Ветеринарная микробиология и иммунология

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ

серия основана в 1 996 г. \ V


В.Н. КИСЛЕНКО, Н.М. КОЛЫЧЕВ




                ВЕТЕРИНАРНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И ИММУНОЛОГИЯ




            ЧАСТЬ 1. ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ


УЧЕБНИК



               Допущено Министерством сельского хозяйства Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 36.05.01 «Ветеринария»


znanium.com
электронно-библиотечная система
Москва
ИНФРА-М
2024

УДК 619:579(075.8)
ББК 48я73
      К44

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке   
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

       Редактор:
       Е.В. Ярных

       Рецензенты:
       А.С. Донченко, академик Российской академии сельскохозяйственных наук, профессор;
       Ф.И. Василевич, член-корреспондент Российской академии сельскохозяйственных наук, профессор;
       И.И. Гуславский, зав. кафедрой эпизоотологии и ветсанэкспертизы, доктор ветеринарных наук, профессор


      Кисленко В.Н.
К44 Ветеринарная микробиология и иммунология. Часть 1. Общая микробиология : учебник / В.Н. Кисленко, Н.М. Колычев. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 183 с. — (Высшее образование).
         ISBN 978-5-16-110760-8 (общий)
         ISBN 978-5-16-010759-2 (ч.1, print)
         ISBN 978-5-16-102766-0 (ч.1, online)
         Представлены основные сведения о месте прокариот среди живых организмов, о морфологии и химическом составе микроорганизмов, об обмене веществ и энергии в микробной клетке. Подробно рассмотрены вопросы генетики, экологии бактерий и патогенности микроорганизмов. Изложены основы биотехнологии.
         Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 36.05.01 «Ветеринария».
УДК 619:579(075.8)
ББК 48я73


ISBN 978-5-16-110760-8 (общий)
ISBN 978-5-16-010759-2 (ч.1, print)
ISBN 978-5-16-102766-0 (ч.1, online)


© Кисленко В.Н., Колычев Н.М., 2006, 2015

Подписано в печать 06.02.2023.Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 11,44. ППТ20.
ТК 341900-2129093-250315
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр.1
          Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
          E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru


     Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

        ВВЕДЕНИЕ








   Микробиология — наука о микроорганизмах. Объектом изучения микробиологии являются микроорганизмы — организмы, размер которых менее 0,1 мм. К микробам относятся некоторые простейшие, одноклеточные водоросли, микроскопические грибы, бактерии, вирусы. Большинство микроорганизмов невидимы невооруженным глазом, так как их размеры обычно составляют несколько микрометров или даже нанометров, т. е. находятся за пределами разрешающей способности человеческого глаза. Для их исследования применяют оптические микроскопы, увеличивающие в 3000 раз, и электронные микроскопы, увеличивающие в десятки и сотни тысяч раз.
   Микроорганизмы распространены в природе повсеместно: в почве, воде, иле, воздухе, на поверхности растений, на коже и в кишечнике животных и человека, на шерстном покрове животных, на всех предметах окружающей среды. Микробы встречаются в песках пустынь, в снегах и водах Арктики и Антарктиды, в глубине шахт и морей, в стратосфере на высоте нескольких десятков километров. Они составляют значительную часть живого вещества планеты. Так, в 1 мл загрязненной воды содержится несколько сот миллионов микробов, а в 1 г окультуренной почвы — несколько миллиардов. В пахотном слое 1 га окультуренной почвы масса микробов составляет 5... 10 т. Однако на протяжении многих веков человечеству ничего не было известно о микроорганизмах.
   Проникновение в тайны микромира неразрывно связано с созданием и совершенствованием оптических приборов. Первым человеком, увидевшим микроорганизмы, был голландец Антони ван Левенгук (Antony van Leeuwenhoek, 1632—1723), мануфактурщик из Дельфта. Заинтересовавшись строением льняного волокна, он отшлифовал для себя несколько грубых линз. Позднее А. ван Левенгук увлекся этой тонкой и кропотливой работой и достиг большого совершенства в деле изготовления линз, названных им «микроскопиями». По форме это были одинарные двояковыпуклые стекла, оправленные в серебро или латунь (то, что мы теперь называем «лупы»), однако по своим оптическим свойствам линзы А. ван Левенгука, дававшие увеличение в 200...270 раз, не знали себе равных. (Достаточно напомнить, что теоретический предел увеличения двояковыпуклой линзы — в 250...300 раз.)

3

   Обладая природной любознательностью, А. ван Левенгук с интересом рассматривал все, что попадалось под руку: воду из пруда, зубной налет, настой перца, слюну, кровь и многое другое. Результаты своих наблюдений он начал посылать в Лондонское Королевское общество, членом которого впоследствии был избран. Всего А. ван Левенгук написал в это общество более 170 писем, а позднее завещал ему 26 своих знаменитых «микроскопий». Сопоставив описания, приведенные А. ван Левенгуком, и оптические возможности имевшихся в его распоряжении линз, можно сделать заключение, что в 1676 г. ему впервые удалось увидеть бактерии (рис. 1). А. ван Левенгук обнаруживал повсюду организмы и пришел к выводу, что окружающий мир густо заселен микроскопическими обитателями. Все виденные им микроорганизмы, в том числе и бактерии, А. ван Левенгук считал маленькими животными, названными им «анималькулями», и был убежден, что они устроены так же, как и крупные организмы, т. е. имеют органы пищеварения, ножки, хвостики и т. д. Открытия А. ван Левенгука были настолько неожиданными и даже фантастическими, что на протяжении почти 50 последующих лет вызывали всеобщее изумление. Будучи в Голландии, Петр I посетил А. ван Левенгука и беседовал с ним. Из этой поездки Петр I привез в Россию микроскоп, а позднее в мастерских при его дворе были изготовлены первые отечественные микроскопы.
   Дальнейшее систематическое изучение окружающей природы при помощи более совершенных микроскопов подтверждало обнаруженное А. ван Левенгуком повсеместное распространение микроорганизмов. Три основные проблемы, волновавшие умы ученых на протяжении длительного времени, послужили могучим стимулом для развития исследований, приведших к возникновению и последующему интенсивному развитию микробиологии: природа процессов брожения и гниения, причины возникновения инфекционных болезней и проблема самозарождения организмов.
   Формирование представлений о микробной природе инфекционных болезней. Еще древнегреческий врач Гиппократ (ок. 460—377 до н. э.) высказывал предположение о том, что заразные болезни


/7д; А                      в........&

Рис. 1. Рисунок бактерий А. ван Левенгука

4

вызываются невидимыми живыми существами. Авиценна (ок. 980—1037) в «Каноне медицины» писал о «невидимых» возбудителях чумы, оспы и других заболеваний. Подобные мысли можно обнаружить и в трудах итальянского врача, астронома и поэта Дж. Фракасторо (J. Fracastoro, 1478—1553). В том, что инфекционные болезни вызываются живыми микроскопическими существами, был глубоко убежден русский врач-эпидемиолог Д. С. Самойлович (1744—1805), пытавшийся под микроскопом обнаружить возбудитель чумы, однако возможности существовавших тогда микроскопов не позволили ему этого сделать. В 1827 г. итальянский естествоиспытатель А. Басси (A. Bassi, 1773—1856), изучая заболевание шелковичных червей, обнаружил передачу болезни при переносе микроскопического грибка от больной особи к здоровой. Таким образом, А. Басси впервые удалось экспериментально установить микробную природу этого заболевания.
   Научная деятельность Л. Пастера. Человеком, который своими работами положил начало современной микробиологии, был выдающийся французский ученый Луи Пастер (Louis Pasteur, 1822—1895). Научная деятельность Л. Пастера многогранна и охватывала все основные проблемы того времени, связанные с жизнедеятельностью микроорганизмов.
   Чтобы оценить гигантский научный труд Л. Пастера, достаточно привести надпись на мемориальной доске, установленной на доме, где помещалась его лаборатория. Надпись эта гласит: «Здесь была лаборатория Л. Пастера:
   1857 г. — Брожение. 1860 г. — Самопроизвольное зарождение. 1865 г. — Болезни вина и пива. 1868 г. — Болезни шелковичных червей. 1881 г. — Зараза и вакцина. 1885 г. — Предохранение от бешенства».
   Трудно переоценить значение научных открытий Л. Пастера, каждого из которых достаточно, чтобы навсегда вписать имя ученого в историю науки. Изучая молочнокислое, спиртовое, маслянокислое брожение, Л. Пастер выяснил, что эти процессы вызываются микроорганизмами определенных видов и непосредственно связаны с их жизнедеятельностью. Позднее, изучая «болезни» вина, болезни животных и человека, он экспериментально установил, что их «виновниками» также служат микробы.
   Л. Пастер впервые показал, что микроорганизмы — это активные формы, полезные или вредные, энергично воздействующие на окружающую природу, в том числе и на человека.
   Принципиально важным не только для микробиологии, но и для более глубокого понимания сущности живого в его разнообразных проявлениях было открытие Л. Пастером у микроорганизмов новых типов жизни, не похожих на те, которые имеют место в мире растений и животных. В 1857 г. Л. Пастер при изучении спиртового брожения установил, что оно является результатом жизнедеятельности дрожжей в условиях, исключающих доступ

5

кислорода. Позднее при изучении маслянокислого брожения ученый обнаружил, что микроорганизмы, вызывающие брожение, вообще отрицательно относятся к кислороду и могут размножаться только при отсутствии его свободного доступа. Таким образом, Л. Пастер обнаружил существование «жизни без кислорода», т. е. анаэробный способ существования. Он же ввел термины «аэробный» и «анаэробный» для обозначения жизни в присутствии или в отсутствие молекулярного кислорода.
   К области теоретических открытий Л. Пастера относятся его работы о невозможности самозарождения. Спор о том, откуда возникают живые существа, в том числе и микроорганизмы, — из себе подобных или из других компонентов живой природы — это давний спор, приобретший к середине XIX в. большую остроту и вышедший далеко за рамки чисто научных дискуссий. На основании проделанных экспериментов ученый пришел к следующему выводу: «Нет, сегодня не имеется ни одного известного факта, с помощью которого можно было бы утверждать, что микроскопические существа появились на свет без зародышей, без родителей, которые их напоминают. Те, кто настаивает на противоположном, являются жертвой заблуждения или плохо проделанных опытов, содержащих ошибки, которые они не сумели заметить или которых они не сумели избегнуть».
   Л. Пастер установил, что причиной родильной горячки является стрептококк. В дальнейшем им были открыты возбудители гнойных абсцессов, остеомиелита и куриной холеры. В результате этих открытий удалось доказать, что каждое инфекционное заболевание вызывается определенным микробом. При изучении куриной холеры в одной из серии опытов для заражения цыплят Л. Пастер использовал старую культуру возбудителя этой болезни. Все цыплята в этой серии опытов остались здоровы, в то время как обычно половина их погибала. При повторном заражении тех же цыплят свежей культурой все цыплята снова остались живы, а в контрольной группе, зараженной свежей культурой, как обычно, половина цыплят погибла. На этом основании Л. Пастер сделал вывод, что в старых культурах болезнетворные свойства патогенных микробов снижаются, но при этом сохраняется способность повышать резистентность организма к высоковирулентному возбудителю. На основании этих наблюдений Л. Пастер предложил идею аттенуации (ослабления вирулентности) патогенных микробов с целью применения их для профилактики инфекционных болезней. Л. Пастер назвал такие препараты вакцинами в честь английского ученого Э. Дженнера, разработавшего в 1776 г. способ предупреждения заболевания натуральной оспой путем прививки материала из гнойников на коже у зараженных оспой телят или образующихся на коже рук доярок при коровьей оспе. Ослабление спорообразующей палочки сибирской язвы было достигнуто путем выращивания культуры при

6

температуре 42,5...43 °C. При этом палочка утрачивала также и способность образовывать споры. Таким путем был получен штамм, поддающийся аттенуации.
   И наконец, работы Л. Пастера в области изучения инфекционных болезней животных и человека (болезнь шелковичных червей, сибирская язва, куриная холера, бешенство) позволили ему не только выяснить природу этих заболеваний, но и найти способ борьбы с ними. Поэтому мы с полным правом можем считать, что своими классическими работами по изучению инфекционных болезней и мер борьбы с ними Л. Пастер положил начало развитию микробиологии.
   Работы Л. Пастера были по достоинству оценены его современниками и получили международное признание. В 1888 г. на средства, собранные по международной подписке, в Париже был построен научно-исследовательский институт, носящий в настоящее время имя Л. Пастера, который и стал первым директором этого института. Открытия Л. Пастера показали, как разнообразен, необычен, активен не видимый простым глазом микромир и какое огромное поле деятельности представляет его изучение.
   Успехи микробиологии во второй половине XIX в. Оценивая успехи, достигнутые микробиологами во второй половине XIX в., французский исследователь П. Таннери (Р. Tannery) в работе «Исторический очерк развития естествознания в Европе (1300—1900)» писал: «Перед лицом бактериологических открытий история других естественных наук за последние десятилетия XIX столетия кажется несколько бледной». Успехи микробиологии в этот период непосредственно связаны с новыми идеями и методическими подходами, внесенными в микробиологические исследования Л. Пастером. В числе первых, кто оценил значение открытий Л. Пастера, был английский хирург Дж. Листер (J. Lister, 1827—1912). Он понял, что причина большого процента смертных случаев после операций — заражение ран бактериями из-за незнания и несоблюдения элементарных правил антисептики. Дж. Листер впервые ввел в медицинскую практику методы предупреждения подобного заражения ран, заключавшиеся в обработке всех хирургических инструментов карболовой кислотой и разбрызгивании ее в операционной во время операции. Таким путем он добился существенного снижения числа смертельных исходов после операций.
   Одним из основоположников медицинской микробиологии наряду с Л. Пастером явился немецкий микробиолог Р. Кох (R. Koch, 1843—1910), занимавшийся изучением возбудителей инфекционных заболеваний. Свои исследования Р. Кох начал, еще будучи сельским врачом, с изучения сибирской язвы и в 1877 г. опубликовал работу, посвященную возбудителю этого заболевания — Bacillus anthracis. Вслед за этим его внимание привлекла другая тяжелая и широко распространенная болезнь того времени — туберкулез. В 1882 г. Р. Кох сообщил об открытии возбудите

7

ля туберкулеза, который в его честь был назван «палочкой Коха». (В 1905 г. за исследование туберкулеза ученому была присуждена Нобелевская премия.) Ему принадлежит также открытие возбудителя холеры.
   В лабораториях Коха впервые разработаны способы приготовления плотных питательных сред путем добавления желатина к настоям и экстрактам из мяса. На такой плотной питательной среде бактерии растут в виде отдельных колоний, а каждая колония состоит из бактерий одного вида — так называемая чистая культура. Относительная простота выделения чистой культуры этим способом сделала микробиологические исследования доступными для широкого круга микробиологических лабораторий. Недостатком этого метода было то, что желатин — белковое вещество, которое способны расщеплять микробы многих видов, вследствие чего питательная среда с желатином зачастую разжижается. Кроме того, желатин плавится при температуре 28 °C.
   В дальнейшем в лаборатории Коха был разработан метод приготовления плотных питательных сред с добавлением в качестве гелеобразующего вещества агара — сложного полисахарида, получаемого из красных морских водорослей. Агар плавится при 100 °C, а при 44 °C затвердевает, образуя плотный и прозрачный гель. Его расщепляют лишь немногие виды микробов, так что разжижение питательной среды с агаром наблюдается редко. В лаборатории Коха разработаны также способы окрашивания микробов анилиновыми красителями, сконструирован осветитель для микроскопа, применена иммерсионная система и разработан способ микрофотографирования бактерий.
   Важный вклад в развитие микробиологии внесли естествоиспытатели нашей страны. В 1775 г. М. М. Тереховский впервые в мире применил экспериментальный метод для исследования микроорганизмов. Изучив влияние на инфузории физических и химических факторов, он впервые установил, что перед делением бактерии растут, т. е. увеличиваются в размерах. М. М. Тереховский отрицал возможность самозарождения микробов.
   Родоначальником русской микробиологической школы является Л. С. Ценковский (1822—1887). Объектом его исследований были микроскопические простейшие, водоросли, грибы. Л. С. Ценковский открыл и описал большое число простейших, изучал их морфологию и циклы развития. Это позволило ему сделать вывод об отсутствии резкой границы между миром растений и животных.
   Л. С. Ценковский интересовался проблемами медицинской микробиологии. Им была организована одна из первых Пастеровских станций в России и разработана вакцина против сибирской язвы (так называемая живая вакцина Ценковского).
   Основоположником медицинской микробиологии справедливо считают также И. И. Мечникова (1845—1916). Мечников был

8

разносторонним исследователем, но основные свои научные интересы он сосредоточил на проблеме изучения взаимоотношений хозяина и микроорганизма-паразита. В 1883 г. ученый создал фагоцитарную теорию иммунитета. Невосприимчивость человека к повторному заражению после перенесенного инфекционного заболевания была известна давно. Однако природа этого явления оставалась непонятной и после того, как были разработаны и стали широко применяться прививки против ряда инфекционных заболеваний. И. И. Мечников показал, что защита организма от болезнетворных микроорганизмов — сложная биологическая реакция, в основе которой лежит способность белых кровяных клеток (лимфоцитов) захватывать и разрушать чужеродные тела, попавшие в организм. Вклад И. И. Мечникова в науку был оценен его современниками. В 1909 г. за исследования по фагоцитозу И. И. Мечникову была присуждена Нобелевская премия.
   Большой вклад в развитие общей микробиологии внесли русский микробиолог С. Н. Виноградский (1856—1953) и голландский микробиолог М. Бейеринк (М. Beijerinck, 1851—1931). Оба много и плодотворно работали в разных областях микробиологии. Впитав идеи Л. Пастера о многообразии форм жизни в микромире, С. Н. Виноградский ввел микроэкологический принцип в исследование микроорганизмов.
   Для выделения в лабораторных условиях группы бактерий с определенными свойствами С. Н. Виноградский предложил создавать специфические (элективные) условия, дающие возможность преимущественного развития данной группы организмов. Именно так С. Н. Виноградским в 1893 г. был выделен из почвы анаэробный азотфиксатор, названный им в честь Л. Пастера Clostridium pasteurianum.
   Пользуясь изящными методическими приемами, в основу которых был положен микроэкологический принцип, С. Н. Виноградский выделил из почвы микроорганизмы, представляющие собой совершенно новый тип жизни и получившие название хемо-литоавтотрофных. В качестве единственного источника углерода для построения всех структур клетки хемолитоавтотрофы используют углекислоту, а энергию получают в результате окисления неорганических соединений серы, азота, железа, сурьмы или молекулярного водорода.
   С. Н. Виноградский и М. Бейеринк являются основоположниками экологического направления микробиологии, связанного с изучением роли микроорганизмов в природе и участием их в круговороте веществ в биосфере.
   Таким образом, вторая половина XIX в. характеризуется выдающимися открытиями в области микробиологии. На смену описательному морфолого-систематическому изучению микроорганизмов, господствовавшему в первой половине XIX в., пришло изучение физиологии микроорганизмов, основанное на точном экспе

9

рименте. Развитие нового этапа микробиологии связано в первую очередь с трудами Л. Пастера. К концу XIX в. в микробиологии начинают выделяться определенные направления: общая, медицинская, почвенная, сельскохозяйственная, ветеринарная, техническая, космическая.
   Микробиология в XX в. Успехи микробиологии во второй половине XIX в. привели к обнаружению чрезвычайного разнообразия типов жизни в микромире. И в связи с этим исследователей заинтересовали следующие вопросы: как объяснить такое многообразие, определить его границы, выявить, на чем оно основано? Постановкой этих проблем, имеющих общебиологическое значение, мы обязаны двум крупнейшим микробиологам нашего времени — А. Клюйверу (A. Kluyver, 1888—1956) и К. ван Нилю (С. van Niel, 1897—1985). А. Клюйвер и его ученики (одним из них был К. ван Ниль) провели сравнительные биохимические исследования представителей относительно далеко отстоящих друг от друга физиологических групп микроорганизмов. Было изучено много форм микроорганизмов и примерно к середине 50-х гг. XX в. сформулировано то, что теперь называют теорией биохимического единства жизни.
   В чем же конкретно состоит биохимическое единство жизни? Общее основано на единстве конструктивных, энергетических процессов и механизмов передачи генетической информации. А. Клюйвер доказал два первых положения: все живые организмы построены из однотипных химических макромолекул, универсальной единицей биологической энергии служит аденозинтри-фосфорная кислота (АТФ), в основе физиологического разнообразия живых существ лежит несколько основных метаболических путей. Что касается последнего положения, то сам А. Клюйвер изучением этой проблемы не занимался. Единство системы передачи генетической информации у всех клеточных типов жизни было установлено позднее. В настоящее время мы пока не знаем исключений, которые ставили бы под сомнение теорию биохимического единства жизни.
   С начала XX в. продолжается дальнейшая дифференциация микробиологии. От нее отпочковываются новые научные дисциплины (вирусология, микология) со своими объектами исследования, выделяются направления, различающиеся задачами исследования (общая микробиология, техническая, сельскохозяйственная, медицинская, генетика микроорганизмов).
   Расцвет медицинской и ветеринарной микробиологии. В трудах ученых древности можно встретить предположения о том, что возбудителями заразных болезней являются невидимые живые организмы, живой «контагий», болезнетворные семена (Гиппократ, IV в. до н. э.; Фукидид, IV в. до н. э.; Лукреций, I в. до н. э.; Плиний, I в.; Гален, III в.; Авиценна, XI в.).

10