ВВЕДЕНИЕ. Учебно-методические материалы для студентов высших учебных заведений,

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

СТЕРЛИТАМАКСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

З. М. КУРАМШИНА

МИКРОБИОЛОГИЯ

Учебно-методические материалы
для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности

«032400 (050102) – Биология»

Печатается по решению
Ученого Совета
Стерлитамакской государственной
педагогической академии

Стерлитамак 2006

УДК 579

ББУ 28.4

К 93

Рецензенты:

кандидат биологических наук, доцент С.С. Петров (Стерлитамакская государственная педагогическая академия); кафедра охраны окружающей среды и рационального природопользования (Стерлитамакский филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета); кандидат биологических наук А.П. Голощапов (медико-генетическая лаборатория, г. Стерлитамак); кафедра общей биологии (Стерлитамакская государственная педагогическая академия)

Ответственный редактор – кандидат биологических наук, доцент Д.Н. Карпов (Стерлитамакская государственная педагогическая
академия)

КУРАМШИНА З.М. МИКРОБИОЛОГИЯ: Учебно-методические материалы

К 93 для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «032400 (050102) – Биология». – Стерлитамак: Стерлитамак. гос. пед. академия, 2006. – 106 с.

В данных учебно-методических материалах представлены основные сведения о прокариотических микроорганизмах: морфологии, анатомии, физиологии, генетике, экологии и систематике. Освещены вопросы, касающиеся иммунитета и инфекционных заболеваний.

Предназначены для студентов биологических специальностей педагогических институтов и университетов, а также читателей, интересующихся микробиологией.

© З.М. Курамшина, 2006

© Стерлитамакская
государственная
педагогическая
академия, 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Изучение микробиологии необходимо для правильного понимания биологического значения микроорганизмов, их огромной роли в природе и жизни человека. Современная микробиология крайне важна не только для расширения и углубления знаний живой материи, но и решения важнейших проблем в области биологии, медицины, экологии и других научных дисциплин и областях человеческой жизни.

Учебно-методические материалы составлены в соответствии с учебной программой, рекомендованной Учебно-методическим объединением учебных заведений Российской Федерации по педагогическому образованию по специальности «032400 (050102) – Биология».

В учебно-методических материалах даны современные представления о морфологии, анатомии, генетике, экологии и систематике прокариот. Освещены вопросы, касающиеся иммунитета и инфекционных заболеваний; представлены сведения об основных метаболитических процессах, протекающих в прокариотических клетках. Показана роль микроорганизмов в биогеохимических циклах превращения веществ в природе; дана характеристика основных сред обитания микроорганизмов. При написании учебно-методических материалов учитывались достижения современной микробиологии.

Учебно-методические материалы составлены с учетом имеющихся у студентов знаний по отдельным биологическим дисциплинам (цитологии, биохимии, генетики), читающимся согласно учебному плану, раньше микробиологии. В материалах не дана характеристика водорослей, микроскопических грибов, простейших, в связи с изучением данных вопросов в курсах ботаники и зоологии. При рассмотрении конструктивного метаболизма отмечены лишь особенности его протекания у микроорганизмов. Синтез органических веществ подробно разбирается в курсе биохимии.

В книге, кроме текстового материала, приведены схемы, таблицы, рисунки, формулы, уравнения реакций с целью наглядного представления строения микроорганизмов, химических превращений, происходящих в клетке. Для закрепления материала и самостоятельной работы студентов в конце каждой главы приведены вопросы, задачи и список дополнительной литературы.

Учебно-методические материалы, несомненно, будут полезны студентам-биологам, а также читателям, интересующимся микробиологией. Могут быть использованы для самостоятельной работы студентов.

ВВЕДЕНИЕ

Микробиология (от греч. micros – малый, bios – жизнь, logos – наука) – наука о мельчайших, невидимых невооруженным глазом организмах. Микробиология изучает морфологию, физиологию, генетику, систематику, экологию микроорганизмов и взаимоотношения их с другими существами.

Мир микроорганизмов грандиозен по численности и видовому составу. К ним относят бактерии, микроскопические грибы, водоросли, простейшие, вирусы. Повсеместная распространенность и высокая метаболитическая активность микроорганизмов свидетельствуют об их огромной роли в природе. При их участии происходит разложение органических веществ в почвах и водоемах, они обуславливают круговорот химических веществ и энергии. От их деятельности зависит плодородие почв, формирование каменного угля, нефти и других полезных ископаемых.

Микроорганизмы используют в промышленном и сельском хозяйстве. Хлебопечение, виноделие, изготовление кисломолочных продуктов, сыров, получение витаминов, ферментов, пищевых и кормовых белков, органических кислот и других веществ, применяемых в сельском хозяйстве, промышленности, медицине, основаны на деятельности микроорганизмов.

Патогенные микроорганизмов являются возбудителями разнообразных болезней растений, животных, человека. В настоящее время выявлены и изучены возбудители различных инфекционных заболеваний и разработаны специфические методы защиты от них.

В связи с разнообразием объектов микробиологии и их роли в природе и жизни человека современная микробиология распадается на ряд самостоятельных дисциплин. Медицинская и ветеринарная микробиология изучает патогенные микроорганизмы, их экологию, распространенность, методы их выделения и идентификации, а также эпидемиологию, специфическую терапию и профилактику вызываемых ими заболеваний. С бурным развитием медицинской микробиологии сформировались иммунология, санитарная, клиническая, фармацевтическая микробиология. Общая микробиология исследует основные закономерности жизни микроорганизмов, их биологическое значение. В общей микробиологии выделяют почвенную, водную, геологическую и др. Промышленная микробиология разрабатывает способы культивации полезных микроорганизмов в промышленных масштабах. На использовании микроорганизмов возникла и развивается биотехнология. Достижения молекулярной биологии и генной инженерии позволили современной биотехнологии заменить традиционные методы получения важнейших веществ на новейшие с использованием технологии рекомбинантных ДНК. Высокопродуктивные штаммы микроорганизмов с заданными свойствами способны сегодня синтезировать антибиотики, ферменты, витамины, гормоны и другие вещества, используемые человеком в медицине, различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Микроорганизмы используют для биодеградации токсических веществ, попавших в окружающую среду и утилизации побочных продуктов промышленности.

Микроорганизмы являются также удобными объектами молекулярно-биологических и генно-инженерных исследований. Escherichia coli, одноклеточные дрожжи Saccharomyces cerevisia – далеко не полный список объектов молекулярной биологии. Основные положения схемы потока генетической информации
ДНК → РНК → белок впервые были показаны для кишечной палочки Escherichia coli. Геномы эукариотических организмов слишком велики, и с ними сложно проводить какие-либо эксперименты. Микроорганизмы незаменимы для генетических манипуляций. Бактериальные плазмиды, бактериофаги, мобильные элементы используются в качестве векторов для клонирования. Результаты этих исследований важны для решения многих проблем биологии, медицины, промышленности.

Таким образом, микроорганизмы, несмотря на свои малые размеры, являются одними из главных организмов в природе. Очевидно, что многообразная деятельность микроорганизмов в биосфере, их практическая значимость в жизни человека будут способствовать дальнейшему развитию микробиологии.

Глава I.
ИСТОРИЧЕСКИЙ ОЧЕРК СТАНОВЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ МИКРОБИОЛОГИИ

Открытие и изучение мира микробов стало возможным с изобретением микроскопа и дальнейшим совершенствованием оптической техники. Хотя человек всегда находился в окружении микроорганизмов, использовал продукты их жизнедеятельности (хлеб, вино, уксус и др.), страдал от заболеваний (чума, холера, оспы и др.), причиной которых они являлись, однако до XVII века не имел ясного представления о невидимом мире. Так, в древности появление заразных болезней считалось карой богов. Позднее, многолетние наблюдения позволили сделать важные открытия, люди научились избегать болезней путем профилактики и изоляции больных. Великий врач древности Гиппократ (IV в. до н.э.) придерживался теории «болезнетворных миазмов» и считал, что во время эпидемий воздух содержит особые болезнетворные испарения – «миазмы». Греческий ученый Фукидид (V в. до н.э.) предполагал, что при заболеваниях в организм проникают мельчайшие живые частицы – контагии (от лат. contagio – дотрагиваюсь). Итальянский врач Фракасторо (1478–1553 гг.), поддерживая учение о «контагии», говорил о том, что контагий представляет собой инфекционный возбудитель, который, попав в организм, активно размножается и быстро распространяется по всему телу.

Первое оптическое устройство было изобретено Г. Галилеем (1564–1642). Однако настоящее устройство для изучения микроскопических объектов (с 32-кратным увеличением) сконструировали в конце XVI в. голландские ученые Ханс и Захариас Янсены. Ученый иезуит Афанасий Кирхер в 1646 г. с помощью микроскопа обнаружил мельчайших «червячков» в гниющем мясе, молоке, уксусе и т.д. А. Кирхер, конечно, не мог видеть в такой микроскоп бактерии, но его открытие укрепляло веру в теорию развития болезней, вызываемых некими существами.

Открытие мира микробов принадлежит голландскому ученому Антонии Ван Левенгуку. Будучи преуспевающим торговцем сукном, А.ван Левенгук весь свой досуг посвящал искусству шлифования линз, его оптическая система давала увеличение в 200–270 раз. Ученый наблюдал компоненты крови, структуру тканей растений, животных. В 1676 г. ему впервые удалось увидеть микроорганизмы, рассматривая в микроскоп каплю дождевой воды. В 1683 г. А. ван Левенгук подробно описал и зарисовал основные виды бактерий. Результаты своих исследований ученый сообщил в Лондонское королевское общество, членом которого впоследствии был избран. Работами А. ван Левенгука интересовался Петр I, который привез из Голландии в Россию первый микроскоп.

После открытий А. ван Левенгука внимание к миру микробов возросло, однако накопление материала о микроорганизмах продолжалось очень долго. Великий систематик К. Линей (XVIII в.) первоначально объединил все микроорганизмы в один общий род под названием «Chaos» («Хаос»). Впервые попытку систематизировать микроорганизмы сделал в 1786 г. датский ученый О.Мюллер. Он описал микроорганизмы, обитающие в воде и почве, и назвал их «инфузории» (unfusium – развивающиеся в настоях). Позднее, в 1839 г. Х.Г. Эренберг предложил делить инфузории на 22 семейства, три из которых содержали описание бактерий. В развитии микробиологии в этот период большое значение имели работы русских исследователей М.М. Тереховского и Д.С. Самойловича. М.М. Тереховский одним из первых использовал экспериментальный метод в микробиологии: он изучал влияние различных физических и химических факторов на микроорганизмы. Опыты показали, что микроскопические существа (анималькулы) не зарождаются внезапно, а появляются в колбах с настоями вместе с некипяченой водой. Д.С. Самойлович внес большой практический вклад в борьбе с чумой и предпринял попытку создания противочумной вакцины.

После усовершенствования микроскопов были предприняты попытки более точной классификации микробов. Большой вклад в систематику микробов внес один из основоположников отечественной микробиологии Л.С. Ценковский (1822-1887). Ученый исследовал простейшие, водоросли, грибы, изучал их морфологию, циклы развития и сделал вывод об отсутствии резкой границы между миром растений и животных. Л.С. Ценковский описал 43 вида микроорганизмов, впоследствии независимо от Пастера, получил сибиреязвенную вакцину.

В 1857 г. П. Негели выделил бактерии в самостоятельную группу Schizomycetes (грибы-дробянки). В 1872 г. Ф. Кон отделил бактерии от простейших и отнес их к царству растений.

Дальнейшее развитие микробиологии связано с именем великого французского ученого Л.Пастера (1822–1895), автором двух докторских диссертаций по химии и физике. В ходе изучения изомеров винной кислоты он столкнулся с деятельностью микроорганизмов. Он наблюдал, как плесневый гриб и дрожжи, развиваясь на соли рацемической винной кислоты, потребляли лишь один из оптических изомеров. Это натолкнуло его на мысль о возможном участии микроорганизмов в процессах брожения. После нескольких лет напряженных исследований Л.Пастер установил, что процессы брожения действительно вызываются микроорганизмами, причем каждый вид брожения – определенным видом. Изучая масляно-кислое брожение, Пастер обнаружил, что некоторые виды микроорганизмов могут жить только в отсутствии кислорода. На основании этих опытов вошли в практику термины «аэробный» и «анаэробный» для обозначения жизни в присутствии или отсутствии кислорода. В 1860–1864 гг. Пастер безупречными экспериментами доказал, что самостоятельного зарождения жизни в современных условиях не существует. Ученый предложил методы стерилизации (нагревания до 120⁰ C) и пастеризации (нагревание до 60–70⁰ C). Пастер положил начало и развитию медицинской микробиологии. Он изучал инфекционные болезни животных и человека (болезнь шелковичных червей, сибирскую язву, бешенство и др.), выяснил природу этих заболеваний и нашел способ борьбы с ними. Пастером созданы вакцина против сибирской язвы и антирабическая вакцина (от лат. аnti – против + rabies – бешенство).

Огромное влияние на развитие и становление медицинской микробиологии оказал Роберт Кох (1843–1910). Он занимался изучением возбудителей инфекционных заболеваний (сибирская язва, туберкулез, холера и др.). В честь него возбудитель туберкулеза был назван палочкой Коха. Ученый усовершенствовал бактериологическую методику, внес новшества в методику микроскопирования. Он работал над получением твердых питательных сред, используя желатин, затем сыворотку крови и агар. Кох добился получения чистых культур, что позволило четко установить этиологическую роль возбудителя и изучать его свойства. Разработка и внедрение в практику ученым селективных сред (сред, наиболее сходных с условиями пребывания патогенна в тканях хозяина) привели к открытию возбудителей холеры, туберкулеза и других патогенных микроорганизмов. В 1905 г. за исследование туберкулеза ученому была присуждена Нобелевская премия.

Выдающийся русский ученый И.И.Мечников (1845–1916) является основоположником микробиологии и иммунологии. Он открыл явление фагоцитоза, создал фагоцитарную теорию иммунитета. Благодаря И.И.Мечникову и П. Эрлиху, предложившим гуморальную теорию иммунитета, были раскрыты многие механизмы иммунитета, за что ученым в 1908 г. была присуждена Нобелевская премия.

Дальнейшее изучение микроорганизмов способствовало развитию и другого направления в микробиологии – эколого-физиологического. Приверженцами этого направления стали С.Н. Виноградский (1856–1953), В.Л. Омелянский (1867–1928), М. Бейеринк (1851–1931). С.Н. Виноградский установил роль микроорганизмов в усвоении азота, разработал метод накопительных культур, открыл хемосинтез у микроорганизмов. В.Л. Омелянский изучал вопросы нитрификации, азотофиксации, распада целлюлозы; получил широкую известность благодаря своим работам по почвенной микробиологии. После открытия С.Н. Виноградским анаэробного азотофиксатора, М. Бейеринк обнаружил в почве еще один вид бактерий, способный к азотофиксации в аэробных условиях – Azotobacter chroococcum. Ученый исследовал также физиологию клубеньковых бактерий, изучал процессы денитрификации и сульфатредукции, изучал ферменты разных групп микроорганизмов.

В 70–80-х годах XIX века была доказана микробиологическая природа процесса нитрификации (Т. Шлезенг и А. Мюнц), денитрификации (П. Дегерен). М.С. Воронин в 1867 г. описал клубеньковые бактерии, а Г. Гельригель и Г. Вильфарт доказали их способность к азотофиксации. П.А. Костычев создал теорию микробиологической природы процессов почвообразования. В 1982 г. Д.И. Ивановский (1864–1920) обнаружил вирус табачной мозаики.

К началу XX столетия был накоплен значительный объем данных о микроорганизмах. Усовершенствованные методы исследования позволили открыть новые виды микробов. Важным событием стало открытие А. Флемингом в 1929 г. способности грибов рода Penicillium вырабатывать антибактериальные вещества.

Новый этап в развитии микробиологии начался во второй половине XX в. и связан с рождением молекулярной биологии и молекулярной генетики. В 1944 г. О. Эвери, К. Маклеод, М. Мак-Карти на бактериях доказали роль ДНК в передаче наследственных признаков. Изучение генетического материала бактерий, вирусов, а затем и плазмид позволило сделать ряд важных открытий, необходимых для правильного понимания фундаментальных процессов, лежащих в основе жизни. Благодаря, расшифровке основных принципов кодирования генетической информации в ДНК бактерий, установлены общие молекулярно-генетические закономерности, свойственные высшим организмам. Проводимые в настоящее время работы по секвенированию геномов бактерий и вирусов позволят установить функции отдельных генов, выяснить молекулярные основы наследственности и изменчивости, установить механизмы передачи патогенности, устойчивости к лекарственным препаратам, исследовать генетические механизмы эволюции микроорганизмов.

Контрольные вопросы и задания

1. Что изучает микробиология?

2. Кто является первооткрывателем мира микробов? Благодаря каким достижениям в науке стало возможным открытие микроорганизмов?

3. Какие представления существовали в древности о невидимом мире микробов?

4. Расскажите о работах Л. Пастера.

5. Какими исследованиями занимался Р. Кох?

6. Кто открыл явление фагоцитоза?

7. Назовите приверженцев эколого-физиологического направления в микробиологии.

8. Охарактеризуйте современный этап развития микробиологии.

Список рекомендуемой литературы

1. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. – М.: Колос, 2004. – 296 с.

2. Голубев В.Н., Жиганов И.Н. Пищевая биотехнология. – М.: ДеЛи Принт, 2001. – 123 с.

3. Глик Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение. – Пер. с англ. – М.: Мир, 2002.– 589 с.

4. Грин Н., Статут У., Тейлор Д. Биология: В 3 т. – Т. 1. – Пер с англ. / Под ред. Р. Сопера. – М.: Мир, 1996. – 368 с.

5. Гусев М.В. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов /М.В. Гусев, Л.А.Минеева. – М.: Изд. центр «Академия», 2003. – 464 с.

6. Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. Микробиология: Учебник для вузов. – М.: Дрофа, 2005. – 445 с.

7. Заварзин Г.А., Колотилова Н.Н. Введение в природоведческую микробиологию: Учеб. пособие. – М.: Книжный дом «Университет», 2001. – 256 с.

8. Коротяев А.И., Бабичев С.А. Медицинская микробиология, иммунология и вирусология: Учебник для вузов. – СПб.: СпецЛит, 2002. – 591 с.

9. Микробные ферменты и биотехнология / Под ред. В.М. Фогарти.– М.: Агропромиздат,1986. – 318 с.

10. Нетрусов А.И., Бонч-Осмоловская Е.А., Горленко В.М. и др. Экология микроорганизмов. – М: Изд. центр «Академия», 2005.– 272 с.

11. Поздеев О.К. Медицинская микробиология / Под ред. акад. РАМН В.И. Покровского. – М.: ГЭОТАР-МЕД, 2001. – 768 с.

12. Промышленная микробиология / Под ред. Н.С. Егорова. – М.: Высшая школа, 1993. –693 с.

Глава II.
СТРОЕНИЕ ПРОКАРИОТИЧЕСКОЙ КЛЕТКИ

Поиск по сайту: