МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008
Розділ 1. ВІДКРИТТЯ МІКРООРГАНІЗМІВ ТА РОЗВИТОК МІКРОБІОЛОГІЧНОЇ НАУКИ
Уже з перших кроків цивілізації, тобто задовго до відкриття мікроскопічного світу, людству були відомі деякі процеси, спричинені діяльністю мікроорганізмів. Писемні свідчення, які дійшли до нашого часу, вказують на те, що вже в ті далекі часи існував спосіб виготовлення спиртових напоїв (виноградного вина). Настільки ж давніми є відомості про скисання молока та виготовлення хліба - процеси, в основі яких також лежить діяльність мікроорганізмів. У книгах Мойсея згадується про якусь пошесну хворобу і є вказівки щодо заходів запобігання подальшому поширенню інфекції (спалювання трупів, одягу тощо). Епідемії чуми описані в «Іліаді» Гомера та в книгах Геродота і Фукідіда. Тобто з давніх часів людина як використовувала мікроорганізми, так і потерпала від хвороботворних видів.
Протягом багатьох століть людина не могла встановити причини цих явищ, оскільки не могла бачити ті об'єкти, розміри яких перебувають за межами роздільної здатності ока. Відомо, що людина з нормальним зором на оптимальній відстані (25-30 см) може бачити об'єкти розміром понад 100 мкм.
Спроби подолати створений природою бар'єр і розширити можливості ока людини робилися давно. Про це свідчить, зокрема, той факт, що під час археологічних розкопок у Давньому Вавилоні знаходили двоопуклі лінзи, виготовлені із шліфованого гірського кришталю.
У подальшому можливість опуклого скла збільшувати предмети була використана у винаході перших окулярів, які в 1285 р. сконструював італієць Сальвініо делі Арреаті. У XVI ст. Леонардо да Вінчі і Мауроліно показали, що малі об'єкти краще досліджувати за допомогою лупи. Тоді ж (у 1590 р.) в Нідерландах оптики Захарій та Ханс Янсени змонтували дві опуклі лінзи всередині однієї трубки, тобто показали, що збільшення одного опуклого скла можна підсилити за допомогою іншого. Їх оптичний прилад збільшував від 3 до 10 разів і був направлений не на дослідження мікросвіту (про який ще ніхто не знав), а на спостереження за небесними світилами. Відомий астроном, фізик та філософ Галілео Галі- лей розташував лінзи телескопу по-іншому і застосував його для дослідження дрібних предметів. У 1609 р. свій прилад, названий «occhiolino» («окіоліно»), він продемонстрував в Академії деї Лінчеї.
Термін «мікроскоп» у 1646 р. запропонував німецький учений Афанасій (Атанасій) Кірхер (1601-1680). Саме він, професор Collegium Romanum і автор праць астрологічного характеру, вперше намагався зазирнути в живу матерію за допомогою власноруч сконструйованого оптичного приладу. Розглядаючи гній і кров людей, хворих на сифіліс, та досліджуючи загниваюче м'ясо, кисле молоко, оцет та інші субстрати, він виявив «живих черв'ячків». Проте нам невідомо, чи то були насправді мікроорганізми, чи лише личинки комах, оскільки Кірхер вважав, що все це розвинулося з безжиттєвих органічних матеріалів (шляхом самозародження).
Удосконалення мікроскопа дозволило англійському вченому Роберту Гуку (1635-1703) глибше зазирнути в таємниці природи. Фізик за освітою, винахідник за вдачею, він сконструював мікроскоп, який складався з двох двоопуклих лінз, і вперше використав його для тонких наукових досліджень (рис. 1.1). Вивчаючи будову рослин, Гук помітив у тканині деревини комірки правильної форми і назвав їх клітинами (1665).
Рис. 1.1. Мікроскоп Р. Гука (1) і А. ван Левенгука (2): а — з боку об'єкта; б — з боку ока
Антоні ван Левенгук
Першим, хто не лише побачив, а й детально описав мікроорганізми, був Антоні ван Левенгук (1632-1723). Молоді роки він провів в Амстердамі, де займався торгівлею тканинами, але його приваблювала наука. На гранильних фабриках Амстердама Левенгук навчився шліфувати скло і досягнув у цьому значних успіхів. Виготовляючи лінзи з 150-300- кратним збільшенням, він уперше спостерігав і дуже точно замалював ряд найпростіших, сперматозоїди, бактерії, еритроцити та їх рух у капілярах. Без знання відповідних методів фарбування ним були описані практично всі відомі нам морфологічні групи бактерій (палички, коки, нитчасті, зіркоподібні, звивисті форми).
Результати своїх досліджень Левенгук почав публікувати у вигляді листів до Лондонського королівського товариства - провідного наукового товариства Великобританії, заснованого в 1660 р. Усього він написав 170 листів. Перший лист Левенгука, відправлений до Лондонського королівського товариства у 1673 р., був присвячений опису цвілей (рис. 1.2).
Рис. 1.2. Малюнок цвілей, зроблений А. ван Левенгуком (1673) у листі до Лондонського королівського товариства
9 жовтня 1676 р. у листі до Лондонського королівського товариства за № 17 він наводить не тільки малюнок, а й опис бактерій (рис. 1.3). У цьому листі Левенгук писав: «24 квітня 1676 р. я подивився на воду під мікроскопом і з великим здивуванням побачив у ній величезну кількість дрібненьких тваринок. Довжина деяких була разів у три- чотири більша, ніж ширина, хоча вони і не були товстішими від волосків, які покривають тіло воші. Інші мали правильну овальну форму. Був там і третій тип організмів - найчисленніший - маленькі істоти з хвостиками».
Рис. 1.3. Малюнок бактерій, зроблений А. ван Левенгуком
Левенгук вважав, що відкриті ним об’єкти - це тварини, тому і назвав їх «animalcules». Свої спостереження він видав окремою книгою «Arcana naturae detecta ab Antonio vanLeeuwenhoek» («Таємниці природи, відкриті Антоні ван Левенгуком»), яка вийшла друком у 1695 р. Відкриття Левенгука були настільки фантастичними, що протягом наступних 50 років викликали загальне здивування й захоплення і дали поштовх до вивчення мікросвіту.
Одним із перших вітчизняних біологів-експериментаторів був Мартин Матвійович Тереховський (1740-1810). Народився він у місті Гадячі під Полтавою. Освіту здобув у Київській академії, де студенти вивчали не лише богослов'я, а й давні та західні мови, російську риторику, історію, географію, архітектуру, основи медицини. Багато випускників академії продовжували своє навчання в інших навчальних закладах, щоб отримати спеціальність інженера, військового, медика. Тереховський став учнем Санкт-Петербурзького генерального (навчального) сухопутного шпиталю, який готував лікарів. У 1770 р. він подав прохання на ім'я Катерини II, в якому висловив бажання поїхати за кордон для подальшого вивчення медицини, щоб згодом принести користь вітчизні. Діставши дозвіл, Тереховський поїхав до Страсбурга, де в 1775 р. опублікував докторську дисертацію на тему: «О наливочном хаосе Линнея». У ній він висловлює свої міркування про живу природу, відзначає різноманітний характер життєдіяльності мікроорганізмів, виступає противником теорії самозародження. У другій частині своєї дисертації вчений доводить тваринну природу наливкових анімалькул. Змінюючи умови досліду, Тереховський доходить висновку, що "при зберіганні настоянки в помірному теплі протягом деякого часу в ній виявляються якісь молекули, що рухаються подібно дрібним тваринкам". Паралельно він вказує, що найшвидше анімалькули розвиваються при температурі тіла людини, а кип'ятіння діє на них згубно.
Варто назвати і Данила Самойловича Самойловича (1744-1805), який першим висловив здогадку про живу природу збудника чуми й організував ефективні заходи для боротьби з цією хворобою під час епідемії 1770-1772 рр. у Москві. У 1792 р. він опублікував працю «Краткое описание микроскопических исследований о существе яда «язвенного». За успіхи у вивченні чуми Самойловича було обрано членом 12 іноземних академій.
Висловлені Самойловичем міркування про причини чуми відіграли значну роль у подальшій розробці теоретичних і практичних питань профілактики цієї хвороби та інших інфекційних захворювань.
Едвард Дженнер
Справжній переворот у боротьбі з натуральною віспою знаменувало відкриття англійського лікаря Едварда Дженнера (1749-1823), який запропонував для запобігання віспі робити здоровим людям щеплення, використовуючи матеріал від хворих корів. У своїй лікарській практиці Дженнер помічав, що доярки, які заразилися від хворих на віспу корів, мали легку форму захворювання і після цього ніколи вже не хворіли на натуральну віспу. Це наштовхнуло його на думку провести сміливий експеримент. 14 травня 1796 р. Дженнер вніс у надріз на лівому плечі восьмирічного хлопчика рідину з пухирця молодої доярки, яка перед цим заразилася віспою від хворої корови. На місці щеплення в хлопчика з'явились типові віспини, від яких через два тижні залишились два невеличких шрами. Щоб визначити, чи став організм хлопчика стійким до натуральної віспи, Дженнер через півтора місяця ввів йому високоінфекційний матеріал з віспяного пухирця важко хворої людини. Минуло кілька тижнів, але хлопчик не захворів. Не постраждав він і під час епідемії, що невдовзі сталася в тих місцях. Протягом двох наступних років Дженнер зробив десятки щеплень з незмінним успіхом. Так народилася вакцинація (лат. vacca - корова). У подальшому він усе ретельно аналізує, перевіряє і, нарешті, підсумовує результати своїх досліджень у статті до Лондонського королівського товариства, та «вчені мужі» не визнали повідомлення сільського лікаря вартим уваги. І лише згодом Дженнера стали вважати засновником віспощеплення. Слід, однак, зазначити, що відкриття Дженнера мало суто емпіричний характер, суть якого залишалася неясною до появи робіт Л. Пастера.
Таким чином, від часу відкриття мікроорганізмів і майже впродовж наступних 200 років усі дослідники вивчали лише їхню морфологію. Але якими б не були успіхи у вивченні морфології мікроорганізмів, загадковою залишалась роль, яку відіграють ці маленькі істоти у природі. Учені-бактеріологи вивчали тільки зовнішній вигляд мікроорганізмів і особливості їх будови, не торкаючись хімічних процесів, пов'язаних з їхньою життєдіяльністю, а отже - тієї ролі, яку вони відіграють у довкіллі та в нас самих. Така одностороння спрямованість досліджень у цей перший, морфологічний, період розвитку мікробіології позбавляла її внутрішнього змісту, і вона ще довго існувала, не виходячи за межі цього зачарованого кола.
Едвард Дженнер робить противіспяну вакцинацію восьмирічному хлопчику
За словами французького мікробіолога П'єра Еміля Дюкло, «явища бродіння давні як світ». Термін «бродіння» запропонував голландський природодослідник Ян Баптист ван Гельмонт (1579-1644) для позначення процесів, які проходять з виділенням газу. Він помітив подібність газу, який виділяється в процесі зброджування виноградного соку, і газу, що утворюється при спалюванні вугілля. На цій підставі він зробив припущення, що ці хімічні перетворення мають однакову природу. Пізніше бродіння стали виділяти з групи процесів, які супроводжуються виділенням газу. Початково для позначення рушійної сили бродіння використовували термін "фермент". Німецький хімік і лікар Георг Ернст Шталь (1659-1734) висловив думку, що бродіння і гниття - це суто хімічні процеси, що відбуваються під впливом молекул "ферментів", які передають властивий їм внутрішній активний рух молекулам речовини, що зброджується, тобто виступають як каталізатори реакції.
Одна з перших здогадок про зв'язок відкритих А. ван Левенгуком "тваринок" з явищами бродіння й гниття належить французькому природодосліднику Жоржу Луї Леклерку Бюффону (1707-1788). Досить близько підійшов до розуміння цього питання французький хімік
Антуан-Лоран Лавуазьє (1743-1794). Проте його ідеї про біологічну природу "ферменту" бродіння не отримали визнання.
Людиною, яка своїми роботами заклала підвалини сучасної мікробіології, став видатний французький учений Луї Пастер (1822-1895). Він уперше довів, що мікроорганізми відрізняються один від одного не тільки зовнішнім виглядом, а й певними особливостями метаболізму. З цього часу розпочався новий етап у вивченні мікроорганізмів - фізіологічний. Отже, якщо А. ван Левенгука вважають основоположником мікрографії, то Л. Пастер є засновником сучасної мікробіології.
Луї Пастер
За освітою Л. Пастер був хіміком, тож і свою наукову роботу він почав з вивчення кристалічної асиметрії виннокислих солей. Ним було встановлено, що при перекристалізації солей оптично неактивної винної кислоти утворюється два типи кристалів. Розчин, виготовлений із кристалів одного типу, обертає площину поляризованого світла вправо, а розчин, виготовлений із кристалів другого типу, - вліво. Згодом він помітив, що гриб, який виріс у розчині рацемічної винної кислоти, асимілює лише одну з її ізомерних форм - правообертову. Це дозволило Пастеру зробити висновок про специфічну дію мікроорганізмів на субстрати і послужило теоретичною основою для подальшого вивчення фізіології мікроорганізмів.
У 1854 р. Л. Пастер обійняв посаду професора Лільського університету, де і розпочав свої дослідження з мікробіології. Поштовхом до цього стало звернення лільських фабрикантів з проханням допомогти з'ясувати причини систематичних невдач при зброджуванні бурякового соку для отримання спирту. Перші результати досліджень, опубліковані в 1857 р., доводили, що процес спиртового бродіння спричиняється діяльністю мікроорганізмів (дріжджів), і відбувається в анаеробних умовах. Майже одночасно з вивченням спиртового бродіння Пастер почав досліджувати молочнокисле бродіння і показав, що цей процес також є результатом діяльності мікроорганізмів.
Пізніше, вивчаючи збудники маслянокислого бродіння, Л. Пастер установив, що повітря згубне для цих мікроорганізмів і що вони можуть жити лише за відсутності кисню. Так були відкриті облігатні анаероби.
Відкриття Пастером безкисневого життя викликало хвилю протестів з боку інших учених, оскільки вважалося, що кисень - "життєвий газ», без якого існування живих організмів неможливе.
Вивченню проблем бродіння Л. Пастер присвятив майже 20 років. У 1876 р. він публікує "Дослідження про пиво, його хвороби, їх причини, способи зробити його стійким, з додатком нової теорії бродіння". У цій праці він робить деякі узагальнення щодо процесів бродіння: будь-яке бродіння супроводжується діяльністю мікроорганізмів; кожен тип бродіння викликається певною групою мікроорганізмів; бродіння - це життя без кисню.
У подальшому, під час вивчення оцтовокислого бродіння, Л. Пастер помітив особливий тип перетворення органічних речовин мікроорганізмами, яке було названо окиснювальним бродінням. Дослідження Пастера мали не лише наукове, а й практичне значення. Так, з питань бродильного виробництва (виноробство, пивоваріння й одержання оцту) він опублікував три монографії, в яких були цінні рекомендації щодо покращення технології цих виробництв. Учений довів також, що хвороби вина й пива теж спричиняють мікроорганізми.
Методи стерилізації, розроблені Л. Пастером, мали великий вплив на подальший розвиток медицини, зокрема хірургії. На підставі його досліджень англійський хірург Дж. Лістер (1827-1912) запропонував антисептичний метод, розвинений у подальшому в асептичний метод, який зробив справжню революцію в хірургії, оскільки з'явилась реальна можливість запобігати інфікуванню післяопераційних ран. Для стерилізації продуктів бродіння (пива, вина), а потім і молока, Пастер запропонував більш м'який метод стерилізації, названий пізніше на його честь пастеризацією.
Проблеми виникнення життя на Землі хвилювали природодослідників багатьох поколінь. За допомогою добре продуманих, ретельно перевірених і по суті дуже простих дослідів Пастер спростував твердження про самозародження живих організмів з безжиттєвих органічних матеріалів.
Наступний етап досліджень Л. Пастера був присвячений вивченню збудників захворювань людини. Неперевершений майстер експерименту, який мав дар наукового передбачення, Пастер почав вивчати бактерії, виділені Адольфом Арнольдом Поллендером, Казиміром Давеном та Фрідріхом Августом Брауеллем від хворих на сибірку, і шляхом експериментального зараження довів, що саме ці бактерії є збудниками захворювання. Він знайшов спосіб боротьби з сибіркою - запобіжні щеплення. Раніше, експериментуючи зі збудниками курячої холери, вчений помітив, що після введення ослабленої культури збудника організм стає несприйнятливим до захворювання. Цей принцип він використав і для профілактики сибірки у тварин. Пастер вирощував збудник даної хвороби при підвищеній температурі (42-43 0С), що знижувало його хвороботворні властивості (атенуація). Після щеплення такою ослабленою культурою організм тварини набував стійкого імунітету.
Ефект імунітету був продемонстрований на одній із ферм. Стадо з 60 овець і 10 корів поділили на дві групи. Тваринам першої групи зробили щеплення, а другої (контрольної) - ні, а потім увели живі клітини збудника сибірки всім тваринам. Результат був вражаючим: через декілька днів контрольні тварини загинули, вакциновані - залишилися живими.
У подальшому Л. Пастер виділив стафілококи від хворих на фурункульоз та остеомієліт і дійшов висновку, що один і той же мікроорганізм може бути причиною обох захворювань, різних за своїм клінічним перебігом. Досліджуючи кров породілей, хворих на пологову гарячку, учений виділив стрептококи, які виявилися збудниками даного захворювання. Повідомлення Пастера про природу цих захворювань викликало спочатку недовіру, однак ідея про мікробну природу інфекційних захворювань завойовувала дедалі більше прихильників і стала основою для розробки профілактичних та лікувальних заходів.
Вершиною наукової діяльності Л. Пастера було дослідження сказу. На перших етапах вивчення цього питання виникли серйозні проблеми, оскільки не вдавалося ані виділити збудник сказу в чистій культурі на штучних поживних середовищах, ані розглянути об'єкт під мікроскопом. Тому як матеріал для виготовлення вакцини Пастер використав мозок кроликів, попередньо інфікованих витяжкою з мозку хворої на сказ собаки. Шляхом багаторазових пасажів через мозок кролика він отримав матеріал зі стабільними ознаками, з якого потім виготовляв антирабічні (лат. rabies - сказ) вакцини. Досліди із запобігання сказу в собак з використанням виготовлених таким чином вакцин дали хороший результат.
Ідея захисту людей від заразних захворювань не була новою, але тільки Л. Пастеру судилося втілити її в життя. Коли його роботи стали широковідомими, до вченого почали приходити люди, покусані хворими на сказ собаками. Він довго не наважувався зробити запобіжне щеплення людині, оскільки добре усвідомлював, що в разі найменшої невдачі можуть бути зведені нанівець усі його надбання. І все ж таки
зробив щеплення дитині, покусаній хворою собакою, оскільки це був єдиний шанс врятувати її від неминучої смерті.
Наукова діяльність Л. Пастера була високо оцінена співвітчизниками та визнана вченими всього світу. У 1862 р. він став членом Паризької академії наук, у 1873 р. - Французької академії медицини, а в 1881 р. прийнятий до найпочеснішої - Французької академії, об'єднання визначних представників національної культури, науки та політичних діячів Франції.
Свої дослідження Л. Пастер проводив у невеличкій лабораторії, яка містилася на горищі Вищої нормальної школи в Парижі. З цього приводу в 1871 р. він писав, що його лабораторія була нікчемною, а він мав великі плани роботи, для здійснення яких не вистачало освітлення, повітря й місця.
У 1888 р. на кошти, зібрані за міжнародною підпискою, було засновано Пастерівський інститут, який і нині є центром мікробіологічних досліджень.
У міру розвитку мікробіології фахівці дедалі глибше усвідомлюють значення досліджень Пастера. Здається, що немає такої галузі в сучасній бактеріології, немає такого питання, над яким не замислювався би цей геній. Щоб оцінити титанічну наукову роботу Л. Пастера, достатньо навести лаконічний напис на меморіальній дошці, встановленій на фасаді будинку, де містилася його лабораторія: "Тут була лабораторія Пастера»:
- 1857 р. - бродіння;
- 1860 р. - самозародження;
- 1865 р. - хвороби пива й вина;
- 1868 р. - хвороби шовковиків;
- 1881 р. - зараза й вакцина.
Одним із засновників медичної мікробіології є німецький мікробіолог Роберт Кох (1843-1910). Його роботи були присвячені вивченню збудників інфекційних захворювань та розробці методів боротьби з ними. Свої дослідження вчений розпочав з вивчення сибірки, коли він ще був рядовим санітарним лікарем у невеликому містечку Вольштейн. Не маючи лабораторії, Кох проводив досліди в себе на квартирі. Поставивши серію ретельно продуманих експериментів із зараженням мишей культурами, виділеними від хворих тварин, він довів етіологічне значення мікроорганізмів у виникненні сибірки. Кох уперше виділив чисту культуру збудника сибірки - Bacillus anthracis, а в 1877 р. опублікував результати своїх досліджень з вивчення його біології.
Роберт Кох
Пізніше увагу вченого привернуло інше поширене захворювання - туберкульоз. У 1882 р. він повідомив про відкриття збудника туберкульозу, який на його честь було названо "паличкою Коха". У 1905 р. Р. Коху за серію робіт з вивчення біології збудника туберкульозу було присуджено Нобелівську премію. Йому належить також відкриття у 1883 р. збудника холери.
У подальшому відкриття збудників інфекційних захворювань відбувалося одне за одним. Цьому сприяли сформульовані попередньо в загальній формі Фрідріхом Густавом Яковом Генле (1809-1885) й обґрунтовані експериментально Р. Кохом вимоги, яким має відповідати мікроорганізм, визнаний збудником захворювання. Ці вимоги, відомі під назвою «тріада Генле — Коха» такі:
- підозрюваний збудник захворювання має завжди виявлятись у хворих людей;
- цей мікроорганізм має виділятись у чистій культурі;
- при зараженні тварин мікроорганізм має викликати захворювання, яке за клінічним перебігом мусить бути аналогічним відповідному захворюванню людини.
Тим часом було встановлено, що збудники інфекційних захворювань у багатьох випадках не відповідають положенням "класичної" тріади. У здорових людей і після перенесення захворювання часто виявлялися патогенні мікроорганізми. При інфікуванні тварин не завжди вдавалося викликати патологічний процес, який відповідає захворюванню людини. Також не завжди вдавалося культивувати патогенні мікроорганізми на штучних поживних середовищах.
Значну увагу Р. Кох приділяв розробці методів дослідження. Він уперше сконструював освітлювальний апарат до мікроскопа, розробив метод мікрофотографії бактерій, засоби забарвлювання бактеріальних клітин фарбами анілінового ряду, запропонував метод вирощування бактерій на щільних поживних середовищах. Отримання чистих культур мікроорганізмів відкрило нові підходи до дослідження їхніх властивостей і стало поштовхом до більш інтенсивного розвитку мікробіології.
Глобальними за своїм значенням для медичної мікробіології стали дослідження нашого співвітчизника Іллі Ілліча Мечникова (18451916). Народився він у с. Іванівка Куп'янського повіту Харківської губернії. У дитинстві відзначався великою допитливістю і дуже любив природу. Усі процеси, які хлопець спостерігав, він намагався зрозуміти й пояснити. Спостережливість, старанність і природний талант сприяли тому, що за шість років здібний юнак закінчив із золотою медаллю Харківську класичну гімназію (1862) й одразу без іспитів вступив до Харківського університету на природниче відділення фізико-математичного факультету. Ще навчаючись у гімназії, він регулярно відвідував лекції професорів цього університету, тому за рівнем знань набагато випереджав однокурсників. Зважаючи на це, згідно з його проханням, Мечнико- ва було відраховано з університету, який він через два роки закінчив як вільний слухач.
Ілля Мечников
У 1869 р. І. Мечникова було запрошено на посаду доцента Петербурзького університету, однак через відсутність умов для дослідницької роботи він переходить до Новоросійського (нині Одеського) університету, де на той час був досить потужний професорсько- викладацький склад. Але в 1873 р. померла дружина Мечникова, і в нього почалася душевна та творча криза, яка підсилювалася атмосферою нетерпіння до прогресивних професорів в університеті. З часом він переїхав жити в маєток свого померлого тестя на Київщині (с. Попівка Черкаського повіту Київської губернії). Тут, спостерігаючи, як хлібний жук знищував посіви зернових і знайшовши загиблих від невідомої хвороби шкідників, Мечников виділив з них мікроскопічний грибок, який з успіхом застосував для боротьби з цим же шкідником. Так був започаткований новий підхід до боротьби зі шкідниками сільськогосподарських культур - біологічний метод захисту рослин.
У 1886 р. І. Мечникова було призначено директором першої в Росії (і другої у світі) Пастерівської станції в Одесі, де вирішувалися науково- практичні питання: проводилися щеплення проти сказу, виготовлялася вакцина сибірки, розроблялися біологічні методи боротьби з хом'яками та ховрахами за допомогою бактерій - збудників холери курей. Однак у більшості випадків свою енергію вчений спрямовував на розробку питань імунітету, що викликало нарікання з боку осіб, від яких залежало фінансування, тому Мечников залишає роботу на станції і назавжди переїжджає до Парижа, де з 1888 до 1905 р. працює в Пастерівському інституті. Французький мікробіолог П'єр Поль Еміль Ру, який також працював у Пастерівському інституті, справедливо назвав Мечникова "поетом мікробіології". Адже він, як справжній поет, що знаходить усе нові барви слова, перебував у постійному пошуку. Одним із найвищих надбань Мечникова є створення вчення про імунітет. Несприйнятливість організму людини до повторного зараження після перенесеного інфекційного захворювання була відома ще в давні часи. Проте суть цього явища залишалася невідомою навіть тоді, коли вже були відкриті й застосовувалися на практиці запобіжні щеплення проти віспи, курячої холери, сказу та сибірки. Мечников одним із перших установив, що захист організму від патогенних мікробів - це складна біологічна реакція, зумовлена фагоцитарним процесом. У 1892 р. учений опублікував свої лекції "О сравнительной патологии воспаления", а в 1901 р. - класичну монографію "Невосприимчивость в инфекционных болезнях", яка стала настільною книгою для мікробіологів та медиків. У цій праці він послідовно виклав результати досліджень, в яких вивчалися запальні процеси, захисні реакції організму та роль фагоцитозу в подоланні запалень, обґрунтував фагоцитарну теорію імунітету.
Одночасно з Мечниковим механізми несприйнятливості до інфекційних захворювань вивчав німецький дослідник Пауль Ерліх (18541915), який розробив теорію гуморального імунітету. Навколо цієї теорії виникла тривала дискусія, яка розділила вчених на два табори - прихильників Ерліха та його противників на чолі з Мечниковим.
Ця полеміка спровокувала бурхливий потік досліджень з питань імунітету і дала великі практичні результати: було розроблено більш сучасні методи лабораторної діагностики інфекційних захворювань, одержано вакцини проти черевного тифу, холери, чуми та деяких інших захворювань. Завдяки широкій дискусії і численними дослідженнями було встановлено, що несприйнятливість організму до інфекційних захворювань залежить як від клітинного, так і від гуморального факторів. У 1908 р. Мечникову разом з Ерліхом за розробку вчення про імунітет було присуджено Нобелівську премію.
І. Мечников вивчав також біологію збудника холери і холероподібних вібріонів, очолив експедицію в охоплені холерою країни Європи, довів можливість зараження шимпанзе сифілісом і запропонував метод лікування цього захворювання каломельною маззю, з'ясовував причини старіння.
У 1905 р. Мечников розпочав вивчення мікрофлори шлунково- кишкового тракту людини і висунув ідею мікробного антагонізму та використання окремих бактерій для боротьби з патогенною мікрофлорою. Особливого значення він надавав молочнокислим бактеріям як мікробам-антагоністам, що корисні для людини. Суміш різних культур цих бактерій учений запропонував використовувати для закваски молока як засіб боротьби з гнильними процесами в кишечнику. За допомогою цих заквасок і досі виготовляються такі лікувальні препарати, як лактобацилін (або йогурт), кефір та "кисле молоко за Мечниковим". Усі ці препарати були мультикомпонентними за кількістю видів мікроорганізмів, які входили до їх складу. Такий принцип і нині використовується при створенні лікувальних препаратів на основі живих бактерій, які тепер називають пробіотиками.
Великий внесок у подальший розвиток мікробіології зробили голландський ботанік і мікробіолог Мартинус Віллен Бейєринк (18511931) та російський мікробіолог Сергій Миколайович Виноградський (1856-1953). Обидва вони довгі роки наполегливо й плідно працювали в різних напрямах мікробіології.
Сергій Виноградський
Варто зауважити, що Росія вважає С. Виноградського російським ученим, Франція - французьким, але народився він 1 вересня 1856 р. в Києві і тут провів свої юнацькі роки. Закінчивши в 1873 р. Другу київську гімназію із золотою медаллю, він не відразу визначив свій життєвий шлях. Спочатку вступив на юридичний факультет Київського університету, потім перейшов на фізико-математичний, який згодом змінив на Санкт-Петербурзьку консерваторію. Пізніше Виноградський остаточно зупинив свій вибір на природничому факультеті Петербурзького університету, який блискуче закінчив у 1881 р. Доказом високої оцінки здібностей випускника Виноградського стало присвоєння йому першого наукового ступеня та пропозиція працювати на кафедрі фізіології рослин цього навчального закладу.
Сергій Миколайович, безумовно, був щедро обдарованою людиною і в кожній з тих далеких одна від одної дисциплін, які він обирав, міг би стати помітною особистістю, але віддав перевагу професії мікробіолога. Виноградський першим зрозумів роль мікроорганізмів у природі і разом з тим встановив їхню фізіологічну різноманітність. Він вважав, що з'ясувати участь бактерій у тих чи інших процесах можна тільки після врахування їхньої фізіології та екології. Тому в кожному окремому випадку для виділення бактерій потрібні такі елементи живлення, які відповідають їхнім фізіологічним властивостям. Розвиваючи ідеї наукових шкіл Л. Пастера та Р. Коха, він не піддався абсолютному та сліпому наслідуванню їх методології.
У 1887-1893 рр. використання елективних поживних середовищ дозволило відкрити сірко-, залізо- та нітрифікуючі бактерії. Усі досліди С. Виноградського вказували на невідомий тоді факт - використання бактеріями енергії окиснення відновлених неорганічних сполук для асиміляції неорганічного вуглецю (СО2). Вуглець органічних сполук виявився для цих бактерій не тільки недоступним, але й токсичним. Це було повною несподіванкою.
Проаналізувавши одержані дані, учений дійшов висновку, що крім фототрофних бактерій, які використовують світло як джерело енергії, існують хемотрофні мікроорганізми, які використовують енергію, одержану при окисненні неорганічних сполук. Так С. Виноградським були відкриті автотрофні хемосинтезуючі мікроорганізми, які він назвав "аноргоксидентами". До його робіт було відомо, що у клітинах сіркобактерій накопичується сірка, що ці бактерії здатні відновлювати сульфати; припускалося також, що вони окиснюють сірководень. Але відкриття хемосинтезу, з'ясування ролі сірки в житті бактерій - це цілковита заслуга Виноградського.
Виявлення автотрофії в мікроорганізмів знаменувало собою відкриття не тільки мікробіології, але й біології в цілому. Недаремно після цих досліджень Пастер двічі запрошував С. Виноградського до співпраці у своєму інституті, але той вибрав завідування кафедрою загальної мікробіології в новоствореному Імператорському інституті експериментальної медицини в Санкт-Петербурзі, де працював з 1893 до 1905 р. (у 1902-1905 - директор цього інституту). Під час роботи в інституті Виноградський зробив нове відкриття: у 1893 р. він уперше виділив з ґрунту бактерії, які самостійно фіксують азот повітря. Ці анаероби було названо Clostridium pasteurianum. Відкриттю анаеробної азотофіксації сприяли ті ж фактори, які свого часу привели вченого до відкриття хемосинтезу, а саме - використання елективних поживних середовищ.
С. Виноградський понад 60 років вивчав екологію та фізіологію ґрунтових мікроорганізмів і по праву вважається засновником ґрунтової мікробіології.
Мікроекологічний принцип був успішно розвинений Бейєринком і використаний для виділення різних фізіологічних груп мікроорганізмів. Коло наукових інтересів цього вченого було дуже широким, але найбільше уваги він приділяв вивченню фіксаторів молекулярного азоту. Так, у 1888 р. Бейєринк виділив у чистій культурі симбіотичних азотофіксаторів бульбочкові бактерії, а в 1901 р. - вільноживучий аеробний фіксатор азоту - Azotobacter chroococcum. Йому належать роботи з вивчення фізіології бульбочкових бактерій, процесів денітрифікації та сульфатредукції, а також ферментів різних груп мікроорганізмів.
С. Виноградський і М. Бейєринк вважаються засновниками еколого- фізіологічного напряму в розвитку мікробіології, пов'язаного з вивченням ролі мікроорганізмів у природних умовах та їхньої участі в кругообігу речовин у природі. Високою оцінкою відкриття Виноградським автотрофних бактерій стало присудження йому в 1892 р. в Харківському університеті наукового ступеня доктора наук без офіційного захисту дисертації. Після відкриття анаеробних азотофіксаторів Петербурзька академія наук присвоїла йому в 1893 р. звання члена-кореспондента, а в 1923 р. Російська академія наук - звання почесного академіка. З 1902 р. С. Виноградський - член-кореспондент Французької академії природничих наук, член Лондонського королівського товариства.
Мартинус Бейєринк
С. Виноградський виховав багато науковців, які згодом стали видатними вченими. Серед них необхідно відзначити російського мікробіолога Василя Леонідовича Омелянського (1867-1928). Народився він у Полтаві. Освіту здобув у класичній гімназії в Житомирі, а потім продовжив навчання в Петербурзькому університеті на природничому відділенні фізико- математичного факультету.
Василь Омелянський
Його основні наукові праці присвячені з'ясуванню ролі мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі, анаеробному розкладу клітковини. Він перший указав на можливість застосування бактерій як біологічних індикаторів. В. Омелянський був визнаний як чудовий педагог і популяризатор науки. Він підготував до друку підручник "Основымикробиологии" (1909), який витримав 10 видань; опублікував рекомендації до практичних занять з мікробіології (1922), монографію "Связывание атмосферного азота почвенными микробами" (1923).
Для розвитку медичної мікробіології важливе значення мали роботи Данила Кириловича Заболотного (1866-1929). Ще будучи студентами медичного факультету Київського університету Св. Володимира, Заболотний та його однокурсник Іван Григорович Савченко провели на собі необачний дослід: прийняли попередньо протихолерну вакцину, а потім випили живу вірулентну культуру холерного вібріона (захворювання при цьому не виникло). Тим самим вони довели можливість запобіжних щеплень проти холери вбитими вібріонами при введенні їх через рот.
У 1898 р. Д. Заболотного обирають завідувачем першої в Росії кафедри бактеріології в Жіночому медичному інституті (пізніше - Перший
Ленінградський медичний інститут), якою він керував майже 30 років. Відомі роботи Данила Кириловича з вивчення збудника чуми, для ліквідації епідемій якої в Індії, Монголії, Маньчжурії, на Близькому Сході він залучав не лише своїх співробітників, а й студентів. Результати цих досліджень були підсумовані в книзі "Легочная чума в Маньчжурии в 1910-1911 гг." (1915). У 1910 р. він був організатором боротьби з епідемією холери в Петербурзі.
Д. Заболотний є одним із засновників епідеміології в Росії. Він організував першу в Росії кафедру епідеміології у Військово-медичній академії, а згодом курс епідеміології став обов'язковим у всіх вищих медичних закладах.
Данило Заболотний
У 1928-1929 рр. Д. Заболотний був президентом Всеукраїнської академії наук (ВУАН), у цей же час за його ініціативою створюється Інститут мікробіології і вірусології, який сьогодні носить його ім'я.
Від 1968 р. Національна академія наук України щорічно присуджує премію імені Д.К. Заболотного за видатні досягнення в галузі мікробіології, вірусології, епідеміології та зоології, яку той чи інший учений може одержати лише раз у житті. Першим (1968) лауреатом цієї премії став видатний український мікробіолог, академік АН України Віктор Григорович Дроботько за цикл робіт "Фітонциди - антибіотичні речовини з вищих рослин".
Уперше курс лекцій з мікробіології в Київському університеті
Св. Володимира був прочитаний у 1909 р. на природничому відділені фізико-математичного факультету. Декілька таких лекцій провів видатний український учений Микола Григорович Холодний (1882-1953), якому з часом було запропоновано читати повний курс мікробіології. З метою підготовки до читання цього курсу Холодний у квітні 1912 р. поїхав до Петербурга в лабораторію загальної мікробіології Інституту експериментальної медицини, якою керував В. Омелянський. Восени 1912 р. він повернувся до Київського університету, де займався викладацькою та науковою діяльністю майже 40 років. У 1919 р. Холодний отримує ступінь магістра ботаніки, захистивши дисертацію на тему: "Вплив іонів металів на процеси подразливості у рослин», а в 1926 р. йому присуджують ступінь доктора ботаніки honoris causa за монографію "Залізобактерії", надруковану німецькою мовою (1925).
У 1953 р. цю монографію було перекладено російською мовою. У передмові до монографії відомий російський мікробіолог Олександр Олександрович Імшенецький писав: "Все в ній бездоганно: критичний аналіз проблеми, стиль викладення, власні мікрофотографії автора". Дослідження залізобактерій є актуальними і в наш час, оскільки вони переросли в роботу із запобігання корозії металевих конструкцій, що виявилося надзвичайно важливим під час будівництва Київського метрополітену. Справа в тому, що тіонові бактерії створюють дуже кисле (агресивне) середовище (0,1 N розчину H2SO4), в якому болти для кріплення, розраховані на 100 років, за короткий час "роз'їдалися" і ставали непридатними.
У 1933 р. в Київському університеті було створено кафедру мікробіології, завідувачем якої призначили М. Холодного.
Микола Холодний
М. Холодний плідно працював у різних напрямах: вивчав залізобактерії; займався питаннями ґрунтової мікробіології; досліджував засвоєння мікроорганізмами ґрунту і повітря летких органічних сполук та ін.
Значний внесок у розвиток мікробіології зробив професор, член- кореспондент АН України Лев Йосипович Рубенчик (1896-1988). Народився Лев Йосипович в Одесі, де у 1922 р. закінчив Інститут народної освіти. Ще під час навчання в інституті його цікавила мікробіологія. Спочатку він працював лаборантом Одеського губернського відділу охорони здоров'я, потім - асистентом Інституту народної освіти, а з 1927 р. - професором. У 1931 р. Рубенчик захищає докторську дисертацію, а в 1932 р. його обирають завідувачем кафедри мікробіології Одеського університету.
Лев Рубенчик
З 1941 по 1968 р. Л. Рубенчик очолював відділ загальної та ґрунтової мікробіології Інституту мікробіології і вірусології АН України. У своїх ранніх роботах учений багато уваги приділяв проблемам біологічної очистки стічних вод. Він уперше показав, що життєдіяльність мікроорганізмів не зупиняється в ґрунті полів зрошення навіть при температурі нижче 0 0С. З часом його зацікавили дослідження на стику загальної, водної та геологічної мікробіології, які мали наукове і практичне значення. Вивчаючи кругообіг речовин у солоних озерах, він установив особливості життєдіяльності різних груп мікроорганізмів у специфічних умовах високого гідростатичного тиску і високої солоності середовища. Розкриття природи і генезису лікувальної грязі, яка залягає на дні одеських лиманів, дало можливість розробити теоретичні основи і запропонувати технологію штучного синтезу цієї біогенної породи. Широко відомі роботи Рубенчика, пов'язані з вивченням геохімічної діяльності бактерій циклу сірки, у тому числі сульфатредукуючих бактерій як основних агентів утворення сірководню в морях, мінеральних джерелах, пластових водах нафтових родовищ, ґрунтах. Одну з цих бактерій було названо Vibrio rubentschikii.
Серія робіт ученого була присвячена вивченню ролі бактерій циклу сірки в корозії бетонів і металів. Ці дослідження були узагальнені в багатьох статтях та монографіях ("Сульфатредуцирующие бактерии", 1947; "Микроорганизмы и микробиальные процессы в соленых водоемах УССР", 1948; "Микроорганизмы как фактор коррозии бетонов и металлов", 1950).
Працюючи у відділі загальної та ґрунтової мікробіології, вчений разом із своїми співробітниками протягом багатьох років вивчав взаємозв'язки ґрунтових мікроорганізмів з вищими рослинами. Особлива увага приділялася вільноживучим і симбіотичним азотофіксувальним мікроорганізмам. Деякі виділені й вивчені штами азотофіксаторів були використані у виробництві бактеріальних добрив. Підсумком цих досліджень стала монографія "Азотобактер и его применение в сельском хозяйстве" (1960).
Багаторічні дослідження дали можливість створити реальну основу для використання мікроорганізмів як біологічних індикаторів при вирішенні ряду питань у ґрунтознавстві, промисловості, медицині, геології, океанології. Ці роботи були узагальнені у книзі "Микроорганизмы - биологические индикаторы" (1973), яку було відзначено премією ім. Д. Заболотного.
Таким чином, на кінець XIX ст. мікробіологія стала самостійною наукою з власним теоретичним фундаментом і методами дослідження. Завдяки появі нових методів дослідження перша половина ХХ ст. ознаменувалася відкриттям великого різноманіття форм, структури і типів метаболізму, тобто різноманіттям типів життя відкритих мікроорганізмів.
У другій половині XX ст. професор, завідувач кафедри мікробіології Київського університету Михайло Миколайович Ротмістров відмічав серед найдивовижніших таємниць природи грандіозність деяких явищ, зокрема невідповідність між розмірами мікробів і тими процесами, які вони спричиняють. Доведено, що утворення ґрунту, нафти,
кам'яного вугілля, покладів корисних копалин пов'язане з діяльністю різноманітних груп мікроорганізмів. Більше того, мікроорганізми утворюють фундамент усієї піраміди життя, вершиною якої є людина. Сучасний російський мікробіолог Георгій Олександрович Заварзін писав: "...мікроорганізми можуть існувати без вищих організмів. Зворотне, очевидно, не вірне: вищі організми без бактерій на Землі існувати не зможуть, оскільки біогеохімічні цикли будуть непоправно порушені".
У 30-ті роки XX ст. учень М. Бейєринка Альберт Ян Клюйвер та його наукова школа в результаті досліджень далеких фізіологічно різних груп мікроорганізмів показали, що надзвичайне різноманіття типів життя поєднується за подібністю біохімічних процесів або, інакше кажучи, за біохімічною єдністю життя. Воно проявляється в єдності структури основних речовин - білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот; енергетичних та конструктивних процесів у мікроорганізмів, рослин і тварин.
У 40-х роках розпочалися генетичні дослідження на бактеріях. Було описано механізми передачі генетичної інформації, доведено, що спадковою речовиною є ДНК. Пізніше було встановлено принципову єдність в організації генетичного матеріалу, генетичного коду і в механізмах передачі інформації в бактерій, рослин та тварин. Розвиток біохімії еукаріотів і прокаріотів дозволив виявити спільність за всіма біологічними ознаками для всього органічного світу. На основі досягнень молекулярної біології суттєві здобутки досягнуті і в систематиці мікроорганізмів. Світ мікробів поділений на еукаріоти й прокаріоти, які відрізняються між собою за розмірами, фізико-хімічною структурою, організацією геному та клітини. У самостійні групи прокаріотів виділені ціанобактерії - мікроскопічні водорості, які не мають істинного ядра, але, як і рослини, містять хлорофіл та здійснюють оксигенний фотосинтез, і бактерії, які не мають ні справжнього ядра, ні хлорофілу. Було виявлено, що метаногенні, галофільні і термофільні бактерії за деякими ознаками відрізняються від інших бактерій. За пропозицією C. Вуза (1974) їх було названо архебактеріями.
У другій половині ХХ ст. біологія збагатилася видатними відкриттями: було встановлено фізико-хімічну структуру спадкової речовини, її універсальність для всієї живої природи, розшифровано генетичний код, доведено його універсальність і принципову подібність механізмів реплікації генетичного матеріалу.
Більшість даних молекулярної біології були отримані на бактеріях. Це зумовило злиття молекулярної біології з молекулярною генетикою, біохімією, вірусологією та імунологією. Виявилося, що концепції та методи загальної біології цілком можуть бути використані в мікробіології.
Значних успіхів досягла мікробіологія у вивченні субмікроскопічної структури мікробних клітин, фізико-хімічної структури мікробних речовин, ролі мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі, механізмів еволюції й адаптації мікроорганізмів, процесів метаболізму і біосинтезу. У систематиці мікроорганізмів використовуються методи молекулярної біології, які дозволяють повернутися до можливої побудови філогенетичної таксономії бактерій. Розроблені методи безперервного культивування мікроорганізмів як у лабораторних умовах, так і в промисловості.