Если мы простерилизуем, т. е. освободим от микробов путём нагревания при 120° какой-нибудь предмет, например кусок бинта, и положим его на стол в комнате, то уже через несколько минут на поверхности бинта окажутся десятки и даже сотни этих невидимых существ, осевших на бинт из воздуха. Бинт станет нестерильным и негодным для перевязки раны. Откуда в воздухе появились микробы? Оказывается, микробы вследствие своего чрезвычайно малого веса могут очень долгое время находиться во взвешенном состоянии в воздухе. А вес микробов так мал, что на 1 грамм приходится 100 миллиардов бактерий! При самых мелких, незаметных для нас движениях воздуха высохшие микробы поднимаются с почвы, с подсохших пищевых продуктов и других мест их обитания и часами плавают в воздухе. Эта способность находиться длительное время во взвешенном состоянии позволяет микробам передвигаться вместе с токами воздуха на громадные расстояния и широко расселяться во внешней среде.

Если микробная клетка в конце концов осядет на благоприятную для ее развития среду, то она выходит из оцепенения и начинает быстро размножаться.

Какие же условия являются благоприятными для жизни микробов? «Жизнь — это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой» (Ф. Энгельс, Диалектика природы, 1950, стр. 244).

Для того, чтобы жить, развиваться, размножаться, микроб должен питаться — он должен перерабатывать вещества внешней среды в вещества собственного тела, т. е. усваивать различные химические соединения.

При росте и развитии микробной клетки совершается большая работа. Энергия для этой работы образуется при разложении химических соединений. Это разложение и сопровождается выделением свободной энергии. Обычно свободная энергия выделяется при окислении (соединении с кислородом) различных веществ. Вещества при окислении сгорают. Этот процесс лежит в основе акта дыхания.

Таким образом, микробы, как и все другие живые существа, должны питаться и дышать.

Кроме питания — ассимиляции, в живой клетке идут и процессы обратного порядка — частицы живого тела распадаются и заменяются новыми. В ещё большем количестве распадаются в микробной клетке те химические соединения, которые освобождают необходимую для работы энергию или служат для построения других веществ клеточного тела. Эти два взаимосвязанных процесса — процесс построения вещества своего тела (ассимиляция) и процесс распада (диссимиляция) — и составляют основу обмена веществ, основу жизнедеятельности всего живого.

Возвращаясь к ранее поставленному вопросу о том, какие же условия являются благоприятными для жизнедеятельности микроба, мы можем ответить теперь, что эти условия должны прежде всего предоставлять микробу возможность питаться и получать энергию для работы.

Мы знаем, что для человека и животных эти условия относительно ограничены: для дыхания человеку и животным необходим свободный кислород воздуха, а для питания — сложные готовые органические вещества, обязательно содержащие белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные соли и воду. Для животных и человека важно еще, чтобы эти вещества были в усвояемой форме, так как не каждый белок, углевод или жир может быть ассимилирован и превращён в вещества, из которых состоит их собственное тело.

Многие микробы в этом отношении значительно менее притязательны. Любое живое тело состоит из кислорода, водорода, азота, углерода и некоторых простейших минеральных солей. Свою потребность в кислороде и водороде, которые идут на построение их тела, микробы покрывают за счёт воды. В воде всегда находятся и необходимые им минеральные соли, содержащие фосфор, серу, железо и некоторые другие элементы. Потребление же остальных, особенно важных для построения тела элементов — углерода и азота — многие микробы осуществляют не только за счёт белков, жиров и углеводов, но и за счёт почти всех химических соединений, содержащих эти два элемента. Даже свободный азот атмосферы усваивается некоторыми микробами и переводится ими в содержащие азот белковые соединения их тела.

Не следует думать, что все микробы в одинаковой степени способны к утилизации любых соединений, содержащих азот и углерод. Наоборот, в этом отношении у разных групп микробов наблюдаются поразительное разнообразие и специализация. Некоторые микробы усваивают эти соединения из простейших неорганических соединений, например, азот из аммиака, а углерод из углекислого газа. Другие микробы потребляют углерод и азот только из сложных органических веществ, например, углерод из сахара, крахмала, клетчатки, а азот из белковых соединений погибших клеток животных и растений. Наконец, есть микробы, а к ним принадлежат почти все болезнетворные возбудители, которые используют соединения, входящие в состав тела живых растений, животных и человека. Это микробы-паразиты.

Что же касается выработки энергии, то здесь микробы отличаются еще большим разнообразием. Процесс дыхания человека, животных и растений сводится к окислению — сжиганию свободным кислородом воздуха углеводов (сахара и др.), в результате чего углевод распадается на углекислоту и воду, с выделением значительной тепловой энергии. Микробы могут окислять не только сахара, но и различные другие органические (спирты, аминокислоты) и даже минеральные соединения, например, сероводород, аммиак, соли железа, а также нефть, парафин, воск. Все эти микробы называются аэробами (от греческого слова «аэр» — воздух).

Особенно удивительно, что некоторые микробы могут получать нужную им энергию не только путём окисления питательных веществ свободным кислородом воздуха, но и путём бескислородного распада сложных соединений. При этом окисление (а следовательно, и выделение энергии) происходит за счёт кислорода, который уже находился в связанном состоянии в молекуле расщепляемого сложного соединения. Такие микробы называются анаэробами, они не нуждаются в свободном кислороде воздуха, наоборот, для многих анаэробов кислород является ядовитым веществом. Анаэробный распад безазотистых соединений называется брожением. Брожение виноградного сока при его превращении в вино, скисание молока в простоквашу — все это примеры анаэробного безазотистого распада, производимого микробами.

Ясно, что при таком чрезвычайном разнообразии способов питания и дыхания условия, благоприятствующие жизнедеятельности микробов, оказываются значительно более широкими, чем для человека, животных и высших растений. Становится понятным широчайшее распространение микробов на поверхности нашей земли.

Попав в пищевые продукты, столь богатые высокопитательными соединениями, микробы очень быстро здесь размножаются. На поверхности человеческого тела микробы питаются пóтом, клетками эпителия и выделениями сальных желез. В ротовой полости, кишечнике микробы находят просто роскошные условия жизни — тепло, влагу, остатки пищи — и размножаются здесь не хуже, чем в лабораторном бульоне. Некоторым микробам удаётся пробраться и в кровь человека и во внутренние органы его. Преодолевая защитные силы организма, такие болезнетворные микробы быстро здесь размножаются, вызывая в таких случаях заболевания человека.

В почве, воде, на поверхности скал и в глубинах морей и океанов микробы также находят для себя необходимое количество пищи. Некоторые виды микробов способны довольствоваться самыми простейшими соединениями, содержащими углерод и азот, или усваивать такие несъедобные вещества, как каменный уголь, нефть, керосин, нафталин, бензол и даже ядовитую карболовую кислоту, если она даётся в небольших концентрациях (0,05 процента). Ясно поэтому, что развитие микробов нередко совершается в самых трудных для жизни условиях.

Вот эта-то исключительная способность микробов использовать самые различные соединения и определяет их огромную роль в общем круговороте веществ в природе.

Несложно было устройство лаборатории первых микробиологов. Основное «орудие производства» — лупа или примитивный микроскоп. Стеклянные или слюдяные пластинки, на которые при помощи тонкой стеклянной трубочки помещалась капелька мутного зловонного настоя травы или сена, цветов или мяса и прочих попавших под руку животных и растительных остатков. Вот и все оборудование лаборатории ученого XVIII и первой половины XIX веков.