Skip to main content
Global

2.1: تنوع بدائية النواة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196740

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • وصف التاريخ التطوري لبدائيات النواة
    • ناقش السمات المميزة لعشاق التطرف
    • اشرح سبب صعوبة زراعة بدائيات النواة

    بدائيات النواة موجودة في كل مكان. إنها تغطي كل سطح يمكن تخيله حيث توجد رطوبة كافية، وتعيش على الكائنات الحية الأخرى وداخلها. في جسم الإنسان النموذجي، يفوق عدد الخلايا بدائية النواة خلايا جسم الإنسان بحوالي عشرة إلى واحد. وهي تشكل غالبية الكائنات الحية في جميع النظم البيئية. تزدهر بعض بدائيات النواة في بيئات غير مضيافة لمعظم الكائنات الحية. تقوم بدائيات النواة بإعادة تدوير العناصر الغذائية - المواد الأساسية (مثل الكربون والنيتروجين) - وهي تقود تطور النظم البيئية الجديدة، بعضها طبيعي والبعض الآخر من صنع الإنسان. كانت بدائيات النواة موجودة على الأرض منذ فترة طويلة قبل ظهور الحياة متعددة الخلايا.

    بدائيات النوى، أول سكان الأرض

    متى وأين بدأت الحياة؟ ما هي الظروف على الأرض عندما بدأت الحياة؟ كانت بدائيات النواة هي الأشكال الأولى للحياة على الأرض، وكانت موجودة لمليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. يُعتقد أن عمر الأرض وقمرها يبلغ حوالي 4.54 مليار سنة. يعتمد هذا التقدير على أدلة من التأريخ الإشعاعي لمواد النيزك مع مواد الركيزة الأخرى من الأرض والقمر. كان للأرض المبكرة جو مختلف تمامًا (احتوى على كمية أقل من الأكسجين الجزيئي) عما هو عليه اليوم وتعرضت لإشعاع قوي؛ وبالتالي، كانت الكائنات الحية الأولى قد ازدهرت حيث كانت محمية بشكل أكبر، كما هو الحال في أعماق المحيطات أو تحت سطح الأرض. في هذا الوقت أيضًا، كان النشاط البركاني القوي شائعًا على الأرض، لذلك من المحتمل أن تكون هذه الكائنات الحية الأولى - بدائيات النوى الأولى - قد تكيفت مع درجات حرارة عالية جدًا. كانت الأرض المبكرة عرضة للاضطرابات الجيولوجية والانفجار البركاني، وتعرضت للقصف بالإشعاع المطفر من الشمس. كانت الكائنات الحية الأولى بدائيات النواة التي يمكنها تحمل هذه الظروف القاسية.

    حصائر ميكروبية

    قد تمثل الحصائر الميكروبية أو الأغشية الحيوية الكبيرة أقدم أشكال الحياة على الأرض؛ هناك أدلة أحفورية على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النواة (الشكل\(\PageIndex{1}\)) تحتوي في الغالب على البكتيريا، ولكن أيضًا الأركيا. يبلغ سمك الحصائر الميكروبية بضعة سنتيمترات، وعادة ما تنمو حيث تتفاعل أنواع مختلفة من المواد، معظمها على الأسطح الرطبة. تقوم الأنواع المختلفة من بدائيات النواة التي تتكون منها بمسارات استقلابية مختلفة، وهذا هو سبب ألوانها المختلفة. يتم تجميع بدائيات النواة في حصيرة ميكروبية معًا بواسطة مادة لاصقة تشبه الغراء تفرزها تسمى المصفوفة خارج الخلية.

    من المحتمل أن تكون الحصائر الميكروبية الأولى قد حصلت على طاقتها من المواد الكيميائية الموجودة بالقرب من الفتحات الحرارية المائية. فتحة التهوية الحرارية المائية هي كسر أو شق في سطح الأرض يؤدي إلى إطلاق مياه يتم تسخينها حراريًا. مع تطور عملية التمثيل الضوئي منذ حوالي 3 مليارات سنة، أصبحت بعض بدائيات النواة في الحصائر الميكروبية تستخدم مصدر طاقة متاح على نطاق أوسع - ضوء الشمس - بينما كان البعض الآخر لا يزال يعتمد على المواد الكيميائية من الفتحات الحرارية المائية للحصول على الطاقة والغذاء.

    يُظهر الجزء الأول من الصورة تلًا أصفر محمر مع مداخن صغيرة تنمو منه. يُظهر الرسم المجهري للجزء ب بكتيريا على شكل قضيب يبلغ طولها حوالي 2 ميكرون تسبح فوق حصيرة سميكة من البكتيريا.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تنمو هذه السجادة الميكروبية (أ)، التي يبلغ قطرها حوالي متر واحد، فوق فتحة مائية حرارية في المحيط الهادئ في منطقة تعرف باسم «حلقة النار في المحيط الهادئ». تساعد السجادة على الاحتفاظ بالعناصر الغذائية الميكروبية. تسمح المداخن مثل تلك المشار إليها بالسهم للغازات بالهروب. (ب) في هذه الصورة المجهرية، يتم تصوير البكتيريا باستخدام الفحص المجهري الفلوري. (الفضل أ): تعديل العمل الذي قام به الدكتور بوب إمبلي، كبير العلماء في الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA PMEL)؛ الاعتماد ب: تعديل العمل الذي قام به ريكاردو مورغا، رودني دونلان، مركز مكافحة الأمراض والوقاية منها؛ وبيانات المقياس من مات راسل)

    ستروماتوليتس

    تمثل الحصائر الميكروبية المتحجرة أقدم سجل للحياة على الأرض. الستروماتوليت عبارة عن هيكل رسوبي يتكون عندما تترسب المعادن من الماء بواسطة بدائيات النواة في حصيرة ميكروبية (الشكل\(\PageIndex{2}\)). تشكل الستروماتوليت صخورًا ذات طبقات مصنوعة من الكربونات أو السيليكات. على الرغم من أن معظم الستروماتوليت هي قطع أثرية من الماضي، إلا أن هناك أماكن على الأرض لا تزال تتشكل فيها الستروماتوليت. على سبيل المثال، تم العثور على زراعة الستروماتوليت في حديقة أنزا-بوريغو ديزرت ستيت في مقاطعة سان دييغو، كاليفورنيا.

    تُظهر الصورة A كتلة من التلال الرمادية في المياه الضحلة. تُظهر الصورة B نمطًا دائريًا في الصخور الرخامية البيضاء والرمادية.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): (أ) توجد هذه الستروماتوليت الحية في خليج القرش، أستراليا. (ب) يبلغ عمر هذه الستروماتوليت المتحجرة، الموجودة في حديقة غلاسير الوطنية في مونتانا، ما يقرب من 1.5 مليار سنة. (المصدر: روبرت يونغ؛ الائتمان من: ب. كارارا، NPS)

    الغلاف الجوي القديم

    تشير الأدلة إلى أنه خلال أول ملياري سنة من وجود الأرض، كان الغلاف الجوي يعاني من نقص الأكسجين، مما يعني عدم وجود أكسجين جزيئي. لذلك، فقط تلك الكائنات الحية التي يمكن أن تنمو بدون الأكسجين - الكائنات اللاهوائية - كانت قادرة على العيش. يُطلق على الكائنات ذاتية التغذية التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية اسم الفوتوتروفات، وقد ظهرت في غضون مليار سنة من تكوين الأرض. ثم تطورت البكتيريا الزرقاء، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة، من هذه الصور الضوئية البسيطة بعد مليار سنة. بدأت البكتيريا الزرقاء (الشكل\(\PageIndex{3}\)) أكسجة الغلاف الجوي. سمحت زيادة الأكسجين في الغلاف الجوي بتطوير O 2 بشكل أكثر كفاءة باستخدام مسارات تقويضية. كما أنها فتحت الأرض لمزيد من الاستعمار، لأن بعض O 2 يتم تحويلها إلى O 3 (الأوزون) ويمتص الأوزون بشكل فعال الضوء فوق البنفسجي الذي من شأنه أن يسبب طفرات قاتلة في الحمض النووي. في نهاية المطاف، سمحت الزيادة في تركيزات O 2 بتطور أشكال الحياة الأخرى.

    تُظهر هذه الصورة امرأة تجلس بجوار تيار من المياه ذات اللون الأخضر.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يتدفق هذا الينبوع الحار في حديقة يلوستون الوطنية نحو المقدمة. تكون البكتيريا الزرقاء في الربيع خضراء، ومع تدفق الماء إلى أسفل التدرج، تزداد كثافة اللون مع زيادة كثافة الخلايا. يكون الماء أكثر برودة عند حواف المجرى منه في الوسط، مما يجعل الحواف تبدو أكثر خضرة. (مصدر الصورة: غراسييلا بريليس - مارينيو)

    الميكروبات قابلة للتكيف: الحياة في البيئات المعتدلة والمتطرفة

    طورت بعض الكائنات الحية استراتيجيات تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية. تزدهر بدائيات النواة في مجموعة واسعة من البيئات: ينمو بعضها في ظروف تبدو طبيعية جدًا بالنسبة لنا، في حين أن البعض الآخر قادر على الازدهار والنمو في ظل ظروف من شأنها أن تقتل نباتًا أو حيوانًا. تحتوي جميع بدائيات النواة تقريبًا على جدار خلوي، وهو هيكل وقائي يسمح لها بالبقاء في كل من الظروف المفرطة وغير التناضحية. بعض بكتيريا التربة قادرة على تكوين مسام داخلية تقاوم الحرارة والجفاف، مما يسمح للكائن الحي بالبقاء حتى تتكرر الظروف المواتية. تسمح هذه التعديلات، إلى جانب غيرها، للبكتيريا بأن تكون أكثر أشكال الحياة وفرة في جميع النظم البيئية الأرضية والمائية.

    يتم تكييف البكتيريا والعقائد الأخرى لتنمو في ظل الظروف القاسية ويطلق عليها اسم «محبي التطرف»، مما يعني «عشاق التطرف». تم العثور على الكائنات الحية المتطرفة في جميع أنواع البيئات: عمق المحيطات والينابيع الساخنة والقطب الشمالي وأنتاركتيكا، في الأماكن الجافة جدًا، وفي أعماق الأرض، وفي البيئات الكيميائية القاسية، وفي البيئات عالية الإشعاع (الشكل\(\PageIndex{4}\))، على سبيل المثال لا الحصر. تمنحنا هذه الكائنات الحية فهمًا أفضل للتنوع الأولي وتفتح لنا إمكانية العثور على أنواع بدائية النواة جديدة قد تؤدي إلى اكتشاف أدوية علاجية جديدة أو لها تطبيقات صناعية. نظرًا لأن لديهم تكيفات متخصصة تسمح لهم بالعيش في ظروف قاسية، لا يستطيع العديد من محبي التطرف البقاء على قيد الحياة في بيئات معتدلة. هناك العديد من المجموعات المختلفة من محبي التطرف: يتم تحديدها بناءً على الظروف التي تنمو فيها بشكل أفضل، والعديد من الموائل متطرفة بطرق متعددة. على سبيل المثال، تعتبر بحيرة الصودا مالحة وقلوية على حد سواء، لذلك يجب أن تكون الكائنات الحية التي تعيش في بحيرة الصودا من القلويات والهالوفيلات (الجدول\(\PageIndex{1}\)). لا تفضل الكائنات المتطرفة الأخرى، مثل الكائنات الحية المقاومة للإشعاع، البيئة القاسية (في هذه الحالة، بيئة ذات مستويات عالية من الإشعاع)، لكنهم تكيفوا للبقاء فيها (الشكل\(\PageIndex{4}\)).

    الجدول\(\PageIndex{1}\): المتحمسون للظروف القاسية وظروفهم المفضلة
    نوع إكستريموفيل شروط النمو الأمثل
    أسيدوفيل درجة الحموضة 3 أو أقل
    قلاليفيل درجة الحموضة 9 أو أعلى
    ثيرموفيلز درجة الحرارة 60-80 درجة مئوية (140-176 درجة فهرنهايت)
    هيبرثيرموفيلز درجة الحرارة 80-122 درجة مئوية (176-250 درجة فهرنهايت)
    المرضى النفسيون درجة حرارة -15-10 درجة مئوية (5-50 درجة فهرنهايت) أو أقل
    هالوفيلز تركيز الملح لا يقل عن 0.2 M
    عشاق الأسموفوليين تركيز عالي للسكر
    تُظهر هذه الصورة المجهرية مكورات دينوكوكوس بيضاوية قطرها حوالي 2.5 ميكرون في تقسيم الخلايا.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): Deinococcus radiodurans، الذي تم تصويره في هذه الصورة المصغرة الإلكترونية ذات انتقال الألوان الزائفة، هي بدائيات النواة التي يمكنها تحمل جرعات عالية جدًا من الإشعاع المؤين. لقد طورت آليات إصلاح الحمض النووي التي تسمح لها بإعادة بناء الكروموسوم الخاص بها حتى لو تم تقسيمها إلى مئات القطع عن طريق الإشعاع أو الحرارة. (المصدر: تعديل عمل مايكل دالي؛ بيانات المقياس من مات راسل)

    بدائيات النواة في البحر الميت

    أحد الأمثلة على البيئة القاسية للغاية هو البحر الميت، وهو حوض عالي الملوحة يقع بين الأردن وإسرائيل. البيئات شديدة الملوحة هي في الأساس مياه البحر المركزة. في البحر الميت، يكون تركيز الصوديوم أعلى بعشر مرات من تركيز مياه البحر، وتحتوي المياه على مستويات عالية من المغنيسيوم (حوالي 40 مرة أعلى من مياه البحر) التي قد تكون سامة لمعظم الكائنات الحية. ينتج الحديد والكالسيوم والمغنيسيوم، وهي العناصر التي تشكل أيونات ثنائية التكافؤ (Fe 2+ و Ca 2+ و Mg 2+)، ما يشار إليه عادة بالماء «الصلب». إن التركيز العالي للكاتيونات ثنائية التكافؤ، ودرجة الحموضة الحمضية (6.0)، وتدفق الإشعاع الشمسي المكثف، كلها عوامل تجعل من البحر الميت نظامًا بيئيًا فريدًا وعدائياً بشكل فريد 1 (الشكل 1\(\PageIndex{5}\)).

    ما نوع بدائيات النواة التي نجدها في البحر الميت؟ تشمل الحصائر البكتيرية شديدة التحمل للملوحة هالوباكتيريوم وهالوفيراكسول فولكانيي (التي توجد في مواقع أخرى، وليس فقط البحر الميت)، وهالوربروم اللدومنسي، وهالوباكولوم غومورينس، وأركايا هالواركولا ماريسمورتوي، من بين أخرى.

    تُظهر الصورة A البحر الميت والخط الساحلي البني المصاحب له. يُظهر الرسم المجهري B بكتيريا هالوباكتيريا على شكل قضيب.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): (أ) البحر الميت يعاني من فرط الملوحة. ومع ذلك، تزدهر البكتيريا التي تتحمل الملح في هذا البحر. (ب) يمكن لخلايا البكتيريا الهالوباكتيريا هذه أن تشكل حصائر بكتيرية تتحمل الملح. (المصدر: جوليان مينيشيني؛ مصدر: وكالة ناسا؛ بيانات المقياس من مات راسل)

    بدائيات النواة غير القابلة للثقافات والدولة القابلة للحياة ولكن غير القابلة للثقافة

    عادةً ما يقوم علماء الأحياء الدقيقة بزراعة بدائيات النواة في المختبر باستخدام وسيلة زراعة مناسبة تحتوي على جميع العناصر الغذائية التي يحتاجها الكائن الحي المستهدف. يمكن أن يكون الوسط سائلًا أو مرقًا أو صلبًا. بعد فترة الحضانة في درجة الحرارة المناسبة، يجب أن يكون هناك دليل على نمو الميكروبات (الشكل\(\PageIndex{6}\)). عملية زراعة البكتيريا معقدة وهي واحدة من أعظم اكتشافات العلوم الحديثة. يعود الفضل للطبيب الألماني روبرت كوخ في اكتشاف تقنيات الثقافة النقية، بما في ذلك التلوين واستخدام وسائط النمو. اخترع مساعده يوليوس بيتري طبق بيتري الذي يستمر استخدامه في مختبرات اليوم. عمل Koch بشكل أساسي مع بكتيريا السل المتفطرة التي تسبب مرض السل وطور افتراضات لتحديد الكائنات الحية المسببة للأمراض التي لا تزال تستخدم على نطاق واسع في المجتمع الطبي. تتضمن افتراضات كوتش أنه يمكن تحديد الكائن الحي كسبب للمرض عندما يكون موجودًا في جميع العينات المصابة وغائبًا في جميع العينات الصحية، وأنه قادر على إعادة إنتاج العدوى بعد استزراعه عدة مرات. اليوم، لا تزال الثقافات أداة تشخيصية أساسية في الطب وغيرها من مجالات البيولوجيا الجزيئية.

    يتم عرض لوحين بكتريين مع أجار أحمر. كلا الصفيحتين مغطتان بمستعمرات بكتيرية. على اللوحة اليمنى، التي تحتوي على بكتيريا انحلالية، أصبح الأجار الأحمر واضحًا حيث تنمو البكتيريا. على اللوحة اليسرى، التي تحتوي على بكتيريا غير انحلالية، لا يكون الأجار واضحًا.
    الشكل\(\PageIndex{6}\): في صفائح الأجار هذه، يتم استكمال وسط النمو بخلايا الدم الحمراء. يصبح أجار الدم شفافًا في وجود المكورات العقدية الانحلالية، التي تدمر خلايا الدم الحمراء وتستخدم لتشخيص عدوى المكورات العقدية. يتم تلقيح اللوحة الموجودة على اليسار بالمكورات العنقودية غير الانحلالية (المستعمرات البيضاء الكبيرة)، ويتم تلقيح اللوحة الموجودة على اليمين بالمكورات العقدية الانحلالية (مستعمرات صغيرة شفافة). إذا نظرت عن كثب إلى اللوحة اليمنى، يمكنك أن ترى أن الأجار المحيط بالبكتيريا قد أصبح واضحًا. (مصدر الصورة: بيل برانسون، NCI)

    ومع ذلك، لا يمكن لبعض بدائيات النواة أن تنمو في بيئة معملية. في الواقع، أكثر من 99 في المائة من البكتيريا والعتيقة غير قابلة للزراعة. ويرجع ذلك في الغالب إلى نقص المعرفة فيما يتعلق بما يجب أن تطعمه هذه الكائنات الحية وكيفية زراعتها؛ فلديها متطلبات خاصة للنمو لا تزال غير معروفة للعلماء، مثل الحاجة إلى مغذيات دقيقة محددة، ودرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والضغط، والعوامل المشتركة، أو الأيض المشترك. لا يمكن زراعة بعض البكتيريا لأنها طفيليات إجبارية داخل الخلايا ولا يمكن زراعتها خارج الخلية المضيفة.

    في حالات أخرى، تصبح الكائنات الحية القابلة للاستزراع غير قابلة للزرع في ظل ظروف مرهقة، على الرغم من أنه كان من الممكن استزراع نفس الكائن في السابق. تلك الكائنات الحية التي لا يمكن استزراعها ولكنها ليست ميتة هي في حالة قابلة للحياة ولكن غير قابلة للثقافة (VBNC). تحدث حالة VBNC عندما تستجيب بدائيات النواة للضغوط البيئية عن طريق الدخول في حالة نائمة تسمح ببقائها على قيد الحياة. معايير الدخول إلى حالة VBNC ليست مفهومة تمامًا. في عملية تسمى الإنعاش، يمكن أن تعود بدائيات النواة إلى الحياة «الطبيعية» عندما تتحسن الظروف البيئية.

    هل تعتبر ولاية VBNC طريقة غير عادية لعيش بدائيات النواة؟ في الواقع، فإن معظم بدائيات النواة التي تعيش في التربة أو في مياه المحيطات غير قابلة للاستزراع. لقد قيل أنه لا يمكن زراعة سوى جزء صغير، ربما واحد بالمائة، من بدائيات النواة في ظروف معملية. إذا كانت هذه الكائنات الحية غير قابلة للاستزراع، فكيف يمكن معرفة ما إذا كانت موجودة وحية؟ يستخدم علماء الأحياء الدقيقة تقنيات جزيئية، مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، لتضخيم أجزاء مختارة من الحمض النووي لبدائيات النواة، مما يدل على وجودها. تذكر أن PCR يمكن أن يصنع مليارات النسخ من مقطع الحمض النووي في عملية تسمى التضخيم.

    إيكولوجيا البيوفيلم

    حتى قبل عقدين من الزمن، كان علماء الأحياء الدقيقة يفكرون في بدائيات النواة ككيانات معزولة تعيش منفصلة. ومع ذلك، لا يعكس هذا النموذج البيئة الحقيقية لبدائيات النواة، التي يفضل معظمها العيش في مجتمعات يمكن أن تتفاعل فيها. البيوفيلم عبارة عن مجتمع ميكروبي (الشكل\(\PageIndex{7}\)) متجمّع معًا في مصفوفة ذات نسيج صمغ تتكون أساسًا من السكريات التي تفرزها الكائنات الحية، جنبًا إلى جنب مع بعض البروتينات والأحماض النووية. تنمو الأغشية الحيوية متصلة بالأسطح. تتكون بعض الأغشية الحيوية التي تمت دراستها بشكل أفضل من بدائيات النواة، على الرغم من أنه تم أيضًا وصف الأغشية الحيوية الفطرية بالإضافة إلى بعض الأغشية المكونة من خليط من الفطريات والبكتيريا.

    توجد الأغشية الحيوية في كل مكان تقريبًا: فقد تتسبب في انسداد الأنابيب واستعمار الأسطح بسهولة في البيئات الصناعية. في الآونة الأخيرة، لعبت الأغشية الحيوية دورًا رئيسيًا في حالات تفشي التلوث البكتيري للأغذية على نطاق واسع. كما أنها تستعمر الأسطح المنزلية، مثل طاولات المطبخ وألواح التقطيع والأحواض والمراحيض، وكذلك الأماكن على جسم الإنسان، مثل أسطح أسناننا.

    التفاعلات بين الكائنات الحية التي تعيش في الأغشية الحيوية، جنبًا إلى جنب مع بيئتها الواقية من السكريات الخارجية (EPS)، تجعل هذه المجتمعات أكثر قوة من بدائيات النواة التي تعيش بحرية أو العوالق. تستبعد المادة اللاصقة التي تجمع البكتيريا معًا أيضًا معظم المضادات الحيوية والمطهرات، مما يجعل بكتيريا البيوفيلم أكثر صلابة من نظيراتها من العوالق. بشكل عام، من الصعب جدًا تدمير الأغشية الحيوية لأنها تقاوم العديد من أشكال التعقيم الشائعة.

    آرت كونيكشن

    خلال المرحلة الأولى من تطوير البيوفيلم، تلتصق بعض البكتيريا بالسطح. خلال المرحلة الثانية، تقوم البكتيريا بزراعة زوائد شعرية تسمى الزوائد اللحمية. خلال المرحلة الثالثة، ينمو الميكروفيلم إلى مستعمرات متكتلة. في المرحلة الرابعة، ينمو الميكروفيلم ليصبح أكثر شبهاً بالكرة ويتم تثبيته على السطح بواسطة مجموعة أصغر من البكتيريا. في المرحلة الخامسة، تكون كرة البكتيريا أكبر، وتسبح البكتيريا المصابة بالأسواط بعيدًا.
    الشكل\(\PageIndex{7}\): يتم عرض خمس مراحل من تطوير البيوفيلم. خلال المرحلة الأولى، أي التعلق الأولي، تلتصق البكتيريا بسطح صلب عبر تفاعلات فان دير فال الضعيفة. خلال المرحلة الثانية، يقوم الارتباط الذي لا رجعة فيه، بتثبيت الزوائد الشبيهة بالشعر والتي تسمى الزوائد الشعرية البكتيريا بشكل دائم على السطح. خلال المرحلة 3، مرحلة النضج الأولى، تنمو الأغشية الحيوية من خلال انقسام الخلايا وتجنيد البكتيريا الأخرى. مصفوفة خارج الخلية تتكون أساسًا من السكريات التي تربط البيوفيلم معًا. خلال المرحلة الرابعة، مرحلة النضج الثانية، تستمر الأغشية الحيوية في النمو وتتخذ شكلاً أكثر تعقيدًا. خلال المرحلة الخامسة من الانتشار، يتم تكسير مصفوفة البيوفيلم جزئيًا، مما يسمح لبعض البكتيريا بالهروب واستعمار سطح آخر. يتم عرض صور مجهرية للفيلم الحيوي Pseudomonas aeruginosa في كل مرحلة من مراحل التطوير. (تصوير: د. ديفيس، دون مونرو، لوس)

    بالمقارنة مع البكتيريا العائمة، غالبًا ما تُظهر البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية مقاومة متزايدة للمضادات الحيوية والمنظفات. لماذا تعتقد أن هذا قد يكون هو الحال؟

    ملخص

    كانت بدائيات النواة موجودة لمليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. قد تكون الينابيع الساخنة والفتحات الحرارية المائية هي البيئات التي بدأت فيها الحياة. يُعتقد أن الحصائر الميكروبية تمثل أقدم أشكال الحياة على الأرض، وهناك أدلة أحفورية على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النواة تنمو على واجهات بين أنواع مختلفة من المواد، معظمها على الأسطح الرطبة. خلال أول ملياري سنة، كان الغلاف الجوي يعاني من نقص الأكسجين ولم تتمكن سوى الكائنات اللاهوائية من العيش. تطورت البكتيريا الزرقاء من الصور الضوئية المبكرة وبدأت في أكسجة الغلاف الجوي. سمحت الزيادة في تركيز الأكسجين بتطور أشكال الحياة الأخرى. يُطلق على الحصائر الميكروبية المتحجرة اسم الستروماتوليت وتتكون من هياكل عضوية رسوبية مغلفة تتكون من ترسيب المعادن بواسطة بدائيات النواة. إنها تمثل أقدم سجل أحفوري للحياة على الأرض.

    تنمو البكتيريا والعتيقة في كل بيئة تقريبًا. يُطلق على أولئك الذين يعيشون في ظل ظروف قاسية اسم المتحرشين (العشاق المتطرفون). لا يمكن لبعض بدائيات النواة أن تنمو في بيئة معملية، لكنها ليست ميتة. إنهم في حالة قابلة للحياة ولكن غير قابلة للثقافة (VBNC). تحدث حالة VBNC عندما تدخل بدائيات النواة حالة نائمة استجابة للضغوط البيئية. معظم بدائيات النواة اجتماعية وتفضل العيش في المجتمعات التي تحدث فيها التفاعلات. البيوفيلم عبارة عن مجتمع ميكروبي مترابط معًا في مصفوفة ذات نسيج صمغ.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{7}\): بالمقارنة مع البكتيريا العائمة، غالبًا ما تُظهر البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية مقاومة متزايدة للمضادات الحيوية والمنظفات. لماذا تعتقد أن هذا قد يكون هو الحال؟

    إجابة

    تحمي المصفوفة خارج الخلية والطبقة الخارجية للخلايا البكتيريا الداخلية. يسهل القرب الشديد للخلايا أيضًا نقل الجينات الجانبي، وهي عملية يتم من خلالها نقل جينات مثل جينات مقاومة المضادات الحيوية من بكتيريا إلى أخرى. وحتى في حالة عدم حدوث نقل جانبي للجينات، فإن بكتيريا واحدة تنتج إنزيمًا خارجيًا يقضي على المضادات الحيوية قد تنقذ البكتيريا المجاورة.

    الحواشي

    1. 1 بوداكر، أنا، إيتاي، إس، سوزوكي، إم تي، فينجرش، آر، روزنبرغ، إم، ماجواير، مي، شيمشون، بي، وغيرها. علم الجينوم المجتمعي المقارن في البحر الميت: بيئة قاسية بشكل متزايد. مجلة ISME 4 (2010): 399-407، doi:10.1038/ismej.2009.141. نشرت على الإنترنت في 24 ديسمبر 2009.

    مسرد المصطلحات

    أسيدوفيل
    كائن حي ذو درجة حموضة نمو مثالية تبلغ ثلاثة أو أقل
    قلاليفيل
    كائن حي ذو درجة حموضة نمو مثالية تبلغ تسعة أو أكثر
    اللاهوائية
    يشير إلى الكائنات الحية التي تنمو بدون أكسجين
    أنوكسيك
    بدون أكسجين
    بيوفيلم
    مجتمع ميكروبي يتم تجميعه معًا بواسطة مصفوفة ذات نسيج صمغ
    البكتيريا الزرقاء
    البكتيريا التي تطورت من الصور الضوئية المبكرة وأدخلت الأكسجين في الغلاف الجوي؛ تُعرف أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة
    شديد الميل الجنسي
    الكائن الحي الذي ينمو في ظل ظروف قاسية أو قاسية
    هالوفيل
    كائن حي يتطلب تركيز ملح لا يقل عن 0.2 متر
    فتحة تهوية حرارية مائية
    شق في سطح الأرض يطلق مياه مسخنة حراريًا
    هايبرثيرموفيل
    كائن حي ينمو في درجات حرارة تتراوح بين 80 و 122 درجة مئوية
    حصيرة ميكروبية
    ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النواة التي قد تشمل البكتيريا والعتيقة
    المغذي
    المواد الأساسية للنمو، مثل الكربون والنيتروجين
    موزوفيل
    كائن حي ينمو بتركيز عالي من السكر
    فوتوتورف
    كائن حي قادر على صنع طعامه الخاص عن طريق تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية
    مختل عقليا
    كائن حي ينمو عند درجات حرارة -15 درجة مئوية أو أقل
    مقاوم للإشعاع
    كائن حي ينمو بمستويات عالية من الإشعاع
    الإنعاش
    عملية تعود من خلالها بدائيات النواة الموجودة في حالة VBNC إلى الجدوى
    ستروماتوليت
    هيكل رسوبي متعدد الطبقات يتكون من ترسيب المعادن بواسطة بدائيات النواة في الحصائر الميكروبية
    ثيرموفيل
    كائن حي يعيش في درجات حرارة تتراوح بين 60-80 درجة مئوية
    حالة قابلة للحياة ولكن غير قابلة للثقافة (VBNC)
    آلية بقاء البكتيريا التي تواجه ظروف الإجهاد البيئي