Микробиология

Микробиология — это наука, изучающая микроорганизмы (микробов), их морфологию, физиологию, генетику, систематику, экологию и взаимоотношения с другими организмами. К объектам микробиологии относятся бактерии, археи, микроскопические грибы и водоросли, простейшие, вирусы, а также прионы — инфекционные белковые частицы. Микробиология является фундаментальной биологической дисциплиной, имеющей ключевое значение для медицины, сельского хозяйства, промышленности и экологии.

История микробиологии

Донаучный период

Наблюдения о роли невидимых глазу организмов в процессах брожения и гниения встречаются ещё в трудах античных философов (например, Лукреция Кара). Однако до XVII века существование микроорганизмов оставалось гипотетическим, так как отсутствовали технические средства для их наблюдения.

Период описательной микробиологии (XVII — середина XIX века)

Основоположником микробиологии как науки считается голландский натуралист Антони ван Левенгук (1632–1723). Изготовив микроскопы с увеличением до 300 раз, он впервые обнаружил и зарисовал бактерии, простейших и сперматозоиды, назвав их «анималькули». Работы Левенгука положили начало морфологическому этапу микробиологии, когда учёные в основном описывали внешний вид и размеры микроорганизмов.

Золотой век микробиологии (вторая половина XIX — начало XX века)

Этот период связан с именами Луи Пастера (1822–1895) и Роберта Коха (1843–1910). Пастер опроверг теорию самозарождения жизни, доказав, что микроорганизмы возникают только из других микроорганизмов (принцип «всё живое из живого»). Он разработал метод пастеризации, создал вакцины против сибирской язвы, куриной холеры и бешенства. Кох ввёл в практику чистые культуры микроорганизмов, методы окрашивания и микрофотографирования. Он сформулировал постулаты (триада Коха), позволяющие установить причинно-следственную связь между микроорганизмом и заболеванием, и открыл возбудителей туберкулёза и холеры. В этот период были заложены основы медицинской микробиологии.

Современный этап (XX–XXI века)

В XX веке микробиология разделилась на множество специализированных направлений. Открытие антибиотиков (Александр Флеминг, 1928) и развитие генетики микроорганизмов привели к появлению молекулярной микробиологии. Во второй половине XX века были открыты археи (Карл Вёзе, 1977) — третья доменная группа живых организмов, отличная от бактерий и эукариот. В XXI веке активно развиваются метагеномика (изучение геномов микробных сообществ без культивирования) и синтетическая микробиология (конструирование искусственных генетических систем).

Классификация микроорганизмов

Современная систематика микроорганизмов основана на филогенетическом анализе, прежде всего на сравнении последовательностей гена 16S рРНК (для прокариот) и 18S рРНК (для эукариот). Согласно трёхдоменной системе, микроорганизмы относятся к трём доменам:

Бактерии (Bacteria) — прокариотические организмы, не имеющие оформленного ядра. Включают большинство известных патогенных и сапротрофных видов. Среди них выделяют грамположительные (толстая клеточная стенка из пептидогликана) и грамотрицательные (тонкая стенка и дополнительная внешняя мембрана) бактерии.
Археи (Archaea) — прокариоты, генетически и метаболически отличающиеся от бактерий. Многие археи являются экстремофилами (обитают в горячих источниках, солёных озёрах, кислых средах). Не имеют пептидогликана в клеточной стенке.
Эукариоты (Eukarya) — организмы с оформленным ядром. К микроскопическим эукариотам относятся:
Простейшие (Protozoa) — одноклеточные гетеротрофы (амебы, инфузории, жгутиконосцы).
Микроскопические грибы — дрожжи (одноклеточные) и плесневые грибы (мицелиальные формы).
Микроскопические водоросли — одноклеточные фотосинтезирующие организмы (хлорелла, диатомовые водоросли).

Отдельно в систематике стоят вирусы — неклеточные формы жизни, способные размножаться только внутри клеток-хозяев. Вирусы не имеют собственного метаболизма и не входят в трёхдоменную систему. Классифицируются по типу нуклеиновой кислоты (ДНК- или РНК-содержащие), строению капсида и наличию липидной оболочки.

Строение и физиология микроорганизмов

Клеточные микроорганизмы

Основные структурные компоненты бактериальной клетки: клеточная стенка, цитоплазматическая мембрана, цитоплазма с рибосомами (70S), нуклеоид (кольцевая молекула ДНК). Дополнительные структуры: жгутики (органы движения), пили (ворсинки для прикрепления), капсула (защита), споры (форма покоя у некоторых бактерий). Археи отличаются составом мембран (эфирные липиды вместо эфиров глицерина) и отсутствием пептидогликана. Эукариотические микроорганизмы имеют более сложное строение: ядро с ядерной мембраной, митохондрии, эндоплазматическую сеть, аппарат Гольджи.

Метаболизм

Микроорганизмы демонстрируют огромное разнообразие типов питания и энергетического обмена:

По источнику углерода: автотрофы (используют CO₂) и гетеротрофы (используют органические соединения).
По источнику энергии: фототрофы (свет) и хемотрофы (химические реакции).
По донору электронов: литотрофы (неорганические вещества, например, H₂S, NH₃) и органотрофы (органические вещества).

По отношению к кислороду микроорганизмы делятся на облигатных аэробов (нуждаются в O₂), облигатных анаэробов (погибают в присутствии O₂), факультативных анаэробов (могут расти как с O₂, так и без него) и микроаэрофилов (требуют пониженной концентрации O₂).

Рост и размножение

Бактерии размножаются преимущественно бинарным делением (поперечное деление клетки). В благоприятных условиях время генерации может составлять 20–30 минут. Рост бактериальной популяции в закрытой системе описывается кривой, включающей лаг-фазу, логарифмическую (экспоненциальную) фазу, стационарную фазу и фазу отмирания. Дрожжи размножаются почкованием, плесневые грибы — спорами и фрагментами мицелия. Вирусы размножаются путём репликации нуклеиновой кислоты и сборки вирионов внутри клетки-хозяина (литический цикл) или встраивания генома в хромосому хозяина (лизогения).

Разделы микробиологии

Микробиология включает множество специализированных дисциплин:

Медицинская микробиология — изучает патогенные микроорганизмы, вызывающие заболевания человека, механизмы инфекции и иммунитета, разрабатывает методы диагностики, лечения и профилактики (включая вакцинацию). Включает бактериологию, вирусологию, микологию и протозоологию.
Ветеринарная микробиология — исследует микроорганизмы, патогенные для животных.
Сельскохозяйственная микробиология — изучает роль микроорганизмов в почвообразовании, круговороте веществ, питании растений (азотфиксация, микориза), а также в биоконтроле вредителей и болезней.
Промышленная (техническая) микробиология — занимается использованием микроорганизмов для получения продуктов: антибиотиков, ферментов, аминокислот, органических кислот, спиртов, биотоплива, а также для очистки сточных вод и биоремедиации загрязнённых территорий.
Экологическая микробиология — изучает роль микроорганизмов в экосистемах, их взаимодействие с другими организмами, участие в глобальных биогеохимических циклах (углерода, азота, серы, фосфора).
Молекулярная микробиология — исследует генетические и молекулярные механизмы жизнедеятельности микроорганизмов, включая регуляцию экспрессии генов, репликацию, репарацию ДНК, механизмы патогенности.
Санитарная микробиология — оценивает микробную безопасность воды, воздуха, почвы, продуктов питания и объектов окружающей среды.

Методы микробиологии

Основные методы исследования в микробиологии:

Микроскопия: световая (фазово-контрастная, темнопольная, люминесцентная) и электронная (трансмиссионная и сканирующая) — для изучения морфологии и ультраструктуры.
Культивирование: выращивание микроорганизмов на искусственных питательных средах (жидких, плотных, полужидких) в аэробных или анаэробных условиях. Позволяет получать чистые культуры и определять биохимические свойства.
Стерилизация и асептика: методы уничтожения микроорганизмов (автоклавирование, сухожаровой шкаф, фильтрация, УФ-облучение) и предотвращения контаминации.
Молекулярно-генетические методы: полимеразная цепная реакция (ПЦР), секвенирование ДНК, ДНК-зонды, метагеномный анализ. Позволяют идентифицировать микроорганизмы без культивирования.
Серологические методы: реакции антиген-антитело (ИФА, иммуноблоттинг, агглютинация) — для выявления антител к возбудителям или самих антигенов.
Биохимические методы: определение ферментативной активности, спектров жирных кислот, состава метаболитов.

Значение микробиологии

Микроорганизмы играют фундаментальную роль в биосфере. Они являются основными редуцентами, разлагающими органические остатки и возвращающими элементы в круговорот. Азотфиксирующие бактерии (например, Rhizobium) обеспечивают связывание атмосферного азота, делая его доступным для растений. Микроорганизмы участвуют в образовании почвы, формировании месторождений полезных ископаемых (нефть, газ, руды), а также в процессах выветривания горных пород.

Для человека микроорганизмы имеют как положительное, так и отрицательное значение. Патогенные бактерии, вирусы, грибы и простейшие вызывают инфекционные заболевания (туберкулёз, чума, холера, ВИЧ, грипп, COVID-19). С другой стороны, микроорганизмы используются в пищевой промышленности (хлебопечение, виноделие, сыроделие, производство кваса и уксуса), в фармацевтике (синтез антибиотиков, гормонов, витаминов), в сельском хозяйстве (биоудобрения, пробиотики для животных) и в биотехнологии (производство рекомбинантных белков, инсулина, интерферонов).

Развитие микробиологии привело к созданию вакцин, антибиотиков, противовирусных препаратов, методов диагностики и санитарии, что кардинально снизило смертность от инфекционных болезней и увеличило продолжительность жизни. В XXI веке микробиология продолжает оставаться одной из самых динамично развивающихся наук, особенно в области изучения микробиома человека, устойчивости к антибиотикам и синтетической биологии.

Источники

Шлегель Г. Общая микробиология. — М.: Мир, 1987.
Воробьёв А. А., Быков А. С., Пашков Е. П., Рыбакова А. М. Микробиология. — М.: Медицина, 2003.
Медицинская микробиология / Под ред. В. И. Покровского, О. К. Поздеева. — М.: ГЭОТАР-Медицина, 1999.
Нетрусов А. И., Котова И. Б. Микробиология. — М.: Академия, 2006.
Madigan M. T., Martinko J. M., Bender K. S., Buckley D. H., Stahl D. A. Brock Biology of Microorganisms. — 15th ed. — Pearson, 2018.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →