Введение в микробиологию, вероятно, стоит начать с определения этого термина.
В дословном переводе с греческого «микробиология» - это «учение о маленькой жизни». Т.е. о тех мельчайших представителях микромира, которые видны (за редкими исключениями) только при помощи микроскопа – микроорганизмах.
Получается, прежде чем говорить о микробиологии, нужно уяснить, что такое микроорганизмы или попросту микробы (хотя последнее, конечно, разговорное выражение).
И здесь всё не так просто. Даже с самого начала вызывает сомнение сама формулировка вопроса: «что такое микроорганизмы». Может быть, правильнее сказать: «кто такие?» То есть встаёт принципиальный вопрос – являются ли микроорганизмы живыми (на что вроде бы намекает само слово «организмы») или всё же нет?
Что мы вообще знаем о мире микробов? Чаще всего на вопрос: «какие микроорганизмы вы знаете», - студенты называют вирусы и бактерии. И уже здесь мы сталкиваемся с нюансами и оговорками. Ведь вирус представляет собой просто цепочку нуклеиновой кислоты в оболочке из белковых молекул. Сам по себе он не в состоянии долго жить, и вообще не может размножаться. Для копирования генетической информации и сборки новых вирусных частиц ему нужна клетка живого организма: одноклеточного (например, бактерии) или многоклеточного – животного, человека или растения…
Так считать ли вирус в таком случае живым? А микроорганизмом? Англоязычная школа микробиологов однозначно даёт ответ – нет. Даже при чтении научно-популярной литературы на эту тему вы, скорее всего, столкнётесь с выражением «микробы и вирусы». То есть последних вроде бы имеют в виду при обсуждении, но всё же чётко выделяют в особую категорию.
В отечественной же микробиологии вирусы, вироиды и нуклеопротеины считают как бы «преджизнью», выделяя эти микроорганизмы в особое надцарство природы Vira («вира») – доклеточные формы жизни. Вироид здесь – это молекула вирусной ДНК или РНК без белковой оболочки (капсида). Изредка они тоже сохраняют инфекционные свойства. А нуклеопротеин – комплекс из нуклеиновой кислоты (ДНК/РНК) и поддерживающих её белков (протеинов), пока ещё не сформировавшие полноценный вирион. Вирионом же называют полный вирус – готовую к заражению вирусную частицу в составе белковой оболочки-капсида, рецепторов на её поверхности и генетического материала внутри (не путайте с бактерией рода вибрион, и с эмбрионом тоже не путайте lol)
Бактерии – это уже клеточная форма жизни, способная к автономному самовоспроизводству. Однако бактерии никогда не объединяются в многоклеточные структуры, максимум они могут образовывать колонии. Ещё одним отличительным свойством бактерий является то, что у них нет выделенного ядра, поэтому они вместе со своими родственниками архебактериями составляют группу прокариот (прокариоты: от лат. «про» – перед, ранее, «карион» – ядро). Но подробнее об этом будет сказано в следующих разделах курса.
Поразмыслив, наряду с бактериями и вирусами, многие вспоминают таких представителей микроорганизмов как грибки (или попросту плесени). Это верно с одной оговоркой – микробиология занимается только теми грибами, которые имеют в основном микроскопические размеры. Именно грибами, поскольку это общий термин и для какого-нибудь опёнка или мухомора, и для пекарских дрожжей, и для белой кандиды, вызывающей молочницу, и для эпидермофитона – причины грибковых поражений ногтей.
Грибы, в отличие от бактерий, уже являются эукариотами – у них есть полноценное ядро, как в клетках растений и животных. К растениям долгое время грибы и относили, хотя на деле они формируют совершенно отдельное самостоятельное царство природы. И здесь это не эпитет, а научный термин: царство грибов будет называться «микота» или «фунги», смотря на какой язык вы переведёте слово «грибы» - латинский или греческий. В такие же царства объединены бактерии (название их царства Bacteria звучит сходно с русским вариантом), растения (царство «планте» или «флора») и животные (царство «анималия» или «зоа») с подцарством простейших («протозоа»).
Простейшие выделены в самостоятельную группу из большого царства животных (к которому относится и человек) на том основании, что, будучи полноценными эукариотами, они всё же не в состоянии слиться в многоклеточный организм. Их клетки живут, питаются, дышат, охотятся или паразитируют, демонстрируют сложное поведение, мигрируя к источнику пищу или скрываясь от опасности, но всегда остаются одиночками, как бактерии. Максимум, на что способны простейшие – объединяться в колонии по типу вольвокса. Но никакой специализации клетки в такой колонии не приобретают, оставаясь совершенно одинаковыми в отличие от гигантского разнообразия клеток и тканей в многоклеточных организмах. По этой же причине одноклеточности простейшие доступны для наблюдения и изучения только с использованием оптики.
Водоросли, являющиеся частью царства растений, тоже интересуют микробиологов лишь отчасти. К тому же ни один вид водорослей не способен инфицировать человека, поэтому они почти не представляют интереса для врачей и медицинских микробиологов. Но всё же у микробиологии богатая история взаимодействия с альгологией (наукой о водорослях, не путайте с алгологией – разделом медицины о лечении болевых ощущений). Например, микроорганизмы, вызывающие «цветение» водоёмов жарким летом, до сих пор называют сине-зелёными водорослями, хотя в действительности это бактерии (цианобактерии). Однако предполагается, что именно у них первыми на древней Земле появился процесс фотосинтеза. А уже позже водоросли и простейшие устроили с ними выгодный симбиоз, в результате которого (согласно одной из теорий) свободноживущие цианобактерии деградировали до хлоропластов, став органеллами в клетках своих более эволюционно-продвинутых соседей.
А ещё водоросли образуют симбиоз с грибами, который вам всем хорошо знаком и не раз встречался, например, на коре деревьев. Это лишайники. Организм очень интересный, но медицинского значения, в смысле патогенности для человека, не имеющий. Поэтому не нужно путать лишайник с лишаём. Последним обозначают грибковое поражения кожи и волос. Так, стригущий лишай – это микроспория или трихофития, заболевания, вызванные микроскопическими грибами рода микроспориум или трихофитон соответственно. Разноцветный (отрубевидный) лишай тоже результат поражения кожи грибом малассезией (Malassezia furfur).
Последняя, шестая, группа в классификации микроорганизмов – прионы. Она самая новая (большинство вызываемых заболеваний были описаны во 2-ой половине 20-го века, как инфекционный агент выделены в 1982 г.) и самая загадочная. Дело в том, что прионы вовсе не содержат нуклеиновой кислоты, то есть не несут генетического материала. Это просто особого рода белковые молекулы, предшественники которых в норме имеются в организме животных (недавно были открыты прионы у дрожжевых грибов и предполагается их наличие у некоторых растений). Однако под действием до конца не установленных факторов (предполагают наследственные, внешние, инфекционные причины или их сочетание) прионы начинают менять свою конформацию– способ укладки белковой молекулы в пространстве, - что приводит к поражению центральной нервной системы. У животных прионы доказано вызывают губчатую энцефалопатию (ГЭП) крупного («коровье бешенство») и мелкого рогатого скота («скрэпи» у овец). У людей – фатальную семейную бессонницу, болезнь «куру» (название происходит из языка племени острова Папуа – Новая Гвинея) и другие.
Конечно, прионы уже совсем нельзя назвать живыми. Однако пока ими тоже занимаются микробиологи. Благо прионные инфекции не слишком распространены.
Итак, резюмируем классификацию микроорганизмов:
- бактерии
- вирусы
- грибы
- простейшие
- водоросли
- прионы
Таким образом, микроорганизмы чрезвычайно разнообразны и многочисленны. Их даже сложно уложить в рамки одной классификации. Кроме того, они очень малы, поэтому изучать их можно только с помощью микроскопа. И далеко не всегда с помощью того оптического (светового) микроскопа, которым вы, вероятно, пользовались на уроках биологии в школе. Физический предел его способностей, определяемый длиной волны видимого света – 0,2 микрона. То есть кишечную палочку с диаметром клетки 0,4 микрона в нём видно, а вот вирусы, размеры которых измеряют уже в нанометрах (тысячная доля микрона) –нет. Кроме, разве что недавно открытых гигантских РНК-вирусов диаметром до 1,5 микронов, но это исключение. И ещё иногда получается подкрасить скопления вирусов специальными светящимися пигментами, что используют, например, в диагностике гриппа – однако такая хитрость работает, только если вируса в исследуемом материале достаточно много.
Для изучения вирусов и тонкой структуры других микроорганизмов, через исследуемый образец направляют, например, поток электронов, имеющих более короткую длину волны, чем свет. Поэтому микроскопы называются электронными. Они позволяют заглянуть уже не только в наномасштаб, но и «увидеть» структуры размером в несколько ангстрем – то есть даже отдельные молекулы и атомы. Но такие приборы очень сложны и дороги, поэтому их применяют в научных целях, а для повседневной практики, например, диагностики инфекций, ищут другие способы. Зачастую так гораздо проще и удобнее. Но вот чтобы подтвердить открытие новых вирусов или других мельчайших микроорганизмов, всё же нужно представить их электронные микрофотографии.
Так размеры и относительно простое устройство «микробов», которое природа комбинирует во множество разнообразных вариантов, сделали их реальными хозяевами нашего мира. Простота и неприхотливость позволяют им приспосабливаться к почти любым условиям среды. Именно по распространению микроорганизмов определяют границы биосферы Земли. И они гораздо шире освоенных любыми другими царствами природы.
Так, споры бактерий и грибов потоки воздуха заносят в атмосферу на 15-20 км, куда даже не все самолёты залетают. Но выше они пробраться не могут, т.к. без защиты находящегося на этой высоте озонового слоя жёсткий ультрафиолет стерилизует всё живое. В экспериментальных сверхглубоких скважинах микроорганизмов находили до глубины 3,5-4 км. Некоторые виды прекрасно чувствуют себя в термальных водах гейзеров и вулканов, имеющих почти температуру кипятка. Даже в туннелях под 4-ым энергоблоком Чернобыльской электростанции, где произошло разрушение ядерного реактора, обнаружили бактерии, выживающие в условиях жесточайшей радиации.
Долгое время считалось, что полноценные экосистемы в океане могут существовать только до той глубины, куда проникает свет. Дальше идёт тёмная и холодная «мёртвая зона» с редкими обитателями, поглощающими то, что падает из верхних слоёв воды. Однако в середине 20-гг. века в центральных частях океанов, где проходят стыки литосферных плит, и постоянно поднимается магмы из недр планеты, открыли необычные образования, похожие на вулканы. Они выбрасывают разогретую до 300-400 градусов Цельсия воду, перенасыщенную минеральными солями и тяжёлыми металлами. Из-за колоссального давления на глубине нескольких тысяч метров она не кипит, и в свете прожекторов батискафов исходит со дна чёрными вертикальными потоками, получившими название «курильщиков».
Каково же было удивление учёных, когда они обнаружили, что в этом аду прекрасно чувствуют себя микроорганизмы, научившиеся в отсутствие света извлекать энергию из химических связей тех соединений, которые выбрасывали «курильщики». Они легли в основу пищевой пирамиды, и вокруг «курильщиков» сформировались настоящие оазисы жизни из морских червей, моллюсков и рыб
Микроорганизмы, способные выживать и размножаться при очень высоких или очень низких показателях температуры, давления, в агрессивной химической среде или других крайне неблагоприятных условиях – называют экстремофильными. Их изучение помогает узнавать пределы приспособляемости жизни.
Учитывая всё вышеприведённое, можно сказать, что в отечественной микробиологии микроорганизмы – это искусственно выделенная разнородная группа объектов микромира (живых организмов и сложных органических макромолекул), объединенных микроскопическими размерами, относительной простотой устройства и повсеместным распространением в биосфере.
Микробиология изучает их строение (морфологию – от греч. «морфос», форма), функционирование (физиологию), происходящие в них биохимические процессы, размножение и передачу наследственного материала из поколения в поколение (генетику), условия обитания (экологию) и наконец изменение с течением времени (эволюцию).
Итак, микробиология – это наука, изучающая морфология, физиологию, биохимию, генетику, экологию и эволюцию микроорганизмов. Можно добавить, что это определение общей микробиологии (о частной скажем чуть ниже).
Однако сразу необходимо сказать, что почти никогда микробиология не исследует свой объект – микроорганизмов – как «самих по себе». Гораздо в большей степени её интересует их связь друг с другом и влияние на макромир (мир, который мы ощущаем непосредственно с помощью органов чувств, в первую очередь – зрения). Особенно это важно для медицинской микробиологии, рассматривающей взаимодействие микроорганизмов, в т.ч. патогенных, с организмом человека.
Поэтому придётся нам ввести ещё одно определение, дополняющее и развивающее первое. Микробиология – это наука о микроорганизмах, изучающая закономерности их жизни и развития, а т.ж. изменения, вызываемые ими в организме людей, животных, растений и в неживой природе.
Для того, чтобы упорядочено заниматься изучением всего перечисленного, в микробиологии выделяют ряд разделов. Во-первых, микробиологи предпочитают глубоко заниматься только какой-то одной группой микробов, в крайнем случае – несколькими смежными. Поэтому среди них есть бактериологи, вирусологи, протозоологи. Микология – это наука о вообще всех грибах, но некоторые микологи предпочитают заниматься только микроскопическими их видами, например, дрожжами. Так же, как и некоторые альгологи (вы ведь ещё не забыли, что это учёные, занимающиеся водорослями?). И микробиологи с удовольствием принимают их в свою «компанию».
Об общей микробиологии мы сказали, когда давали первое определение этой науки. Но помимо общего часто нужно бывает заниматься более узкими вопросами. Их перечень объединяет частная микробиология, куда входят разделы санитарной микробиологии, медицинской, ветеринарной, промышленной, почвенной, морской, и даже космической микробиологии, а также биотехнология.
Хотя на самом деле классификации разрабатывают скорее для удобства и наглядности, и абсолютно всё в их рамки не уложить. Теми же прионами, из-за их необычности, микробиологи вынуждены заниматься совместно с биохимиками и другими учёными – первыми белковую природу этого патогена предположили вообще радиобиолог и биофизик. Впрочем, даже самые первые и самые «микробиологи из микробиологов» Луи Пастер (чьё имя сейчас носит французский институт микробиологии) и Роберт Кох (палочкой Коха долгое время называли возбудитель туберкулёза) внесли фундаментальный вклад в эту науку, вообще микробиологами не являясь! Первый был по образованию, как бы это сейчас сказали, «технологом пищевой промышленности», а второй, тоже в современных терминах – санитарным врачом. Это лишний раз доказывает условность всех классификаций и то, что крупные открытия всегда совершаются людьми широкого кругозора и – на стыке наук.
Например, микробиология чрезвычайно тесно связана со множеством наук и сфер деятельности человека: не только с фундаментальными химией и биологией, но также с генетикой, фармакологией, клинической медициной, химической и пищевой промышленностью, обеззараживанием сточных вод и даже производством материалов для электроники.
Однако наиболее тесно микробиология, особенно раздел медицинской микробиологии, связана с иммунологией. Настолько, что их попросту сложно рассматривать по отдельности друг от друга. Даже наш курс обучения называется «основы микробиологии и иммунологии». Поэтому нужно сказать несколько слов и о последней. Пока всего несколько, т.к. в дальнейшем ей будет посвящено отдельное занятие.
Иммунитет, изучением которого занимается иммунология как наука – это способ защиты организма от антигенов экзогенного (внешнего) и эндогенного (внутреннего) происхождения, направленный на поддержание и сохранение гомеостаза, структурной и функциональной целостности организма, биологической индивидуальности каждого организма и, как следствие, вида в целом.
Сейчас это определение кажется слишком сложным, но в процессе изучения курса вы разберётесь в терминах и поймёте, что иммунитет оберегает организм от внешних (микробы, инородные тела) и внутренних (опухолевые, отмершие и повреждённые клетки) опасностей. Таким способом он поддерживает постоянство внутренней среды организма (гомеостаз), оберегает от повреждений его геном, что в конечном счете позволяет живому существу выжить и передать свои гены потомкам.
Также на практических занятиях и из дополнительных материалов к данной лекции вы узнаете, как устроена микробиологическая лаборатория, и какие они бывают.
Ну, а о том, какие этапы пути прошла микробиология, прежде чем стать такой, как она описана выше, вам предстоит узнать самостоятельно – из материалов учебника, доступной литературы и других источников. Вы ведь уже поняли, что расширять кругозор – это важно? Кстати, для расширения помимо книг годятся статьи из Интернета, фильмы и даже компьютерные игры (подборку личных предпочтений и рекомендаций можно найти здесь, только своих студентов должен предупредить: не увлекайтесь, вам ещё анатомию учить =))
©Алекс Шел, август 2022 г. При копировании и использовании материалов ссылка на источник обязательна