Микробиология и ее развитие

Микробиология выделилась в самостоятельную научную дисциплину из породившей ее науки биологии. Любая отрасль знаний лишь тогда может считаться наукой, когда она имеет свой предмет изучения и свои, присущие ей, методы исследования. Предметом изучения микробиологии является особый мир существ, невидимых невооруженным глазом, величина которых колеблется от нескольких нм до 0.1-1 мм. Отсюда возникло и название науки «Микробиология», которое состоит из сочетания греческих слов micros - малый, bios - жизнь, logos - учение.

Таким образом микробиология является наукой, изучающей жизнь и развитие мельчайших организмов – микроорганизмов – в их единстве со средой обитания.

В связи с той огромной ролью, которую микроорганизмы играют в природе, задачи микробиологии весьма многообразны. Происходит постоянная дифференциация ее на самостоятельные научные разделы и дисциплины. В настоящее время самостоятельное значение имеют общая микробиология – изучает общие закономерности функционирования микроорганизмов, промышленная микробиология – важнейший раздел современной биотехнологии, сельскохозяйственная микробиология, космическая микробиология, санитарная микробиология, ветеринарная микробиология и медицинская микробиология.

Предмет медицинской микробиологии – это болезнетворные (патогенные) микроорганизмы, вызывающие заболевания у человека, а также непатогенные микроорганизмы, находящиеся в организме человека и в окружающей среде и имеющие значение для его здоровья.

Задачи медицинской микробиологии:

- диагностика с помощью микробиологических методов инфекционных заболеваний, носительства, обнаружение патогенных возбудителей в организме и во внешней среде;

- санитарно-бактериологический контроль микробного загрязнения пищевых продуктов, лекарственного сырья, воды, почвы, помещений и других объектов;

- разработка специфических препаратов для профилактики и лечения инфекционных заболеваний.

В своем развитии микробиология прошла длительный и сложный, но весьма успешный и плодотворный путь.

Начиная с ранних этапов становления науки, врачи и естествоиспытатели стремились выяснить причины инфекционных болезней. Еще древние ученые Гиппократ, Лукреций, Плиний, Гален высказывали гипотезы о живой природе возбудителей заразных заболеваний. Авиценна считал, что причиной возникновения заразных болезней являются невидимые глазом мельчайшие живые существа, передающиеся через воду и воздух.

Голландский ученый А. Левенгук (1632-1723) был первым, кто увидел и описал микробы. С помощью простой лупы, дающей увеличение в 160-300 раз, он наблюдал простейших, эритроциты, сперматозоиды. В 1678 г. А. Левенгук опубликовал письма об animalcula viva – «живых зверьках», которых он обнаружил в воде, различных настоях, испражнениях, зубном налете и зарисовал. В 1695 г. им издан труд «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком». Этот период был чисто морфологическим, т.к. описывались лишь общая форма микроорганизмов.

Русский врач Д.С. Самойлович (1742-1810) высказал мысль о том, что «...чума вызывается особливым и совсем отменным существом». Наблюдая за чумой, он пришел к выводу, что для предупреждения заболеваний следует вводить в организм ослабленное заразное начало. Для доказательства правильности своего предположения, Самойлович самоотверженно произвел опаснейший опыт, привив себе в 1771 г. заразный материал, взятый от человека, выздоравливающего от бубонной формы чумы. Одна из главных научных заслуг Д.С. Самойловича – идея о возможности создания искусственного иммунитета против чумы с помощью прививок. За глубокое изучение вопросов борьбы с чумой Д.С. Самойлович был избран почетным членом 12 западноевропейских академий наук.

В это же время (конец 18 – начало 19 в.в.) английский врач Э. Дженнер опубликовал свои наблюдения о результатах прививок против оспы. Он доказал, что прививки людям коровьей оспы предохраняют их от заражения натуральной оспой. Открытие Э. Дженнера вооружило медицину могущественным средством для успешной борьбы с этой болезнью.

В первой половине XIX века были выявлены первые микроорганизмы – возбудители инфекционных заболеваний. В 1839 г. И. Шенлейн установил, что фавус (парша) вызывается болезнетворным грибом, в 1843 г. Д. Гурби обнаружил возбудителя трихофитии (стригущего лишая), в 1849-1854 гг. А. Поллендером, К. Давеном и Ф.А. Брауэллем был описан возбудитель сибирской язвы.

Во второй половине XIX века появились более усовершенствованные микроскопы, намного улучшилась техника микроскопирования. В изучении микроорганизмов стали уделять внимание биохимическим процессам – способности микробов ферментировать органические вещества.

Второй период развития микробиологии как самостоятельной биологической науки связан с именем гениального французского ученого, химика и микробиолога Л. Пастера (1822-1895). Л. Пастер установил, что процессы брожения вызываются микроорганизмами, причем каждый вид брожения – определенным видом. Им было выяснено, что гниение – результат жизнедеятельности микроорганизмов. Большое значение имели работы Пастера о болезнях вина и пива, шелковичных червей, вызванных микроорганизмами. Он предложил и метод их предупреждения, названный позднее «пастеризацией» (прогревание при 60⁰С).

Исследования Пастера о возбудителях куриной холеры, сибирской язвы, бешенства положили начало применению прививок.

Л. Пастер разработал методику исследований, обеспечивающую предохранение питательных сред от попадания в них микробов.

Благодаря открытиям Пастера хирургия обогатилась совершенными методами борьбы с нагноительными процессами ран. Английский хирург Д. Листер ввел в хирургию принцип антисептики (обеззараживание ран химическими дезинфицирующими веществами).

Большое значение в развитии медицинской микробиологии имели открытия немецкого ученого Р. Коха (1843-1910), который обогатил микробиологию более совершенными методами исследования. Им и его учениками в практику лабораторной техники были введены плотные питательные среды (картофель, желатин, свернутая сыворотка, мясопептонный агар), анилиновые красители, иммерсионная система, микрофотографирование, методика исследования микробов в живом виде, известная под названием «висячая капля».

Р. Кох произвел подробное исследование раневых инфекций, разработал способ выделения в чистой культуре патогенных бактерий. Исследования специфических возбудителей позволили ему экспериментально подтвердить критерии развития инфекционных болезней, ранее сформулированные Генле. В настоящее время они известны как «триада Генле-Коха»:

Должен быть обнаружен микроорганизм в каждом случае конкретного инфекционного заболевания.

Такой микроорганизм не выявляется при других болезнях как случайный и непатогенный паразит.

После изоляции из организма больного и выделения чистой культуры патогенный микроорганизм должен вызвать аналогичное заболевание у восприимчивого животного.

Эти постулаты позволили конкретизировать инфекционные заболевания, хотя в настоящее время стало ясно, что не все они соответствуют инфекциям человека (в частности пункт 3).

Благодаря усовершенствованию техники и методики микробиологических исследований, Р. Кох окончательно установил этиологию сибирской язвы (1876), открыл возбудителей туберкулеза (1882), холеры (1883) и получил из культур туберкулезных микобактерий туберкулин (туберкулин Коха).

В ходе исторического развития микробиологии возникли и стали бурно развиваться новые биологические науки – иммунология, вирусология, учение об антибиотиках.

Выдающийся русский ученый И.И. Мечников вместе с П. Эрлихом считается основоположником иммунологии. Кроме того, много внимания И.И. Мечников уделял выяснению причин преждевременного старения и борьбе за долголетие человека. Им было заложено начало учения об антагонизме микробов, впоследствии использованного при получении антибиотиков. Совместно с французским микробиологом Э. Ру в 1903 г. И.И. Мечников разработал метод воспроизведения экспериментального сифилиса.

И.И. Мечников был организатором первой в России бактериологической станции в Одессе. Им была создана большая школа микробиологов (Г.Н. Габричевский, А.М. Безредка, И.Г. Савченко, Л.А. Тарасевич, Н.Ф. Гамалея, Д.К. Заболотный, Н.Я. Чистович и Ф.Я. Чистович).

В 1888 г. французские ученые Э. Ру и А. Иерсен установили, что возбудитель дифтерии продуцирует биологический яд (токсин), и выяснили его значение в развитии болезни. Немецкий ученый Э. Беринг (1890 г.) и японский исследователь С. Китазато путем повторных введений животным небольших доз столбнячного или дифтерийного токсина изготовили соответствующие иммунные сыворотки, предохраняющие животных от смертельного отравления токсинами. Э. Ру в институте Пастера получил противодифтерийную сыворотку и применил ее для лечения детей, больных дифтерией. В России противодифтерийная сыворотка была изготовлена Г.Н. Габричевским в 1894 г.

Эти открытия послужили основой для приготовления лечебных сывороток против ботулизма, газовой анаэробной инфекции, укуса ядовитых змей и др.

Немецкий исследователь П. Эрлих (1854-1915) создал теорию гуморального иммунитета, вокруг которой возникла длительная и упорная борьба мнений, разделившая ученых на два лагеря: сторонников П. Эрлиха и его противников во главе с И.И. Мечниковым. Эта полемика вызвала бурный поток исследований вопросов иммунитета и привела к большим практическим результатам: были разработаны более совершенные лабораторные методы диагностики инфекционных болезней, получены вакцины против брюшного тифа, холеры, чумы и других болезней. Благодаря широкой дискуссии было установлено, что невосприимчивость к инфекционным заболеваниям зависит как от клеточного, так и от гуморального иммунитета. В 1908 г. за разработку учения об иммунитете И.И. Мечникову и П. Эрлиху была присуждена Нобелевская премия.

12 февраля 1892 г. Д.И. Ивановский на заседании Российской Академии наук сообщил, что возбудителем мозаичной болезни табака является фильтрующийся вирус. Очень скоро выяснилось, что вирусы вызывают заболевания не только у растений, но и у человека, животных, бактерий.

В ХХ веке были проведены весьма важные исследования в области специфической профилактики заразных болезней. В 1924-1925 гг. Г. Рамон разработал метод изготовления анатоксинов (обезвреженных формалином токсинов), с помощью которых стали успешно проводиться прививки против дифтерии и столбняка. Были получены вакцинные препараты из живых, но ослабленных возбудителей против туберкулеза (А. Кальметт и Ш. Герен, 1919), чумы (Г. Жирар и Ж. Робик, 1931), желтой лихорадки (М. Тейлер, 1936), туляремии (Н.А. Гайский, Б.Я. Эльберт, 1939-1942), полиомиелита (А. Себин, 1954-1958).

Совершенствование уже известных бактериологических методов позволило выделить новые патогенные бактерии – бледную спирохету, лептоспиры, боррелии, риккетсии, хламидии и др. Были открыты фильтрующиеся инфекционные агенты – вирусы, L-формы бактерий, микоплазмы. Более интенсивно развивались прикладные аспекты иммунологии: были разработаны многие диагностические реакции (Вассермана, Видаля, Вейля-Феликса и др.)

Второй важной вехой этого периода явились становление и первые сенсационные успехи химиотерапии инфекционных болезней. Ее основные принципы заложили П.Л. Романовский и П. Эрлих, которого считают основоположником химиотерапии. Первым истинно этиотропным препаратом явился сальварсан – 606-е производное атоксила, изученное Эрлихом. Позднее были синтезированы синтетические аналоги хинина, первые сульфаниламиды и антибиотики.

Создание электронного микроскопа сделало видимым мир вирусов и макромолекулярных соединений. На бактериях О. Эвери, К. Маклеод и М. МакКарти доказали роль ДНК в передаче наследственных признаков. Расшифровка основных принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий, а также универсальность генетического кода бактерий и вирусов позволили установить общие молекулярно-генетические закономерности, свойственные высшим организмам. Расшифровка генома кишечной палочки сделала возможными искусственное конструирование генов и пересадку отдельных генов из одних клеток в другие. Исследования в области молекулярной вирусологии показали способность вирусной ДНК встраиваться в геном чувствительной клетки, а также позволили идентифицировать различные вирусы на уровне молекулярной структуры.

Одновременно произошла существенная переоценка классических понятий в иммунологии: возникли представления о структуре и функциях иммунной системы, объединившие концепции инфекционной и неинфекционной иммунологии. Были установлены основные популяции иммунокомпетентных клеток и их функции; выяснены закономерности развития аутоиммунопатологии и иммунологической толерантности. В медицинскую практику прочно вошли понятия об иммунодефицитах и реакциях гиперчувствительности. Восьмидесятые годы XX века завершились окончательным доказательством правоты клонально-селекционной теории генетического контроля иммунных реакций, предложенной Ф. Бернетом в 1957 г.

На пороге XXI века микробиология составляет одно из основных направлений медицины. В настоящее время ежегодно открывают два-три новых вида микроорганизмов. Спектр новых возбудителей достаточно широк и включает вирусы, бактерии, грибы и паразитарные микроорганизмы.

Можно без преувеличения сказать, что в настоящее время нет ни одной медицинской дисциплины, прогрессу которой не способствовали бы открытия в области микробиологии.

Большая заслуга в развитии микробиологии принадлежит российским ученым. Современник Л. Пастера и И.И. Мечникова Л.С. Ценковский в своих исследованиях указал на сходство бактерий с микроскопическими сине-зелеными водорослями. В 1883 г. он получил высокоэффективную, устойчивую вакцину, которая в течение более 60 лет использовалась для профилактики сибирской язвы среди сельскохозяйственных животных.

В конце XIX века возникла сельскохозяйственная микробиология, основателем которой был С.Н. Виноградский. В 1890 г. он открыл нитрифицирующие бактерии и изучил их значение в круговороте азота в природе.

Большую роль сыграли русские ученые в развитии медицинской протозоологии. Ф.А. Леш наблюдал в 1875 г. в испражнениях больного дизентерией амебы, которые Ф. Шаудин идентифицировал как Entamoeba coli и Entamoeba histolytica. В 1898 г. П.Ф. Боровский открыл возбудителя кожного лейшманиоза.

В 1892 г. ближайший сотрудник И.И. Мечникова Н.Ф. Гамалея (1859-1949) обнаружил явление спонтанного растворения микробов, которое, как было установлено Ф. д'Эреллем, обусловлено действием вируса бактерий – бактериофагом.

Под руководством И.И. Мечникова Н.Ф. Гамалея участвовал в создании первой бактериологической станции в России и второй в мире пастеровской станции. Его исследования посвящены изучению инфекции и иммунитета, изменчивости бактерий, профилактике сыпного тифа, оспы, чумы и других болезней.

Деятельность многих русских исследователей характеризуется примерами самопожертвования как в научной, так и в практической работе. Исключительный героизм проявили И.А. Деминский, М.А. Лебедева, В.И. Турчинович-Вижникевич, И.В. Мамонтов и др., которые заразились во время работы по изучению чумы и погибли от этой инфекции.

В 1876 г. Г.Н. Минх и О.О. Мочутковский в опытах на самих себе установили заразность возвратного и сыпного тифа и пришли к заключению, что эти болезни передаются кровососущими насекомыми.

Основоположнику московской микробиологической школы Г.Н. Габричевскому (1860-1907) принадлежат труды по исследованию скарлатины, дифтерии, чумы и других инфекций. Он организовал в Москве производство противодифтерийной сыворотки и успешно применил ее для лечения детей, больных дифтерией.

Д.К. Заболотный (1866-1929), В.К. Высокович изучали эпидемиологию чумы. Они доказали лечебное действие противочумной сыворотки, научно обосновали эпидемиологическую роль сурков в образовании природных очагов чумы; установили токсическое действие сывороток крови больных сифилисом на трепонемы.

Марциновский Е. И. провел исследования по борьбе с малярией, лейшманиозом, клещевым возвратным тифом, бруцеллезом, москитной лихорадкой; Л.А. Тарасевич изучал механизм действия ферментов фагоцитов, эффективность прививок против туберкулеза, методы борьбы с сыпным тифом и другими болезнями; И.Г. Савченко исследовал вопросы иммунитета при сибирской язве, холере и возвратном тифе, скарлатине и других инфекционных болезнях.

Зильбер Л.А. (1894-1966) с сотрудниками открыл вирус клещевого энцефалита и разработал метод профилактики этого заболевания; им сформулирована вирусно-генетическая теория происхождения злокачественных опухолей, исследованы механизмы трансформации нормальных клеток в злокачественные, в частности интеграции вирусных и клеточных геномов.

Ермольева З.В. (1898-1974) выяснила вопросы бактериофагии, профилактики холеры, получила впервые в СССР пенициллин. П.Ф. Здродовский (1890-1976) внес большой вклад в изучение механизмов развития малярии, бруцеллеза, менингококковой инфекции, дифтерии, и особенно природноочаговых риккетсиозов; В.Д. Тимаков (1905-1977) разработал средства и методы профилактики инфекционных болезней, раскрыл проблемы генетики микроорганизмов, вопросы бактериофагии; им разработан раздел, касающийся роли L-форм бактерий и микоплазм в инфекционной патологии людей.

Для развития микробиологии в Беларуси важное значение имело создание крупных научных центров (Витебский химико-бактериологический институт, 1921; Минский пастеровский институт, 1924; кафедра микробиологии медицинского факультета Белорусского государственного университета, 1923), расширение сети бактериологических учреждений, формирование научных медицинских связей с учеными различных республик и зарубежных стран.

Серьезный вклад в развитие бактериологии, вирусологии, инфекционной иммунологии в Республике Беларусь внесли научные школы, созданные ведущими учеными республики Б.Я. Эльбертом и В.И. Вотяковым. Впервые в мире Б.Я. Эльберт и Н.А. Гайский разработали живую туляремийную вакцину и провели широкое испытание ее на людях (1936-1945); Б.Я. Эльбертом предложен новый способ накожного применения живой туляремийной вакцины (1944), что намного упростило ее внедрение в практику.

Ученым Беларуси принадлежит приоритет в комплексной разработке проблем склеромы. Главными итогами проведенных исследований в 1920-30 г. (Б.Я. Эльберт, В.М. Геркес и др.) были предложены схемы классификации и дифференциации капсульных бактерий, изучение антигенной обособленности клебсиеллы склеромы, разработка схемы бактериологической и серологической диагностики склеромы.

Микробиологи Беларуси совместно с клиницистами работали над актуальной проблемой внутрибольничных инфекций и связанных с ней вопросами противомикробных мероприятий. Разработан микробиологический мониторинг за этиологической структурой и лекарственной устойчивостью возбудителей внутрибольничных инфекций, осуществляемый в хирургических и ожоговых отделениях больниц (А.П. Красильников, А.А. Адарченко, Л.С. Змушко, 1971-1996).

Начиная с 1987 г., в Беларуси ведутся работы по исследованию эпидемиологии и этиологии ВИЧ-инфекции. Белорусским НИИ эпидемиологии и микробиологии в 1989 г. впервые в СССР выделен высокопродуктивный штамм ВИЧ-1 zmb, зарегистрированный в Национальной коллекции вирусов в Институте вирусологии им. Д.И. Ивановского. На основе его были разработаны диагностические препараты для иммуноферментного анализа и иммуноблотинга.