22.1: גיוון פרוקריוטי

Last updated
Save as PDF

Page ID: 206327

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

מיומנויות לפיתוח

תאר את ההיסטוריה האבולוציונית של פרוקריוטים
דון בתכונות ההבחנה של אקסטרמופילים
הסבירו מדוע קשה לתרבות פרוקריוטים

פרוקריוטים נמצאים בכל מקום. הם מכסים כל משטח שניתן להעלות על הדעת שבו יש מספיק לחות, והם חיים על ובתוך יצורים חיים אחרים. בגוף האדם הטיפוסי, התאים הפרוקריוטים עולים על מספר תאי גוף האדם בכעשרה לאחד. הם מהווים את רוב היצורים החיים בכל המערכות האקולוגיות. חלק מהפרוקריוטים משגשגים בסביבות שאינן מסבירות פנים לרוב היצורים החיים. פרוקריוטים ממחזרים חומרים מזינים - חומרים חיוניים (כגון פחמן וחנקן) - והם מניעים את האבולוציה של מערכות אקולוגיות חדשות, חלקן טבעיות ואחרות מעשה ידי אדם. פרוקריוטים היו על כדור הארץ הרבה לפני שהופיעו חיים רב-תאיים.

פרוקריוטים, התושבים הראשונים של כדור הארץ

מתי ואיפה התחילו החיים? מה היו התנאים בכדור הארץ כשהתחילו החיים? פרוקריוטים היו צורות החיים הראשונות על פני כדור הארץ, והם היו קיימים מיליארדי שנים לפני שהופיעו צמחים ובעלי חיים. כדור הארץ וירחו נחשבים כבני 4.54 מיליארד שנה. הערכה זו מבוססת על עדויות מתארוך רדיומטרי של חומר מטאוריט יחד עם חומר מצע אחר מכדור הארץ והירח. לכדור הארץ הקדמוני הייתה אטמוספירה שונה מאוד (הכילה פחות חמצן מולקולרי) מאשר כיום והייתה נתונה לקרינה חזקה; לפיכך, האורגניזמים הראשונים היו פורחים במקום בו הם היו מוגנים יותר, כמו במעמקי האוקיאנוס או מתחת לפני כדור הארץ. גם בתקופה זו הייתה פעילות וולקנית חזקה על פני כדור הארץ, ולכן סביר להניח שהאורגניזמים הראשונים הללו - הפרוקריוטים הראשונים - הותאמו לטמפרטורות גבוהות מאוד. כדור הארץ המוקדם היה מועד למהפך גיאולוגי והתפרצות געשית, והיה נתון להפגזות על ידי קרינה מוטגנית מהשמש. האורגניזמים הראשונים היו פרוקריוטים שיכולים לעמוד בתנאים קשים אלה.

מחצלות מיקרוביאליות

מחצלות מיקרוביאליות או ביופילמים גדולים עשויים לייצג את צורות החיים המוקדמות ביותר על פני כדור הארץ; ישנן עדויות מאובנות לנוכחותם החל לפני כ -3.5 מיליארד שנה. מחצלת מיקרוביאלית היא יריעה רב שכבתית של פרוקריוטים (איור\(\PageIndex{1}\)) הכוללת בעיקר חיידקים, אך גם ארכאים. עובי מחצלות מיקרוביאליות הוא כמה סנטימטרים, והן בדרך כלל גדלות במקום שבו סוגים שונים של חומרים מתממשקים, בעיקר על משטחים לחים. הסוגים השונים של הפרוקריוטים המרכיבים אותם מבצעים מסלולים מטבוליים שונים וזו הסיבה לצבעיהם השונים. פרוקריוטים במזרן מיקרוביאלי מוחזקים יחד על ידי חומר דביק דמוי דבק שהם מפרישים הנקרא מטריצה חוץ -תאית.

המחצלות המיקרוביאליות הראשונות השיגו ככל הנראה את האנרגיה שלהן מכימיקלים שנמצאו ליד פתחי אוורור הידרותרמיים. פתח הידרותרמי הוא שבר או סדק על פני כדור הארץ המשחרר מים מחוממים גיאותרמית. עם התפתחות הפוטוסינתזה לפני כ-3 מיליארד שנים, כמה פרוקריוטים במחצלות מיקרוביאליות הגיעו להשתמש במקור אנרגיה זמין יותר - אור שמש - בעוד שאחרים עדיין היו תלויים בכימיקלים מפתחי אוורור הידרותרמיים לאנרגיה ומזון.

החלק בתצלום מראה תלולית צהובה-אדמדמה עם ארובות קטנות שצומחות מתוכה. מיקרוגרף חלק ב 'מציג חיידקים בצורת מוט באורך של כשני מיקרון השוחים על מחצלת חיידקים עבה יותר. — איור\(\PageIndex{1}\): מחצלת מיקרוביאלית זו, בקוטר של כמטר אחד, צומחת מעל פתח הידרותרמי באוקיינוס השקט באזור המכונה "טבעת האש הפסיפית". המחצלת עוזרת לשמור על חומרים מזינים מיקרוביאליים. ארובות כמו זו המצוינת על ידי החץ מאפשרות לגזים לברוח. (ב) במיקרוגרף זה, חיידקים מדמיינים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. (קרדיט א: שינוי עבודות מאת ד"ר בוב סמלי, NOAA PMEL, מדען ראשי; קרדיט ב: שינוי עבודות מאת ריקרדו מורגה, רודני דונלן, CDC; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

סטרומטוליטים

מחצלות מיקרוביאליות מאובנות מייצגות את התיעוד המוקדם ביותר של החיים על פני כדור הארץ. סטרומטוליט הוא מבנה משקע שנוצר כאשר מינרלים מושקעים מהמים על ידי פרוקריוטים במחצלת מיקרוביאלית (איור). \(\PageIndex{2}\) סטרומטוליטים יוצרים סלעים שכבתיים עשויים פחמתי או סיליקט. למרות שרוב הסטרומטוליטים הם חפצים מהעבר, ישנם מקומות על פני כדור הארץ בהם עדיין נוצרים סטרומטוליטים. לדוגמה, סטרומטוליטים גדלים נמצאו בפארק מדינת מדבר אנזה-בורגו שבמחוז סן דייגו, קליפורניה.

תמונה A מציגה מסה של תלוליות אפורות במים רדודים. תמונה B מציגה דפוס מערבולת בסלע שיש לבן ואפור. — איור\(\PageIndex{2}\): (א) סטרומטוליטים חיים אלה ממוקמים במפרץ הכריש, אוסטרליה. (ב) סטרומטוליטים מאובנים אלה, שנמצאו בפארק הלאומי קרחון, מונטנה, הם בני כמעט 1.5 מיליארד שנה. (אשראי א: רוברט יאנג; קרדיט ב: פ 'קררה, NPS)

האווירה העתיקה

עדויות מצביעות על כך שבמהלך שני מיליארד השנים הראשונות לקיומו של כדור הארץ, האטמוספירה הייתה אנוקסית, כלומר לא היה חמצן מולקולרי. לכן, רק אותם אורגניזמים שיכולים לגדול ללא חמצן - אורגניזמים אנאירוביים - הצליחו לחיות. אורגניזמים אוטוטרופיים הממירים אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית נקראים פוטוטרופים, והם הופיעו תוך מיליארד שנים מהיווצרות כדור הארץ. לאחר מכן, ציאנובקטריה, הידועה גם בשם אצות כחולות-ירוקות, התפתחה מהפוטוטרופים הפשוטים הללו מיליארד שנה מאוחר יותר. ציאנובקטריה (איור\(\PageIndex{3}\)) החלה את החמצון של האטמוספירה. חמצן אטמוספרי מוגבר איפשר פיתוח מסלולים קטבוליים יעילים יותר של O ₂. זה גם פתח את הארץ להתיישבות מוגברת, מכיוון שחלק מה- O ₂ הופך ל- O ₃ (אוזון) ואוזון סופג ביעילות את האור האולטרה סגול שאחרת היה גורם למוטציות קטלניות ב- DNA. בסופו של דבר, העלייה בריכוזי O ₂ אפשרה התפתחות של צורות חיים אחרות.

בתצלום זה נראית אישה כורעת ליד זרם מים בצבע ירוק. — איור\(\PageIndex{3}\): המעיין החם הזה בפארק הלאומי ילוסטון זורם לכיוון החזית. ציאנובקטריה באביב ירוקה, וככל שמים זורמים במורד השיפוע, עוצמת הצבע עולה ככל שצפיפות התאים עולה. המים קרירים יותר בשולי הנחל מאשר במרכז, וגורמים לקצוות להיראות ירוקים יותר. (קרדיט: גרסיאלה ברלס-מרינו)

חיידקים ניתנים להתאמה: חיים בסביבות מתונות וקיצוניות

חלק מהאורגניזמים פיתחו אסטרטגיות המאפשרות להם לשרוד בתנאים קשים. פרוקריוטים משגשגים במגוון עצום של סביבות: חלקם גדלים בתנאים שנראים לנו נורמליים מאוד, בעוד שאחרים מסוגלים לשגשג ולגדול בתנאים שיהרגו צמח או בעל חיים. כמעט לכל הפרוקריוטים יש דופן תא, מבנה מגן המאפשר להם לשרוד בתנאים היפר והיפו-אוסמוטיים כאחד. חלק מחיידקי הקרקע מסוגלים ליצור אנדוספורים המתנגדים לחום ובצורת, ובכך מאפשרים לאורגניזם לשרוד עד שתנאים נוחים יחזרו. התאמות אלה, יחד עם אחרות, מאפשרות לחיידקים להיות צורת החיים השופעת ביותר בכל המערכות האקולוגיות היבשתיות והמימיות.

חיידקים וארכאים אחרים מותאמים לגדול בתנאים קיצוניים ונקראים אקסטרמופילים, כלומר "אוהבי קיצוניות". אקסטרמופילים נמצאו בכל מיני סביבות: עומק האוקיינוסים, המעיינות החמים, הארטיק והאנטארקטיקה, במקומות יבשים מאוד, עמוק בתוך כדור הארץ, בסביבות כימיות קשות ובסביבות קרינה גבוהה (איור\(\PageIndex{4}\)), רק להזכיר כמה. אורגניזמים אלה נותנים לנו הבנה טובה יותר של המגוון הפרוקריוטי ופותחים את האפשרות למצוא מינים פרוקריוטים חדשים שעשויים להוביל לגילוי תרופות טיפוליות חדשות או שיש להם יישומים תעשייתיים. מכיוון שיש להם התאמות מיוחדות המאפשרות להם לחיות בתנאים קיצוניים, אקסטרמופילים רבים אינם יכולים לשרוד בסביבות מתונות. ישנן קבוצות רבות ושונות של אקסטרמופילים: הם מזוהים על סמך התנאים שבהם הם גדלים בצורה הטובה ביותר, וכמה בתי גידול קיצוניים במספר דרכים. לדוגמה, אגם סודה הוא גם מלוח וגם אלקליין, ולכן אורגניזמים החיים באגם סודה חייבים להיות גם אלקליפילים וגם הלופילים (טבלה). \(\PageIndex{1}\) אקסטרמופילים אחרים, כמו אורגניזמים עמידים לרדיו, אינם מעדיפים סביבה קיצונית (במקרה זה, כזו עם רמות קרינה גבוהות), אלא הסתגלו לשרוד בה (איור). \(\PageIndex{4}\)

**טבלה\(\PageIndex{1}\):** אקסטרמופילים והתנאים המועדפים עליהם
סוג אקסטרמופיל	תנאים לצמיחה אופטימלית
אסידופילים	pH 3 ומטה
אלקליפילים	pH 9 ומעלה
תרמופילים	טמפרטורה 60-80 מעלות צלזיוס (140—176 מעלות צלזיוס)
היפרתרמופילים	טמפרטורה 80—122 מעלות צלזיוס (176-250 מעלות צלזיוס)
פסיכופילים	טמפרטורה של -15-10 מעלות צלזיוס (5-50 מעלות צלזיוס) ומטה
הלופילים	ריכוז מלח של לפחות 0.2 M
אוסמופילים	ריכוז סוכר גבוה

מיקרוגרף זה מציג דינוקוקוס סגלגל בקוטר של כ -2.5 מיקרון מתחלק תאים. — איור\(\PageIndex{4}\): *Deinococcus radiodurans*, המוצג במיקרוגרף אלקטרונים זה של העברת צבע כוזב, הוא פרוקריוט שיכול לסבול מינונים גבוהים מאוד של קרינה מייננת. הוא פיתח מנגנוני תיקון DNA המאפשרים לו לשחזר את הכרומוזום שלו גם אם הוא נשבר למאות חלקים על ידי קרינה או חום. (אשראי: שינוי העבודה על ידי מייקל דאלי; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

פרוקריוטים בים המלח

דוגמה אחת לסביבה קשה מאוד היא ים המלח, אגן היפרסלין שנמצא בין ירדן לישראל. סביבות היפרסלין הן בעצם מי ים מרוכזים. בים המלח ריכוז הנתרן גבוה פי 10 מזה של מי הים, והמים מכילים רמות גבוהות של מגנזיום (פי 40 יותר מאשר במי ים) שיהיו רעילים לרוב היצורים החיים. ברזל, סידן ומגנזיום, יסודות היוצרים יונים דו ערכיים (Fe ^{2+, Ca} ²⁺ ו- Mg ²⁺), מייצרים את מה שמכונה בדרך כלל מים "קשים". יחד, הריכוז הגבוה של קטיונים דו ערכיים, ה- pH החומצי (6.0) ושטף קרינת השמש העז הופכים את ים המלח למערכת אקולוגית ^¹ ייחודית ועוינת באופן ייחודי (איור\(\PageIndex{5}\)).

איזה סוג של פרוקריוטים אנו מוצאים בים המלח? מחצלות החיידקים הסובלניות ביותר למלח כוללות Halobacterium, Haloferax volcanii (שנמצא במקומות אחרים, לא רק בים המלח), Halorubrum sodomense, ו Halobaculum gomorrense, והארכאה Haloarcula marismortui, בין היתר.

תמונה א' מציגה את ים המלח ואת קו החוף החום הנלווה אליו. מיקרוגרף B מראה הלובקטריה בצורת מוט. — איור\(\PageIndex{5}\): (א) ים המלח הוא היפרסלין. אף על פי כן, חיידקים עמידים למלח משגשגים בים זה. (ב) תאי הלובקטריה אלה יכולים ליצור מחצלות חיידקיות סובלניות למלח. (אשראי א: ג'וליאן מניצ'יני; אשראי ב: נאס"א; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

פרוקריוטים בלתי תרבותיים והמצב היא-אך לא ניתן לתרבות

מיקרוביולוגים בדרך כלל מגדלים פרוקריוטים במעבדה באמצעות מצע תרבות מתאים המכיל את כל אבות המזון הדרושים לאורגניזם המטרה. המדיום יכול להיות נוזלי, מרק או מוצק. לאחר זמן דגירה בטמפרטורה הנכונה, צריכות להיות עדויות לצמיחה מיקרוביאלית (איור\(\PageIndex{6}\)). תהליך גידול החיידקים הוא מורכב והוא אחד התגליות הגדולות ביותר של המדע המודרני. לרופא הגרמני רוברט קוך מיוחס גילוי הטכניקות לתרבות טהורה, כולל צביעה ושימוש באמצעי צמיחה. עוזרו יוליוס פטרי המציא את צלחת פטרי שהשימוש בה נמשך במעבדות של ימינו. קוך עבד בעיקר עם חיידק שחפת Mycobacterium הגורם לשחפת ופיתח פוסטולטים לזיהוי אורגניזמים גורמי מחלות הממשיכים להיות בשימוש נרחב בקהילה הרפואית. ההנחות של קוך כוללות שניתן לזהות אורגניזם כגורם למחלה כאשר הוא קיים בכל הדגימות הנגועות ונעדר בכל הדגימות הבריאות, והוא מסוגל לשחזר את הזיהום לאחר שתורבת מספר פעמים. כיום, תרבויות נותרות כלי אבחון ראשוני ברפואה ובתחומים אחרים של הביולוגיה המולקולרית.

מוצגות שתי צלחות חיידקיות עם אגר אדום. שתי הצלחות מכוסות במושבות חיידקים. בצלחת הימנית, המכילה חיידקים המוליטיים, האגר האדום התבהר היכן גדלים חיידקים. בצלחת השמאלית, המכילה חיידקים שאינם המוליטיים, האגר אינו ברור. — איור\(\PageIndex{6}\): בצלחות אגר אלה, מצע הגידול מתווסף לתאי דם אדומים. אגר הדם הופך לשקוף בנוכחות *סטרפטוקוקוס* המוליטי, ההורס כדוריות דם אדומות ומשמש לאבחון דלקות *סטרפטוקוקוס*. הצלחת משמאל מחוסנת *בסטפילוקוקוס* לא המוליטי (מושבות לבנות גדולות), והצלחת מימין מחוסנת *בסטרפטוקוקוס* המוליטי (מושבות זעירות וברורות). אם אתה מסתכל מקרוב על הצלחת הנכונה, אתה יכול לראות שהאגר המקיף את החיידק התבהר. (אשראי: ביל ברנסון, NCI)

עם זאת, חלק מהפרוקריוטים אינם יכולים לגדול במסגרת מעבדה. למעשה, למעלה מ-99 אחוז מהחיידקים והארכאים אינם ניתנים לתרבות. לרוב, הדבר נובע מחוסר ידע במה להאכיל את האורגניזמים הללו וכיצד לגדל אותם; יש להם דרישות מיוחדות לצמיחה שנותרו לא ידועות למדענים, כגון צורך במיקרו-נוטריינטים ספציפיים, pH, טמפרטורה, לחץ, גורמים משותפים או מטבוליטים משותפים. לא ניתן לגדל חיידקים מסוימים מכיוון שהם טפילים תוך תאיים מחייבים ולא ניתן לגדל אותם מחוץ לתא מארח.

במקרים אחרים, אורגניזמים הניתנים לתרבות הופכים לבלתי ניתנים לתרבות בתנאי לחץ, למרות שניתן היה לגדל את אותו אורגניזם בעבר. אותם אורגניזמים שלא ניתן לתרבות אך אינם מתים נמצאים במצב בר קיימא אך לא ניתן לתרבות (VBNC). מצב VBNC מתרחש כאשר פרוקריוטים מגיבים לגורמי לחץ סביבתיים על ידי כניסה למצב רדומה המאפשר את הישרדותם. הקריטריונים לכניסה למצב VBNC אינם מובנים לחלוטין. בתהליך שנקרא החייאה, הפרוקריוט יכול לחזור לחיים "רגילים" כאשר תנאי הסביבה משתפרים.

האם מצב VBNC הוא דרך חיים יוצאת דופן עבור פרוקריוטים? למעשה, רוב הפרוקריוטים החיים באדמה או במים האוקיאניים אינם ניתנים לתרבות. נאמר שרק חלק קטן, אולי אחוז אחד, מהפרוקריוטים ניתן לתרבות בתנאי מעבדה. אם אורגניזמים אלה אינם ניתנים לתרבות, אז איך ידוע אם הם קיימים וחיים? מיקרוביולוגים משתמשים בטכניקות מולקולריות, כגון תגובת שרשרת הפולימראז (PCR), כדי להגביר חלקים נבחרים של DNA של פרוקריוטים, מה שמדגים את קיומם. נזכיר כי PCR יכול ליצור מיליארדי עותקים של קטע DNA בתהליך הנקרא הגברה.

האקולוגיה של ביופילמים

עד לפני כמה עשורים, מיקרוביולוגים נהגו לחשוב על פרוקריוטים כישויות מבודדות החיות בנפרד. מודל זה, לעומת זאת, אינו משקף את האקולוגיה האמיתית של פרוקריוטים, שרובם מעדיפים לחיות בקהילות שבהן הם יכולים לקיים אינטראקציה. ביופילם הוא קהילה מיקרוביאלית (איור\(\PageIndex{7}\)) המוחזקת יחד במטריצה בעלת מרקם גומי המורכבת בעיקר מפוליסכרידים המופרשים על ידי האורגניזמים, יחד עם כמה חלבונים וחומצות גרעין. ביופילמים גדלים מחוברים למשטחים. חלק מהביופילמים הנחקרים ביותר מורכבים מפרוקריוטים, אם כי תוארו גם ביופילמים פטרייתיים, כמו גם חלקם מורכבים מתערובת של פטריות וחיידקים.

ביופילמים קיימים כמעט בכל מקום: הם עלולים לגרום לסתימת צינורות ולהתיישב בקלות במשטחים במסגרות תעשייתיות. לאחרונה, התפרצויות בקנה מידה גדול של זיהום חיידקי של מזון, biofilms מילאו תפקיד מרכזי. הם גם מתיישבים משטחים ביתיים, כמו דלפקי מטבח, קרשי חיתוך, כיורים ושירותים, כמו גם מקומות בגוף האדם, כמו משטחי השיניים שלנו.

אינטראקציות בין האורגניזמים המאכלסים ביופילם, יחד עם הסביבה האקסופוליסכרידית המגנה שלהם (EPS), הופכים את הקהילות הללו לחזקות יותר מפרוקריוטים חיים חופשיים, או פלנקטוניים. החומר הדביק שמחזיק חיידקים יחד אינו כולל גם את רוב האנטיביוטיקה וחומרי החיטוי, מה שהופך את חיידקי הביופילם לקשים יותר מעמיתיהם הפלנקטוניים. בסך הכל, ביופילמים קשים מאוד להשמדה מכיוון שהם עמידים בפני צורות עיקור נפוצות רבות.

חיבור אמנות

בשלב הראשון של התפתחות הביופילם, כמה חיידקים נדבקים למשטח. במהלך שלב 2, החיידקים מגדלים נספחים שעירים הנקראים פילי. במהלך שלב 3, המיקרופילם גדל למושבות גבשושיות. בשלב 4, המיקרופילם גדל לצורה דמוית כדור יותר המעוגנת לפני השטח על ידי גוש חיידקים קטן יותר. בשלב 5 כדור החיידקים גדול יותר, וחיידקים עם דגלים שוחים משם. — איור\(\PageIndex{7}\): מוצגים חמישה שלבים של התפתחות ביופילם. במהלך שלב 1, התקשרות ראשונית, חיידקים נצמדים למשטח מוצק באמצעות אינטראקציות חלשות של ואן דר ואלס. במהלך שלב 2, התקשרות בלתי הפיכה, נספחים דמויי שיער הנקראים פילי מעגנים לצמיתות את החיידקים אל פני השטח. במהלך שלב 3, התבגרות I, הביופילם גדל באמצעות חלוקת תאים וגיוס של חיידקים אחרים. מטריצה חוץ -תאית המורכבת בעיקר מפוליסכרידים מחזיקה את הביופילם יחד. במהלך שלב 4, התבגרות II, הביופילם ממשיך לגדול ולובש צורה מורכבת יותר. במהלך שלב 5, פיזור, מטריצת הביופילם מתפרקת בחלקה, ומאפשרת לחיידקים מסוימים לברוח ולהתיישב משטח אחר. מוצגים מיקרוגרפים של ביופילם Pseudomonas aeruginosa בכל אחד משלבי ההתפתחות. (קרדיט: ד 'דייויס, דון מונרו, PLoS)

בהשוואה לחיידקים צפים חופשיים, חיידקים בביופילמים מראים לעתים קרובות עמידות מוגברת לאנטיביוטיקה וחומרי ניקוי. למה אתה חושב שזה יכול להיות המקרה?

סיכום

פרוקריוטים היו קיימים מיליארדי שנים לפני שהופיעו צמחים ובעלי חיים. מעיינות חמים ופתחי אוורור הידרותרמיים היו אולי הסביבות בהן החלו החיים. מחצלות מיקרוביאליות נחשבות כמייצגות את צורות החיים המוקדמות ביותר על פני כדור הארץ, וישנן עדויות מאובנות לנוכחותן לפני כ -3.5 מיליארד שנה. מחצלת מיקרוביאלית היא יריעה רב שכבתית של פרוקריוטים הגדלה בממשקים בין סוגים שונים של חומר, בעיקר על משטחים לחים. במהלך 2 מיליארד השנים הראשונות, האטמוספירה הייתה אנוקסית ורק אורגניזמים אנאירוביים הצליחו לחיות. ציאנובקטריה התפתחה מפוטוטרופים מוקדמים והחלה בחמצון האטמוספירה. העלייה בריכוז החמצן אפשרה התפתחות של צורות חיים אחרות. מחצלות מיקרוביאליות מאובנות נקראות סטרומטוליטים ומורכבות ממבנים אורגנו-משקע למינציה הנוצרים על ידי משקעים של מינרלים על ידי פרוקריוטים. הם מייצגים את תיעוד המאובנים המוקדם ביותר של החיים על פני כדור הארץ.

חיידקים וארכיאה גדלים כמעט בכל סביבה. אלה ששורדים בתנאים קיצוניים נקראים אקסטרמופילים (אוהבי אקסטרים). חלק מהפרוקריוטים אינם יכולים לגדול במסגרת מעבדה, אך הם אינם מתים. הם נמצאים במצב בר קיימא אך לא תרבותי (VBNC). מצב VBNC מתרחש כאשר פרוקריוטים נכנסים למצב רדומה בתגובה לגורמי לחץ סביבתיים. רוב הפרוקריוטים הם חברתיים ומעדיפים לחיות בקהילות שבהן מתקיימות אינטראקציות. ביופילם הוא קהילה מיקרוביאלית המוחזקת יחד במטריצה בעלת מרקם גומי.

חיבורי אמנות

איור\(\PageIndex{7}\): בהשוואה לחיידקים צפים חופשיים, חיידקים בביופילמים מראים לעתים קרובות עמידות מוגברת לאנטיביוטיקה וחומרי ניקוי. למה אתה חושב שזה יכול להיות המקרה?

תשובה: המטריצה החוץ -תאית ושכבת התאים החיצונית מגינה על החיידקים הפנימיים. הקרבה של תאים גם מקלה על העברת גנים לרוחב, תהליך שבו גנים כגון גנים עמידות לאנטיביוטיקה מועברים מחיידק אחד למשנהו. וגם אם לא מתרחשת העברת גנים לרוחב, חיידק אחד המייצר אקסו אנזים ההורס אנטיביוטיקה עשוי להציל חיידקים שכנים.

הערות שוליים

1 בודקר, אני, איתי, S, סוזוקי, MT, פיינגרש, R, רוזנברג, M, מגווייר, ME, שמשון, B, ואחרים. גנומיקה קהילתית השוואתית בים המלח: סביבה קיצונית יותר ויותר. כתב העת ISME 4 (2010): 399—407, דוי:10.1038/ismej.2009.141. פורסם באינטרנט 24 בדצמבר 2009.

רשימת מילים

אסידופיל: אורגניזם עם pH צמיחה אופטימלי של שלושה ומטה

אלקליפיל: אורגניזם עם pH צמיחה אופטימלי של תשע ומעלה

אנאירובי: מתייחס לאורגניזמים הגדלים ללא חמצן

אנוקסי: ללא חמצן

ביופילם: קהילה מיקרוביאלית המוחזקת יחד על ידי מטריצה במרקם גומי

ציאנובקטריה: חיידקים שהתפתחו מפוטוטרופים מוקדמים וחמצנו את האטמוספירה; ידוע גם בשם אצות כחולות-ירוקות

אקסטרמופיל: אורגניזם שגדל בתנאים קיצוניים או קשים

הלופיל: אורגניזם הדורש ריכוז מלח של לפחות 0.2 M

פורקן הידרותרמי: סדק על פני כדור הארץ המשחרר מים מחוממים גיאותרמית

היפרתרמופיל: אורגניזם הגדל בטמפרטורות שבין 80-122 מעלות צלזיוס

מחצלת מיקרוביאלית: יריעה רב שכבתית של פרוקריוטים שעשויה לכלול חיידקים וארכיאה

חומר מזין: חומרים חיוניים לצמיחה, כגון פחמן וחנקן

אוסמופיל: אורגניזם שגדל בריכוז סוכר גבוה

פוטוטרוף: אורגניזם המסוגל לייצר מזון משלו על ידי המרת אנרגיה סולארית לאנרגיה כימית

פסיכופיל: אורגניזם שגדל בטמפרטורות של -15 מעלות צלזיוס ומטה

עמיד לרדיו: אורגניזם שגדל ברמות קרינה גבוהות

החייאה: תהליך שבו פרוקריוטים שנמצאים במצב VBNC חוזרים לכדאיות

סטרומטוליט: מבנה משקע שכבתי שנוצר על ידי משקעים של מינרלים על ידי פרוקריוטים במחצלות מיקרוביאליות

תרמופיל: אורגניזם שחי בטמפרטורות שבין 60-80 מעלות צלזיוס

מצב אפשרי אך לא תרבותי (VBNC): מנגנון הישרדות של חיידקים המתמודדים עם תנאי לחץ סביבתיים