Курс лекций по общей микробиологии основам вирусологии двух частях
 Скачать 4.07 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Владимирский государственный университет О.В. ПРУНТОВА, О.Н. САХНО, М.А. МАЗИРОВ КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ОБЩЕЙ МИКРОБИОЛОГИИ ОСНОВАМ ВИРУСОЛОГИИ двух частях
Владимир 2006 УДК 576.8 ББК 28.4 К93 Рецензенты: Доктор биологических наук, профессор зав. отделом Федерального центра охраны здоровья животных Н.А. Перевозчикова Кандидат технических наук, доцент зав. кафедрой ботаники Владимирского государственного педагогического университета И.В. Вахромеев Печатается по решению редакционно-издательского совета Владимирского государственного университета
2 ч. Ч. 1 / О. В. Прунтова, О. Н. Сахно, М. А. Мазиров ; В ладим. гос. ун-т. - Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2006. - 192 с., [4] с цв. ил. - ISBN 5-89368-672-1. Включены основные сведения о прокариотных микроорганизмах и неклеточных формах живых организмов, их строении, физиологии, особенностях генетической сис-темы, способах передачи генетической информации, экологии, роли микроорганизмов в круговороте веществ и значении микробиологических процессов в биотехнологии. Предназначен для студентов специальностей «Почвоведение» (020701), «Биоло-гия» (020201), «Экология» (020801), «Охрана окружающей среды и рациональное ис-пользование природных ресурсов» (280201). Табл. 11. Ил. 25. Библиогр.: 31 назв. УДК 576.8 ББК 28.4 ISBN 5-89368-672-1 © Владимирский государственный университет, 2006 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 5 Глава 1. МИКРОБИОЛОГИЯ И ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ 8 § 1.1. Открытие микроорганизмов 8 § 1.2. Основные этапы развития микробиологии 9 1.3. Значение научной деятельности Луи Пастера в развитии микробиологии 17 § 1.4. Общая характеристика основных групп микроорганизмов .. 18 Глава 2. МОРФОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ 25 § 2.1. Размеры и форма микроорганизмов 25 § 2.2. Морфология прокариотной клетки 29 § 2.3. Морфология вирусов 56 Глава 3. ФИЗИОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ 59 § 3.1. Химический состав прокариотной клетки 59 §3.2. Питание бактерий (конструктивный метаболизм прокариот) 61 § 3.3. Дыхание прокариот (энергетический метаболизм) 74 §3.4. Закономерности роста и размножения бактерий 78 § 3.5. Размножение вирусов и методы их культивирования 87 3.6. Регуляторные системы прокариот (механизмы саморегуляции) .......................................................................................................... 98 Глава 4. ГЕНЕТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ 104 4.1. Особенности строения генетического аппарата прокариот . 104
4.4. Роль генетической информации в регуляции и контроле метаболизма прокариот 113 4.5. Механизмы изменчивости бактерий. Роль внехромо-сомных факторов наследственности и транспонируемых элементов 120 § 4.6. Плазмиды 131 3 Глава 5. СИСТЕМАТИКА МИКРООРГАНИЗМОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ГРУПП ПРОКАРИОТ 137 5.1. Основные термины, принятые в микробиологии для обозначения таксономических структур и сообществ микроорганизмов 137 § 5.2. Проблемы систематики микроорганизмов 139 5.3. Современная классификация и номенклатура микро организмов 140 § 5.4. Основные принципы классификации вирусов и характеристика некоторых представителей царства Vira 146 Глава 6. МИКРОФЛОРА БИОСФЕРЫ 148 § 6.1. Почвенная биота 148 6.2. Функциональная структура сапрофитной группировки почвенных микроорганизмов 158 § 6.3. Анализ физиологических групп бактерий 159 § 6.4. Основные принципы индикации и диагностики почв 163 § 6.5. Биоиндикация и диагностика почв 164 § 6.6. Методы исследования биологической активности почв 168 6.7. Биологическая индикация загрязнений почвенной среды и самоочищение почв 171 § 6.8. Микрофлора воды 181 § 6.9. Микрофлора воздуха 183 Контрольные вопросы 186 Заключение 190 Библиографический список 191 ВВЕДЕНИЕ Для чего нужно будущему биологу, экологу или специалисту любой другой биологической специальности изучать микробиологию и основы вирусологии? Во-первых, микроорганизмы, присутствуя повсеместно, активно уча-ствуют в круговороте веществ в природе, являются неотъемлемой частью любой экологической системы, поэтому знание их морфологии, физиоло-гии, генетики необходимо для формирования целостного представления о биосфере. Во-вторых, широкое использование микроорганизмов в народном хозяйстве (в сельском хозяйстве, пищевой, медицинской, перерабатываю-щей и других отраслях) требует глубоких теоретических знаний в этой об-ласти. В-третьих, способность существовать в микроэкологических услови-ях позволила микроорганизмам сохранить свойства, соответствующие да-лекому прошлому нашей планеты. Для биолога это является чрезвычайно важным, потому что в суждениях о жизни как биологическом явлении он должен учитывать те особенности, которые характерны для микроорга-низмов. Таким образом, чтобы понимать, реально оценивать и решать обще-биологические или частные (медицинские, экологические, сельскохозяйст-венные и др.) проблемы, необходимо знать морфологию, физиологию, ге-нетику и экологию микроорганизмов. Цели и задачи микробиологии. Микробиология (от греч. micros - малый, bios - жизнь, logos - учение) - наука, изучающая строение, жизне-деятельность и экологию микроорганизмов - мельчайших форм жизни рас-тительного или животного происхождения, невидимых невооруженным глазом. Она изучает всех представителей микромира (бактерии, грибы, простейшие, вирусы). По своей сути микробиология является фундамен-тальной биологической наукой. Для изучения микроорганизмов она ис-пользует методы других наук, прежде всего физики, биологии, биооргани-ческой химии, молекулярной биологии, генетики, цитологии, иммуноло-гии. Как и всякая наука, микробиология подразделяется на общую и част- ную. Общая микробиология изучает закономерности строения и жизнедея-тельности микроорганизмов на всех уровнях: молекулярном, клеточном, популяционном; генетику и взаимоотношения их с окружающей средой. Предметом изучения частной микробиологии являются отдельные пред-ставители микромира в зависимости от их проявления и влияния на окру-жающую среду, живую природу, в том числе человека. К частным разде-лам микробиологии относятся медицинская, ветеринарная, сельскохозяй-ственная, техническая (раздел биотехнологии), морская, космическая мик-робиология. Медицинская микробиология изучает патогенные для человека мик-роорганизмы: бактерии, вирусы, грибы, простейшие. В зависимости от природы изучаемых патогенных микроорганизмов медицинская микро-биология делится на бактериологию, вирусологию, микологию, протозоо-логию. Каждая из этих дисциплин рассматривает морфологию и физиоло-гию патогенных микроорганизмов, то есть осуществляет микроскопиче-ские и другие виды исследований, изучает обмен веществ, питание, дыха-ние, условия роста и размножения, генетические особенности; роль микро-организмов в этиологии и патогенезе инфекционных болезней; основные клинические проявления и распространенность вызываемых заболеваний; специфическую диагностику, профилактику и лечение инфекционных за-болеваний; экологию патогенных микроорганизмов. медицинской относят также санитарную, клиническую и фарма-цевтическую микробиологию. Санитарная микробиология изучает микрофлору окружающей среды, взаимоотношения микрофлоры с организмом, влияние ее и продуктов ее жизнедеятельности на состояние здоровья человека, разрабатывает меро-приятия, предупреждающие неблагоприятное воздействие микроорганиз-мов на человека. Фармацевтическая микробиология исследует инфекционные болезни лекарственных растений, порчу лекарственных растений и сырья под дей-ствием микроорганизмов, обсемененность лекарственных средств в про-цессе приготовления, а также готовых лекарственных форм. Ветеринарная микробиология изучает те же вопросы, что и медицин-ская микробиология, но применительно к микроорганизмам, вызывающим болезни животных. Почвенная микробиология изучает влияние микроорганизмов на процессы почвообразования, на плодородие, состав почвы, инфекционные заболевания растений и т.д., то есть вопросы, которые находятся в центре внимания сельскохозяйственной микробиологии. Морская и космическая микробиология изучают соответственно микрофлору морей и водоемов, космического пространства и других пла-нет. Техническая микробиология, являющаяся частью биотехнологии, разрабатывает технологию получения из микроорганизмов разнообразных продуктов для народного хозяйства и медицины (антибиотики, вакцины, ферменты, белки, витамины). Основа современной биотехнологии - гене-тическая инженерия. Многочисленные открытия в области микробиологии, изучение взаимоотношений между макро- и микроорганизмами во второй половине XIX в. способствовали началу бурного развития иммунологии. Вначале иммунология рассматривалась как наука о невосприимчивости организма инфекционным заболеваниям. В настоящее время она стала общемеди-цинской и общебиологической наукой. Доказано, что иммунная система служит для защиты организма не только от микробных агентов, но и от любых генетически чужеродных организму веществ с целью сохранения постоянства внутренней среды организма, то есть гомеостаза. 7 Глава 1 МИКРОБИОЛОГИЯ И ИСТОРИЯ ЕЕ РАЗВИТИЯ Тысячелетия люди жили в окружении микроорганизмов, не подозре-вая о том, что пользуются продуктами их жизнедеятельности, страдают и гибнут от болезней, вызываемых ими. Уже в VI - V вв. до н.э. человек пользовался плодами деятельности микроорганизмов. Виноделие, хлебо-печение, сыроделие, выделка кож - процессы, проходящие с участием мик-роорганизмов. Тогда же, в древности, ученые и мыслители предполагали, что многие болезни вызываются какими-то посторонними невидимыми причинами, имеющими живую природу. Минимальные размеры предмета, который может видеть человек (в виде точки), 0,07 - 0,08 мм. Размеры же микроорганизмов значительно меньше, они исчисляются микрометрами (мкм) и нанометрами (нм). По-этому открытие и изучение микромира стало возможным только после воз-никновения и последующего совершенствования оптической техники. 1.1. Открытие микроорганизмов Самые простые двояковыпуклые линзы были обнаружены при ар-хеологических раскопках в Древнем Вавилоне, они были изготовлены из отшлифованного горного хрусталя. XVI - XVII вв. в связи с бурным развитием астрономии были соз-даны первые подзорные трубы и телескопы. Один из первых микроскопов был изобретен в 1610 г. Г. Галилеем посредством того, что он расположил линзы телескопа иным образом и получил увеличение мелких предметов. Позже английский физик Р. Гук создал микроскоп, дающий увеличение в 30 раз, и, рассматривая в этом микроскопе срезы пробки, обнаружил ячеи-стое строение древесной ткани. Впоследствии он ввел термин «клетка» для структурных единиц, из которых построены живые организмы. Но приоритет в открытии микроорганизмов принадлежит голланд-скому натуралисту-любителю Антони ван Левенгуку (1632 - 1723 гг.). А. Левенгук торговал полотном и увлекался шлифованием стекол. Он до-8 вел это искусство до совершенства и сконструировал микроскоп, который увеличивал предметы в 300 раз. Рассматривая под микроскопом различные объекты (дождевую воду, различные настои, зубной налет, кровь, испражнения, сперму), он обнаружил мельчайших «животных», которых назвал «анималькулями», и был убежден, что они устроены так же, как и крупные организмы, то есть имеют такие же органы, но только о ч е н ь  м а л е н ь к и е . С в о и н а б л ю д е н и я А. Левенгук регулярно сообщал в Лондонское королевское общество (более 170 писем), а в 1695 г. обобщил в книге «Тайны природы, от-крытые А. Левенгуком». Россию первый микроскоп привез из Голландии Петр I, где он встречался с А. Ле- венгуком и беседовал с ним. Позднее в импе- раторских мастерских были изготовлены первые А. Левенгук российские микроскопы. 1.2. Основные этапы развития микробиологии Этапы развития микробиологии связаны между собой не столько хронологически, сколько обусловлены основными достижениями и откры-тиями, поэтому многие исследователи выделяют различные периоды, но чаще всего следующие: эвристический, морфологический, физиологиче-ский, иммунологический и молекулярно-генетический. ЭВРИСТИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (IV - III вв. до н.э. - XVI в.) Связан скорее с логическими и методическими приемами нахожде-ния истины, то есть эвристикой, чем с какими-либо экспериментами и до-казательствами. Мыслители этого периода (Гиппократ, римский писатель Варрон, Авиценна и др.) высказывали предположения о природе заразных болезней, миазмах, мелких невидимых животных. Эти представления были сформулированы в стройную гипотезу спустя многие столетия в сочине-ниях итальянского врача Д. Фракасторо (1478 - 1553 гг.), высказавшего идею о живом контагии (contagium vivum), который вызывает болезни. При этом каждая болезнь вызывается своим контагием. Для предохранения от болезней им были рекомендованы изоляция больного, карантин, ноше-ние масок, обработка предметов уксусом. 9 МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ ПЕРИОД (XVII - ПЕРВАЯ ПОЛОВИНА XIX вв.) Начинается с открытия микроорганизмов А. Левенгуком. На этом этапе было подтверждено повсеместное распространение микроорганиз-мов, описаны формы клеток, характер движения, места обитания многих представителей микромира. Окончание этого периода знаменательно тем, что накопленные к этому времени знания о микроорганизмах и научно-методический уровень (в частности, наличие микроскопической техники) позволили ученым разрешить три очень важные (основные) для всех есте-ственных наук проблемы: изучение природы процессов брожения и гние-ния, причины возникновения инфекционных заболеваний, проблему само-зарождения микроорганизмов. Изучение природы процессов брожения и гниения. Термин «бро-жение» (fermentatio) для обозначения всех процессов, идущих с выделени-ем газа, впервые употребил голландский алхимик Я.Б. Гельмонт (1579 - 1644 гг.). Многие ученые пытались дать определение этому процессу и объяснить его. Но ближе всех к пониманию роли дрожжей в процессе брожения подошел французский химик А.Л. Лавуазье (1743 - 1794 гг.) при изучении количественных химических превращений сахара при спиртовом брожении, но он не успел завершить свою работу, так как стал жертвой террора французской буржуазной революции. Многие ученые изучали процесс брожения, но к заключению о связи процессов брожения с жизне-деятельностью микроскопических живых существ одновременно, незави-симо друг от друга пришли французский ботаник Ш. Каньяр де Латур (ис-следовал осадок при спиртовом брожении и обнаружил живых существ), немецкие естествоиспытатели Ф. Кютцинг (при образовании уксуса обра-тил внимание на слизистую пленку на поверхности, которая также состоя-ла из живых организмов) и Т. Шванн. Но их исследования были подверг-нуты суровой критике сторонниками теории физико-химической природы брожения. Их обвинили в «легкомыслии в выводах» и отсутствии доказа-тельств. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||