Mikrobiologija

Mikrobiologija (iš gr. μῑκρος = mīkros 'mažas'; βίος = bios 'gyvybė' ir λογία = logia 'mokslas') – mokslas apie mikroorganizmus, kurie yra vienaląsčiai (sudaryti iš vienos ląstelės), daugialąsteliniai (ląstelių kolonija), ar neląsteliniai (neturintys ląstelės). Tai plati biologijos mokslų sritis, kuri apima smulkiųjų organizmų sandarą, jų gyvenimo būdą ir reikšmę gamtoje, žemės ūkyje, pramonėje bei medicinoje. Mikrobiologija apima kelias disciplinas įskaitant virusologiją, parazitologiją, mikologiją ir bakteriologiją. Protistai ir kai kurie grybai (mielės ir pelėsiniai grybai) yra eukariotiniai mikroorganizmai ir turi membrana apsuptas organeles. Prokariotiniai organizmai (kurie visi yra priskiriami mikroorganizmams) neturi membrana apsuptų organelių. Prokariotiniai mikroorganizmai apima bakterijas ir archėjas. Tradiciniai mikrobiologijos metodai apima mikroorganizmų kultyvavimą, dažymą ir mikroskopavimą. Tačiau, tik nedidelis kiekis mūsų aplinkoje esančių mikroorganizmų gali būti kultyvuojami šiuo metu žinomomis sąlygomis. Bakterijų kultyvavimas prasidėjo daugiau nei prieš 150 metų. Šiuo metu aprašyta apie 12 000 rūšių, tačiau spėjama, kad jų įvairovė siekia 10⁷ ar 10⁹ rūšių. Pavyzdžiui, vandenynuose randamų bakterijų ir archėjų rūšių skaičius viršija 37 000, o viename dirvožemyje galima rasti iki 54 000 rūšių. Virusai ne visuomet klasifikuojami kaip organizmai ir gali būti suprantami kaip labai paprasti mikroorganizmai arba kaip labai sudėtingos molekulės. Virusai, tai infekcinės dalelės, kurios dauginasi gyvųjų organizmų ląstelių viduje. Virusai infekuoja visas gyvybės formas nuo mikroorganizmų, įskaitant bakterijas ir archėjas, iki augalų ir gyvūnų. Apie mikroorganizmų egzistavimą buvo spėjama daugelį amžių anksčiau nei jie pirmą kartą pastebėti. Jėzuitų kunigas Atanazijus Kircheris (Athanasiuis Kircher) galėjo būti pirmasis apibūdinęs mikrobus, kuriuos jis minėjo stebėjęs piene ir pūvančiose medžiagose 1658 metais. Pirmą kartą mikroskopu pelėsinių grybelius mikroskopu stebėjo Robertas Hukas 1666 m. Antonijus van Levenhukas laikomas mikrobiologijos tėvu, nes jis pirmasis naudojo savadarbius mikroskopus stebėti ir eksperimentuoti su mikroskopiniais organizmais 1676 m. Mikrobiologijos mokslas išsivystė XIX a. remiantis Luji Pastero  darbais ir Roberto Kocho darbais medicininės mikrobiologijos srityje.  

Ankstyvoji Istorija

Dar daugelį amžių prieš atrandant mikroorganizmus buvo spėjama, kad jie egzistuoja. Nematoma mikrobiologinė gyvybė buvo aptariama jau XI a. pr. m. e., Senovės Indijos religijoje, Džainizme, kuri paremta Mahavyros mokymais. Mahavyra tvirtino, kad nematomi mikrobiologiniai organizmai gyvena žemėje, vandenyje, ore ir ugnyje.  Džainų raštai apibūdina submikroskopinius organizmus, nigodas, kurie gyvena didelėmis grupėmis, turi labai trumpą gyvenimą ir yra paplitę visoje visatoje, netgi augalų pluoštuose ir gyvūnų audiniuose. Romėnas Marcus Terentius Varro taip pat minėjo mikrobus perspėdamas nestatyti sodybų šalia pelkių „nes jose dauginosi tam tikri maži gyviai, kurie nematomi akimis, kurie plūduriuoja ore ir patenka į kūną per burną ir nosį ir tuomet sukelia rimtas ligas. Islamo civilizacijos aukso amžiuje Irano mokslininkai kėlė hipotezes apie mikroorganizmų egzistavimą, pavyzdžiui, Avicenna savo knygoje „Medicinos kanonas“, Ibn Zuhr (taip pat žinomas kaip Avenzoar) atradęs niežus sukeliančias erkutes, ir Al-Razi, kuris pirmasis aprašė raupus savo knygoje „Doras gyvenimas“ (Al-Hawi). 1546 m. Girolamo Fracastoro teigė, kad epideminės ligos yra sukeliamos pernešamų organizmų, primenančių sėklas, kurie sukelia infekcijas perduodant tiesioginio ar netiesiogini kontakto metu, ar per užkrato pernešėjus.

Mikrobiologijos suklėstėjimas

1767 m. Antonijus van Levenhukas, kuris didžiąja gyvenimo dalį praleido Delfte, Olandijoje, aptiko bakterijas ir kitus mikroorganizmus naudodamas savadarbį vieno lęšio mikroskopą. Levenhukas yra laikomas mikrobiologijos tėvu, nes jis pirmasis panaudojo mikroskopus mikroorganizmams tirti. Iki šių dienų išlikęs jo mikroskopas, saugomas Utrechto universitete, didina 266x, tačiau manoma, kad jis galėjo būti sukonstravęs ir geresnių. Atkūrus jo turėtas sąlygas pripažįstama, kad jis iš tiesų galėjo stebėti bakterijas ir kitus mikroorganizmus. Nors Levenhukas dažnai cituojamas kaip pirmasis pastebėjęs mikrobus, Robertas Hukas buvo pirmasis stebėjęs pelėsių dauginimąsi mikroskopu dar 1665 m. Taip pat, kai kur teigiama, kad Jėzuitų kunigas vardu Atanazijus Kircheris buvo pirmasis stebėjęs mikroorganizmus. Kircheris buvo vienas pirmųjų dirbusių su šviesos projekcija, todėl manoma, kad jis buvo gerai susipažinęs su lęšių savybėmis. Jis parašė „Apie nuostabias gamtos struktūras tiriamas mikroskopu“ 1964 m., kur teigė: „kas galėtų patikėti, kad acte ir piene knibžda daugybe nesuskaičiuojamų kirminėlių“. 1658 m. jis išpublikavo savo Scrutinium Pestis ('Maro tyrimas'), kuriame teisingai nuspėjo, kad liga yra sukeliama mikrobų, nors tai, ką jis stebėjo, greičiausiai buvo raudonieji ir baltieji kraujo kūneliai, o ne pats maro sukėlėjas. Bakteriologija (mikrobiologijos sritis) susiformavo XIX a. Jos pradininku laikomas Ferdinandas Konas, botanikas studijavęs dumblius ir fotosintetines bakterijas ir atradęs keletą bakterijų, įskaitant Bacillus ir Beggiatoa. Konas pirmasis sudarė taksonominę bakterijų klasifikaciją ir pirmasis aprašė endosporas. Lujis Pasteras ir Robertas Kochas buvo Kono amžininkai ir dažnai laikomi atitinkamai mikrobiologijos ir medicininės mikrobiologijos tėvais. Pasteras yra įžymus savo eksperimentais, kuriais paneigė tuo metu plačiai pripažintą savaiminio susikūrimo teoriją, kuri teigė, kad gyvi organizmai gali susidaryti savaime, o ne kylant iš kitų panašių organizmų. Pasteras, paneigęs šią teoriją, įtvirtino mikrobiologiją kaip naują biologijos mokslų sritį. Pastero vardas įamžintas jo sukurtame metode maistui konservuoti (pasterizacija). Jis taip pat sukūrė vakcinas prieš keletą ligų, tokių kaip juodligė, naminių paukščių cholera ir pasiutligė. Kochas yra gerai žinomas dėl savo indėlio į mikrobų sukeliamų ligų teoriją, įrodžiusią, kad tam tikros ligos yra sukeliamos patogeniškų mikroorganizmų. Jis aprašė kriterijus, žinomus kaip Kocho postulatai, kurie nurodo ryšį tarp sukėlėjo ir ligos. Kochas buvo vienas iš pirmų mokslininkų, kurie tyrinėjo bakterijų išskyrimą iš aplinkos ir kultyvavimą terpės. Jis aprašė kelias naujas bakterijas, įskaitant tuberkuliozės sukėlėją Mycobacterium tuberculosis. Pasteras ir Kochas atvėrė duris į mikrobiologijos pasaulį tirdami kelis medicinai svarbius mikroorganizmus, tačiau tikrąją mikroorganizmų įvairovę atskleidė XIX a. atlikti Martinus Beijerinck ir Sergei Winogradsky darbai. Beijerinck atrado virusus ir jo darbai su tabako mozaikos virusu padėjo pagrindus virusologijai. Didžiulį poveikį mikrobiologijai turėjo jo ištobulintos kultūrų išgryninimo technikos, paremtos mikroorganizmų auginimo terpėmis. Tai leido auginti didelę įvairovę mikrobų pasižyminčių labai skirtingomis fiziologinėmis sąvybėmis. Vinogradskis pirmasis aprašė chemolitotrofijos sąvoką ir atskleidė mikoroorganizmų vaidmenį geocheminiuose aplinkos procesuose. Jis pirmasis išskyrė tiek nitrifikuojančias, tiek azotą fiksuojančias bakterijas.

Taikymas

Nors dažnai mikrobai siejami su įvairiomis žmonių ligomis, daug mikroorganizmų yra naudojami industrijoje ir nepakeičiami vykdant įvairius naudingus procesus. Pavyzdžiui, industrijoje mikroorganizmai naudojami alkoholio, acto ir pieno produktų fermentacijai, taip pat aminorūgščių, biopolimerų, antibiotikų gamybai, bei kaip DNR pernešėjai sudėtingesniems organizmams – augalams ir gyvūnams. Mokslininkai panaudojo mikrobiologijos žinias sukurti svarbiems biotechnologiniams įrankiams, pvz., fermentai, tokie kaip Taq polimerazė, genai-žymenys. Technologijos, kaip antai mielių dvihibridinė sistema ar CRISPR-Cas, atrastos ir pritaikytos tiriant mikroorganizmus.
Mikroorganizmai taip pat taikomi bioskaidymui ir tvarkant aplinką, užterštą įvairiomis sudėtingomis toksiškomis atliekomis. Simbiotiniai mikroorganizmai prisideda prie žmonių, gyvūnų ir augalų sveikatos – jie padeda virškinimui, gamina naudingus vitaminus ir aminorūgštis, slopina kitų, patogeniškų, mikroorganizmų įsikūrimą. Kokiu būdu mikroorganizmai įtakoja žmonių ir gyvūnų sveikatą bei metodai slopinti, skatinti ar keisti šiuos procesus yra viena iš aktyvių mikrobiologijos tyrimų sričių.