Основные этапы развития микробиологии, вирусологии и иммунологии
Движение бактерий
В природе встречаются микробы подвижные и неподвижные. Подвижные имеют органы, точнее, органеллы, движения виде жгутиков, которые состоят из тончайших волоконец. Поперечник жгутика измеряется сотнями доли микрона, а длина иногда во много раз превышает размеры самого микроба.
В зависимости от количества и расположения жгутиков различают бактерии:
1)мопотрихи - с одним жгутиком на конце;
2)лофотрихи - бактерии, имеющие по пучку жгутиков на одном или обоих полюсах клетки;
3)перитрихи - бактерии со жгутиками на всей поверхности тела. Характер движения бактерий (прямолинейно-поступательное, круговое, вращательное, беспорядочное и кувыркательное) находится в зависимости от числа и расположения жгутиков, возраста и свойства микроба, а также от температуры, состава окружающей среды и других условии. Скорость движения некоторых бактерий достигает 2 мкм в одну секунду.
Механизмы движения в жидкости
Типы расположения жгутиков: A-Монотрихи; B-Лофотрихи; C-Амфитрихи; D-Перитрихи.
Бактерии способны передвигаться в жидкости, используя много механизмов, таких как жгутики (flagella), изменения поверхностного натяжения, изменения плавучести, полимеризацию актина, который окружает их, и множество еще неизвестных механизмов.
Жгутики: Бактериальные жгутики (flagella) — это другие структуры, чем у эукариотов. В зависимости от места их расположение на клетке, бактерии разделяют на монотрихи (с одним жгутиком на конце), лофотрихи (с пучком жгутиков на конце) и перитрихи (с многими жгутиками по всей поверхности). Много бактерий (например E.coli) имеют два разных режима работы жгутиков: движение вперед и «танец» (tumbling). «Танец» позволяет им внести в свое движение необходимую «случайность».
Полимеризация актина: Несколько видов Listeria и Shigella двигаются внутри клеток-хозяев, узурпируя механизм полимеризации актина, который по обыкновению используется для движения самой эукариотичной клетки или внутриклеточного транспорта, хотя и другим путем. Продвигая полимеризацию актина на одном полюсе своей клетки, они могут формировать своего рода хвост, который толкает их сквозь цитоплазму клетки-хозяина.
Продольные филаменты: Некоторые (спирохеты) имеют «продольные филаменты», то есть жгутики, расположенные между двух мембран, и передвигаются за счет движения всего тела.
Изменение плавучести: Некоторые планктонные бактерии содержат газовые везикулы, немембранные органеллы, которые содержат некоторую часть газа. За счет регулирования их относительного объема водные бактерии могут выполнять вертикальные миграции.
Передвижение на поверхностях
Ворсинки IV типа миксобактерии Myxococcus xanthus
Все механизмы передвижения на поверхностях называются вместе бактериальным скольжением (bacterial gliding). Они включают использование ворсинок и прочие, еще неизвестные механизмы.
Ворсинки: Некоторые бактерии, например Myxococcus, Pseudomonas и Neisseria, двигаются с помощью ворсинок IV типа (type four pili или TFP). При этом методе движения ворсинки протягиваются с одного полюса бактерии, связываются с подкладкой и втягиваются назад, создавая значительную силу в 80 пн (пиконьютонов).
Регуляция движения
Подвижные бактерии могут привлекаться или отпихивать определенными стимулами, такое поведение называется таксисом — например, хемотаксис, фототаксис, механотаксис, магнетотаксис и эластикотаксис. Бактерии одной группы, миксобактерии (Myxobacteria), формируют так называемые плодовые тела, где они превращаются в миксоспоры. Часто бактерии используют так называемое ощущение кворума, то есть меняют свое поведение в зависимости от плотности бактериального населения, замедляя свой рост и иногда увеличивая вероятность горизонтального переноса генов.
Скольжение, скользящее движение — движение отдельных бактериальных клеток или их колоний по твёрдой поверхности вдоль их длинной оси без участия бактериальных жгутиков. Характерно для группы Cytophaga-Flavobacteria-Bactroides (называемых также скользящими бактериями), многих протеобактерий (в том числе миксобактерий) и цианобактерий, зелёных серных и несерных бактерий, а также микоплазм. Движение происходит без использования жгутиков, его механизм пока не до конца изучен. Полагают, что у разных групп бактерий он различен.
Скорость движения Cytophaga-Flavobacteria-Bactroides порядка 2—4 мкм/c. У Mycoplasma mobile она достигает 7 мкм/с, у нитчатых цианобактерий 10 мкм/с. Наименьшая скорость характерна для Mycoplasma gallisepticum — всего 0,1 мкм/сек. Для сравнения: скорость движения бактерий при помощи жгутиков составляет от 20 до 200 мкм/с.
Движение микоплазм
Движение микоплазм, по-видимому, не имеет ничего общего с движением других бактерий, что вполне понятно, исходя из их уникального строения. Для объяснения их скольжения привлекают адгезивные мембранные белки, которые, прикрепляясь к твёрдому субстрату, движутся вдоль поверхности клеток за счёт сокращений микротрубочек цитоскелета.
Дыхание микробов
Дыхание у микробов рассматривается как энергетический процесс или как совокупность различных химических реакций, окисления и расщепления веществ органического и неорганического происхождения. В результате этих химических реакций освобождается энергия, которая используется микробами для усвоения питательных веществ, синтеза бел кон их тела, движения, роста, размножения и других отправлений живого организма.
Примером высвобождения энергии может служить окисление глюкозы, которое можно выразить следующим у соединением:
С6 Н2О + 6О2=6Н2О+ 6СО2 + 674 ккал.
Как видно из уравнений, в результате полного окисления одной молекулы глюкозы до конечных продуктов (воды и углекислого газа) выделяются 674 большие калории тепла.
Энергетический процесс дыхания у микробов протекает значительно сложнее и зависит от характера используемого питательного материала.
По типу дыхания микробов делят на аэробов и анаэробов, имеются микробы и с переходным типом дыхания.
Аэробы могут жить и развиваться при свободном доступе кислорода воздуха. Необходимую энергию для жизненных процессов они получают путем, поглощения кислорода и окисления питательных материалов.
Анаэробы способны развиваться без доступа кислорода. Свободный кислород воздуха на этих микробов оказывает вредное, губительное влияние. Строгие (облигатные) анаэробы (столбнячная палочка, возбудитель маслянокислого брожения) совсем не переносят кислорода. Необходимую энергию они получают путем расщепления органических веществ углеводов, белков, жиров, органических кислот, спиртов.
Факультативные анаэробы используют те же вещества, но применительно к условиям своего существования могут изменять анаэробный тип своего дыхания на аэробный. Так, дрожжи верхового брожения "при ограниченном притоке воздуха разлагают сахар на спирт и углекислоту; при обильной аэрации у них возникает аэробное дыхание с полным окислением сахара до углекислоты и воды. Молочнокислые бактерии в анаэробных условиях превращают глюкозу в молочную кислоту, при этом энергии освобождается несколько меньше, чем у аэробов. При недостатке кислорода денитрифицирующие бактерии пользуются для окисления органических соединений кислородом нитратов.
Приведенные примеры показывают разнообразие источников энергии и способов ее получения разными видами микробов; в силу этих причин у бактерий нет и быть но может единого механизма дыхания.
Основные этапы развития микробиологии, вирусологии и иммунологии
К ним можно отнести следующие:
1.Эмпирических знаний ( до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира).
Дж.Фракасторо (1546г.) предположил живую природу агентов инфекционных заболеваний- contagium vivum.
2.Морфологический период занял около двухсот лет.
Антониван Левенгук в 1675г. впервые описал простейших, в 1683г.- основные формы бактерий. Несовершенство приборов (максимальное увеличение микроскопов X300) и методов изучения микромира не способствовало быстрому накоплению научных знаний о микроорганизмах.
3.Физиологический период (с 1875г.)- эпоха Л.Пастера и Р.Коха.
Л. Пастер - изучение микробиологических основ процессов брожения и гниения, развитие промышленной микробиологии, выяснение роли микроорганизмов в кругообороте веществ в природе, открытие анаэробных микроорганизмов, разработка принципов асептики, методов стерилизации, ослабления (аттенуации) вирулентности и получения вакцин (вакцинных штаммов).
Р. Кох - метод выделения чистых культур на твердых питательных средах, способы окраски бактерий анилиновыми красителями, открытие возбудителей сибирской язвы, холеры (запятой Коха), туберкулеза (палочки Коха), совершенствование техники микроскопии. Экспериментальное обоснование критериев Хенле, известные как постулаты (триада) Хенле- Коха.
4.Иммунологический период.
И.И. Мечников - “поэт микробиологии” по образному определению Эмиля Ру. Он создал новую эпоху в микробиологии - учение о невосприимчивости (иммунитете), разработав теорию фагоцитоза и обосновав клеточную теорию иммунитета.
Одновременно накапливались данные о выработке в организме антител против бактерий и их токсинов, позволившие П.Эрлиху разработать гуморальную теорию иммунитета. В последующей многолетней и плодотворной дискуссии между сторонниками фагоцитарной и гуморальной теорий были раскрыты многие механизмы иммунитета и родилась наука иммунология.
В дальнейшем было установлено, что наследственный и приобретенный иммунитет зависит от согласованной деятельности пяти основных систем: макрофагов, комплемента, Т- и В- лимфоцитов, интерферонов, главной системы гистосовместимости, обеспечивающих различные формы иммунного ответа. И.И.Мечникову и П.Эрлиху в 1908г. была присуждена Нобелевская премия.
12 февраля 1892г. на заседании Российской академии наук Д.И.Ивановский сообщил, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Эту дату можно считать днем рождения вирусологии, а Д.И. Ивановского - ее основоположником. Впоследствии оказалось, что вирусы вызывают заболевания не только растений, но и человека, животных и даже бактерий. Однако только после установления природы гена и генетического кода вирусы были отнесены к живой природе.
5. Следующим важным этапом в развитии микробиологии стало открытие антибиотиков. В 1929г. А.Флеминг открыл пенициллин и началась эра антибиотикотерапии, приведшая к революционному прогрессу медицины. В дальнейшем выяснилось, что микробы приспосабливаются к антибиотикам, а изучение механизмов лекарственной устойчивости привело к открытию второго- внехромосомного (плазмидного) генома бактерий.
Изучение плазмид показало, что они представляют собой еще более просто устроенные организмы, чем вирусы, и в отличии от бактериофагов не вредят бактериям, а наделяют их дополнительными биологическими свойствами. Открытие плазмид существенно дополнило представления о формах существования жизни и возможных путях ее эволюции.
6. Современный молекулярно-генетический этап развития микробиологии, вирусологии и иммунологии начался во второй половине 20 века в связи с достижениями генетики и молекулярной биологии, созданием электронного микроскопа.
В опытах на бактериях была доказана роль ДНК в передаче наследственных признаков. Использование бактерий, вирусов, а затем и плазмид в качестве объектов молекулярно-биологических и генетических исследований привело к более глубокому пониманию
фундаментальных процессов, лежащих в основе жизни. Выяснение принципов кодирования
генетической информации в ДНК бактерий и установление универсальности генетического кода позволило лучше понимать молекулярно-генетические закономерности, свойственные более высоко организованным организмам.
Расшифровка генома кишечной палочки сделало возможным конструирование и пересадку генов. К настоящему времени генная инженерия создала новые направления биотехнологии.
Расшифрованы молекулярно-генетическая организация многих вирусов и механизмы их взаимодействия с клетками, установлены способность вирусной ДНК встраиваться в геном чувствительной клетки и основные механизмы вирусного канцерогенеза.
Подлинную революцию претерпела иммунология, далеко вышедшая за рамки инфекционной иммунологии и ставшая одной из наиболее важных фундаментальных медико-биологических дисциплин. К настоящему времени иммунология - это наука, изучающая не только защиту от инфекций. В современном понимании иммунология - это наука, изучающая механизмы самозащиты организма от всего генетически чужеродного, поддержании структурной и функциональной целостности организма.
Иммунология в настоящее время включает ряд специализированных направлений, среди которых, наряду с инфекционной иммунологией, к наиболее значимым относятся иммуногенетика, иммуноморфология, трансплантационная иммунология, иммунопатология, иммуногематология, онкоиммунология, иммунология онтогенеза, вакцинология и прикладная иммунодиагностика.
Микробиология и вирусология как фундаментальные биологические науки также включают ряд самостоятельных научных дисциплин со своими целями и задачами: общую, техническую (промышленную), сельскохозяйственную, ветеринарную и имеющую наибольшее значение для человечества медицинскую микробиологию и вирусологию.
Медицинская микробиология и вирусология изучает возбудителей инфекционных болезней человека (их морфологию, физиологию, экологию, биологические и генетические характеристики), разрабатывает методы их культивирования и идентификации, специфические методы их диагностики, лечения и профилактики.
К отдельным наиболее важным разделам медицинской микробиологии и вирусологии можно отнести клиническую микробиологию, санитарную микробиологию, медицинскую микологию и протозоологию, медицинскую паразитологию, учение о сапронозах.
7.Перспективы развития.
На пороге 21 века микробиология, вирусология и иммунология представляют одно из ведущих направлений биологии и медицины, интенсивно развивающееся и расширяющее границы человеческих знаний.
Иммунология вплотную подошла к регулированию механизмов самозащиты организма, коррекции иммунодефицитов, решению проблемы СПИДа, борьбе с онкозаболеваниями.
Создаются новые генно- инженерные вакцины, появляются новые данные об открытии инфекционных агентов - возбудителей “соматических” заболеваний (язвенная болезнь желудка, гастриты, гепатиты, инфаркт миокарда, склероз, отдельные формы бронхиальной астмы, шизофрения и др.).
Появилось понятие о новых и возвращающийся инфекциях (emerging and reemerging infections). Примеры реставрации старых патогенов- микобактерии туберкулеза, риккетсии группы клещевой пятнистой лихорадки и ряд других возбудителей природноочаговых инфекций. Среди новых патогенов- вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), легионеллы, бартонеллы, эрлихии, хеликобактер, хламидии (Chlamydia pneumoniae). Наконец, открыты вироиды и прионы - новые классы инфекционных агентов.
Вироиды - инфекционные агенты, вызывающие у растений поражения, сходные с вирусными, однако эти возбудители отличаются от вирусов рядом признаков: отсутствием белковой оболочки (голая инфекционная РНК), антигенных свойств, одноцепочечной кольцевой структурой РНК (из вирусов - только у вируса гепатита D), малыми размерами РНК.
Прионы (proteinaceous infectious particle- белкоподобная инфекционная частица) представляют лишенные РНК белковые структуры, являющиеся возбудителями некоторых медленных инфекций человека и животных, характеризующихся летальными поражениями центральной нервной системы по типу губкообразных энцефалопатии й- куру, болезнь Крейтцфельдта - Якоба, синдром Герстманна- Страусслера- Шайнкера, амниотрофический лейкоспонгиоз, губкообразная энцефалопатия коров (коровье “бешенство”), скрепи у овец, энцефалопатия норок, хроническая изнуряющая болезнь оленей и лосей. Предполагается, что прионы могут иметь значение в этиологии шизофрении, миопатий. Существенные отличия от вирусов, прежде всего отсутствие собственного генома, не позволяют пока рассматривать прионы в качестве представителей живой природы.
Движение бактерий
В природе встречаются микробы подвижные и неподвижные. Подвижные имеют органы, точнее, органеллы, движения виде жгутиков, которые состоят из тончайших волоконец. Поперечник жгутика измеряется сотнями доли микрона, а длина иногда во много раз превышает размеры самого микроба.
В зависимости от количества и расположения жгутиков различают бактерии:
1)мопотрихи - с одним жгутиком на конце;
2)лофотрихи - бактерии, имеющие по пучку жгутиков на одном или обоих полюсах клетки;
3)перитрихи - бактерии со жгутиками на всей поверхности тела. Характер движения бактерий (прямолинейно-поступательное, круговое, вращательное, беспорядочное и кувыркательное) находится в зависимости от числа и расположения жгутиков, возраста и свойства микроба, а также от температуры, состава окружающей среды и других условии. Скорость движения некоторых бактерий достигает 2 мкм в одну секунду.