Как человек узнал о существовании микробов

Мир микробов

Среди огромного разнообразия живых существ, окружающих человека, есть существа, которые он узнал сравнительно недавно – около 300 лет назад. Это микробы – мельчайшие организмы, не видимые невооружённым глазом. С незапамятных времён человек сталкивался с различными проявлениями их жизнедеятельности. Он страдал от огромных бедствий, причиняемых болезнетворными микробами, использовал работу некоторых полезных микробов, но совершенно не представлял себе, что, кроме растений и животных, в окружающем его мире находятся мириады мельчайших существ, неустанно ведущих разрушительную и созидательную работу.

Только за последние десятилетия стала вырисовываться общая картина грандиозной деятельности в природе этих простых форм существования живой материи, их роль в геологических изменениях нашей планеты, их значение для медицины, сельского хозяйства, пищевой промышленности и других отраслей народного хозяйства. Ведущее значение в познании микробов и их роли в природе сыграли работы отечественных учёных‑микробиологов.

В этой книге мы познакомим читателя с тем, что представляют собой микробы, как они живут, как люди научились бороться с вредными микробами и заставили работать на себя полезных микробов и какова роль отечественной науки в разрешении всех этих важнейших для человеческой практики вопросов.

Как человек узнал о существовании микробов

Мы не видим микробов невооружённым глазом. Это зависит от самого устройства человеческого глаза. Человеческий глаз не может различать предметы, размеры которых меньше одной десятой миллиметра. Все, что меньше этой величины, оказывается недоступным самому острому человеческому глазу. А величина огромного большинства микробов измеряется не десятыми, а сотыми, тысячными и даже десятитысячными долями миллиметра. Немудрено, что микробы оставались невидимыми до того периода развития производительных сил человеческого общества, пока люди не овладели техникой приготовления увеличительных стёкол. Только изобретение оптических микроскопов позволило человеку заглянуть в неведомый до того мир величин.

Первым человеком, достоверно увидевшим микробы и сообщившим людям об их существовании, был Антон Левенгук, голландец, живший в конце XVII – начале XVIII века. Он не был профессиональным учёным; торговец сукнами, потом сторож судебной палаты, он в свободное от работы время увлекался изготовлением увеличительных стёкол и достиг совершенства в этом искусстве. Его стёкла, размером с булавочную головку, увеличивали до 200 раз. Левенгук отличался любознательностью и чрезвычайным упорством в своих научных изысканиях. Он рассматривал в свои увеличительные стёкла самые разнообразные тела, описывал и зарисовывал результаты своих наблюдений. Исследуя в свои лупы капли дождевой воды из бочки, загнившую настойку сена, он наблюдал огромное количество каких‑то мельчайших телец, оживленно двигавшихся в капле. «Я исследовал, – пишет Левенгук, – слизь, которая залегает между зубами человека, и увидел, к великому своему удивлению, что в слизи находились крошечные создания, отличавшиеся необычайной подвижностью». Главное же, что поразило его, – это несметное количество этих созданий. «Во всём Соединённом Королевстве (т. е. Голландии) не наберётся столько жителей, сколько находится живых зверьков в моём собственном рту», – писал Левенгук.

Все свои наблюдения Левенгук объединил в книге «Тайны природы, открытые при помощи микроскопа», которая была им опубликована на латинском языке в 1695 г. В сохранившихся до наших дней экземплярах этой книги имеются изображения и описания этих «зверюшек», в которых без труда можно узнать не только крупных, но и мельчайших из видимых в оптические микроскопы существ – бактерий.

Так впервые простым человеком, учёным‑самоучкой были открыты микробы, оказавшиеся впоследствии представителями наиболее распространённых на нашей планете живых существ.

Открытия Левенгука заинтересовали не только учёных, но и многих любознательных людей того времени. Пётр I был первым русским человеком, лично познакомившимся с работами знаменитого голландца. По описаниям очевидцев, Пётр в бытность свою в Голландии весной 1698 г. пригласил Левенгука на свою яхту и провёл 2 часа в рассматривании в увеличительные стёкла микроскопических объектов.

Пётр прекрасно понял значение микроскопа и микроскопических исследований для познания природы, и по его почину в 1724 г. в Петербурге механиком‑конструктором машин и станков Андреем Нартовым (1683–1756 гг.) был составлен проект организации мастерских при Академии Наук, которые должны были изготовлять и оптические инструменты.

В 1726 г. в мастерские был зачислен зеркальный мастер Иван Елисеевич Беляев, которому «жалованье определено по 4 рубли на месяц, да мундир на три года». Иван Беляев явился родоначальником знаменитой семьи замечательных русских мастеров‑оптиков, изготовлявших в России прекрасные микроскопы, ни в чем не уступавшие лучшим заграничным моделям. Этими микроскопами (рис. 1) пользовались и первые русские академики и многие русские люди, интересовавшиеся наукой. С беляевскими микроскопами работал и первый президент Российской Академии Наук Лаврентий Блюментрост и известный общественный деятель архиепископ Новгородский Феофан Прокопович. С такими же микроскопами, изготовленными сыном Ивана Елисеевича – Иваном Ивановичем Беляевым, впоследствии работал и корифей русской науки Михаил Васильевич Ломоносов.

Рис. 1. Микроскоп «солнечного» типа для проецирования микроскопических объектов на экран русского мастера И. Е. Беляева

Русская наука, созданная М. В. Ломоносовым (рис. 2), обязана ему также и широким внедрением микроскопа, как орудия научного исследования. Ломоносов был первым русским учёным, систематически применявшим микроскоп в своих научных работах. Впервые во всём мире он использовал микроскоп и для химических исследований. В течение всей своей жизни Ломоносов широко популяризировал в России сведения о микроскопе и микроскопических открытиях, посвящая им не только свои лекции и научные работы, но даже и поэтические произведения. В своём стихотворении «Письмо о пользе стекла» Ломоносов писал следующее о микроскопе:

Прибавив рост вещей, оно, коль нам потребно,

Являет трав разбор и знание врачебно.

Коль много микроскоп нам тайности открыл,

Невидимых частиц и тонких в теле жил!

Даже самим термином «микроскоп» вместо старинных «микроскопиум» и «микроскопия» мы обязаны гениальному русскому учёному.

Рис. 2. Михаил Васильевич Ломоносов

Замечательные русские мастера‑оптики XVIII века внесли много усовершенствований в конструкции современных им микроскопов, часто создавая новые, совершенно оригинальные модели, превосходившие по своим качествам заграничные.

По чертежам академика Эйлера в оптических мастерских Российской Академии Наук была построена впервые опытная модель усовершенствованного «ахроматического микроскопа», линзы которого не давали расплывчатых изображений, характерных для микроскопов того времени. В ахроматических линзах была уничтожена так называемая хроматическая аберрация, т. е. искажения, получающиеся в изображении предмета из‑за различия в преломлении линзами проходящих через них лучей разного цвета.

В постройке этого микроскопа, кроме И. И. Беляева, принимал участие и знаменитый русский изобретатель‑механик Иван Петрович Кулибин, приглашённый в 1769 г. в Петербург на должность руководителя академических мастерских (рис. 3).

Рис. 3. Иван Петрович Кулибин

Замечательный механик‑самоучка, часовщик из Нижнего Новгорода, без чьей‑либо помощи и совета, самостоятельно сконструировавший в 1764–1766 гг. телескоп, микроскоп и электрическую машину, И. П. Кулибин поднял работу оптической мастерской на большую высоту. За время своей более чем тридцатилетней работы в мастерских (до 1801 г.) он совместно с И. И. Беляевым и старшим мастером Василием Воробьёвым построил много отличных по тому времени микроскопов и других оптических инструментов.

Таким образом, уже в то далёкое время русские люди имели в своих руках первоклассные инструменты для наблюдений микроскопического мира, рассматривали микроскопические объекты и изучали их.

Правда, учёным того времени трудно было выявить роль микробов в жизни человека. Микроскописты той эпохи и не предполагали, что микробы являются возбудителями заразных болезней. Мало можно было узнать об их организации, а тем более об их деятельности при разглядывании капель гниющих настоев в несовершенные микроскопы. Даже через сто лет после открытия микробов известный учёный XVIII века Карл Линней не мог оценить значение микробов и неправильно объединил всех микробов в один биологический род, названный им «хаос». Он писал, что это «Таинственные… живые молекулы… разобраться в которых надлежит потомкам».

А пока по‑прежнему грозные эпидемии продолжали бушевать по всем странам. Моровая язва (как тогда называли чуму), оспа, холера уносили тысячи человеческих жизней.

Человечество страдало не только от вредных, болезнетворных микробов. На протяжении человеческой истории и безвредные микробы не раз служили источником народных волнений, вызванных невежеством и суеверием, которые поддерживались церковниками. Особенную роль в этом отношении сыграла в руках церковников совершенно безвредная бактерия, продукты обмена которой применяются сейчас даже для лечения некоторых заболеваний, – так называемая палочка чудесной крови. Эта палочка при своем развитии на средах, содержащих углеводы, выделяет красный пигмент, похожий на свежую кровь.

В старинных летописях можно найти указания на неожиданное появление кровавых пятен на хлебе, в особенности на церковном хлебе – гостиях, хранившихся в сырых церковных помещениях. Эти кровавые пятна и представляют собой культуру палочки чудесной крови, развившейся на поверхности влажного хлеба. Церковники объясняли это колдовством, злыми кознями ведьм. Тысячи невинных людей, заподозренных в волшебстве, сжигались на кострах. Так церковь использовала народные суеверия для расправы с неугодными ей людьми.

Такой же суеверный ужас возбуждала другая безобидная бактерия – так называемая светящаяся бактерия, обладавшая способностью выделять вещества, медленно разлагающиеся с выделением света. Рыбы, мясные туши, трупы и даже пот и моча живых людей, на которых развивалась эта безвредная бактерия, начинали излучать таинственный фосфорический свет, нагонявший страх на невежественных людей.

Одним из первых людей в мире, выдвинувших предположение о том, что микробы являются возбудителями заразных заболеваний, был талантливый русский врач‑учёный, развернувший свою замечательную деятельность в конце XVIII века, Данило Самойлович (1744–1805 гг.) (рис. 4). Принимая деятельное участие в борьбе со страшной эпидемией чумы, поразившей Москву в конце 1770 г., когда погибло около четверти населения города, Самойлович не соглашался с мнением большинства тогдашних врачей о незаразительности чумы и был убеждён, что она вызывается живым, микроскопически малым возбудителем. Он даже пытался разглядеть его в микроскоп и в своей работе о микроскопическом исследовании «яду язвенного», вышедшей из печати в Петербурге в 1792 г., писал: «яд язвенный… состоит из некоего особливого и совсем отменного существа, о коем никто прежде не знал и которое ныне исследовано мною через самоточнейшие микроскопические и иные наблюдения».

Рис. 4. Данило Самойлович Самойлович

Что это было за «отменное существо», нам трудно судить. Это не был, конечно, чумный микроб, которого Самойлович не мог видеть в свой несовершенный микроскоп, дававший увеличение в пределах 95–190 раз. Для истории науки важно, что именно русский врач одним из первых правильно подошёл к пониманию роли микробов в возникновении и передаче заразных болезней. В то время большинство западноевропейских учёных были еще очень далеки от подобных прогрессивных взглядов. Почти целое столетие прошло, пока гениальная догадка Данилы Самойловича превратилась в стройное учение о микробах, как возбудителях различных процессов, происходящих в природе.

С конца XVIII и в начале XIX веков стали развиваться биологические науки, улучшались конструкции микроскопов, описывались и систематизировались различные микробы. Но учёные были еще далеки от понимания роли этих мельчайших существ в природе. Это был период накопления знаний о строении микробов, о разнообразии их форм, об их распространении в природе, но не об их деятельности. Лишь в середине XIX века стало возможным разобраться в линнеевском «хаосе» и создать основы учения о микробах. Как и во всех других областях знания, видную роль здесь сыграли работы русских учёных Тереховского, Ловецкого, Горяинова, Ценковского и многих других. Особенно велико значение в развитии новой науки о микробах – микробиологии – русского учёного, приобрёвшего своими работами мировую известность, Л. С. Ценковского (1822–1887 гг.) (рис. 5). Его можно по праву назвать отцом и создателем русской научной микробиологии. Ценковский первый в России широко применил микроскопы не только в научной, но и в педагогической деятельности. Своими красочными и доходчивыми лекциями он привлекал молодежь к изучению этого нового, многообразного мира. Будучи убеждённым последователем дарвинизма, он впервые приложил к изучению микробов эволюционные взгляды и правильно установил место микробов среди остальных животных и растительных организмов.

Рис. 5. Лев Семенович Ценковский

Крупным вкладом в науку о микробах явились работы знаменитого учёного Луи Пастера (1822–1895) (рис. 6). В своих исследованиях Пастер первый указал на значение жизнедеятельности микробов в обмене веществ в природе. Им было доказано, что микробы – грибки, дрожжи и бактерии – являются возбудителями процессов гниения и брожения в природе. Кроме того, им было установлено, что разным микробам свойственны различные биохимические функции. Оказалось, что каждый вид брожения – спиртовое брожение виноградного сока, молочнокислое брожение молока, уксуснокислое брожение вина – вызывается особым микробом. Пастер показал также, что микробы не могут самозарождаться в гниющих жидкостях, как это думали учёные того времени, а происходят от других микробов.

Рис. 6. Луи Пастер

То, что Пастеру удалось доказать в отношении специфичности бродильных микробов, было сделано рядом учёных‑бактериологов в отношении микробов – возбудителей заразных болезней человека. Учёные установили, что каждое из изученных ими заразных заболеваний человека вызывается совершенно определённым микроорганизмом. Немецкий бактериолог Роберт Кох (1843–1910 гг.) доказал, что возбудителем сибирской язвы являются особые бациллы, которые были еще раньше находимы в крови павших от сибирской язвы животных. Кох открыл и описал туберкулёзную палочку – возбудителя туберкулёза – заболевания, которое многими в то время не признавалось заразной болезнью. Он доказал, что азиатская холера вызывается особым вибрионом. Учёные открыли возбудителей и других болезней.

Огромную роль в развитии труднейших вопросов микробиологии, касающихся природы защитных сил человека и животных, сыграл великий русский учёный Илья Ильич Мечников (1845–1916 гг.), создавший учение об иммунитете – невосприимчивости к заразным болезням.

В результате этих замечательных открытий микробиология стала подлинной наукой о строении и деятельности мельчайших живых существ, о природе невосприимчивости к заразным микробам и способах борьбы с ними.

В короткий срок (80–90‑е годы прошлого столетия) было открыто много новых микробов – возбудителей заразных заболеваний и различных процессов превращения веществ в природе. Уже казалось, что при каждом заразном заболевании человека, животных и растений могут быть выделены видимые под микроскопом микроорганизмы – возбудители этих заболеваний. Но странно, при некоторых заразных заболеваниях возбудитель их не мог быть обнаружен. Самые тщательные поиски микробов, вызывающих такие заболевания, как оспа, бешенство, корь, грипп, долго не приводили к положительным результатам. Пересматривались под микроскопом тысячи препаратов из тканей, органов и выделений больных и умерших. В сильнейшие микроскопы, с увеличением до 2000 раз, нельзя было увидеть ничего похожего на микроба.

Казалось, как и сто лет назад, человечество снова стоит перед неразрешимой тайной происхождения некоторых заразных болезней. Раскрытию этой тайны наука целиком обязана русским учёным.

Рис. 7. Николай Федорович Гамалея

В 1886 г. молодой русский врач, впоследствии почётный академик Академии Наук Союза ССР Н. Ф. Гамалея (1859–1949 гг.) (рис. 7) занимался изучением чумы рогатого скота – заразного заболевания, при котором также не удавалось выделить микроба. Гамалея пропустил кровь больного телёнка через фильтр, поры которого были так малы, что задерживали самых мельчайших из известных в то время бактерий. Профильтрованную, освобождённую от бактерий кровь он ввёл в вену здоровому телёнку. Телёнок заболел чумой. Таким образом, Гамалея впервые в мире доказал, что в крови больного чумой животного содержится какое‑то заразное начало, частицы которого настолько мелки, что невидимы в микроскоп и проходят через самые мельчайшие поры фильтров. К сожалению, Гамалея не продолжил этих исследований, и окончательное доказательство существования в природе мельчайших микробов, не видимых в оптические микроскопы и проходящих через фильтры, было сделано через шесть лет (в 1892 г.) другим русским учёным‑ботаником Д. И. Ивановским (1864–1920 гг.) (рис. 8).

Рис. 8. Дмитрий Иосифович Ивановский

Открытие Д. И. Ивановского было сделано при следующих обстоятельствах. В те годы в Крыму табачные плантации сильно страдали от так называемой мозаичной болезни табака. Изучив на месте это заболевание и не найдя под микроскопом видимых возбудителей, Ивановский отжал сок больного растения, пропустил его через фильтр и заразил профильтрованным соком другое здоровое растение. На табачных листьях вскоре появились характерные для заболевания мозаичные пятна (рис. 9). Предположив вначале, что вместе с соком в здоровое растение попал не живой возбудитель, а только его яд, Ивановский профильтровал сок этого заболевшего растения и заразил им третье, от третьего – четвёртое и т. д. Ивановский рассчитывал, что при последовательном переносе сока произойдёт разбавление яда и в конце концов сок окажется незаразным. На деле же оказалось наоборот, при каждом разведении болезнетворные свойства сока не ослабевали, а усиливались. В последнем растении сок оказался более заразительным, чем в первом. Из этого опыта Ивановский сделал совершенно правильный вывод: в больном растении происходит сильное размножение невидимого мельчайшего микроба.

Рис. 9. Табачные листья, поражённые вирусом табачной мозаики

Так были открыты мельчайшие, не видимые в оптический микроскоп микробы, не растущие на искусственных питательных средах и проходящие через такие поры фильтров, которые не пропускают даже самых мелких бактерий.

Эти мельчайшие микробы были названы фильтрующимися вирусами или просто вирусами^[1].

Русский ботаник Д. И. Ивановский и явился основоположником нового раздела науки о микробах – так называемой вирусологии. Через пять лет после открытия Ивановского учёные описали первый фильтрующийся вирус, вызывающий заразное заболевание животных, – ящур. Изучением вирусов теперь занялись учёные всего мира, и за сравнительно короткий промежуток времени были найдены десятки различных вирусов – возбудителей заразных заболеваний человека, животных, растений и даже бактерий. В дальнейшем было установлено, что к этой группе микробов принадлежат возбудители оспы, бешенства, энцефалита, гриппа, кори, желтой лихорадки и еще целого ряда заболеваний человека. Основная масса заразных заболеваний растений также вызывается вирусами. Свойствами вируса обладает и бактериофаг – невидимый микроб, растворяющий бактерий.

Открытие новой группы микробов – фильтрующихся вирусов – имело огромное практическое и научное значение. Хотя вирусы казались исследователям невидимыми почти до 1940 г. – до широкого использования так называемого электронного микроскопа, дававшего увеличение в десятки тысяч раз, – их свойства были хорошо изучены. Учёные доказали, что вирусы имеют белковый состав. Было доказано, что они размножаются, изменяются под влиянием изменений условий жизни и передают свои свойства по наследству. Точнейшие измерения величины вирусов показали, что некоторые из них так малы, что их размеры не превышают размеров белковых молекул. Таким образом, было доказано, что вирусы, обладая всеми свойствами жизни, не имеют клеточного строения, как остальные микробы и простейшие. Наиболее элементарной формой существования живой материи оказалась не клетка, а комочки живого белка.

С открытием вирусов значительно расширились наши представления о жизни. От вируса энцефалита – крошечной частицы, диаметром в стотысячные доли миллиметра, до тридцатиметрового кита – все это различные формы существования жизни на нашей земле.