Глава 1. Предмет, задачи и история микробиологии

Одно из основных свойств нашей планеты — наличие биосферы, то есть заселенность Земли живыми существами.

Биосфера — оболочка Земли, заселенная живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности.

Впервые термин «биосфера» использовал австрийский ученый Эдуард Зюсс в 1875 г. Однако истинным создателем учения о биосфере (1920–1930 гг.) следует считать выдающегося российского естествоиспытателя и мыслителя академика Владимира Ивановича Вернадского. Именно он описал, как в биосфере на геохимическом уровне взаимодействуют все живые и неживые компоненты, а также предложил новый уровень развития биосферы — ноосферу, живую оболочку Земли, изменяющуюся под влиянием человеческого разума. Научные труды Вернадского актуальны и широко используются до настоящего времени.

Владимир Иванович Вернадский (1863–1945)

Один из основных компонентов биосферы — микробы.

Микробы, или микроорганизмы, — собирательное название живых организмов, которые слишком малы для того, чтобы быть видимыми невооруженным глазом, и для обнаружения которых необходимы специальные приборы — микроскопы.

Микробы появились на нашей планете 3–4 млрд лет назад, то есть задолго до растений и животных, и до настоящего времени остаются самой многочисленной и разнообразной группой живых существ. Науку о взаимоотношениях живых организмов друг с другом и с окружающей средой называют экологией. Микроэкология — раздел экологии, изучающий роль микробов в подобных взаимоотношениях.

С позиций микроэкологии вся биосфера буквально пронизана микроорганизмами: они есть в почве, воде, воздухе, их можно обнаружить на дне глубочайших океанов и на пиках горных вершин, в песках жарких пустынь и в антарктических льдах. Вездесущность микробов объясняется их уникальной способностью находить и утилизировать самые ничтожные источники энергии, углерода и азота для своей жизнедеятельности. Колоссальное генетическое разнообразие обусловливает удивительную адаптацию микробов к условиям обитания, губительным для любых других живых существ (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Роль микроорганизмов в биосфере Земли и деятельности человека

Устойчивость микробов просто потрясает. Они размножаются даже в ядерных реакторах, выживают даже в космосе. Шесть лет в космосе находился летательный аппарат со спорами микробов. Без экранизации от действия космических лучей выживала 1 спора из 10 000, а при наличии экранизации жизнеспособными после возвращения аппарата на Землю оказались 80% спор. Более того, в 1996 г. внутри метеорита, упавшего на Землю, были обнаружены окаменелые остатки микробов, сходные с земными бактериями, что может предположительно свидетельствовать о возможности существования микробов на других планетах.

На нашей планете они населяют все экологические ниши. Даже в самых глубоких впадинах на дне Тихого океана обнаружены микробы, выдерживающие давление 1000 атм. Микробы могут размножаться в различных водоемах: соленых и пресных, ледяных и горячих, мелких и глубоких, чистых и загрязненных, в болотах, озерах, реках, морях и океанах. Даже в дистиллированной воде можно наблюдать интенсивный рост патогенных бактерий, например синегнойной палочки (Pseudomonas aeruginosa).

По отношению к температуре окружающей среды микробы подразделяют на три группы: психрофильные (холодолюбивые), мезофильные (живущие при средней температуре) и термофильные (теплолюбивые).

Установлено, что существуют микробы, которые сохраняют жизнеспособность в течение нескольких часов даже при температуре –270 °С (напомним, что абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение атомов и молекул, равен –273 °С). В одном из антарктических озер, где вода не замерзает даже при –24 °С, что связано с высоким содержанием солей (их концентрация в 13 раз больше, чем в морской воде), живут бактерии и дрожжи. Микроскопические водоросли размножаются на снегу, окрашивая его в кроваво-красный цвет. В горячих источниках с умеренно кислым pH микробы живут при температуре свыше 90 °С, а в щелочных условиях выдерживают 100 °С. Споры возбудителя сибирской язвы сохраняют жизнеспособность в течение 30 с при температуре 400 °С даже в плазменном стерилизаторе. Таким образом, амплитуда температур, при которой микробы могут оставаться жизнеспособными, варьирует в пределах от –270 до +400 °С. Тем не менее почти все патогенные микробы и большая часть сапрофитов относятся к мезофильным микробам.

Местом обитания микробов может быть не только внешняя среда, но и все растительные и животные организмы, включая организм человека.

Находясь в окружающем человека пространстве, микробы присутствуют на всех поверхностях и в его полостях, контактирующих с внешним миром: на коже, в полости рта, в желудочно-кишечном тракте, на поверхности слизистых оболочек различных органов. Микробы появляются в организме человека сразу же после его рождения и находятся в нем на протяжении всей его жизни. Их совокупность составляет микробиом, образующий с макроорганизмом единую экологическую систему. При этом роль микробиома в жизнедеятельности макроорганизма исключительна, и ее надо расценивать, как отмечал И.И. Мечников, в диалектическом единстве пользы и вреда, приносимых этими микробами: полное уничтожение микробиома приведет к гибели человека, тем не менее в ряде случаев, особенно при подавлении иммунной системы организма, представители нормального микробиома могут вызвать заболевания, называемые оппортунистическими.