гидролитическое расщипление сложных органических субстратов.
Лиазы – ферменты которые катализируют не гидролитическое расщипление субстрата.
Изомеразы – катализируют реакции изомеризации.
Лигазы (синтетазы) – катализируют реакции синтеза или образов сложных органических молекул.
Механизм ферментативных реакций.
Особенности ферментативных реакций.
Особенность ферментативных раекций состоит в строгой спецефичности действия ферментов.
Специфичность – это способность реагировать только с одним веществом или группой веществ. Специфичность бывает абсолютная- фермент действует только с одним веществом, и групповая – фермент катализирует реакции с группой веществ обладающих общими структурными признаками, относительная – проявляется в том случае, когда фермент действует на определенную химическую связь, стереохимическая – когда фермент действует на определенный стереоизомер.
Многие ферменты образуют так называемы мультиферментные системы
Эти системы определяют перенос веществ н\з клеточную мембрану, реакции фотосинтеза, окислительно-восстановительные процессы в метахондриях и тд. Процесс превращения вещества с участием системы ферментов представляет собой серию последовательных реакций, каждая из которых катализирует определенный фермент.
В отличие от неорганических катализаторов ферменты отличаются кооперативностью и строгой последовательностью действия.
Каждая клетка имеет регуляторные механизмы, позволяющие ей в зависимости от потребностей изменять скорость отдельных биохимических реакций, в результате регуляции синтеза определенных ферментов или их активности. Способность подчинять такой регуляции – важная особенность ферментов.
Каталич. Активность ферментов чрезвычайно высокая.
Реакция проходит в 10¹⁰ раз быстрее некаталической.
Способы существования прокариот.
| Источник энергии | Источник электронов и протонов | Источник углерода | Способ существования микроорганизмов. |
| Свет фото- | Литотрофы Mn, Fe, H И др. неорг. соединения. | CO₂, HCO₃ автотрофы | Фотолитоавтоторофы |
| Органика, гетеротрофы | фотолитогетеротрофы |
||
| Органические вещества органотрофы | CO₂, HCO₃ автотрофы | Фотоорганоавторофы |
|
| Органика, гетеротрофы | фотоорганогетеротрофы |
||
| Химич. Связь Хемо- | Неорганч. литорофы | CO₂, HCO₃ автотрофы | Хемолитоавтрофы |
| Органика, гетеротрофы | Хемолитогетеротрофы |
||
| Органич. органотрофы | CO₂, HCO₃ автотрофы | Хемоорганоавтотровы |
|
| Органика, гетеротрофы | Хемоорганогетеротрофы |
Отношение к кислороду.
Если микроорганизмы нуждаются для осуществления окислительно-восстановительных реакций в кислороде, то их называют аэробными . Если микроорганизмы для осуществления окислительно-восстановительных реакций используются не в кислород, а окисленные соединения (NO₃, NO₂, SO₄ и т.п.), то их называют анаэробными.
Различают строгих (облигатных) аэробов или анаэробов.
Существуют так же факультативные (необязательные) аэробы и анаэробы.
Существуют группы никсотрофов (лизотрофы) – организмы способные переходить от одного способа питания к другому, или одновременно использовать 2 источника углерода и \ или 2 энергии: энергия света + энергия окисления органических хим. соединений.
Микроорганизмы и окружающая среда.
Представили прокариот разных способов существования
Фотолитоавтотрофы: цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии (+высшие растения)
Фотолитогетеротрофы: некоторые цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии.
Фотоорганоавтотрофы: некоторые пурпурные бактерии.
Фотоорганогетеротрофы: пурпурные и некоторые зеленые бактерии, галобактерии, некоторые цианобактерии.
Хемолитоавтотрофы: нитрифицирующие, теоновые, водородные ацидофильные железобактерии.
Хемолитогетеротрофы: метанообразующи, водородные бактерии.
Хемоорганоавтотрофы: факультативные литератрофы, окисляющие муравьиную кислоту.
Хемоорганогетеротрофы: большинство пркариот (+ все животные и грибы).
Физические факторы.
Температура :
Мезофиллы –микроорганизмы приспособленные к существованию в интервале средних температур (20⁰-45⁰ С). В этой группе как и в других есть организмы развивающиеся в более широком и более узком диапазоне температур и указанный интервал нельзя считать строго ограниченным.
К мезофиллам относиться большая часть микроорганизмов, в том числе и болезнетворные, причем наточенные для человека микробы имеют оптимум около 37⁰С.
Психрофилы – приспособлены к существованию про пониженных температурах (-8⁰,+20⁰С)
Большинство психрофинов способны расти при температурах характерных для мезофиллов, по этому их называют факультативными, т.е. не обязательными психрофилами.
В отличии них облигатные (обязательные) психрофилы погибают при температурах близких к +30⁰С. К данной группе относятся некоторые почвенные и морские бактерии а так же виды поточенные для морских животных и растений.
Некоторые психрофилы вызывают порчу продуктов хранящихся при пониженных температурах.
Термофилы – развиваются в зоне высоких температур 15⁰ – 75⁰С. В природе термофильные бактерии обитают в горячих источниках, молоке, почве, навозе.
Газовый состав атмосферы.
Аэробы, анаэробы. Есть узкие группы бактерий которые развиваются при избыточном содержании в воздухе некоторых газов.
^ Метан (СН₄), метанобразующие бактерии на торфяных почвах.
Водород (Н) водородные бактерии так же.
Азот (N₂) азотфиксирующие бактерии, почвенные бактерии находящиеся в симбиозе с корнями бобовых растений.
^ Сероводрод (H₂ S ) в навозных кучах болотах, в местах где много гниющей органики, сероводородные бактерии.
В разряженных частях атмосферы на высоте более 10км. Встречаются споры и жизнеспособные бактерии. На морских глубинах вплоть до 10 000 метров встречаются жизнеспособные бактерии. Есть данные, что в литосфере на глубине 5км. Так же встречаются споры и жизнеспособные бактерии.
Свет. (Смотреть фототрофов в способах сущ. прокариот.)
Биохимические факторы.
В природных условиях микроорганизмы существуют в сообществах и поэтому каждая отдельная особь испытывает влияние не только абатических факторов окружающей сред, но и подвергается воздействию факторов биохимического происхождения.
Все многообразие взяиомотношений между микроорганизмами пожно подразделить на 5 видов:
Метабиоз
Антагонизм
Из них 3 и 4 факторы являющиеся прямыми воздействиями, а 2 и 3 – косвенными воздействиями.
Симбиоз - сожительство организмов разных видов приносящее им взаимную пользу.
Азотфиктирующие бактерии и корни бобовых растений.
Метобиоз- такой тип взаимоотношений, при котором продукты жизнедеятельность жизнедеятельности одних организмов потребляются в качестве питательных веществ другими организмами.
Антогонизм- называют такие отношения когда продукты жизнедеятельности одного микроорганизма угнетают другой.
Существует 3 типа жизни:
Брожение (субстратное фосфорелирование)
Дыхание (окислительное фосфорелирование)
Фотосинтез (фотофосфорелирование)
Брожение характерно только для микроорганизмов, дыхание характерно для консументов и микроорганизмов, фотосинтез характерен для растений и микроорганизмов.
Брожение – самый древний тип жизни характерен тем, что расщепление углеродов происходит в акаэробных условиях. В зависимости от конечного продукта брожения различают спиртовое брожение, уксусно-кислое, пропионово-кислое, молочно-кислое, масляно-кислое и др.
Гликолиз – сбраживание углеродов.
1стадия происходит накопление простых сахаров и их превращение в глицеральдегидрофосфат.
Происходит расходование АТФ
Глюкоза С₆
Глюкоза 6 фосфор
Глюкоза 1-6 фосфат
2 глицеральдегидрофосфат
2 стадия:
Происходит окисление – восстановление триоз и существующее образование АТФ
Фн (фосфор не органический)+ глицеральдегирофосфат
1-3 дифосфоглицерат
3 фосфоглицерат
2 фосфоглицерат
Фосфоенолпируват.
Пируват (правиноградная кислота)
Спирт, молочная кислота и т.д.
^
Энергетический выход гликолиза
2 молекулы АТФ образуется при расщеплении 1 молекулы глюкозы
Дыхание
Процесс дыхания происходит в аэробных условиях. Происходит окисление углеродов за счет кислорода.
Цикл Кребса. См приложение 2.
Фотосинтез
Происходит образование углеродов из углекислого газа за счет энергии квантов света. См прил.3
Смысл – запасание энергии квантов света, химических связей триоз и образование тексоз.
Приложение
Микробиология изучает строение, жизнедеятельность, условия жизни и развития мельчайших организмов, называемых микробами, или микроорганизмами.
«Невидимые, они постоянно сопровождают человека, вторгаясь в его жизнь то как друзья, то как враги», — сказал академик В. Л. Омельянский. Действительно, микробы есть везде: в воздухе, в воде и в почве, в организме человека и животных. Они могут быть полезны, и их используют в производстве многих пищевых продуктов. Они могут быть вредны, вызывать заболевания людей, порчу продуктов и др.
Микробы были открыты голландцем А. Левенгуком (1632-1723) в конце XVII в., когда он изготовил первые линзы, дававшие увеличение в 200 и более раз. Увиденный микромир поразил его, Левенгук описал и зарисовал микроорганизмы, обнаруженные им на различных объектах. Он положил начало описательному характеру новой науки. Открытия Луи Пастера (1822-1895) доказали, что микроорганизмы отличаются не только формой и строением, но и особенностями жизнедеятельности. Пастер установил, что дрожжи вызывают спиртовое брожение, а некоторые микробы способны вызывать заразные болезни людей и животных. Пастер вошел в историю как изобретатель метода вакцинации против бешенства и сибирской язвы. Всемирно известен вклад в микробиологию Р. Коха (1843-1910) — открыл возбудителей туберкулеза и холеры, И. И. Мечникова (1845-1916) — разработал фагоцитарную теорию иммунитета, основоположника вирусологии Д. И. Ивановского (1864-1920), Н. Ф. Гамалея (1859-1940) и многих других ученых.
Классификация и морфология микроорганизмов
Микробы - это мельчайшие, преимущественно одноклеточные живые организмы, видимые только в микроскоп. Размер микроорганизмов измеряется в микрометрах — мкм (1/1000 мм) и нанометрах — нм (1/1000 мкм).
Микробы характеризуются огромным разнообразием видов, отличающихся строением, свойствами, способностью существовать в различных условиях среды. Они могут быть одноклеточными, многоклеточными и неклеточными.
Микробы подразделяют на бактерии, вирусы и фаги, грибы, дрожжи. Отдельно выделяют разновидности бактерий — риккетсии, микоплазмы, особую группу составляют простейшие (протозои).
Бактерии
Бактерии — преимущественно одноклеточные микроорганизмы размером от десятых долей микрометра, например микоплазмы, до нескольких микрометров, а у спирохет — до 500 мкм.
Различают три основные формы бактерий — шаровидные (кокки), палочковидные (бациллы и др.), извитые (вибрионы, спирохеты, спириллы) (рис. 1).
Шаровидные бактерии (кокки) имеют обычно форму шара, но могут быть немного овальной или бобовидной формы. Кокки могут располагаться поодиночке (микрококки); попарно (диплококки); в виде цепочек (стрептококки) или виноградных гроздьев (стафилококки), пакетом (сарцины). Стрептококки могут вызывать ангину и рожистое воспаление, стафилококки — различные воспалительные и гнойные процессы.
Рис. 1. Формы бактерий: 1 — микрококки; 2 — стрептококки; 3 — сардины; 4 — палочки без спор; 5 — палочки со спорами (бациллы); 6 — вибрионы; 7- спирохеты; 8 — спириллы (с жгутиками); стафилококки
Палочковидные бактерии самые распространенные. Палочки могут быть одиночными, соединяться попарно (диплобактерии) или в цепочки (стрептобактерии). К палочковидным относятся кишечная палочка, возбудители сальмонеллеза, дизентерии, брюшного тифа, туберкулеза и др. Некоторые палочковидные бактерии обладают способностью при неблагоприятных условиях образовывать споры. Спорообразующие палочки называют бациллами. Бациллы, напоминающие по форме веретено, называют клостридиями.
Спорообразование представляет собой сложный процесс. Споры существенно отличаются от обычной бактериальной клетки. Они имеют плотную оболочку и очень малое количество воды, им не требуются питательные вещества, а размножение полностью прекращается. Споры способны длительно выдерживать высушивание, высокие и низкие температуры и могут находиться в жизнеспособном состоянии десятки и сотни лет (споры сибирской язвы, ботулизма, столбняка и др.). Попав в благоприятную среду, споры прорастают, т. е. превращаются в обычную вегетативную размножающуюся форму.
Извитые бактерии могут быть в виде запятой — вибрионы, с несколькими завитками — спириллы, в виде тонкой извитой палочки — спирохеты. К вибрионам относится возбудитель холеры, а возбудитель сифилиса — спирохета.
Бактериальная клетка имеет клеточную стенку (оболочку), часто покрытую слизью. Нередко слизь образует капсулу. Содержимое клетки (цитоплазму) отделяет от оболочки клеточная мембрана. Цитоплазма представляет собой прозрачную белковую массу, находящуюся в коллоидном состоянии. В цитоплазме находятся рибосомы, ядерный аппарат с молекулами ДНК, различные включения запасных питательных веществ (гликогена, жира и др.).
Микоплазмы - бактерии, лишенные клеточной стенки, нуждающиеся для своего развития в ростовых факторах, содержащихся в дрожжах.
Некоторые бактерии могут двигаться. Движение осуществляется с помощью жгутиков — тонких нитей разной длины, совершающих вращательные движения. Жгутики могут быть в виде одиночной длинной нити или в виде пучка, могут располагаться по всей поверхности бактерии. Жгутики есть у многих палочковидных бактерий и почти у всех изогнутых бактерий. Шаровидные бактерии, как правило, не имеют жгутиков, они неподвижны.
Размножаются бактерии делением на две части. Скорость деления может быть очень высокой (каждые 15-20 мин), при этом количество бактерий быстро возрастает. Такое быстрое деление наблюдается на пищевых продуктах и других субстратах, богатых питательными веществами.
Вирусы
Вирусы — особая группа микроорганизмов, не имеющих клеточного строения. Размеры вирусов измеряются нанометрами (8-150 нм), поэтому их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Некоторые вирусы состоят только из белка и одной из нуклеиновых кислот (ДНК или РНК).
Вирусы вызывают такие распространенные болезни человека, как грипп, вирусный гепатит, корь, а также болезни животных — ящур, чуму животных и многие другие.
Вирусы бактерий называют бактериофагами , вирусы грибов - микофагами и т. п. Бактериофаги встречаются повсюду, где есть микроорганизмы. Фаги вызывают гибель микробной клетки и могут использоваться для лечения и профилактики некоторых инфекционных заболеваний.
Грибы являются особыми растительными организмами, которые не имеют хлорофилла и не синтезируют органические вещества, а нуждаются в готовых органических веществах. Поэтому грибы развиваются на различных субстратах, содержащих питательные вещества. Некоторые грибы способны вызывать болезни растений (рак и фитофтора картофеля и др.), насекомых, животных и человека.
Клетки грибов отличаются от бактериальных наличием ядер и вакуолей и похожи на растительные клетки. Чаще всего они имеют форму длинных и ветвящихся или переплетающихся нитей - гифов. Из гифов образуется мицелий, или грибница. Мицелий может состоять из клеток с одним или несколькими ядрами или быть неклеточным, представляя собой одну гигантскую многоядерную клетку. На мицелии развиваются плодовые тела. Тело некоторых грибов может состоять из одиночных клеток, без образования мицелия (дрожжи и др.).
Грибы могут размножаться разными путями, в том числе вегетативным путем в результате деления гиф. Большинство грибов размножаются бесполым и половым путями при помощи образования специальных клеток размножения - спор. Споры, как правило, способны длительно сохраняться во внешней среде. Созревшие споры могут переноситься на значительные расстояния. Попадая в питательную среду, споры быстро развиваются в гифы.
Обширную группу грибов представляют плесневые грибы (рис. 2). Широко распространенные в природе, они могут расти на пищевых продуктах, образуя хорошо видные налеты разной окраски. Причиной порчи продуктов часто являются мукоровые грибы, образующие пушистую белую или серую массу. Мукоровый гриб ризопус вызывает «мягкую гниль» овощей и ягод, а гриб ботритис покрывает налетом и размягчает яблоки, груши и ягоды. Возбудителями плесневения продуктов могут быть грибы из рода пениииллиум.
Отдельные виды грибов способны не только приводить к порче продуктов, но и вырабатывать токсические для человека вещества — микотоксины. К ним относятся некоторые виды грибов рода аспергиллус, рода фузариум и др.
Полезные свойства отдельных видов грибов используют в пищевой и фармацевтической промышленности и других производствах. Например, грибы рода пениииллиум применяются для получения антибиотика пенициллина и в производстве сыров (рокфора и камамбера), грибы рода аспергиллус — в производстве лимонной кислоты и многих ферментных препаратов.
Актиномицеты — микроорганизмы, имеющие признаки и бактерий, и грибов. По строению и биохимическим свойствам актиномицеты аналогичны бактериям, а по характеру размножения, способности образовывать гифы и мицелий похожи на грибы.
Рис. 2. Виды плесневых грибов: 1 — пениииллиум; 2- аспергиллус; 3 — мукор.
Дрожжи
Дрожжи — одноклеточные неподвижные микроорганизмы размером не более 10-15 мкм. Форма клетки дрожжей бывает чаще круглой или овальной, реже палочковидной, серповидной или похожей на лимон. Клетки дрожжей своим строением похожи на грибы, они также имеют ядро и вакуоли. Размножение дрожжей происходит почкованием, делением или спорами.
Дрожжи широко распространены в природе, их можно обнаружить в почве и на растениях, на пищевых продуктах и различных отходах производства, содержащих сахара. Развитие дрожжей в пищевых продуктах может приводить к их порче, вызывая брожение или закисание. Некоторые виды дрожжей обладают способностью превращать сахар в этиловый спирт и углекислый газ. Этот процесс называется спиртовым брожением и широко используется в пищевой промышленности и виноделии.
Некоторые виды дрожжей кандида вызывают заболевание человека — кандидоз.
Микробиологией называют науку о микроскопических живых существах, размер которых не превышает 1 мм. Такие организмы можно рассмотреть только с помощью увеличительных приборов. Объектами микробиологии являются представители разных групп живого мира: бактерии, археи, простейшие, микроскопические водоросли, низшие грибы. Все они характеризуются малыми размерами и объединяются общим термином «микроорганизмы».
Микроорганизмы представляют собой самую большую группу живых существ на Земле, и ее члены распространены повсеместно.
Место микробиологии в системе биологических наук определяется спецификой ее объектов, которые, с одной стороны, в большинстве своем представляют собой одну клетку, а с другой - являются полноценным организмом. Как наука об определенном классе объектов и их разнообразии микробиология аналогична таким дисциплинам, как ботаника и зоология. В то же время она относится к физиолого-биохимической ветви биологических дисциплин, так как изучает функциональные возможности микроорганизмов, их взаимодействие с окружающей средой и другими организмами. И наконец, микробиология - это наука, исследующая общие фундаментальные законы существования всего живого, явления на стыке одно- и многоклеточности, развивающая представления об эволюции живых организмов.
Значение микроорганизмов в природных процессах и человеческой деятельности
Роль микробиологии определяется значением микроорганизмов в природных процессах и в человеческой деятельности. Именно они обеспечивают протекание глобального круговорота элементов на нашей планете. Такие его стадии, как фиксация молекулярного азота, денитрификация или минерализация сложных органических веществ, были бы невозможны без участия микроорганизмов. На деятельности микроорганизмов основан целый ряд необходимых человеку производств продуктов питания, различных химических веществ, лекарственных препаратов и т.д. Микроорганизмы используются для очистки окружающей среды от различных природных и антропогенных загрязнений. В то же время многие микроорганизмы являются возбудителями заболеваний человека, животных, растений, а также вызывают порчу продуктов питания и различных промышленных материалов. Представители других научных дисциплин часто используют микроорганизмы в качестве инструментов и модельных систем при проведении экспериментов.
История микробиологии
История микробиологии исчисляется 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 и эритроциты, строение сосудов растений и животных, особенности развития мелких насекомых. Достигнутое увеличение (50-300 раз) позволило Левенгуку увидеть микроскопические существа, названные им «зверушками», описать их основные группы, а также сделать вывод о том, что они вездесущи. Свои заметки о представителях мира микробов (простейших, плесневых грибах и дрожжах, различных формах бактерий - палочковидных, сферических, извитых), о характере их движения и устойчивых сочетаниях клеток Левенгук сопровождал тщательными зарисовками и в виде писем направлял в Английское Королевское общество, которое имело целью поддерживать обмен информацией среди научной общественности. 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.
Физиологический этап развития микробиологии начался приблизительно с середины 19-го века и связан он с работами французского химика-кристаллографа Луи Пастера (1822-1895) и немецкого сельского врача Роберта Коха (1843-1910). Эти ученые положили начало экспериментальной микробиологии и существенно обогатили методологический арсенал этой науки.
При исследовании причин прокисания вина Л.Пастер установил, что сбраживание виноградного сока и образование спирта осуществляют дрожжи, а порчу вина (появление посторонних запахов, вкусов и ослизнение напитка) вызывают другие микробы. Для предохранения вина от порчи Пастер предложил способ тепловой обработки (нагревание до 70 о С) сразу после брожения, чтобы уничтожить посторонние бактерии. Такой прием, применяемый и сегодня для предохранения молока, вина и пива, получил название «пастеризация».
Исследуя другие виды брожения, Пастер показал, что каждое брожение имеет главный конечный продукт и вызывается микроорганизмами определенного типа. Эти исследования привели к открытию неизвестного ранее образа жизни - анаэробного (бескислородного) метаболизма , при котором кислород не только не нужен, но и часто вреден для микроорганизмов. В то же время для значительного числа аэробных микроорганизмов кислород является необходимым условием их существования. Изучая на примере дрожжей возможность переключения с одного типа обмена веществ на другой, Л.Пастер показал, что анаэробный метаболизм энергетически менее выгоден. Микроорганизмы, способные к такому переключению, он назвал факультативными анаэробами .
Пастер окончательно опроверг возможность самозарождения живых существ из неживой материи в обычных условиях. 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.
Работы по изучению «болезней» вина позволили ученому предположить, что возбудителями инфекционных заболеваний животных и человека также могут быть микроорганизмы. Пастер выделил возбудителей ряда болезней и изучил их свойства. Опыты с патогенными микроорганизмами показали, что при определенных условиях они становились менее агрессивными и не убивали зараженный организм. Пастер сделал вывод о возможности прививать ослабленных возбудителей 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. Пастер разработал способы прививок против ряда опасных заболеваний животных и человека, в том от бешенства.
Роберт Кох, начав с доказательства бактериальной этиологии сибирской язвы, затем выделил возбудителей многих болезней в чистой культуре. В своих экспериментах он использовал мелких подопытных животных, а также наблюдал под микроскопом развитие бактериальных клеток в кусочках тканей зараженных мышей. Кохом были разработаны способы выращивания бактерий вне организма, различные методы окраски препаратов для микроскопии и предложена схема получения чистых культур микроорганизмов на твердых средах в виде отдельных колоний. Эти простые приемы до сих пор используются микробиологами всего мира. Кох окончательно сформулировал и экспериментально подтвердил постулаты, доказывающие микробное происхождение заболевания:
- микроорганизм должен присутствовать в материале больного;
- выделенный в чистой культуре, он должен вызывать ту же болезнь у экспериментально зараженного животного;
- 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. Именно споры в течение длительного времени способны заражать скот и в тех местах, где ранее находились больные животные или устраивались скотомогильники.
В 1909 г. за труды по иммунитету русский физиолог Илья Ильич Мечников (1845-1916) и немецкий врач-биохимик Пауль Эрлих (1854—1915) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
И.И.Мечников разработал фагоцитарную теорию иммунитета, рассматривавшую процесс поглощения лейкоцитами животных чужеродных агентов как защитную реакцию макроорганизма. Инфекционное заболевание представлялось в этом случае как противостояние патогенных микроорганизмов и фагоцитов организма-хозяина, а выздоровление означало «победу» фагоцитов. В дальнейшем, работая в бактериологических лабораториях сначала в Одессе, а потом в Париже, И.И.Мечников продолжал изучение фагоцитоза, а также принимал участие в исследовании возбудителей сифилиса, холеры и других инфекционных заболеваний и разработке ряда вакцин. На склоне лет И.И.Мечников заинтересовался проблемами старения человека и обосновал полезность использования в пище больших количеств кисломолочных продуктов, содержащих «живые» закваски. Он пропагандировал использование суспензии молочнокислых микроорганизмов, утверждая, что такие бактерии и образуемые ими молочнокислые продукты способны подавлять гнилостные микроорганизмы, производящие вредные шлаки в кишечнике человека.
П.Эрлих, занимаясь экспериментальной медициной и биохимией лекарственных соединений, сформулировал гуморальную теорию иммунитета, согласно которой макроорганизм для борьбы с инфекционными агентами производит специальные химические вещества - антитела и антитоксины, нейтрализующие микробные клетки и выделяемые ими агрессивные субстанции. П.Эрлих разработал методы лечения ряда инфекционных заболеваний и участвовал в создании препарата для борьбы с сифилисом (сальварсана). Ученый первым описал феномен приобретения патогенными микроорганизмами устойчивости к лекарственным препаратам.
Русский эпидемиолог Николай Федорович Гамалея (1859-1948) изучал пути передачи и распространения таких серьезных инфекций как бешенство, холера, оспа, туберкулез, сибирская язва и некоторые заболевания животных. Им усовершенствован разработанный Л.Пастером способ профилактических прививок и предложена вакцина против холеры человека. Ученый разработал и внедрил комплекс санитарно-гигиенических и противоэпидемических мероприятий по борьбе с чумой, холерой, оспой, сыпным и возвратным тифами и другими инфекциями. Н.Ф.Гамалея открыл вещества, растворяющие бактериальные клетки (бактериолизины), описал явление бактериофагии (взаимодействия вирусов и бактериальной клетки) и внес существенный вклад в изучение микробных токсинов.
Признание огромной роли микроорганизмов в биологически важных круговоротах элементов на Земле связано с именами русского ученого Сергея Николаевича Виноградского (1856-1953) и голландского исследователя Мартинуса Бейеринка (1851-1931). Эти ученые изучали группы микроорганизмов, способных осуществлять химические превращения основных элементов и участвовать в биологически важных круговоротах на Земле. С.Н.Виноградский работал с микроорганизмами, использующими неорганические соединения серы, азота, железа и открыл уникальный образ жизни, свойственный только прокариотам, при котором для получения энергии используется восстановленное неорганическое соединение, а для биосинтезов - углерод углекислого газа. Ни животные, ни растения не могут существовать таким способом.
С.Н.Виноградский и М.Бейеринк независимо друг от друга показали способность некоторых прокариот использовать атмосферный азот в своем обмене веществ (фиксировать молекулярный азот). Ими были выделены в виде чистых культур свободноживущие и симбиотические микробы-азотфиксаторы и отмечена глобальная роль таких микроорганизмов в цикле азота. Только прокариотические микроорганизмы могут переводить газообразный азот в связанные формы, используя его для синтеза компонентов клетки. После отмирания азотфиксаторов соединения азота становятся доступными для других организмов. Таким образом, азотфиксирующие микроорганизмы замыкают биологический круговорот азота на Земле.
На рубеже XIX-XX веков русский физиолог растений и микробиолог Дмитрий Иосифович Ивановский (1864-1920) открыл вирус табачной мозаики, тем самым обнаружив особую группу биологических объектов, не имеющих клеточного строения. При исследовании инфекционной природы мозаичной болезни табака ученый попытался очистить сок растения от возбудителя, пропуская его через бактериальный фильтр. Однако после этой процедуры сок был способен заражать здоровые растения, т.е. возбудитель оказался гораздо меньше всех известных микроорганизмов. В дальнейшем оказалось, что целый ряд известных заболеваний вызывается подобными возбудителями. Их назвали вирусами. Увидеть вирусы удалось только в электронный микроскоп. Вирусы являются особой группой биологических объектов, не имеющих клеточного строения, изучением которых в настоящее время занимается наука вирусология.
В 1929 г. английским бактериологом и иммунологом Александром Флемингом (1881-1955) был открыт первый антибиотик пенициллин. Ученый интересовался вопросами развития инфекционных болезней и действия на них различных химических препаратов (сальварсана, антисептиков). Во время Первой мировой войны в госпиталях раненые сотнями умирали от заражения крови. Повязки с антисептиками лишь немного облегчали состояние больных. Флеминг поставил опыт, создав модель рваной раны из стекла и заполнив ее питательной средой. В качестве «микробного загрязнения» он использовал навоз. Промывая стеклянную «рану» раствором сильного антисептика и затем заполняя ее чистой средой Флеминг показал, что антисептики не убивают микроорганизмы в неровностях «раны» и не останавливают инфекционный процесс. Осуществляя множество посевов на твердые среды в чашках Петри, ученый проверял антимикробный эффект различных выделений человека (слюны, слизи, слезной жидкости) и открыл лизоцим, убивающий некоторые болезнетворные бактерии. Чашки с посевами сохранялись Флемингом длительное время и многократно просматривались. В тех чашках, куда случайно попали споры грибов и выросли колонии плесени, ученый заметил отсутствие роста бактерий вокруг этих колоний. Специально поставленные эксперименты показали, что вещество, выделяемое плесневым грибом из рода Penicillium губительно для бактерий, но не опасно для подопытных животных. Флеминг назвал это вещество пенициллином. Использование пенициллина в качестве лекарства стало возможным только после выделения его из питательного бульона и получения в химически чистом виде (в 1940 г.), что в дальнейшем привело к разработке целого класса лекарственных препаратов, названных антибиотиками. Начались активные поиски новых продуцентов антимикробных веществ и выделение новых антибиотиков. Так, в 1944 г. американский микробиолог Зельман Ваксман (1888-1973) получил с помощью ветвящихся бактерий рода Streptomyces широко применяемый антибиотик стрептомицин.
Ко второй половине XIX века микробиологами был накоплен огромный материал, свидетельствующий о чрезвычайном разнообразии типов микробного обмена веществ. Изучению многообразия жизненных форм и выявлению их общих черт посвящены работы голландского микробиолога и биохимика Алберта Яна Клюйвера (1888-1956) и его учеников. Под его руководством было проведено сравнительное изучение биохимии далеко отстоящих друг от друга систематических и физиологических групп микроорганизмов, а также анализ данных физиологии и генетики. Эти работы позволили делать вывод об однотипности макромолекул, составляющих все живое, и об универсальности биологической «энергетической валюты» - молекул АТФ. Разработка общей схемы метаболических путей в значительной степени базируется на исследованиях фотосинтеза высших растений и бактерий, проведенных учеником А.Я.Клюйвера Корнелиусом ван Нилем (1897-1985). К. ван Ниль изучил обмен веществ различных фотосинтезирующих прокариот и предложил обобщающее суммарное уравнение фотосинтеза: CO 2 +H 2 A+ һν → (CH 2 O) n +A, где H 2 A - либо вода, либо другое окисляемое вещество. Такое уравнение предполагало, что именно вода, а не углекислый газ, разлагается при фотосинтезе с выделением кислорода. К середине XX века выводы А.Я.Клюйвера и его учеников (в частности, К. ван Ниля) легли в основу принципа биохимического единства жизни.
Развитие отечественной микробиологии представлено различными направлениями и деятельностью многих известных ученых. Целый ряд научных учреждений нашей страны носит имена многих из них. Так, Лев Семенович Ценковский (1822-1877) изучил большое число простейших, микроводорослей, низших грибов и сделал вывод об отсутствии четкой границы между одноклеточными животными и растениями. Он также разработал способ прививки против сибирской язвы с применением «живой вакцины Ценковского» и организовал пастеровскую станцию вакцинации в Харькове. Георгий Норбертович Габричевский (1860-1907) предложил способ лечения дифтерии с помощью сыворотки и участвовал в создании производства бактериальных препаратов в России. Ученик С.Н.Виноградского Василий Леонидович Омелянский (1867-1928) исследовал микроорганизмы, участвующие в превращениях соединений углерода, азота, серы и в процессе анаэробного разложения целлюлозы. Его работы расширили представления о деятельности микроорганизмов почвы. В.Л.Омелянский предложил схемы круговоротов биогенных элементов в природе. Георгий Адамович Надсон (1867-1939) сначала занимался микробной геохимической деятельностью и воздействием различных повреждающих факторов на микробные клетки. В дальнейшем его работы были посвящены изучению наследственности и изменчивости микроорганизмов и получению устойчивых искусственных мутантов низших грибов под действием излучений. Одним из основоположников морской микробиологии является Борис Лаврентьевич Исаченко (1871-1948). Им была высказана гипотеза о биогенном происхождении месторождений серы и кальция. 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 Зинаиды Виссарионовны 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. Ею был создан и применен для профилактики препарат холерного бактериофага, а в дальнейшем - и комплексный препарат против холеры, дифтерии и брюшного тифа. Применение лизоцима в медицинской практике основано на работах З.В.Ермольевой по обнаружению новых растительных источников лизоцима, установлению его химической природы, разработке метода выделения и концентрирования. Получение отечественного штамма продуцента пенициллина и организация промышленного производства препарата пенициллина-крустозина в годы Великой Отечественной войны - это неоценимая заслуга З.В.Ермольевой. Эти исследования явились импульсом для поиска и селекции отечественных продуцентов других антибиотиков (стрептомицина, тетрациклина, левомицетина, экмолина). Работы Николая Александровича 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, Елена Николаевна 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 СО 2 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 и т.д.). В настоящее время многие микробиологические исследования проводятся совместно специалистами разных биологических дисциплин. Многочисленные достижения микробиологии конца XX - начала XXI веков будут кратко изложены в соответствующих разделах учебника.
Основные направления в современной микробиологии.
Уже к концу XIX века микробиология в зависимости от выполняемых задач начинает подразделяться на ряд направлений. Так, исследования основных законов существования микроорганизмов и их разнообразия относят к общей микробиологии, а частная микробиология изучает особенности их разных групп. Задача природоведческой микробиологии - выявление способов жизнедеятельности микроорганизмов в естественных местах обитания и их роли в природных процессах. Особенности болезнетворных микроорганизмов, вызывающих заболевания человека и животных, и их взаимодействие с организмом хозяина изучают медицинская и ветеринарная микробиология, а микробные процессы в земледелии и животноводстве исследует сельскохозяйственная микробиология. Почвенная, морская, космическая и т.д. микробиология - это разделы, посвященные свойствам специфических для этих природных сред микроорганизмам и процессам, с ними связанным. И наконец, промышленная (техническая) микробиология как часть биотехнологии изучает свойства микроорганизмов, используемых для различных производств. В то же время от микробиологии отделяются новые научные дисциплины, занимающиеся изучением определенных более узких групп объектов (вирусология, микология, альгология и др.). В конце XX века усиливается интеграция биологии наук и многие исследования происходят на стыке дисциплин, образуя такие направления, как молекулярная микробиология, генная инженерия и др.
В современной микробиологии можно выделить несколько основных направлений. С развитием и совершенствованием методологического арсенала биологии активизировались фундаментальные микробиологические исследования, посвященные выяснению путей метаболизма и способов их регуляции. Бурно развивается систематика микроорганизмов, ставящая цель создать такую классификацию объектов, которая отражала бы место микроорганизмов в системе всего живого, родственные связи и эволюцию живых существ, т.е. осуществить построение филогенетического древа. Изучение роли микроорганизмов в природных процессах и антропогенных системах (экологическая микробиология) крайне актуально в связи с повышенным интересом к современным экологическим проблемам. Значительное внимание привлекают исследования популяционной микробиологии, занимающейся выяснением природы межклеточных контактов и способов взаимодействия клеток в популяции. Не теряют актуальности те направления микробиологии, которые связаны с применением микроорганизмов в человеческой деятельности.
Дальнейшее развитие микробиологии в XXI веке наряду с накоплением фундаментальных знаний призвано помочь решению ряда глобальных проблем человечества. В результате варварского отношения к природе и повсеместного загрязнения окружающей среды антропогенными отходами возник значительный дисбаланс в круговоротах веществ на нашей планете. Только микроорганизмы, обладая широчайшими метаболическими возможностями, высокой пластичностью обмена веществ и значительной устойчивостью к повреждающим факторам, могут преобразовать стойкие и токсичные загрязнения в безвредные для природы соединения, а в ряде случаев и в пригодные для дальнейшего использования человеком продукты. Тем самым понизится выброс так называемых «парниковых газов» и стабилизируется газовый состав атмосферы Земли. Осуществляя защиту окружающей среды от загрязнений, микроорганизмы одновременно будут способствовать постоянству глобального круговорота элементов. Микроорганизмы, развиваясь на отходах промышленности и сельского хозяйства, могут служить альтернативными источниками топлива (биогаза, биоэтанола и других спиртов, биоводорода и т.д.). Это позволит решить энергетические проблемы человечества, связанные с истощением полезных ископаемых (нефти, угля, природного газа, торфа). Восполнение продовольственных ресурсов (особенно белковых) возможно путем введения в рацион питания дешевой микробной биомассы быстрорастущих штаммов, полученной на отходах пищевой промышленности или на очень простых средах. Сохранению здоровья человеческой популяции будут способствовать не только тщательное изучение свойств патогенных микроорганизмов и выработка методов защиты от них, но и переход на «природные лекарства» (пробиотики), повышающие иммунный статус человеческого организма.
Наука о формах, сочетаниях и размерах клеток микроорганизмов, их дифференциации, а также размножении и развитии. - наука о многообразии микроорганизмов и их классификации по степени родства. В настоящее время в основу систематики микроорганизмов положены молекулярно-биологические методы.- наука об обмене веществ (метаболизме) микроорганизмов, включающая способы потребления питательных веществ, их разложение, синтез веществ, а также способы получения микроорганизмами энергии в результате процессов брожения , анаэробного дыхания , аэробного дыхания и фотосинтеза .
Рекомендуемая литература
Поль де Крюи. Охотники за микробами. Научно-популярное издание.
Гучев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. Учебник для ВУЗов.
Нетрусов А.И., Котова И.Б. Общая микробиология. Учебник для ВУЗов.
Нетрусов А.И., Котова И.Б. Микробиология. Учебник для ВУЗов.
Практикум по микробиологии. Под ред. А.И. Нетрусова. Учебное пособие для ВУЗов.
Экология микроорганизмов. Под ред. А.И. Нетрусова. Учебное пособие для ВУЗов.
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. Научное издание.
Колотилова Н.Н., Заварзин Г.А. Введение в природоведческую микробиологию. Учебное пособие для ВУЗов.
Кондратьева Е.Н. Автотрофные прокариоты. Учебное пособие для ВУЗов.
Егоров Н.С. Основы учения об антибиотиках. Учебник для ВУЗов.
Промышленная микробиология. Под ред. Н.С. Егорова. Учебное пособие для ВУЗов.
