Vi sinh: Là gì, Tại sao và như thế nào?
I. Vi sinh: Là gì, Tại sao và như thế nào?
Vi sinh vật (hoặc vi khuẩn) cư trú ở mọi nơi trên thế giới và là nền tảng cần thiết cho việc duy trì các hệ sinh thái của thế giới. Chúng bao gồm các sinh vật gây ra một số bệnh nguy hiểm nhất ở người và các bệnh khác tạo thành cơ sở của các quá trình công nghiệp quan trọng. Tuy nhiên, vài trăm năm trước, không ai biết chúng tồn tại! Cuốn sách này giới thiệu về giới vi sinh vật, và trong chương mở đầu này, chúng tôi đưa ra một số câu trả lời cho ba câu hỏi:
1.1. Vi sinh là gì?
Tại sao nó lại là một chủ đề quan trọng như vậy?
Làm thế nào chúng ta có được kiến thức hiện tại về vi sinh vật học?
Vi sinh là gì?
Mọi thứ không phải lúc nào cũng như vẻ ngoài của chúng. Về mặt này, 'vi sinh học' nên là một từ dễ định nghĩa: khoa học (logo) về cuộc sống nhỏ (vi mô) (bios), hay nói cách khác, nghiên cứu về các sinh vật nhỏ đến mức chúng không thể nhìn thấy bằng mắt thường. Vi khuẩn hoàn toàn phù hợp với định nghĩa này, nhưng những gì về nấm và tảo? Hai nhóm này đều chứa các thành viên là xa kính hiển vi. Mặt khác, một số động vật, chẳng hạn như giun tròn giun, có thể là kính hiển vi, nhưng không được coi là lĩnh vực của nhà vi trùng học. Virus đại diện cho một trường hợp đặc biệt khác; chúng chắc chắn là vi mô; thực sự, hầu hết là dưới kính hiển vi, nhưng hầu hết được chấp nhận định nghĩa mà họ không sống (tại sao? – xem Chương 10 để được giải thích). Tuy nhiên, những điều này cũng thuộc thẩm quyền của nhà vi trùng học.
Vi sinh thiết yếu, Phiên bản thứ hai. Stuart Hogg.
©C 2013 John Wiley & Sons, Ltd. Xuất bản năm 2013 bởi John Wiley & Sons, Ltd.4 VI
SINH HỌC CH1: CÁI GÌ, TẠI SAO VÀ NHƯ THẾ NÀO?
Trong phần trọng tâm của cuốn sách này, bạn có thể đọc về vấn đề hóc búa của phân loại vi sinh vật và đạt được một số hiểu biết về cái gì và cái gì không được coi là một vi sinh vật.
1.2 Tại sao vi sinh lại quan trọng?
Đối với người bình thường, vi sinh học có nghĩa là nghiên cứu về những 'con bọ' nham hiểm, vô hình mà gây bệnh. Với tư cách là một chủ đề, nó thường có xu hướng ảnh hưởng đến ý thức phổ biến trong việc đưa tin về 'sự sợ hãi về sức khỏe' mới nhất. Nó có thể đến như một điều gì đó ngạc nhiên vì vậy khi biết rằng đại đa số của các vi sinh vật cùng tồn tại bên cạnh chúng ta mà không gây hại gì; thực sự, tại ít nhất một nghìn loài vi khuẩn khác nhau được tìm thấy trên da người!
Ngoài ra, nhiều vi sinh vật có lợi tích cực, hoạt động quan trọng nhiệm vụ chẳng hạn như tái chế các yếu tố thiết yếu, mà không có cuộc sống trên của chúng ta không thể tiếp tục, như chúng ta sẽ xem xét trong Chương 14. Các vi sinh vật khác đã bị con người khai thác vì lợi ích của chúng ta, chẳng hạn như trong sản xuất thuốc kháng sinh (Chương 17) và thực phẩm (Chương 18).
Để có được một số ý tưởng về tầm quan trọng của vi sinh học trên thế giới ngày nay, chỉ cần xem xét danh sách sau đây về một số lĩnh vực chung mà chuyên môn của một nhà vi trùng học có thể được sử dụng:
- thuốc
- khoa học môi trường
- sản xuất thực phẩm và đồ uống
- nghiên cứu cơ bản
- nông nghiệp
- ngành công nghiệp dược phẩm
- kỹ thuật di truyền
Tuy nhiên, nhận thức phổ biến của công chúng nói chung vẫn là một trong nhiễm trùng và bệnh dịch hạch. Hãy nghĩ lại lần đầu tiên bạn từng nghe về vi sinh vật; gần như chắc chắn, đó là khi bạn còn là một đứa trẻ và cha mẹ bạn đã cho bạn thấy sự nguy hiểm khi ăn phải 'vi trùng' từ bàn tay bẩn hoặc cho đồ vật vào miệng sau khi chúng ở trên sàn. Trong thực tế, chỉ một vài trăm trong số nửa triệu loài vi khuẩn đã biết cho tăng nhiễm trùng ở người; chúng được gọi là tác nhân gây bệnh và có xu hướng chi phối cách nhìn của chúng ta về thế giới vi sinh vật. Tác nhân gây bệnh là một sinh vật với khả năng gây ra bệnh.
Trong vài trang tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét một số những bước phát triển mang tính bước ngoặt trong lịch sử của vi sinh học, và xem làm thế nào lái xe chính mạnh mẽ trong suốt thời gian này, nhưng đặc biệt là trong những ngày đầu, đã là mong muốn tìm hiểu bản chất và nguyên nhân của các bệnh truyền nhiễm ở người.
1.3 LÀM THẾ NÀO CHÚNG TA BIẾT? VI SINH VẬT DƯỚI CÁC GÓC NHÌN
1.3 Làm sao chúng ta biết được? vi sinh trong quan điểm: đến Thời đại Hoàng kim và hơn thế nữa Chúng tôi đã học được một lượng đáng kinh ngạc về thế giới vô hình của vi sinh vật, đặc biệt là trong thế kỷ rưỡi qua. Làm thế nào điều này đã xảy ra?
Những hiểu biết sâu sắc của những cá nhân lỗi lạc được tôn vinh một cách đúng đắn, nhưng một rất nhiều 'đột phá' hoặc 'khám phá' chỉ được thực hiện nhờ một số phát triển (thường không được tiết lộ) trong phương pháp vi sinh. Ví dụ, trên cơ sở 'thấy là tin', chỉ khi chúng tôi có phương tiện để nhìn thấy vi sinh vật dưới kính hiển vi mà chúng tôi có thể chứng minh sự tồn tại của chúng.
Các vi sinh vật đã tồn tại trên Trái đất khoảng 4000 triệu năm khi Antoni van Leeuwenhoek bắt đầu công việc tiên phong về kính hiển vi của mình vào năm 1673. Leeuwenhoek là một nhà khoa học nghiệp dư dành phần lớn thời gian rảnh rỗi của mình mài thấu kính thủy tinh để sản xuất kính hiển vi đơn giản (hình 1.1).
Hình 1.1 Kính hiển vi Leeuwenhoek. Thấu kính (a) được giữ giữa hai tấm đồng thau và
được sử dụng để xem mẫu thử được đặt trên chốt lắp (b). Thấu kính hội tụ đã được chốt bằng hai vít (c) và (d). Một số kính hiển vi của Leeuwenhoek có thể phóng đại lên đến 300 lần. Nguồn gốc: antoni van Leeuwenhoek and his little animals của CE Dobell .
Chi tiết của các bức vẽ cho thấy rõ ràng rằng 'động vật' mà anh ấy quan sát được từ nhiều loại nguồn bao gồm đại diện của những gì sau này được gọi là động vật nguyên sinh, vi khuẩn và nấm. Những sinh vật này đến từ đâu? Lập luận về nguồn gốc của các sinh vật xoay quanh niềm tin lâu đời vào sự tự phát thế hệ, ý tưởng rằng các sinh vật sống có thể phát sinh từ vật chất không sống.
Trong một thí nghiệm tao nhã, Francesco Redi người Ý (1626–1697) đã chỉ ra rằng ấu trùng được tìm thấy trên thịt thối phát sinh từ trứng do ruồi để lại, chứ không phải tự phát như là kết quả của quá trình phân rã. Đây có thể được coi là sự khởi đầu của sự kết thúc cho lý thuyết thế hệ tự phát, nhưng nhiều vẫn bám vào ý tưởng này, tuyên bố rằng mặc dù nó có thể không đúng với quy mô lớn hơn các sinh vật, nó chắc chắn phải như vậy đối với các sinh vật nhỏ bé như những sinh vật được Leeuwenhoek chứng minh. Mặc dù ngày càng có nhiều bằng chứng chống lại lý thuyết, như vào cuối năm 1859, 'bằng chứng' mới vẫn được đưa ra để hỗ trợ nó. Đi vào Louis Pasteur (1822–95), vẫn được cho là nhân vật nổi tiếng nhất trong lịch sử vi sinh học. Pasteur được đào tạo như một nhà hóa học, và đã tạo ra một đóng góp lâu dài cho khoa học hóa học lập thể trước khi biến chú ý đến các vấn đề hư hỏng trong ngành công nghiệp rượu vang. Ông nhận thấy rằng khi axit lactic được sản xuất thay vì rượu trong rượu vang, vi khuẩn hình que được luôn luôn hiện diện cũng như các tế bào nấm men dự kiến. Điều này khiến anh tin rằng trong khi men sản xuất rượu, vi khuẩn chịu trách nhiệm cho hư hỏng, và phải có nguồn gốc từ môi trường. Bực tức vì những nỗ lực liên tục để chứng minh lý thuyết về sự phát sinh tự phát, ông đặt ra để bác bỏ nó một lần và mãi mãi. Đáp lại lời kêu gọi từ Học viện Pháp của Khoa học, ông đã thực hiện một loạt thí nghiệm dẫn đến sự chấp nhận về sinh học, ý tưởng rằng sự sống chỉ phát sinh từ sự sống đã tồn tại. sử dụng bình cổ thiên nga nổi tiếng của mình (Hình 1.2), ông đã chứng minh rằng miễn là các hạt bụi (và các vi sinh vật mang trên chúng) đã bị loại trừ, nội dung sẽ vẫn vô trùng. Điều này cũng bác bỏ ý kiến của nhiều người rằng có một số yếu tố trong không khí có khả năng bắt đầu sự phát triển của vi sinh vật. Theo lời của Pasteur '. . . .học thuyết về sự phát sinh tự phát sẽ không bao giờ hồi phục sau đòn chí mạng này. Không có trường hợp nào được biết đến trong mà có thể khẳng định rằng những sinh vật cực nhỏ đã đến thế giới mà không có vi trùng, không có cha mẹ giống mình’ [chữ nghiêng của tác giả]. Phát hiện của Pasteur về vai trò của vi sinh vật trong ô nhiễm rượu vang chắc chắn dẫn đến ý tưởng rằng chúng cũng có thể là nguyên nhân gây bệnh cho người, động vật và thực vật.
Chất lỏng tiệt trùng > bằng cách đun sôi > Chất lỏng để nguội> Bình nghiêng, cho phép > chất lỏng đi vào > phản ứng với chất long ở cổ > Chất lỏng biến thành mây do sự phát triển của vi sinh vật > Bụi và vi sinh vật > lắng ở phần uốn cong của cổ bình > Chất lỏng vẫn vô trùng còn lại
...
Khái niệm rằng một số vô hình (và do đó có lẽ là cực kỳ nhỏ) những sinh vật sống chịu trách nhiệm cho một số bệnh không phải là một bệnh mới.
Rất lâu trước khi các vi sinh vật được chứng minh là tồn tại, nhà triết học La Mã Lucretius (∼98–55 TCN) và rất lâu sau đó là bác sĩ Girolamo Fracastoro (1478–1553) đã ủng hộ ý tưởng này. Fracastoro đã viết 'Sự lây lan là một nhiễm trùng truyền từ thứ này sang thứ khác 'và nhận ra ba dạng lây truyền: qua tiếp xúc trực tiếp, qua các đồ vật vô tri vô giác và qua không khí; chúng tôi ngày nay vẫn còn khả năng lây truyền của bệnh truyền nhiễm theo cách tương tự (xem Chương 15). Tuy nhiên, niềm tin phổ biến vào thời điểm đó là một bệnh truyền nhiễm là do thứ gọi là chướng khí, hơi độc phát sinh từ cơ thể chết hoặc bị bệnh, hoặc mất cân bằng giữa các chất dịch trong cơ thể (máu, đờm, mật vàng và mật đen).
Trong thế kỷ 19, nhiều bệnh lần lượt được chứng minh là do vi sinh vật gây ra. Năm 1835, Agostino Bassi đã chỉ ra rằng một căn bệnh
1.3 LÀM THẾ NÀO CHÚNG TÔI BIẾT? VI SINH VẬT Ở GÓC NHÌN 7
Hình 1.2 Bình cầu cổ thiên nga của Pasteur. Dung dịch canh giàu chất dinh dưỡng được đặt trong bình và đun sôi. Cổ bình được hơ nóng và kéo ra thành một đường cong nhưng vẫn để hở bầu không khí. Pasteur đã chỉ ra rằng nước dùng vẫn vô trùng vì bất kỳ bụi bẩn nào và các vi sinh vật vẫn bị mắc kẹt trong cổ bình miễn là nó vẫn thẳng đứng của tằm là do nhiễm nấm, và 10 năm sau, Miles Berkeley đã chứng minh rằng một loại nấm cũng là nguyên nhân gây ra giống khoai tây Ireland tuyệt vời bệnh bạc lá. Công trình tiên phong của Joseph Lister về phẫu thuật khử trùng đã cung cấp một cách mạnh mẽ, mặc dù gián tiếp, bằng chứng về sự tham gia của vi sinh vật trong nhiễm trùng của con người. Việc sử dụng các dụng cụ xử lý nhiệt và phenol cả trên băng và thực sự phun sương trên vùng phẫu thuật, đã được tìm thấy rất nhiều để giảm số ca tử vong sau phẫu thuật. Cũng trong khoảng thời gian đó, vào những năm 1860, Pasteur không biết mệt mỏi đã chỉ ra rằng một động vật nguyên sinh ký sinh là nguyên nhân gây ra một căn bệnh khác ở tằm gọi là 'pebrine', tàn phá ngành công nghiệp tơ lụa của Pháp.
Bằng chứng dứt khoát về lý thuyết mầm bệnh đến từ người Đức,
Trực khuẩn có hình que
vi khuẩn.
Robert Koch, người vào năm 1876 đã chỉ ra mối quan hệ giữa bệnh than ở gia súc và một loại trực khuẩn mà ngày nay chúng ta gọi là Bacillus anthracis. Đây cũng là minh chứng đầu tiên của VI SINH VẬT
CH1: CÁI GÌ, TẠI SAO VÀ NHƯ THẾ NÀO?
Hộp 1.1 Định đề của Koch
1. Vi sinh vật phải có mặt trong mọi trường hợp mắc bệnh và vắng mặt ở những người khỏe mạnh.
2. Vi sinh vật phải có khả năng phân lập và nuôi cấy được trong môi trường văn hóa thuần túy.
3. Khi vi sinh vật được cấy vào vật chủ khỏe mạnh, giống nhau tình trạng bệnh phải kết quả.
4. Cùng một vi sinh vật phải được phân lập lại từ thực nghiệm vật chủ bị nhiễm bệnh.
sự tham gia của vi khuẩn trong bệnh tật. Chuột khỏe mạnh bị nhiễm Koch bằng máu
từ gia súc và cừu bị bệnh, đồng thời lưu ý rằng các triệu chứng của bệnh xuất hiện ở chuột, và điều quan trọng là vi khuẩn hình que có thể bị cô lập khỏi máu của họ. Chúng có thể được phân lập và phát triển trong môi trường nuôi cấy, nơi chúng nhân lên và tạo ra bào tử. Tiêm chuột khỏe mạnh với những bào tử này (hoặc nhiều trực khuẩn hơn) cũng khiến chúng phát triển thành bệnh than, và một lần một lần nữa vi khuẩn được phân lập từ máu của họ. Những kết quả này đã dẫn Koch đến chính thức hóa các tiêu chí cần thiết để chứng minh mối quan hệ nhân quả giữa một tình trạng bệnh cụ thể và một loại vi sinh vật cụ thể. Các tiêu chí này trở thành được gọi là định đề Koch (Hộp 1.1), và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay