1.1: Що знали наші предки

Цілі навчання

• Опишіть, як наші предки удосконалювали їжу із застосуванням невидимих мікробів
• Опишіть, як пояснювалися причини хвороби і хвороб в давнину, до винаходу мікроскопа
• Охарактеризуйте ключові історичні події, пов'язані з зародженням мікробіології

Клінічна спрямованість: Частина 1

Кора, 41-річний адвокат і мати двох дітей, останнім часом відчуває сильні головні болі, високу температуру та жорстку шию. Її чоловік, який супроводжував Кору до лікаря, повідомляє, що Кора також часом здається заплутаною і надзвичайно сонною. Виходячи з цих симптомів, лікар підозрює, що Кора може мати менінгіт, потенційно небезпечну для життя інфекцію тканини, яка оточує головний і спинний мозок.

Менінгіт має кілька потенційних причин. Його можуть викликати бактерії, грибки, віруси або навіть реакція на ліки або вплив важких металів. Хоча люди з вірусним менінгітом зазвичай зцілюються самостійно, бактеріальний і грибковий менінгіт досить серйозний і вимагає лікування.

Рисунок\(\PageIndex{1}\): (а) Люмбальна пункція використовується для взяття зразка спинномозкової рідини пацієнта (спинномозкової рідини) для тестування. Між двома хребцями попереку вводиться голка, звана поперековим відділом. (б) CSF має бути чітким, як у цьому зразку. Аномально каламутна спинномозкова хвороба може вказувати на інфекцію, але її необхідно додатково тестувати, щоб підтвердити наявність мікроорганізмів. (кредит b: модифікація роботи Джеймса Хейлмана)

Лікар Кори призначає люмбальну пункцію (спинний кран), щоб взяти три зразки спинномозкової рідини (спинномозкової рідини) з навколо спинного мозку (рис.\(\PageIndex{1}\)). Зразки будуть відправлені в лабораторії трьох різних відділень для тестування: клінічної хімії, мікробіології та гематології. Зразки спочатку будуть візуально досліджені, щоб визначити, чи є ліквору аномально забарвлену або каламутну; потім ліквору досліджуватимуть під мікроскопом, щоб побачити, чи містить вона нормальну кількість червоних та білих кров'яних тілець, та перевірити наявність будь-яких аномальних типів клітин. У мікробіологічній лабораторії зразок буде центрифугуватися, щоб сконцентрувати будь-які клітини в осаду; цей осад буде змащений на гірці і забарвлений плямою Грама. Фарбування по граму - це процедура, яка використовується для розмежування двох різних типів бактерій (грампозитивних і грамнегативних).

Близько 80% пацієнтів з бактеріальним менінгітом виявлять бактерії в лікворі з плямою за Грамом. ^{1 Забарвлення} Грама Кори не показало жодних бактерій, але її лікар вирішує призначити їй антибіотики на всякий випадок. Частина зразка ліквору буде культивована - покладена в спеціальний посуд, щоб побачити, чи будуть рости бактерії чи грибки. Потрібен деякий час, щоб більшість мікроорганізмів розмножилися в достатній кількості, щоб їх було виявлено та проаналізовано.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Які типи мікроорганізмів загинули б при лікуванні антибіотиками?

Більшість людей сьогодні, навіть ті, хто дуже мало знає про мікробіологію, знайомі з поняттям мікробів, або «мікробів», і їх роллю в здоров'ї людини. Школярі дізнаються про бактерії, віруси та інші мікроорганізми, а багато хто навіть розглядають екземпляри під мікроскопом. Але ще кілька сотень років тому, до винаходу мікроскопа, існування багатьох видів мікробів довести було неможливо. За визначенням мікроорганізми, або мікроби, є дуже дрібними організмами; багато видів мікробів занадто малі, щоб побачити без мікроскопа, хоча деякі паразити і грибки видно неозброєним оком.

Люди живуть з мікроорганізмами і використовують їх набагато довше, ніж вони змогли їх побачити. Історичні дані свідчать про те, що люди мали деяке уявлення про життя мікробів з доісторичних часів і використовували ці знання для розробки продуктів харчування, а також профілактики та лікування захворювань. У цьому розділі ми розглянемо деякі історичні застосування мікробіології, а також ранні початку мікробіології як науки.

Ферментовані продукти та напої

Люди по всьому світу насолоджувалися ферментованими продуктами та напоями, такими як пиво, вино, хліб, йогурт, сир та мариновані овочі протягом усієї записаної історії. Відкриття з кількох археологічних пам'яток свідчать про те, що навіть доісторичні люди скористалися ферментацією для збереження та посилення смаку їжі. Археологи, вивчаючи гончарні банки з неолітичного села в Китаї, виявили, що люди робили ферментований напій з рису, меду та фруктів ще в 7000 році до н.е. ²

Виробництво цих продуктів харчування та напоїв вимагає мікробного бродіння, процесу, який використовує бактерії, цвіль або дріжджі для перетворення цукрів (вуглеводів) в алкоголь, гази та органічні кислоти (рис.\(\PageIndex{2}\)). Хоча цілком імовірно, що люди вперше дізналися про бродіння випадково - можливо, випивши старе молоко, яке сирнуло, або старий виноградний сік, який ферментував - пізніше вони навчилися використовувати силу бродіння для виготовлення таких продуктів, як хліб, сир та вино.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Мікроскопічний вигляд Saccharomyces cerevisiae, дріжджів, відповідальних за підняття хліба (зліва). Дріжджі - мікроорганізм. Його клітини метаболізують вуглеводи в борошні (середні) і виробляють вуглекислий газ, через що хліб піднімається (праворуч). (кредитна середина: модифікація роботи Януса Сандсгаарда; кредитне право: модифікація роботи «MDreibelbis» /Flickr)

Лікуємо крижану людину

Доісторичні люди мали дуже обмежене розуміння причин хвороб, і різні культури розвивали різні вірування і пояснення. Хоча багато хто вважав, що хвороба була покаранням за розлючення богів або була просто результатом долі, археологічні дані свідчать про те, що доісторичні люди намагалися лікувати хвороби та інфекції. Одним із прикладів цього є Ötzi Iceman, 5300-річна мумія, знайдена замороженою в льоду Ецальських Альп на австрійсько-італійському кордоні в 1991 році. Оскільки Ötzi був настільки добре збережений льодом, дослідники виявили, що він був заражений яйцями паразита Trichuris trichiura, що, можливо, спричинило у нього біль у животі та анемію. Дослідники також знайшли докази Borrelia burgdorferi, бактерії, яка викликає хворобу Лайма. ³ Деякі дослідники вважають, що Ötzi, можливо, намагався лікувати свої інфекції деревними плодами гриба Piptoporus betulinus, який був виявлений прив'язаним до його речей. ⁴ Цей гриб має як проносні, так і антибіотичні властивості. Ötzi також був покритий татуюваннями, які були зроблені шляхом врізання надрізів на його шкірі, заповнення їх травами, а потім спалювання трав. ⁵ Є припущення, що це, можливо, була ще одна спроба лікувати його хвороби здоров'я.

Ранні уявлення про хвороби, зараження та стримування

Кілька стародавніх цивілізацій, схоже, мали певне розуміння того, що хвороба може передаватися речами, які вони не могли бачити. Особливо це проявляється в історичних спробах стримувати поширення хвороби. Наприклад, Біблія посилається на практику карантину людей з проказою та іншими захворюваннями, припускаючи, що люди розуміють, що хвороби можуть бути інфекційними. За іронією долі, хоча проказа є інфекційною, це також хвороба, яка прогресує повільно. Це означає, що люди, ймовірно, були поміщені на карантин після того, як вони вже поширили хворобу на інших.

Стародавні греки приписували хворобу поганим повітрям, малярії, яку вони називали «міазматичними запахами». Вони розробили гігієнічні практики, які будувалися на цій ідеї. Римляни також вірили в гіпотезу міазми і створили складну санітарну інфраструктуру для боротьби з стічними водами. У Римі побудували акведуки, які привозили в місто прісну воду, і гігантську каналізацію, Клоаку Максима, яка виносила відходи і в річку Тибр (рис.\(\PageIndex{3}\)). Деякі дослідники вважають, що ця інфраструктура допомогла захистити римлян від епідемій хвороб, що передаються через воду.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): (а) Клоака Максима, або «Найбільша каналізація» (показана червоним кольором), пробігла по Стародавньому Риму. Це було інженерне диво, яке несло відходи подалі від міста і в річку Тибр. (б) Ці стародавні вбиральні спорожніли в Клоаку Максима.

Ще до винаходу мікроскопа деякі лікарі, філософи та вчені досягли значних успіхів у розумінні невидимих сил - які ми зараз знаємо як мікроби, які можуть спричинити зараження, хвороби та смерть.

Грецький лікар Гіппократ (460—370 рр. До н.е.) вважається «батьком західної медицини» (рис.\(\PageIndex{4a}\)). На відміну від багатьох своїх предків і сучасників, він відкинув думку про те, що хвороба викликана надприродними силами. Натомість він стверджував, що захворювання мають природні причини зсередини пацієнтів або їх оточення. Гіппократ та його спадкоємці, як вважають, написали Корпус Гіппократа, збірку текстів, що складають деякі найстаріші медичні книги, що збереглися. ⁶ Гіппократа також часто зараховують як автора Клятви Гіппократа, прийнятої новими лікарями, щоб гарантувати свою відданість діагностиці та лікуванню пацієнтів, не завдаючи шкоди.

Хоча Гіппократ вважається батьком західної медицини, грецький філософ і історик Фукідід (460—395 рр. До н.е.) вважається батьком наукової історії, оскільки він виступав за доказовий аналіз причинно-наслідкових міркувань (рис.\(\PageIndex{4b}\)). Серед його найважливіших внесків - його спостереження щодо афінської чуми, яка вбила третину населення Афін між 430 та 410 роками до н.е. Переживши сам епідемію, Фукідід зробив важливе спостереження, що вижили не отримали повторного зараження хворобою навіть при догляді за активно хворими людьми. ⁷ Це спостереження показує раннє розуміння поняття імунітету.

Маркус Теренцій Варро (116—27 до н.е.) був плідним римським письменником, який одним з перших запропонував концепцію того, що речі, які ми не можемо бачити (те, що ми зараз називаємо мікроорганізмами), може спричинити захворювання (Малюнок\(\PageIndex{4c}\)). У Res Rusticae (Про землеробство), опублікованому в 36 році до н.е., він сказав, що «запобіжні заходи також повинні бути вжиті в сусідніх болотах.. тому що певні дрібні істоти [animalia minuta] ростуть там, які не можуть бути помічені оком, які плавають у повітрі і потрапляють в тіло через рот і ніс і там викликають серйозні захворювання». ⁸

Малюнок\(\PageIndex{4}\): (а) Гіппократ, «батько західної медицини», вважав, що хвороби мають природні, а не надприродні причини. (б) Історик Фукідід зауважив, що пережили афінську чуму згодом були несприйнятливі до інфекції. (c) Маркус Теренцій Варро припустив, що хвороба може бути викликана «певними дрібними істотами.. які не можна побачити оком». (Кредит c: модифікація роботи Алессандро Антонеллі)

Вправа\(\PageIndex{2}\)

1. Наведіть два приклади продуктів, які історично вироблялися людьми за допомогою мікробів.
2. Поясніть, як історичні розуміння хвороби сприяли спробам лікування та стримування хвороби.

Народження мікробіології

Хоча стародавні, можливо, підозрювали існування невидимих «хвилинних істот», лише до винаходу мікроскопа їх існування було остаточно підтверджено. Поки незрозуміло, хто саме винайшов мікроскоп, голландський торговець тканинами на ім'я Антоні ван Леувенгук (1632—1723) першим розробив лінзу, достатньо потужну для перегляду мікробів. У 1675 році, використовуючи простий, але потужний мікроскоп, Левенгук зміг спостерігати за одноклітинними організмами, які він описав як «тварини» або «маленькі звірі», плаваючи в краплі дощової води. З його малюнків цих маленьких організмів ми тепер знаємо, що він дивився на бактерії та протести. (Ми вивчимо внесок Левенгука в мікроскопію далі в розділі 2: Як ми бачимо невидимий світ.)

Майже через 200 років після того, як ван Леувенгук отримав свій перший погляд на мікроби, «Золотий вік мікробіології» породив безліч нових відкриттів між 1857 і 1914 роками. Два відомих мікробіолога, Луї Пастер і Роберт Кох, особливо активно просували наше розуміння невидимого світу мікробів (рис.\(\PageIndex{5}\)). Пастер, французький хімік, показав, що окремі штами мікробів мають унікальні властивості і продемонстрував, що ферментація викликана мікроорганізмами. Він також винайшов пастеризацію, процес, який використовується для знищення мікроорганізмів, відповідальних за псування, і розробив вакцини для лікування захворювань, включаючи сказ, у тварин і людей. Кох, німецький лікар, першим продемонстрував зв'язок між єдиним ізольованим мікробом і відомим захворюванням людини. Наприклад, він виявив бактерії, що викликають сибірську виразку (Bacillus anthracis), холеру (Vibrio cholera) та туберкульоз (Mycobacterium tuberculosis). ⁹ Ці відомі мікробіологи та інші ми обговоримо в наступних розділах.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): (а) Луї Пастеру (1822—1895) приписують численні інновації, які просунули галузі мікробіології та імунології. (б) Роберт Кох (1843—1910) визначив специфічні мікроби, що викликають сибірську виразку, холеру та туберкульоз.

Оскільки мікробіологія розвивалася, це дозволило більш широкій дисципліні біології рости і процвітати раніше немислимими способами. Значна частина того, що ми знаємо про людські клітини, походить від нашого розуміння мікробів, і багато інструментів, які ми використовуємо сьогодні для вивчення клітин та їх генетики, походять від роботи з мікробами.

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Як відкриття мікробів змінило людське розуміння хвороби?

Мікробіологія Інструментарій

Оскільки окремі мікроби, як правило, занадто малі, щоб їх можна було побачити неозброєним оком, наука мікробіології залежить від технології, яка може штучно підвищити здатність наших природних почуттів сприйняття. Ранні мікробіологи, такі як Пастер і Кох, мали в своєму розпорядженні менше інструментів, ніж зустрічаються в сучасних лабораторіях, що робить їх відкриття та інновації набагато більш вражаючими. Пізніші розділи цього тексту будуть вивчати багато застосувань технології в глибині, але наразі, ось короткий огляд деяких фундаментальних інструментів мікробіологічної лабораторії.

• Мікроскопи виробляють збільшені зображення мікроорганізмів, клітин і тканин людини, і багато інших типів зразків занадто малі, щоб їх можна було спостерігати неозброєним оком.
• Плями і барвники використовуються для додання кольору мікробам, щоб їх можна було краще спостерігати під мікроскопом. Деякі барвники можна використовувати на живих мікробів, тоді як інші вимагають, щоб зразки були закріплені хімікатами або теплом перед фарбуванням. Деякі плями працюють тільки на певні види мікробів через відмінності в їх клітинному хімічному складі.
• Середовища росту використовуються для вирощування мікроорганізмів в лабораторних умовах. Деякі середовища є рідинами; інші більш тверді або гелеподібні. Середовище для росту забезпечує поживні речовини, включаючи воду, різні солі, джерело вуглецю (наприклад, глюкозу) та джерело азоту та амінокислот (наприклад, дріжджовий екстракт), щоб мікроорганізми могли рости та розмножуватися. Інгредієнти в середовищі росту можуть бути модифіковані для вирощування унікальних типів мікроорганізмів.
• Чашка Петрі - це чашка з плоскою кришкою, яка зазвичай становить 10-11 сантиметрів (см) в діаметрі і 1-1,5 см у висоту. Чашки Петрі, виготовлені з пластику або скла, використовуються для утримання ростових середовищ (рис.\(\PageIndex{6}\)).
• Пробірки - це циліндричні пластикові або скляні трубки з закругленими дном і відкритими верхівками. Вони можуть бути використані для вирощування мікробів в бульйоні, або напівтвердих або твердих середовищах росту.
• Пальник Бунзена - це металевий апарат, який створює полум'я, яке можна використовувати для стерилізації одиниць обладнання. Гумова трубка здійснює газ (паливо) до пальника. У багатьох лабораторіях пальники Bunsen припиняються на користь інфрачервоних мікроспалювальних установок, які служать аналогічній меті без ризику безпеки відкритого полум'я.
• Петля для щеплення - це ручний інструмент, який закінчується невеликою дротяної петлею (рис.\(\PageIndex{6}\)). Петлю можна використовувати для прожилки мікроорганізмів на агарі в чашці Петрі або для перенесення їх з однієї пробірки в іншу. Перед кожним використанням петлю щеплення необхідно стерилізувати, щоб культури не забруднювалися.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Ця чашка Петрі, наповнена агаром, була просіяна легіонелою, бактерією, відповідальною за спричинення хвороби легіонера. (б) Петля інокуляції, подібна до цієї, може бути використана для розмноження бактерій на агарі в чашці Петрі. (кредит a: модифікація роботи Центрів контролю та профілактики захворювань; кредит b: модифікація роботи Джеффрі М. Винокур)

Ключові поняття та резюме

• Мікроорганізми (або мікроби) - це живі організми, які, як правило, занадто малі, щоб їх можна було побачити без мікроскопа.
• Протягом історії люди використовували мікроби для виготовлення ферментованих продуктів, таких як пиво, хліб, сир та вино.
• Задовго до винаходу мікроскопа деякі люди теоретизували, що інфекції та хвороби поширюються живими істотами, які були занадто малі, щоб їх можна було побачити. Вони також правильно інтуїтували певні принципи щодо поширення хвороб і імунітету.
• Антоні ван Леувенгук, використовуючи мікроскоп, першим фактично описав спостереження за бактеріями, в 1675 році.
• Під час Золотого століття мікробіології (1857—1914) мікробіологи, включаючи Луї Пастера та Роберта Коха, відкрили багато нових зв'язків між галузями мікробіології та медицини.

Виноски

1. 1 Ребекка Бакстон. «Дослідження грам плям спинномозкової рідини - бактеріальний менінгіт». Американське товариство мікробіології. 2007. www.microbelibrary.org/librar... іал-менінгіт
2. 2 П.Е. Макговерн та ін. «Ферментовані напої до- і протоісторичного Китаю». Праці Національної академії наук Сполучених Штатів Америки 1 № 51 (2004) :17593—17598. дої:10.1073/pnas.0407921102.
3. 3 Келлер та ін. «Нові уявлення про походження та фенотип тирольського льоду, як це виведено секвенуванням цілого генома». Природні комунікації, 3 (2012): 698. дої:10.1038/ncomms1701.
4. 4 Л. Капассо. «5300 років тому крижана людина використовувала природні проносні засоби та антибіотики». Ланцет, 352 (1998) 9143:1864. Над.: 10.1016/с0140-6736 (05) 79939-6.
5. 5 Л. Капассо, Л. «5300 років тому крижана людина використовувала природні проносні засоби та антибіотики». Ланцет, 352 № 9143 (1998): 1864. так: 10.1016/с0140-6736 (05) 79939-6.
6. 6 Г. Паппас та ін. «Погляди на інфекційні хвороби в епоху Гіппократа». Міжнародний журнал інфекційних хвороб 12 (2008) 4:347 —350. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijid.2007.11.003.
7. 7 Фукідід. Історія Пелопоннесської війни. Друга книга. 431 рік до н. Переклад Річарда Кроулі. http://classics.mit.edu/Thucydides/p....2.second.html.
8. 8 Плініо Приорещі. Історія медицини: Римська медицина. Льюїстон, Нью-Йорк: Едвін Меллен Прес, 1998: стор. 215.
9. 9 С.М.Блевінс і М.С.Бронза. «Роберт Кох і «Золотий вік» бактеріології». Міжнародний журнал інфекційних хвороб. 14 № 9 (2010): e744-e751. дої:10.1016/j.ijid.2009.12.003.

Глосарій

мікроба

як правило, організм, який занадто малий, щоб його можна було побачити без мікроскопа; також відомий як мікроорганізм

мікроорганізм

як правило, організм, який занадто малий, щоб його можна було побачити без мікроскопа; також відомий як мікроб