20.1 XX ғасырдағы микробиология
Микробиология табыстары XIX ғасырда екі жартысында микродүние өмірдің үлгісінің төтенше түрлілігінің кездестірілуімен келтірді. Жалпыбиологиялық мағына бойынша біздің уақыттағы екі ірі микробиологтар А. Клюйвер (А. Kluyver 1888–1956) және К. Ван Нилге (С. van Niel, 1897–1985) алғысымыз шексіз, сонымен бірге А. Клюйвердің және оның оқушылары микроорганизмдерге физиологиялық топтары бойынша бір-бірінен алыс тұруы бойынша салыстырмалы биохимиялық зерттеулер жасаған. Біздің ғасырдағы 50 ж. ортасында микроорганизмдердің көптеген түр пішіндері таныстырылып қарастырылды, енді оны өмірдің биохимиялық бірлігі деп атайды. Ортақ сындарлы, энергетикалық үдерістің және генетикалық ақпараттың беріліс тетігінің бірлік негізін А. Клюйвер екі бірінші жағдайды түсіндірді: барлық тірі ағзалар біртипті химиялық макромолекулалардан құралған, биологиялық энергияның әмбебап энергиясы ретінде АТФ қызмет етеді, тірі ағзалардың физиологиялық әртүрлілігінің негізінде бірнеше негізгі метаболикалық жолдар кіреді. Бірақ ең соңғы жағдай бойынша А. Клюйвер зерттеу жүргізген жоқ. Барлық жасушалық типтердің тіршілігінде генетикалық ақпаратты беру жүйесінің бірлігі кейінгі кеш уақытта анықталды.
ХХ ғ. басынан микробиологияның әрі қарай дифференциациясы қайталануда. Осыдан өзінің зерттеу объектілері, бағыттарының ерекшелігі, зерттеудің анықтаушы міндеттері бойынша (жалпы микробиология, техникалық, ауылшаруашылық, медициналық, микроағзалар генетикасы) жаңа ғылым салалары пайда болды (вирусология, микология және т.б.).
20.2 Қазіргі микробиологияның мағынасы
Микробиология – бұл микроағзалардың (бактерияларды, микроскопиялық саңырауқұлақтарды, балдырларды) – олардың жүйелілігін, морфологиясын, физиологиясын, тұқымқуалаушылық және өзгергіштігін, табиғаттағы таралуы және олардың зат айналудағы алатын орны, тәжірибелік мәнін зерттейтін ғылым саласы.
Микробиологияның пайда болуы мен дамуы. Микробиологияның басын ең бірінші голланд зерттеушісі А. Левенгукпен (1632–1723 ж.ж.) байланыстырады. Ол ең алғаш рет тістің шапқынында, өсімдік қайнатпасында, сырада өзінің ойлап шығарған микроскопында бактериялар мен ашытқыларын көрген. Бірақ та микробиология ғылымының шығарушысы болып Л. Пастер болды, ол микроағзалардың ашыту үрдісіндегі рөлін (шарап дайындауда, сыра қайнатуда) және адам мен жануарларда аурулардың пайда болуын анықтады. Ерекше мағынада әртүрлі жұқпалы аурулармен күресте Л. Пастер қорғану екпелерін қолдану әдістерін, микроағзалардың ауру тудыратын мәдени әлсізденген жануарлар мен адамдар ағзасының негізін қарастырған. Пастер вирусты ашпай тұрып, құтырмаға қарсы екпе қолдану керектігін айтқан. Хирургиялық инструменттердің және орама материалдардың стерилизациясының, консервілерді дайындау, тамақ өнімдерінің пастеризациясы ғылыми негізі ретінде Пастердің жұмыстары болды. Пастердің ойын микроағзалардың табиғаттағы зат айналымындағы рөлін әрі қарай дамытып зерттеген жалпы микробиологияның негізгі қалаушысы Ресейдің С. Н. Виноградский болды. Ашылған хемотрофты микроағзалар энергия арқылы неорганикалық заттар мен бактериялардың тотығуындағы атмосферадағы көмірқышқыл газын сіңіреді, аэробты жағдайда целлюлозаны ірітеді. Медициналық микробиологияның дамуындағы ең негізгі рөлі Р. Кохқа жатады. Ол ең алғаш рет туберкулез бен холераның қоздырғыштарын анықтады және де микроағзаларды өсіру үшін тығыз қоректену ортасын ұсынды. Медициналық микробиология мен иммунологияға елулі үлес қосқандар: Э. Беринг (Германия), Э. Ру (Франция), С. Китазато (Япония), ал Ресейде және Кеңес одағында И. И. Мечников, Л. А. Тарасевич, Д. К. Заболотный, Н. Ф. Гамалея.
Медициналық микробиология мен иммунология дамуындағы байыпты үлес қосқан. Микробиология және тәжірибенің қажеттілігінің дамуын дербес ғылыми тәртіптерге микробиология тарауының қатарының аулақтануына әкелді, дербес жағдайда:
1) Жалпы микробиология микроағзалар биологиясының іргелі заңдылықтарын зерттейді;
2) Техникалық және өндірістік микробиология, ең негізгі міндеті бұл микробиологиялық үрдістерді оқып-тану және зерттеу, сонымен қатар, ашытқыларды алуда, жемдікті ақуыз, липид, бактериялық тыңайтқыштар, сонымен бірге, микробиологиялық синтез жолы арқылы антибиотиктерді, дәрумендерді, ферменттерді, аминқышқылдарын, нуклеотидтерді, органикалық қышқылды және т.б. алу;
3) Ауыл шаруашылық микробиология, топырақ микрофлорасының құрылысын анықтайды, топырақтағы зат айналудағы алатын орны және де топырақ құнарлылығына және құрылысына оның мәні, өсімдіктердің өнімділігіне бактериялық препараттардың әсері. Оның негізгі міндеті болып микроағзаларды зерттеу, өсімдіктерде шақыратын аурулар, және олармен күресу жолдары, жәндіктермен – зиянкестермен микробиологиялық әдіс арқылы күресудің әдісін жасау, жемшөпті сүрлеу, зығырдың бүршіктену, микроағзалармен болатын астықты бүлінуден қорғап сақтау әдісін қарастырады;
4) Геологиялық микробиология, микроорганизмдердің табиғаттағы зат айналуын атқару қызметін, пайдалы қазбалардың пайда болуы мен тыңдалуын зерттейді. Қолданбалы зерттеудің нәтижесінде осы металл рудаларынан (мыс, германий, уран, қалайы) және бактерия арқылы кендерін алу әдісін (сілтісіздену) қолданады;
5) Су микробиологиясы тұзды және тұщы суларының микрофлорасының сапалық және сандық құрамын және де биохимиялық үрдістердегі оның рөлі, ағынды сулардағы ауыз су сапалығына бақылау жасау, ағынды суларды микробиологиялық әдіс арқылы тазалауды жүргізеді;
6) Медициналық микробиология микроағзаларды зерттейді, ол адамдар да ауру тудырады және олармен күресудің тиімді жолдарын ұсынады.
Негізінде микробиологияның негізгі объектілеріне сонымен қатар, вирустарды да енгізді, сонымен вирустардың құрылысы мен дамуындағы өзара тән ерекшелігі, оларды зерттеудегі арнай әдістерді пайдалана отырып, вирусология жеке өзара ғылым болып шығуына үлесі тиді, яғни микробиологияға кірмейді.
Біздің қазіргі уақытта микробиология қарқынды дамуда. Мынадай дамудың негізгі үш себебі бар:
Қазіргі кезде микробиологияның зерттеулері популяциондық, жасушалық, мүшелік және молекулярлық деңгейде өткізіліп жүргізіледі.
Микроағзалардың морфологиясы мен цитологиясының зерттеулеріне микроскопиялық техникалардың жаңа түрлері қолданылады.
Микроағзалардың зат алмасу мен химиялық құрамын зерттеуінде биологияның әртүрлі физика-химиялық әдістері пайдаланылады: хроматография, масспектрометрия, изотоптық индикаторлардың әдісі, электрофорез. Электрондық микроскоп көмегі арқылы цитоплазмалық мембрана және рибосома құрылысын, құрамын және қызметтерін зерттеу мүмкіндігі пайда болды. Микроағзаларды мәдени өңдеу үздіксіз кең қолданылуға алынды. Таза қоректік ортасы әрдайым болу қажет. Жасушалардың көбеюімен мәдени даму бірге жүреді, яғни жасушалардағы жастық өзгеріс. Жас жасушалар белсенді түрде көбейген кезде тіршілік әрекетінің көптеген өнімдерін синтездей алмайды, мысалы, ацетон, бутанол, антибиотиктер. Микроағзалардың физиологиясының және микронның биохимиясының байқауының қазіргі әдістері мағына ашу мүмкіндіктері, оның энергетикалық айырбасының өзгешеліктерін алып берді, осы жолдар аминоқышқылдарының, көптеген антибиотиқ, липидтер, гормон және басқа құралымдар биосинтезі, және де микроағзаларда зат алмасудың реттеу принціпін орнату.
20.3 Микробиологияның тәжірибелік мәні
Қазіргі кезде қолданбалы зерттеулердің ішінде микробиологияның орны ерекше. Ерте кезде қарастыратын болсақ, микробиологияның ғылым ретінде дамуына дейін адамдар микроағзаларды қымыз жасауда, қышқыл сүт өнімдерінде, шарап, сыра, сірке алуда қолданған. Сонымен қатар, микроағзалар топырақтың құнарлылығында, су қоймасының өнімділігінде, пайдалы қазбалардың пайда болуында да ерекше маңызды қызмет атқарады. Ерекше түрде микроағзалар жануарлар мен өсімдіктер органикалық қалдықтарын минералдауға қабілеті бар.
Тәжірибеде микроорганизмдердің өсіп пайдалану микробиологиялық өнеркәсіптің маңызды аумақта өнеркәсіп және ауыл шаруашылығы әр түрлі салаларында микробиологиялық зерттеулердің айтарлықтай кеңейтуге әкеледі. ХІХ ғ. ортасынан бастап ХХ ғ. 40 ж. дейін техникалық микробиология негізінен азық-түлік өнеркәсібінде пайдаланылатын әр түрлі ашыту және микроорганизмдер зерттейді. 40 жылдары жабдықтар мен аппаратуралар жаңа буын пайда болуымен байланысты техникалық микробиология, жаңа бағыттар әзірлеу. Алғашқылардың бірі антибиотиктер өндірісі пайда болды және дамыған. Азық-түлікке жатпайтын материалдар (ағаш, шымтезек, ауыл шаруашылық өсімдік қалдықтарын, мұнай, көмірсутектер және табиғи газ, сульфиттік ликер гидролизаты, фенол үшін микробиологиялық аминқышқылдары алынған үлкен ауқымда (лизин, глютамин қышқылы, триптофан және т.б.) ферметтер, витаминдер және жемшөп ашытқы немесе крахмалды ағынды суларды және т.б.). Микробиологиялық полисахарид және липидтердің дамыған өнеркәсіптік биосинтез алу арқылы жүзеге асырды. Ауыл шаруашылығында микроорганизмдердің пайдалануы күрт өсті. Түйнек бактериялардың дақылдары дайындалған, атап айтқанда, нитрагин жылы бактериялық тыңайтқыш өндірісі өсті, азот-фиксинг бұршақ өсімдіктермен симбиозы және бұршақ тұқым жұқтыру үшін пайдаланады. Ауыл шаруашылығы дақылдарының және ормандардың зиянкестері – жәндіктер мен олардың құрттарына қарсы күрес микробиологиялық әдістері байланысты ауыл шаруашылығы микробиологияның жаңа бағыты. Бактериялар мен саңырауқұлақтардың уыттары осы зиянкестерді өз токсиндері арқылы өлтіруде, тиісті өнімдердің коммерциялық өндіруді дамытуда. Кептірілген сүт қышқылы бактериялар жасушалары адамдар мен ауыл шаруашылық жануарлардың ішек ауруларын емдеу үшін пайдаланады. Белгілі пайдалы микроорганизмдер мен зиянды еркін бөлу екендігі белгілі олардың тиімділігін бағалау, оны көрсету, осы шарттарға байланысты. Осылайша микроорганизмдермен целлюлоза ыдырау өсімдік қоқыс немесе ас қорыту жолдарындағы (жануарлар мен адамдар оның алдын ала микробтық гидролиз ферменттер гидролиз жок целлюлозаға қабілетті болып табылмайтын) азық-түлік қорыту маңызды және пайдалы болып табылады. Сонымен қатар, осы организмдердің балық аулау торлар, арқандар, картон, қағаз, кітаптар, мақта, матаны т.б. тіпті патогенді толығымен жояды, өйткені зиянды жатқызылуы мүмкін емес ауруға қарсы жануарлар немесе адамдарды қорғауға дайындалған вакциналар бар. Мұндай топырақта пестицидтер ретінде белгілі бір химиялық заттарды, жіктеу жеделдету қажет болған кезде ағзалар пайдаланады. Микроорганизмдер маңызды рөлі салқынды суларды тазарту (салқынды суды қамтылған заттардың минералдануы).
20.4 Медициналық микробиология
Медицинылық микробиологияның негізін Л. Пастермен қатар неміс микробиологі Р. Кох салды, ол инфекциялық ауруларды қоздырушылармен айналысқан еді. Өзінің зерттеулерін Р. Кох ауылдық дәрігер болған кезден, сібірлік қабынуды зерттеп 1877 ж. осы жұмысты жарыққа шығарып, оған – Bacillus anthracis деп атаған. Ары қарай Р. Кох өз назарын сол кездегі қауіпті аурулардың бірі – туберкулезді зерттеген. 1882 ж. Р. Кох туберкулез ауруын қоздырушысы туралы жариялады, ол оны «Кох таяқшасы» деп атады (1905 ж. туберкулезді зерттегені үшін Р. Кохқа Нобель сыйлығы берілді). Тағы оған холера ауруын қоздыратын қоздырғыштар туралы зерттеу жұмысы ие. Алғашқы орыс микробиологы немесе микробиологияның атасы Л. С. Ценковский 1822–1887 ж.ж. Осы ғалымның зерттеу объектісі болып микроскопиялық қарапайым балдырлар болған, олардың морфологиясы мен даму циклін қарастырған. Бұндай зерттеулер өсімдіктер әлемі және жануарлар әлемінің шекарасы туралы қорытындылар шығаруға көмектесті. Л. С. Ценковский микробиология проблемаларыны көп көңіл бөлген. Осының арқасында ең алғашқы Ресейде Пастер станциясы және сібірлік қабынуға қарсы вакцинаны ұсынды. Ол «Ценковскийдің тірі вакцинасы» деп атанды. Микробиология атасы ретінде И. И. Мечниковты да атайды. И. И. Мечников ол әртүрлі зерттеулер жасаған, бірақ негізгі зерттеулерін ол иесі және микроағза – паразит арасындағы қарым-қатынасы мәселесіне көңіл бөлді. 1883 ж. И. И. Мечников имунитетің фагоцитарлық теориясын жасады. Егер де адам бір рет инфекциялық аурумен ауырса, екінші рет жұқтырмайтыны белгілі. Бірақ табиғат бойынша бұндай қасиетті түсіндіруге оңай болған емес және ол инфекциялық ауруларға қарсы вакциналарды жасағаннан кейін де белгісіз болып қала берді. И. И. Мечников организмнің ауру тудыратын микроағзаларға қарсы тұру немесе қорғаныштық қызмет, ол өте күрделі биологиялық процесс екенін және оның негізі фагоциттерден тұратынын, ол организмге түскен әр түрлі ағзаларды ұстап қалып, бұзатынын көрсетті. И. И. Мечниковтың ғылымға қосқан үлесін сол кездегі ғалымдар бағалады. 1909 ж. фагоцитозды зерттегені үшін Нобель сыйлығына ие болды. Жалпы микробиология ғылымының дамуына орыс микробиологы С. Н. Виноградский және голланд микробиологы М. Бейерник үлестерін қосқан. Екеуі де микробиологияның әртүрлі саласында көп еңбек сіңірген. Л. Пастердің өмір сүру формаларының әртүрлілігі туралы идеясын ұғына, С. Н. Виноградский микроорганизмдерді зерттеудегі микроэкологиялық принципті жасады. Бактериялардың лабораториялық жағдайда дамуы үшін элективті жағдайды ұсынды. С. Н. Виноградский микроорганизмдердің ішінде, молекулалық азотты сіңіре алатын түрлері бар екенін және олардан басқа өсімдік пен жануарлар ішінде бұл азот инертті газ болып табылады деп жариялады. Осы микроорганизмдерді ерекшелеу үшін оларға қолайлы ортаға көміртек пен фосфор және т.б. минералдық тұздар қосылып, бірақ құрамында азот бар ешқандай қосылыс қосылмаған. Нәтижесінде азотты органикалық немесе бейорганикалық түрде қажет ететін микроорганизмдер дами алмаған, бірақ атмосферадан азотты ала алатын микроорганизмдер дами алған. Дәл осылай 1893 ж. С. Н. Виноградский топырақ құрамынан анаэробты азотфиксатор ерекшеленді. Оны Виноградский Л. Пастер құрметіне Clostridium pasterianum деп атады. С. Н. Виноградский басқа да түрлі әдістерді қолдана отырып, негізін микроэкологиялық принциптен ала отырып, хемолитоавтотрофты деген жаңа ағза түрін жарыққа шығарды. Хемолитоавтотрофтар көміртегінің жалғыз қайнар көзі ретінде және жасушаның барлық заттарын құраушысы ретінде көмірқышқыл деп түсінген, ал энергияны азот, темір, мыс, сурьманың немесе сутегінің молекулярлық бейорганикалық қосылыстарының тотығуынан алады. Микроэкологиялық принцип М. Бейерниктің көмегімен ары қарай дамыды және микроорганизмдердің әртүрлі жаңа топтарын ерекшелеу үшін қолданылды. Кейін С. Н. Виноградскийдің анаэробты азотофиксаторды ашқаннан 8 жыл өткен соң, М. Бейерник топырақта аэробты жағдайда дами алатын және азотофиксацияланатын тағы бір бактерия түрін тапқан – Azotobacter chroococcum М. Бейерниктің ғылыми зерттеулер аясы өте кең болған. Оған бактериялар физиологиясы, денитрификация және сульфатредукция процестерін қалай жұмыс жасауынын зерттеулері, микроорганизмдердегі әртүрлі ферменттердің түрлері туралы зерттеулер тиесілі. С. Н. Виноградский және М. Бейерник микробиология ғылымының экологиялық бағыттарының негізін қалаушылары ретінде, микроорганизмдердің табиғи жағдайларына және зат айналымдарымен байланысын қарастырған ғалымдар. Микроорганизмдердің зат айналымдарына қатысуы туралы алғаш деректер 19 ғ .70–80 ж.ж. көп жазыла бастады. 1877 ж. француз химигі Т. Шлезинг және А. Мюнц нитрификация процесіндегі микробиологиялық табиғатын дәлелді. 1882 ж. П. Дегерен денитрификация процесінің аналогиялық табиғатын байқаған, 2 жыл өткен соң ол өсімдіктердің микробиологиялық табиғаттының анаэробтық ыдырауын құрастырған. М. С. Воронин 1867 ж. түйнек бактерияларын сипаттаған, ал 20 жыл өткен соң Г. Гельригель және Г. Вильфарт олардың азотофиксаторлық қасиеттерін көрсеткен. П. А. Костычев топырақ құраудағы микробиологиялық табиғи процестер теориясын жасаған. 19 ғ. аяғында микробиология саласында тағы бір маңызды жаңалықтың ашылуымен ерекшеленді. 1892 ж. Д. И. Ивановский микроорганизмдердің жаңа тобының өкілі – темекі теңбілі вирусын байқаған. 1898 ж. Д. И. Ивановскийден жеке, дара темекі теңбіліне сипаттама берген М. Бейерник болған.