Страница 13 из 91

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Посев на скошенный агар штрихом. Правой рукой берут петлю и прожигают ее на пламени горелки докрасна. Левой рукой между большим и указательным пальцами держат пробирку с агаром почти в горизонтальном положении, чтобы во время посева в нее не попадали микробы из воздуха. Легким вращательным движением освобождают ватную пробку и мизинцем правой руки, прижимая к ладони, вынимают ее из пробирки. Край пробирки слегка обжигают. Петлей забирают немного материала, содержащего микробов, и зигзагообразными движениями наносят на поверхность агара в пробирке. После произведенного посева петлю извлекают из Пробирки, обжигают ее края и закрывают ватной пробкой. Затем снова прожигают петлю в пламени горелки, чтобы уничтожить оставшихся на ней микробов.
Пересев на скошенный агар. Материал, содержащий микробов, также находится в пробирках. Для того чтобы сделать пересев из одной пробирки в другую, обе пробирки, т. е. ту, из которой производится посев, и ту, которая подлежит засеву, берут вместе и держат между большим и указательным и средним пальцами левой руки. Вынимают сначала пробки из пробирок по указанной выше методике, набирают материал и переносят материал на поверхность стерильного агара, где и производят посев, затем обжигают края пробирки и закрывают (рис. 33).
Посев на бульон. Посев на бульон или с бульона на бульон или агар делают так же, как и посев на агар, но все манипуляции следует производить осторожно, чтобы бульон не вылился из пробирки или не смочил ее краев. Материал, внесенный в бульон для посева, растирают на стенке пробирки ближе к жидкости и взбалтывают в бульоне. Пересев из бульона в бульон можно делать также при помощи стерильной пастеровской пипетки.
Посев в молоко и другие питательные (жидкие) среды производится так же, как и посев в бульон.
Посев уколом в столбик агара или желатины. Пробирку с агаром или желатиной держат дном кверху. Материал, подлежащий посеву, берут платиновой иглой, которую отвесно вкалывают в поверхность агара или желатины и продвигают по оси пробирки до самого дна. Иглу затем извлекают, обжигают и закрывают пробирку пробкой (рис. 34).

Во внешней среде и в организме человека микробы чаше всего встречаются в смеси с другими микробами. Для изучения свойств того или иного микроба (без чего не может быть поставлен диагноз) его нужно иметь в чистой культуре, т. е. приходится отделять его от других микробов, с которыми он смешан.

Рис. 33. Посев петлей.

Рис. 34. Посев уколом.

Рис. 35. Заливка чашки агаром.
Существуют следующие методы выделения чистых культур бактерий:
а) посев на среду в чашку Гейденрейха - Петри;
б) биологические методы (применение элективных сред, использование различных оптимальных температур, заражение лабораторных животных). Наиболее часто пользуются посевом исследуемого материала на среду в чашки Гейденрейха - Петри.

Техника посева на чашку Гейденрейха - Петри с застывшим агаром. Агар в колбах, флаконах, пробирках расплавляют в кипящей водяной бане. Затем агар охлаждают до 50-60° и разливают в чашки Гейденрейха - Петри. Чашки должны быть стерильными. Их устанавливают на горизонтальной поверхности, и из сосуда, содержащего расплавленный агар, вынимают пробку, края сосуда обжигают, после чего среду выливают в чашку (рис. 35). Крышку чашки приподнимают левой рукой с одной стороны, не открывая чашки полностью. Слегка наклоняя чашку в разные стороны, распределяют налитый в нее агар ровным слоем по всему дну. Когда агар затвердеет, чашки ставят в термостат вверх дном для подсушивания. Полезно также удалить стерильной ватой конденсационную воду, собирающуюся на крышке чашки. Посев на чашки с агаром производят штрихом при помощи петли или втиранием стеклянным шпателем. Для его изготовления стеклянную палочку необходимой толщины (4- 5 мм) вводят в пламя горелки, нагревают до размягчения, конец обжимают предварительно нагретыми плоскозубцами и придают форму треугольника (рис. 36). Практически удобнее пользоваться металлическими шпателями Дригальского.

Посев петлей производится следующим образом. Платиновой петлей набирают небольшое количество материала, легко проводят по поверхности агара, нанося ряд параллельных линий. Той же петлей, не набирая материала, вновь наносят штрихи на второй и третьей чашке с агаром. На первой чашке может получиться сплошной рост, тогда как на второй и третьей наблюдается рост единичных, изолированных колоний. Каждая колония представляет обособленное скопление однородных микробов. Можно также пользоваться одной чашкой, разделив ее на несколько секторов, нанеся линии деления по стеклу дна чашки.

Рис. 36. Шпатель Дригальского.
Каждый отдельный сектор будет заменять одну чашку. При последующем пересеве из колоний на косой агар или другую питательную среду получают чистую культуру.
При посеве шпателем на поверхность агара наносят петлей одну каплю исследуемого материала. Затем, приоткрыв чашку, прокаленным и остуженным стеклянным шпателем растирают каплю по всей поверхности, производя легкие поглаживающие движения по всей поверхности агара (рис. 37). Не обжигая шпателя, им же засевают вторую и третью чашки с агаром.

Рис. 37. Посев шпателем.

Биологические методы выделения чистых культур. Выделение чистых культур на основе различных биологических свойств бактерий широко проводится на специальных питательных средах. Например, специальные среды нашли широкое применение при выделении возбудителей кишечных инфекций. Добавление к питательной среде малахитового или бриллиантового зеленого, солей желчных кислот, значительных концентраций поваренной соли или лимоннокислых солей подавляет рост кишечной палочки и не влияет на размножение патогенных бактерий кишечнотифозной группы. Для выделения из мокроты и слизи культуры коклюшной палочки к питательной среде добавляют антибиотик пенициллин, который угнетает рост сопутствующей микрофлоры и в то же время не задерживает роста и размножения возбудителя коклюша. Для выделения холерного вибриона используют элективную среду - пептонную воду, а для выделения дифтерийной палочки - свернутую лошадиную сыворотку.

Для облегчения выделения чистых культур некоторых бактерий можно воспользоваться и тем, что они растут при различных температурных оптимумах. В качестве примера можно привести метод выделения чистой культуры кишечной палочки из воды путем выращивания посевов в термостате при температуре 43°, выделение возбудителя чумы из загрязненного материала путем выращивания при 20° и даже при 5°.
Наконец, следует указать, что рост некоторых патогенных бактерий (пневмококк, бациллы сибирской язвы, бактерии туляремии и др.) можно получить в чистой культуре, заражая лабораторных животных, чувствительных к тому или другому микробу. Например, для выделения культуры пневмококка из мокроты больного человека производится заражение белой мыши.

Термостат

Рис. 38. Термостаты.

Засеянную среду помещают в термостат, где температура наиболее благоприятна для выращивания микробов. Для патогенных микробов эта температура должна соответствовать температуре человеческого тела, т. е. 37°. Электрические термостаты с автоматическим регулированием температуры бывают различных размеров- от величины небольшого ящика до величины комнаты. Термостат для обычной бактериологической работы представляет собой шкаф с двойными стенками из металла или дерева, обшитый снаружи плохими проводниками тепла, например, пробкой, асбестом и т. п. (рис. 38). Термостат имеет двойную дверку, наружную, обшитую изолирующим слоем, и внутреннюю в виде рамки со стеклом. Внутри термостата устроены съемные полки из металлической сетки.

Проблема происхождения и эволюции микроорганизмов очень сложна. Еще в 1886 г. немецкий биолог Э. Геккел предложил выделить микроорганизмы, у которых отсутствует дифференцировка на органы и ткани (простейшие, грибы, бактерии), в отдельное царство — Protista (протесты, первосущества), включив в него организмы, во многих отношениях занимающие промежуточное положение между растениями и животными. В дальнейшем с учетом строения клеток протисты были подразделены на две четко разграниченные группы — высшие и низшие. У высших протистов клетки сходны с растительными и животными клетками, это — эукариоты. К ним отнесены микроскопические водоросли (кроме сине-зеленых), микроскопические грибы (плесени и дрожжи). К низшим отнесены протисты, клетки которых по строению существенно отличаются от всех других организмов (бактерии и сине-зеленые водоросли), это — прокариоты.

В эукариотных клетках есть вторичные полости. Ядерная мембрана, отграничивающая ДНК от остальной цитоплазмы, формирует вторичную полость. Эукариоты имеют истинное ядро, рибосомы более крупные, геном представлен набором хромосом, которые при митозе удваиваются и распределяются между дочерними клетками.

Прокариоты не имеют окруженного мембраной ядра. Ядерная ДНК в виде замкнутой в кольцо молекулы свободно располагается в цитоплазме. Клеточная стенка (за исключением микоплазм) содержит пептидогликан (мурсин), который не встречается у эукариот.

В этой связи было предложено выделить все прокариоты в особое царство — Procaryotae. В царство Eycaryotae включены все высшие протисты, растения и животные.

Систематика (таксономия) — наука, занимающаяся вопросами классификации, номенклатуры и идентификации микроорганизмов. Задачей классификации является объединение микроорганизмов с общими свойствами в определенные группы (таксоны). Номенклатура — система наименований, применяемых в определенной области знаний. Идентификация — отнесение микроорганизмов к определенному таксону (виду) на основании конкретных признаков.

Для того чтобы отнести микроорганизм к той или иной таксономической группе, необходимо определить основные его признаки: морфологию, подвижность, окраску по Граму, наличие капсулы и способность к образованию эндоспор, культурально-биохимические свойства и некоторые другие признаки. В классификации для группирования родственных организмов используют следующие таксономические категории: царство (regnum), отдел (divisio), секцию (section), класс (classis), порядок (ordo), семейство (familia), род (genus), вид (species).

В соответствии с новым кодексом номенклатуры бактерий, введенным с 1 января 1980 г., название микроорганизмам присваивается в соответствии с правилами Международного кодекса номенклатуры бактерий. В микробиологии, как и в биологии, для обозначения видов бактерий принята двойная (бинарная) номенклатура, предложенная еще в XVIII в. К. Линнеем. Первое слово название рода. Обычно это латинское слово, оно пишется с прописной буквы и характеризует какой-либо морфологический или физиологический признак либо фамилию ученого, открывшего этот микроб. Второе слово пишется со строчной буквы. Оно обозначает видовое название микроорганизма и, как правило, представляет собой производное от существительного, дающего описание цвета колонии, источника происхождения микроорганизма, вызываемого им процесса или болезни и некоторых других отличительных признаков. Например, Escherichia coli указывает, что микроб открыл Эшсрих, coli — обитатель кишечника, Bacillus anthracis — микроб образует спору, anthracis — возбудитель сибирской язвы, Azolobactcr — микроорганизм, фиксирующий атмосферный азот.

Основной номенклатурной единицей является вид. В. Д. Тимаков (1973) даст следующее определение ему: «Вид — это совокупность микроорганизмов, имеющих единое происхождение и генотип, сходных по морфологическим и биологическим свойствам, обладающих наследственно закрепленной способностью вызывать в среде естественного обитания качественно определенные специфические процессы». Вид подразделяют на подвиды или варианты. При изучении выделенных бактерий часто обнаруживают отклонение от типичных видовых свойств, такую культуру рассматривают как подвид. Имеются также и инфраподвидовые подразделения, которые основаны на отличии особей каким-либо небольшим наследственным признаком: антигенным — серовар, биохимическим — биовар, отношением к фагам — фаговар, патогенностью — патовар и др.

В микробиологии пользуются терминами «штамм» и «клон». Штамм — культура одного и того же вида, выделенная из разных объектов и отличающаяся незначительными изменениями свойств (например, чувствительностью к антибиотикам, ферментацией углеводов и др.). Под термином «культура» понимают микроорганизмы, выращенные на плотной или жидкой питательной среде в условиях лаборатории. Клон — это культура, полученная из одной клетки. Культуру микроорганизмов, полученную из особей одного вида, называют чистой культурой. Смешанной культурой называют смесь неоднородных микроорганизмов, выделенных из исследуемого материала (молока, почвы, воды, патматериала).

В микробиологии существует два различных подхода к систематике, обусловливающие два вида классификации. В основе первого лежит идея создания естественной (филогенетической) классификации прокариот, т. е. построения единой системы, объективно отражающей родственные отношения между разными группами и историю их эволюционного развития. Второй подход к систематике преследует практические цели и служит для идентификации, т. е. установления принадлежности микроорганизма к определенному виду. Это искусственная классификация (традиционная). Современные системы классификации микроорганизмов, по существу, являются искусственными. Этому служат определители, которыми пользуются главным образом при идентификации того или иного микроорганизма. К таким определителям относятся: «Определитель бактерий и актиномицетов» Н. А. Красильникова (1949), «Определитель микробов» Р. А. Циона (1948) и др. К международным определителям бактерий относится «Руководство по систематике бактерий» Д. X. Берги, девятое издание которого вышло в 1984 г. В этом определителе все прокариотические микроорганизмы объединены в царство Procaryotae, которое подразделяется на четыре отдела. Они, в свою очередь, делятся на секции, классы, порядки, семейства, роды, виды.

Отдел I. Gracilicutes (gracilus — тонкий, стройный, cules — кожа). В отдел внесены грамотрицательные микроорганизмы. В отделе девять секций.

Секция 1. Спирохеты. Эти микроорганизмы объединены в порядок Spirochaetales, имеющий два семейства: Spirochaetaceae (четыре рода), Leptospiraceae (один род).

Секция 2. Спиралевидные и изогнутые аэробы (микроаэрофилы). В секции одно семейство — Spirillaceae, в котором шесть родов. Патогенные для человека и животных микроорганизмы имеются в роде Campylobactcr.

Секция 3. В секцию включены грамотрицательные неподвижные изогнутые бактерии. Имеется одно семейство — Spirosomonaceac, в котором три рода. Патогенных среди них нет.

Секция 4. Аэробные грамотрицательные палочки, округлые и кокки. В секции восемь семейств, два — из которых имеют патогенные микроорганизмы. Семейство Pseudomonadaceae имеет четыре рода, более 25 видов, среди которых имеются патогенные (Ps. mallei и др.). Семейство Ncisseriaccae имеет 16 родов. Род Neisseria и Moraxella содержат патогенные для человека и животных микроорганизмы.

В эту секцию включены роды Bordelella, Brucella и Francisella, не имеющие семейств. Роды содержат патогенные микроорганизмы для человека и животных.

Секция 5. Грамотрицательные факультативные анаэробы. В секции три семейства: Enterobacleriaccae, Vibrionaceae и Pasteurellaccae. Семейство Entcrobacteriaceac имеет 14 родов (Escherichia, Salmonella, Citrobacler, Klcbsiella. Enterobacter. Erwinia, Shigclla, Proteus, Yersinia и др.). Семейство Vibrionaceae имеет два рода. В род Vibrio включены патогенные микроорганизмы.

Семейство Pasteurellaceae имеет три основных рода: Pasteurella, Haemophilus и Actinobacillus. Содержат патогенные виды микроорганизмов.

Секция 6. Строгие анаэробы. Изогнутые грамотрицательные палочки. В секции одно семейство — Bacteroidaceae, в котором 13 родов, среди которых имеются патогенные.

Секция 7. В секцию включены диссимилирующие и разлагающие сульфат бактерии. Имеется семь родов, среди которых нет патогенных.

Секция 8. Анаэробные грамотрицательные кокки. В секции одно семейство — Vellonellaceae, в котором три рода.

Секция 9. Риккетсии и хламидии. В секции два порядка: Rickettsiales и Chlamydiales. Порядок Rickettsiales имеет три семейства: Rickettsiaceae, Barlonellaceac и Anaplasmataceae. Семейство Rickettsiaceae имеет три трибы, в которые внесено восемь родов. Семейство Bartonellaceae содержит два рода, a Anaplasmataceae — четыре. Порядок Chlamydiales имеет одно семейство — Chlamydiaceae и один род — Chlamydia. Все семейства содержат патогенные микроорганизмы.

Отдел II. Firmicutes (лат. firmis — крепкий, cutes — кожа). В отдел включены грамположительные кокки, палочки или нити.

Секция 12. Грамположительные кокки. В секции два семейства: Micrococcaceae и Deinococcaceae. Семейство Micrococcaceae имеет четыре рода (Micrococcus, Stomatococcus, Pianococcus, Staphylococcus). В данную секцию кроме указанных двух семейств включено еще 10 самостоятельных родов (Streptococcus, Leuconostos, Pedicoccus, Sarcina и др.).

Секция 13. В секцию включены спорообразующие грамположительные палочки и кокки. В секции тесть родов: Bacillus, Clostridium, Sporolactobacillus, Sporosarcina и др. Первые два рода имеют патогенные виды.

Секция 14. Неспорообразующие грамположительные палочки. В секции представлено семь родов: Lactobacillus, Listeria, Erysipclotrix и др. Имеются патогенные.

Секция 15. Неспорообразующие внутриклеточные грамположительные палочки. В секции представлен 21 род (Corynobacterium, Microbacterium, Propionibacterium, Eubacterium, Acetobacterium, Bifidobacteriurn, Actinonuices и др.).

Секция 16. Микобактсрии. В секции одно семейство — Mycobacterioceae. Семейство имеет один род — Mycobacterium, в котором 49 видов (М.tuberculosis, M.bovis, M.aviurn, М. paratuberculosis, M.lepra и др.).

Секция 17. Nocardioforms. В секции девять родов: Nocardia, Pheodococcus, Pseudonocardia и др.

Отдел III. Tenericutes. В отделе объединены грамотрицательные прокариоты, не имеющие клеточной стенки, имеют цитоплазматическую мембрану. В отделе 10-я секция — микоплазмы. Они объединены в класс Mollicutes (лат. molli — мягкий, cutes — покров, кожа). В классе один порядок — Mycoplasinatales — и три семейства: Mycoplasmataceae, Acholeplasmataceae, Spiroplasmataceae. В основном патогенные микоплазмы включены в семейство Mycoplasmataceae.

Секция 11. Эндосимбионты.

Отдел IV. Mendosicutes. В отдел внесены прокариоты, среди которых нет патогенных бактерий, это метанобразующие, сероокисляющие, галофилы, микоплазмоподобные, термоацидофильные и др.

Микробиология: конспект лекций Ткаченко Ксения Викторовна

2. Систематика и номенклатура микроорганизмов

Основной таксономической единицей систематики бактерий является вид.

Вид – это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими, физиологическими, биохимическими и другими признаками.

Вид не является конечной единицей систематики. Внутри вида выделяют варианты микроорганизмов, отличающиеся отдельными признаками. Так, различают:

1) серовары (по антигенной структуре);

2) хемовары (по чувствительности к химическим веществам);

3) фаговары (по чувствительности к фагам);

4) ферментовары;

5) бактериоциновары;

6) бактериоциногеновары.

Бактериоцины – вещества, продуцируемые бактериями и губительно действующие на другие бактерии. По типу продуцируемого бактериоцина различают бактериоциновары, а по чувствительности – бактерициногеновары.

Для видовой идентификации бактерий необходимо знать следующие их свойства:

1) морфологические (форму и структуру бактериальной клетки);

2) тинкториальные (способность окрашиваться различными красителями);

3) культуральные (характер роста на питательной среде);

4) биохимические (способность утилизировать различные субстраты);

5) антигенные.

Виды, связанные генетическим родством, объединяют в роды, роды – в семейства, семейства – в порядки. Более высокими таксономическими категориями являются классы, отделы, подцарства и царства.

Согласно современной систематике патогенные микроорганизмы относятся к царству прокариот, патогенные простейшие и грибы – к царству эукариот, вирусы объединяются в отдельное царство – Vira.

Все прокариоты, имеющие единый тип организации клеток, объединены в один отдел – Bacteria. Однако отдельные их группы отличаются структурными и физиологическими особенностями. На этом основании выделяют:

1) собственно бактерии;

2) актиномицеты;

3) спирохеты;

4) риккетсии;

5) хламидии;

6) микоплазмы.

В настоящее время для систематики микроорганизмов используется ряд таксономических систем.

1. Нумерическая таксономия. Признает равноценность всех признаков. Для ее применения необходимо иметь информацию о многих десятках признаков. Видовая принадлежность устанавливается по числу совпадающих признаков.

2. Серотаксономия. Изучает антигены бактерий с помощью реакций с иммунными сыворотками. Наиболее часто применяется в медицинской бактериологии. Недостаток – бактерии не всегда cодержат видоспецифический антиген.

3. Хемотакcономия. Применяются физико-химические методы, с помощью которых исследуется липидный, аминокислотный состав микробной клетки и определенных ее компонентов.

4. Генная систематика. Основана на способности бактерий с гомологичными ДНК к трансформации, трансдукции и конъюгации, на анализе внехромосомных факторов наследственности – плазмид, транспозонов, фагов.

Совокупность основных биологических свойств бактерий можно определить только у чистой культуры – это бактерии одного вида, выращенные на питательной среде.

Из книги Микробиология: конспект лекций автора Ткаченко Ксения Викторовна

2. Антигены микроорганизмов Инфекционные антигены – это антигены бактерий, вирусов, грибов, простейших.Существуют следующие разновидности бактериальных антигенов:1) группоспецифические (встречаются у разных видов одного рода или семейства);2) видоспецифические

Из книги Микробиология автора Ткаченко Ксения Викторовна

2. Систематика и номенклатура микроорганизмов Основной таксономической единицей систематики бактерий является вид.Вид – это эволюционно сложившаяся совокупность особей, имеющая единый генотип, который в стандартных условиях проявляется сходными морфологическими,

Из книги Тесты по биологии. 7 класс автора Бенуж Елена

МНОГООБРАЗИЕ ЖИВОГО И НАУКА СИСТЕМАТИКА ОТ КЛЕТКИ ДО БИОСФЕРЫ. ЧАРЛЗ ДАРВИН. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВИДОВ. СИСТЕМАТИКА Вставьте пропущенное слово.1. Закончите предложения, вставив необходимые по смыслу слова.Все живые организмы имеют сходство в строении – все они состоят из

Из книги Экология автора Митчелл Пол

Систематика 1. Выберите правильную последовательность систематических категорий.A. Вид, семейство, род, отряд, класс, тип, подтип, царствоБ. Вид, род, семейство, отряд, класс, подтип, тип, подцарство, царствоB. Род, вид, семейство, класс, отряд, тип, подтип, царствоГ. Вид, подвид,

Из книги Путешествие в страну микробов автора Бетина Владимир

ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ Людей впечатляют большие размеры. Наверное поэтому, вспоминая о юрском периоде, мы в первую очередь представляем себе гигантских динозавров, когда-то «правивших» нашей планетой. Однако, если какие-то организмы и «управляют» Землей, то это

Из книги Популярно о микробиологии автора Бухар Михаил

6. Жизнь и смерть микроорганизмов Жизнь есть творение К. Бернар Микробы в движении Левенгук, сообщая Лондонскому королевскому обществу о наблюдаемых им «зверушках», писал, что они отличаются способностью очень быстро передвигаться. Мы уже рассказывали, что, по

Из книги Тайна Бога и наука о мозге [Нейробиология веры и религиозного опыта] автора Ньюберг Эндрю

Рост и размножение микроорганизмов Как сказал известный французский физиолог XIX века Клод Бернар, жизнь есть творение. Живые организмы отличаются от неживой природы главным образом тем, что растут и размножаются. Их рост и размножение лучше всего наблюдать у таких

Из книги Антропология и концепции биологии автора

Пределы жизни микроорганизмов Жизнь и размножение микробов зависят от многих внешних факторов. К основным относится прежде всего температура окружающей среды. Самая низкая из известных нам температур, при которой прекращается тепловое движение молекул и атомов, - это

Из книги Поведение: эволюционный подход автора Курчанов Николай Анатольевич

Предел выносливости микроорганизмов Итак, мы уже узнали, что микробы выносят значительные колебания температуры, гораздо большие, чем человек. Посмотрим же, как реагируют они на другие неблагоприятные условия.Давление воздуха на уровне моря и на 45° географической

Из книги автора

Дружба микроорганизмов Среди разнообразнейших представителей мира микробов развились и «дружеские», симбиотические отношения. Интересны, например, взаимоотношения между некоторыми простейшими и водорослями. В клетках инфузорий часто живут симбиотические зеленые или

Из книги автора

Глава 12 Распространенность микроорганизмов Нас - тьмы, и тьмы, и тьмы. А. Блок Микроорганизмы - всюду. В воздухе, в воде, в почве - и везде их великое множество. Достаточно сказать, что только в одном кубическом сантиметре ризосферы (это часть почвы, непосредственно

Из книги автора

Систематика ума: абстрагирующий оператор Абстрагирующий оператор, вероятнее всего связанный с активностью теменной доли левого мозгового полушария, обеспечивает формирование обобщенной концепции из отдельных фактов. Скажем, он позволяет нам понять, что такса,

Из книги автора

Систематика и филогения Если первые системы организмов были искусственными, т. е. основанными на произвольно выбранных признаках, то современная систематика строится на принципах филогении.Филогения – это историческое развитие организмов. Графически филогения

Из книги автора

Систематика Tracheophyta: 1) Lycophyta – плауны;2) Sphenophyta – хвощи;3) Pterophyta – папоротники;4) Cycadophyta – саговники;5) Ginkgophyta – гинкговые;6) Gnetophyta – гнетовые;7) Coniferophyta – хвойные;8) Anthophyta – покрытосеменные (или цветковые).Исключительный интерес представляет флора каменноугольного периода

Из книги автора

7.1. Характеристика и систематика млекопитающих Млекопитающие – это гомотермные животные с исключительно высоким уровнем интенсивности обмена веществ, для которых характерно вскармливание новорожденных детенышей молоком. Их кожа покрыта волосами и имеет

Из книги автора

2.5. Эволюционная биология и систематика Теоретические положения эволюционной биологии имеют основополагающее значение для принципов систематики. Вне систематики нет биологии. Без учета систематики не может рассматриваться ни одна биологическая проблема, в том числе и

Лекция № 1 . История развития микробиологии, вирусологии и иммунологии. Предмет, методы, задачи .

1.Введение

Микробиология (от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) - наука, изучающая организмы, неразличимые (невидимые) невооруженным какой- либо оптикой глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микроорганизмы (микробы).

Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.

В таксономическом отношении микроорганизмы очень разнообразны. Они включают прионы, вирусы, бактерии, водоросли, грибы, простейшие и даже микроскопические многоклеточные животные.

По наличию и строению клеток вся живая природа может быть разделена на прокариоты (не имеющие истинного ядра), эукариоты (имеющие ядро) и не имеющие клеточного строения формы жизни. Последние для своего существования нуждаются в клетках, т.е. являются внутриклеточными формами жизни (рис.1).

По уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки все живое делят на 4 царства жизни: эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды.

К прокариотам , объединяющим эубактерии и архебактерии, относят бактерии, низшие (сине- зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, архебактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы- эукариоты .

Микроорганизмы - это невидимые простым глазом представители всех царств жизни. Они занимают низшие (наиболее древние) ступени эволюции, но играют важнейшую роль в экономике, круговороте веществ в природе, в нормальном существовании и патологии растений, животных, человека.

Микроорганизмы заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микроорганизмы чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты (среды обитания ), включая и более высокоорганизованные организмы животного и растительного мира.

Можно сказать, что без микроорганизмов жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна .

Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют круговорот веществ и энергии в природе, расщепление органических соединений и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород, многим другим природным явлениям.

С помощью микроорганизмов осуществляются важные производственные процессы - хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных препаратов.

Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывает воздействие разнообразных природных и антропических (связанных с деятельностью людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.

Наибольшую печальную известность имеют патогенные микроорганизмы (микробы- патогены) - возбудители заболеваний человека, животных, растений, насекомых. Микроорганизмы, приобретающие в процессе эволюции патогенность для человека (способность вызывать заболевания), вызывают эпидемии , уносящие миллионы жизней. До настоящего времени вызываемые микроорганизмами инфекционные заболевания остаются одной из основных причин смертности, причиняют существенный ущерб экономике.

Изменчивость патогенных микроорганизмов составляет основную движущую силу в развитии и совершенствовании систем защиты высших животных и человека от всего чужеродного (чужеродной генетической информации). Более того, микроорганизмы являлись до недавнего времени важным фактором естественного отбора в человеческой популяции (пример- чума и современное распространение групп крови). В настоящее время вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) посягнул на святое святых человека - его иммунную систему.

2. Основные этапы развития микробиологии, вирусологии и иммунологии

1.Эмпирических знаний (до изобретения микроскопов и их применения для изучения микромира).

Джакомо Фракасторо (1546г.) предположил живую природу агентов инфекционных заболеваний- contagium vivum.

2.Морфологический период занял около двухсот лет.

Антони ван 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), совершенствованиетехники 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.

7.Перспективы развития .

На пороге XXI 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 энцефалопатий - 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.

3. Задачи медицинской микробиологии.

К ним можно отнести следующие:

1.Установление этиологической (причинной) роли микроорганизмов в норме и патологии.

2.Разработка методов диагностики, специфической профилактики и лечения инфекционных заболеваний, индикации (выявления) и идентификации (определения) возбудителей.

3. Бактериологический и вирусологический контроль окружающей среды, продуктов питания, соблюдения режима стерилизации и надзор за источниками инфекции в лечебных и детских учреждениях.

4.Контроль за чувствительностью микроорганизмов к антибиотикам и другим лечебным препаратам, состоянием микробиоценозов (микрофлорой) повехностей и полостей тела человека.

4.Методы микробиологической диагностики.

Методы лабораторной диагностики инфекционных агентов многочисленны, к основным можно отнести следующие.

1. Микроскопический- с использованием приборов для микроскопии. Определяют форму, размеры, взаиморасположение микроорганизмов, их структуру, способность окрашиваться определенными красителями.

К основным способам микроскопии можно отнести световую микроскопию (с разновидностями- иммерсионная, темнопольная, фазово - контрастная, люминесцентная и др.) и электронную микроскопию. К этим методам можно также отнести авторадиографию (изотопный метод выявления).

2.Микробиологический (бактериологический и вирусологический) - выделение чистой культуры и ее идентификация.

3.Биологический - заражение лабораторных животных с воспроизведением инфекционного процесса на чувствительных моделях (биопроба).

4.Иммунологический (варианты - серологический, аллергологический) - используется для выявления антигенов возбудителя или антител к ним.

5.Молекулярно- генетический – ДНК - и РНК- зонды, полимеразная цепная реакция (ПЦР) и многие другие.

Заключая изложенный материал, необходимо отметить теоретическое значение современной микробиологии, вирусологии и иммунологии. Достижения этих наук позволили изучить фундаментальные процессы жизнедеятельности на молекулярно- генетическом уровне. Они обусловливают современное понимание сущности механизмов развития многих заболеваний и направления их более эффективного предупреждения и лечения.

Лекция № 2 . Систематика и морфология микроорганизмов.

1. Систематика микроорганизмов.

Систематика- распределение микроорганизмов в соответствии с их происхождением и биологическим сходством. Систематика занимается всесторонним описанием видов организмов, выяснением степени родственных отношений между ними и объединением их в различные по уровню родства классификационные единицы- таксоны. Основные вопросы, решаемые при систематике (три аспекта, три кита систематики)- классификация, идентификация и номенклатура.

Классификация- распределение (объединение) организмов в соответствии с их общими свойствами (сходными генотипическими и фентипическими признаками) по различным таксонам.

Таксономия- наука о методах и принципах распределения (классификации) организмов в соответствии с их иерархией. Наиболее часто используют следующие таксономические единицы (таксоны)- штамм, вид, род. Последующие более крупные таксоны- семейство, порядок, класс.

В современном представлении вид в микробиологии - совокупность микроорганизмов, имеющих общее эволюционное происхождение, близкий генотип (высокую степень генетической гомологии, как правило более 60%) и максимально близкие фенотипические характеристики.

Нумерическая (численная) таксономия основывается на использовании максимального количества сопоставляемых признаков и математическом учете степени соответствия. Больщое число сравниваемых фенотипических признаков и принцип их равной значимости затрудняло классификацию.

При изучении, идентификации и классификации микроорганизмов чаще всего изучают следующие (гено- и фенотипические) характеристики:

1.Морфологические- форма, величина, особенности взаиморасположения, структура.

2.Тинкториальные- отношение к различным красителям (характер окрашивания), прежде всего к окраске по Граму . По этому признаку все микроорганизмы делят на грамположительные и грамотрицательные .

Морфологические свойства и отношение к окраску по Граму позволяют как правило отнести изучаемый микроорганизм к крупным таксонам- семейству, роду.

3.Культуральные- характер роста микроорганизма на питательных средах.

4.Биохимические- способность ферментировать различные субстраты (углеводы, белки и аминокислоты и др.), образовывать в процессе жизнедеятельности различные биохимические продукты за счет активности различных ферментных систем и особенностей обмена веществ.

5.Антигенные- зависят преимущественно от химического состава и строения клеточной стенки, наличия жгутиков, капсулы, распознаются по способности макроорганизма (хозяина) вырабатывать антитела и другие формы иммунного ответа, выявляются в иммунологических реакциях.

6.Физиологические- способы углеводного (аутотрофы, гетеротрофы) , азотного (аминоавтотрофы, аминогетеротрофы) и других видов питания, тип дыхания (аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, строгие анаэробы) .

7.Подвижность и типы движения.

8.Способность к спорообразованию , характер спор.

9.Чувствительность к бактериофагам, фаготипирование.

10.Химический состав клеточных стенок- основные сахара и аминокислоты, липидный и жинокислотный состав.

11.Белковый спектр (полипептидный профиль).

12.Чувствительность к антибиотикам и другим лекарственным препаратам.

13.Генотипические (использование методов геносистематики).

В последние десятилетия для классификации микроорганизмов, помимо их фенотипических характеристик (см. пп.1- 12), все более широко и эффективно используются различные генетические методы (изучение генотипа- генотипических свойств). Используются все более совершенные методы- рестрикционный анализ, ДНК- ДНК гибридизация, ПЦР, сиквенс и др. В основе большинства методов лежит принцип определения степени гомологии генетического материала (ДНК, РНК). При этом чаще исходят из условного допущения, что степень гомологии более 60% (для некоторых групп микроорганизмов- 80%) свидетельствует о принадлежности микроорганизмов к одному виду (различные генотипы - один геновид), 40- 60%- к одному роду.

Идентификация.

Основные фено- и генотипические характеристики, используемые для классификации микроорганизмов, используются и для идентификации, т.е. установления их таксономического положения и прежде всего видовой принадлежности- наиболее важного аспекта микробиологической диагностики инфекционных заболеваний. Идентификация осуществляется на основе изучения фено- и генотипических характеристик изучаемого инфекционного агента и сравнения их с характеристиками известных видов. При этой работе часто применяют эталонные штаммы микроорганизмов, стандартные антигены и иммунные сыворотки к известным прототипным микроорганизмам. У патогенных микроорганизмов чаще изучают морфологические, тинкториальные, культуральные, биохимические и антигенные свойства.

Номенклатура- название микроорганизмов в соответствии с международными правилами. Для обозначения видов бактерий используют бинарную латинскую номенклатуру род/вид, состоящую из названия рода (пишется с заглавной буквы) и вида (со строчной буквы). Примеры- Shigella flexneri, Rickettsia sibirica.

В микробиологии часто используется и ряд других терминов для характеристики микроорганизмов.

Штамм - любой конкретный образец (изолят) данного вида. Штаммы одного вида, различающиеся по антигенным характеристикам, называют серотипами (серовариантами- сокращенно сероварами) , по чувствительности к специфическим фагам- фаготипами , биохимическим свойствам- хемоварами , по биологическим свойствам- биоварами и т.д.

Колония - видимая изолированная структура при размножении бактерий на плотных питательных средах, может развиваться из одной или нескольких родительских клеток. Если колония развилась из одной родительской клетки, то потомство называется клон.

Культура - вся совокупность микроорганизмов одного вида, выросших на плотной или жидкой питательной среде.

Основной принцип бактериологической работы- выделение и изучение свойств только чистых (однородных, без примеси посторонней микрофлоры) культур .

Биологическая систематика – крупный раздел биологии, в основные задачи которого входит определение в единую систему всех живых организмов, исследованных наукой. Систематика бактерий начала активно развиваться только в конце ХХ века. Именно тогда были найдены методы, благодаря которым ученые смогли выявлять основные принципы жизнедеятельности многочисленных представителей царства бактерий.

Современная система

Ввиду того, что человек только начал изучение микроорганизмов, завершенной схемы прокариотического сообщества в микробиологии еще не существует. Вообще сложно с уверенностью сказать, что когда-нибудь она будет составлена. Если вспомнить один из основных постулатов, которым руководствуется весь ученый мир, о том, что познание природы неисчерпаемо, то сложно представить, что когда-нибудь человечество услышит от представителей микробиологии заявление о завершении систематики бактерий.

Наглядным примером влияния новых открытий на систематику является сравнительно недавнее разделение некогда единого царства бактерий и отделение от него царства архей. Получив возможность детально изучить строение и тех и других организмов, ученые пришли к выводу, что по своему строению археи больше походят на эукариотические клетки, хотя и являются безъядерными прокариотами. Сейчас считается, что именно археи стали переходным звеном между простейшими и эукариотами.

Но, несмотря на относительно небольшой срок существования микробиологии, систематизация бактерий базируется на всех тех основных принципах, которые позволяют объединять все живое в стройную схему. Эти принципы были сформулированы еще в конце 18 века шведским ученым Карлом Линнеем, который первый задался целью составить единую систему живой природы.

Такими принципами являются следующие аксиомы:

В основу строения живого разнообразия заложена единая общая структура.
Общая структура построена по иерархическому принципу.
Результатом познания общей структуры может стать единая система живой природы.

Что касается основных практических задач, которые в микробиологии решает систематика, то это:

классификация – ранжирование известных живых организмов по биологическим таксонам (таксон – единица классификации);
идентификация – работа с неизвестными живыми организмами по установлению их принадлежности к тем или иным уже имеющимся таксонам;
номенклатура – порядок присвоения названий живым организмам.

Классификация и идентификация

По мере накопления знаний о бактериальных организмах ученые смогли определять признаки схожести и различия отдельных представителей этого царства. Именно выявление схожих признаков является основой классификации бактерий по таксонам.

Однако и здесь все не так просто, как кажется. Например, если взять два круглых одноклеточных кокка (круглых бактерии), то можно легко определить их схожесть по форме. Но этого очень мало, чтобы компетентно заявить о принадлежности этих кокков к одному таксону. Для таких заявлений нужно установить в имеющихся кокках общие:

фенотипические свойства (строение организма),
генотипические свойства (строение генов организма).

Изучая данные, собранные по особенностям строения микроорганизмов, можно выделить характеристики, которые позволят в дальнейшем определить место бактерии в общей классификации:

морфология – размеры, формы и их соотношения;
окрашивание по Граму (грамотрицательное или грамположительное);
биохимические – какие вещества образовывают в процессе бактериального жизненного цикла;
наличие в организме возможности производить антитела (антигенные);
физиология (питание, дыхание, размножение);
наличие возможности образовывать споры;
степень однородности генов.

Изучение каждого в отдельности признака строения и жизнедеятельности бактерии дает массу информации о ее принадлежности к тем или иным таксонам. Так, например, только способов размножения бактерий известно несколько, и это при том, что размножение всегда происходит делением.