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Aunque se tenía conocimiento de la existencia de seres pequeños desde hace mucho tiempo, su descubrimiento tuvo que esperar a la invención del microscopio. Robert Hooke, fue un destacado experto en el uso del microscopio. Entre sus numerosas ilustraciones, incluyó los cuerpos reproductores de los mohos, siendo esta la primera descripción conocida de un microorganismo.
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Antoni van Leeuwenhoek, utilizando microscopios simples de un lente, fue el primero en ver las bacterias. A pesar de la simplicidad de los microscopios en comparación con la tecnología actual, van Leeuwenhoek logró visualizar las bacterias con manipulación y enfoque preciso. Su descubrimiento ocurrió en 1676 mientras estudiaba infusiones de pimienta.
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A mediados del siglo XIX, Ferdinand Cohn desarrolló un interés por la observación microscópica, lo cual lo llevó a investigar las algas unicelulares y los microorganismos bacterianos. Además, sentó las bases de un sistema de clasificación de bacterias y desarrolló métodos efectivos para evitar la contaminación de los medios de cultivo. Estos métodos fueron luego adoptados por Robert Koch, permitieron avances en el aislamiento y la caracterización de diversas bacterias patógenas.
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Se pensaba que las células de levadura de la fermentación eran una especie de sustancia química formada por fermentación. Sin embargo, la observación al microscopio y otros experimentos sencillos convencieron a Pasteur de que la fermentación alcohólica estaba catalizada por microorganismos vivos. A partir de estos estudios, Pasteur empezó una serie de experimentos clásicos sobre la generación espontánea, experimentos que quedarán para siempre a su nombre y a la ciencia de la microbiología.
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Los defensores de la generación espontánea criticaron los experimentos de Pasteur porque afirmaban que se necesitaba aire fresco para que ocurriera el fenómeno. En 1864, Pasteur respondió a esta objeción construyendo un matraz. Su trabajo en este tema llevó al desarrollo de técnicas de esterilización utilizadas en la investigación microbiológica y en la industria alimentaria, donde la pasteurización se convirtió en un método para conservar alimentos.
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Koch evidencio bacterias en la sangre de animales enfermos mediante microscopía y tinción. Estos hallazgos fundamentaron el estudio de enfermedades infecciosas. A partir de ellos, Koch estableció postulados que relacionan causa y efecto en enfermedades infecciosas. Él y sus seguidores descubrieron los agentes causantes de enfermedades importantes en humanos y animales. Estos hallazgos llevaron al desarrollo de tratamientos que mejoraron la medicina clínica y la salud humana.
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Pasteur logro el desarrollo de las vacunas contra el carbunco, el cólera aviar y la rabia. El trabajo de Pasteur sobre la rabia fue su mayor éxito, y culminó en julio
de 1885 con la administración de la primera vacuna contra la rabia a un ser humano. La fama de Pasteur por su investigación de la rabia se hizo legendaria y llevó al gobierno francés a fundar el Instituto Pasteur en París en 1888 -
En el siglo xx el enfoque inicial de la microbiología en los principios, métodos y aspectos médicos básicos se amplió para incluir el estudio de la diversidad microbiana del suelo y del agua y de los procesos metabólicos que los microorganismos llevan a cabo en esos hábitats. En esta época destacan las aportaciones del holandés Martinus Beijerinck y el ruso Sergei Winogradsky.
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Martinus Beijerinc, su mayor contribución a la microbiología fue su clara formulación de la técnica del cultivo de enriquecimiento. En ese tipo de cultivos, los microorganismos se aíslan de muestras naturales mediante nutrientes y condiciones de incubación muy selectivos para favorecer un grupo metabólico concreto de organismos. Con la técnica del cultivo de enriquecimiento, Beijerinck aisló los primeros cultivos puros de muchos microorganismos edáficos y acuáticos
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Winogradsky estudió la diversidad bacteriana en el suelo y agua, aisló bacterias relevantes de muestras naturales, incluyendo bacterias nitrificantes y del azufre. Demostró que estas bacterias catalizan transformaciones químicas específicas y acuñó el término quimiolitotrofia para describir la obtención de energía a partir de compuestos inorgánicos. Además, reveló que los quimiolitótrofos son ampliamente distribuidos en la naturaleza y obtienen carbono del CO2, lo que implica que son autótrofos.
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Durante este siglo, la microbiología experimentó un rápido desarrollo, impulsado por la creación de nuevas herramientas de laboratorio. A mediados de siglo, los estudios sobre las propiedades genéticas de los microorganismos brindaron un impulso renovado a esta disciplina. A partir de estos avances en la genética microbiana, surgieron nuevos campos como la biología molecular, la ingeniería genética y la genómica.