Skip to main content
Global

2.3: التمثيل الغذائي الأولي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196741

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

    المهارات اللازمة للتطوير

    • حدد العناصر الغذائية الكبيرة التي تحتاجها بدائيات النواة، واشرح أهميتها
    • وصف الطرق التي تحصل بها بدائيات النوى على الطاقة والكربون لعمليات الحياة
    • وصف أدوار بدائيات النواة في دورات الكربون والنيتروجين

    بدائيات النواة هي كائنات حية متنوعة في التمثيل الغذائي. هناك العديد من البيئات المختلفة على الأرض مع مصادر الطاقة والكربون المختلفة والظروف المتغيرة. تمكنت بدائيات النواة من العيش في كل بيئة باستخدام أي مصادر طاقة وكربون متاحة. تملأ بدائيات النواة العديد من المنافذ على الأرض، بما في ذلك المشاركة في دورات المغذيات مثل دورات النيتروجين والكربون، والكائنات الحية المتحللة، والازدهار داخل الكائنات الحية، بما في ذلك البشر. إن النطاق الواسع جدًا من البيئات التي تشغلها بدائيات النواة ممكنة لأن لديها عمليات أيضية متنوعة.

    احتياجات بدائيات النواة

    تتمتع البيئات والنظم البيئية المتنوعة على الأرض بمجموعة واسعة من الظروف من حيث درجة الحرارة والمواد الغذائية المتاحة والحموضة والملوحة ومصادر الطاقة. إن بدائيات النواة مجهزة جيدًا لكسب رزقها من مجموعة واسعة من العناصر الغذائية والظروف. تحتاج بدائيات النوى للعيش إلى مصدر للطاقة ومصدر للكربون وبعض العناصر الغذائية الإضافية.

    المغذيات الكبيرة

    الخلايا هي في الأساس مجموعة منظمة جيدًا من الجزيئات الكبيرة والماء. تذكر أن الجزيئات الكبيرة تنتج عن طريق بلمرة وحدات أصغر تسمى المونومرات. لكي تبني الخلايا جميع الجزيئات اللازمة للحفاظ على الحياة، فإنها تحتاج إلى مواد معينة، تسمى مجتمعة العناصر الغذائية. عندما تنمو بدائيات النواة في الطبيعة، فإنها تحصل على مغذياتها من البيئة. تسمى العناصر الغذائية المطلوبة بكميات كبيرة بالمغذيات الكبيرة، في حين أن تلك المطلوبة بكميات صغيرة أو ضئيلة تسمى المغذيات الدقيقة. تعتبر حفنة من العناصر مجرد مغذيات كبيرة - الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والفوسفور والكبريت. (أحد المصطلحات التي تستخدم في تذكر هذه العناصر هو اختصار CHONPS.)

    لماذا هناك حاجة إلى هذه المغذيات الكبيرة بكميات كبيرة؟ إنها مكونات المركبات العضوية في الخلايا، بما في ذلك الماء. الكربون هو العنصر الرئيسي في جميع الجزيئات الكبيرة: الكربوهيدرات والبروتينات والأحماض النووية والدهون والعديد من المركبات الأخرى. يمثل الكربون حوالي 50 بالمائة من تكوين الخلية. يمثل النيتروجين 12 بالمائة من إجمالي الوزن الجاف للخلية النموذجية وهو أحد مكونات البروتينات والأحماض النووية ومكونات الخلية الأخرى. معظم النيتروجين المتاح في الطبيعة هو إما نيتروجين الغلاف الجوي (N 2) أو أي شكل غير عضوي آخر. ومع ذلك، لا يمكن تحويل النيتروجين ثنائي الذرة (N 2) إلى شكل عضوي إلا بواسطة كائنات حية معينة تسمى الكائنات المثبتة للنيتروجين. يعد كل من الهيدروجين والأكسجين جزءًا من العديد من المركبات العضوية والمياه. الفوسفور مطلوب من قبل جميع الكائنات الحية لتخليق النيوكليوتيدات والفوسفوليبيدات. الكبريت هو جزء من بنية بعض الأحماض الأمينية مثل السيستين والميثيونين، وهو موجود أيضًا في العديد من الفيتامينات والإنزيمات المساعدة. المغذيات الكبيرة المهمة الأخرى هي البوتاسيوم (K) والمغنيسيوم (Mg) والكالسيوم (Ca) والصوديوم (Na). على الرغم من أن هذه العناصر مطلوبة بكميات أقل، إلا أنها مهمة جدًا لهيكل ووظيفة الخلية بدائية النواة.

    المغذيات الدقيقة

    بالإضافة إلى هذه العناصر الغذائية الكبيرة، تتطلب بدائيات النواة عناصر معدنية مختلفة بكميات صغيرة. ويشار إلى هذه العناصر بالمغذيات الدقيقة أو العناصر النادرة. على سبيل المثال، يعد الحديد ضروريًا لوظيفة السيتوكرومات المشاركة في تفاعلات نقل الإلكترون. تتطلب بعض بدائيات النواة عناصر أخرى - مثل البورون (B) والكروم (Cr) والمنغنيز (Mn) - بشكل أساسي كعوامل مساعدة للإنزيمات.

    الطرق التي تحصل بها بدائيات النوى على الطاقة

    يمكن أن تستخدم بدائيات النواة مصادر مختلفة للطاقة لتجميع الجزيئات الكبيرة من الجزيئات الصغيرة. تحصل الفوتوتروفات (أو الكائنات الضوئية) على طاقتها من ضوء الشمس. تحصل المواد الكيميائية (أو كائنات التخليق الكيميائي) على طاقتها من المركبات الكيميائية. يُطلق على المواد الكيميائية التي يمكنها استخدام المركبات العضوية كمصادر للطاقة اسم المواد الكيميائية العضوية. تلك التي يمكنها أيضًا استخدام المركبات غير العضوية كمصادر للطاقة تسمى chemolitotrophs.

    الطرق التي تحصل بها بدائيات النواة على الكربون

    لا تستطيع بدائيات النوى استخدام مصادر مختلفة للطاقة فحسب، بل يمكنها أيضًا استخدام مصادر مختلفة لمركبات الكربون. تذكر أن الكائنات الحية القادرة على إصلاح الكربون غير العضوي تسمى autotrophs. تقوم بدائيات النواة الذاتية بتجميع الجزيئات العضوية من ثاني أكسيد الكربون. في المقابل، تحصل بدائيات النواة غير المتجانسة على الكربون من المركبات العضوية. لجعل الصورة أكثر تعقيدًا، يمكن الجمع بين المصطلحات التي تصف كيفية حصول بدائيات النوى على الطاقة والكربون. وهكذا، تستخدم الفوتوتروفات الضوئية الطاقة من ضوء الشمس، والكربون من ثاني أكسيد الكربون والماء، في حين تحصل المواد الكيميائية المتغايرة على الطاقة والكربون من مصدر كيميائي عضوي. تحصل Chemolitoautotrophs على طاقتها من المركبات غير العضوية، وتقوم ببناء جزيئاتها المعقدة من ثاني أكسيد الكربون. \(\PageIndex{1}\)يلخص الجدول مصادر الكربون والطاقة في بدائيات النواة.

    جدول\(\PageIndex{1}\): مصادر الكربون والطاقة في بدائيات النواة
    مصادر الطاقة مصادر الكربون
    ضوء المواد الكيميائية ثنائي أكسيد الكربون مركبات عضوية
    فوتوتروفس الكيمياء الكيميائية الأوتوتروفس الأشكال المتغايرة
      المواد الكيميائية العضوية مواد كيميائية غير عضوية    
      النظائر الكيميائية العضوية الحصوات الكيميائية    

    دور بدائيات النواة في النظم البيئية

    بدائيات النواة موجودة في كل مكان: لا يوجد مكان أو نظام بيئي لا توجد فيه. تلعب بدائيات النواة العديد من الأدوار في البيئات التي تشغلها. تعتبر الأدوار التي يلعبونها في دورات الكربون والنيتروجين حيوية للحياة على الأرض.

    بدائيات النواة ودورة الكربون

    يعتبر الكربون أحد أهم المغذيات الكبيرة، وتلعب بدائيات النواة دورًا مهمًا في دورة الكربون (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يتم تدوير الكربون من خلال الخزانات الرئيسية للأرض: الأرض والغلاف الجوي والبيئات المائية والرواسب والصخور والكتلة الحيوية. تتم حركة الكربون عن طريق ثاني أكسيد الكربون، الذي تتم إزالته من الغلاف الجوي بواسطة النباتات البرية وبدائيات النواة البحرية، ويتم إرجاعه إلى الغلاف الجوي عن طريق تنفس الكائنات العضوية الكيميائية، بما في ذلك بدائيات النواة والفطريات والحيوانات. على الرغم من أن أكبر خزان للكربون في النظم البيئية الأرضية موجود في الصخور والرواسب، إلا أن هذا الكربون ليس متاحًا بسهولة.

    توجد كمية كبيرة من الكربون المتاح في النباتات البرية. تستخدم النباتات، وهي منتجة، ثاني أكسيد الكربون من الهواء لتجميع مركبات الكربون. فيما يتعلق بهذا، فإن أحد المصادر المهمة جدًا لمركبات الكربون هو الدبال، وهو مزيج من المواد العضوية من النباتات الميتة وبدائيات النواة التي قاومت التحلل. يستخدم المستهلكون مثل الحيوانات المركبات العضوية التي يولدها المنتجون ويطلقون ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. بعد ذلك، تقوم البكتيريا والفطريات، التي تسمى مجتمعة بالمحللات، بتحلل (تحلل) النباتات والحيوانات ومركباتها العضوية. أهم مساهم لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو التحلل الميكروبي للمواد الميتة (الحيوانات الميتة والنباتات والدببة) التي تخضع للتنفس.

    في البيئات المائية ورواسبها غير المؤكسدة، تحدث دورة كربون أخرى. في هذه الحالة، تعتمد الدورة على مركبات الكربون الواحد. في رواسب نقص الأكسجين، تنتج بدائيات النواة، ومعظمها من الآثار القديمة، الميثان (CH 4). ينتقل هذا الميثان إلى المنطقة فوق الرواسب، وهي غنية بالأكسجين وتدعم البكتيريا التي تسمى مؤكسدات الميثان التي تؤكسد الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون، والذي يعود بعد ذلك إلى الغلاف الجوي.

    يوضح هذا الرسم التوضيحي دور البكتيريا في دورة الكربون. تقوم البكتيريا بتكسير الكربون العضوي، الذي يتم إطلاقه كثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تلعب بدائيات النواة دورًا مهمًا في نقل الكربون باستمرار عبر المحيط الحيوي. (مصدر: تعديل عمل جون إم إيفانز وهوارد بيرلمان، USGS)

    بدائيات النواة ودورة النيتروجين

    النيتروجين عنصر مهم جدًا للحياة لأنه جزء من البروتينات والأحماض النووية. إنه عنصر غذائي كبير، وفي الطبيعة، يتم إعادة تدويره من المركبات العضوية إلى الأمونيا وأيونات الأمونيوم والنترات والنتريت وغاز النيتروجين من خلال عمليات لا تعد ولا تحصى، يتم تنفيذ العديد منها فقط بواسطة بدائيات النواة. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{2}\)، تعتبر بدائيات النواة أساسية لدورة النيتروجين. أكبر تجمع للنيتروجين متوفر في النظام البيئي الأرضي هو النيتروجين الغازي من الهواء، ولكن هذا النيتروجين لا يمكن استخدامه من قبل النباتات، التي تعتبر المنتجين الأساسيين. يتم تحويل النيتروجين الغازي أو «تثبيته» إلى أشكال أكثر سهولة مثل الأمونيا من خلال عملية تثبيت النيتروجين. يمكن استخدام الأمونيا من قبل النباتات أو تحويلها إلى أشكال أخرى.

    مصدر آخر للأمونيا هو التسميد بالأمونيا، وهي العملية التي يتم من خلالها إطلاق الأمونيا أثناء تحلل المركبات العضوية المحتوية على النيتروجين. ومع ذلك، فإن الأمونيا المنبعثة إلى الغلاف الجوي لا تمثل سوى 15 في المائة من إجمالي النيتروجين المنبعث؛ أما الباقي فهو N2 و N 2 O. يتم تدمير الأمونيا عن طريق اللاهوائيات بواسطة بعض بدائيات النواة، مما ينتج عنه N2 كمنتج نهائي. النترجة هي تحويل الأمونيوم إلى النتريت والنترات. تتم عملية النترجة في التربة بواسطة بكتيريا تنتمي إلى أجناس Nitrosomas و Nitrobacter و Nitrospira. تقوم البكتيريا بعملية عكسية، وهي تقليل النترات من التربة إلى مركبات غازية مثل N 2 O و NO و N 2، وهي عملية تسمى نزع النتروجين.

    آرت كونيكشن

    يوضح هذا الرسم التوضيحي دور البكتيريا في دورة النيتروجين. تقوم البكتيريا المثبتة للنيتروجين في العقيدات الجذرية للبقوليات بتحويل غاز النيتروجين، أو N2، إلى نيتروجين عضوي موجود في النباتات. تنتج بكتيريا التربة المثبتة للنيتروجين أيون الأمونيوم، أو NH4+. تقوم المواد المحللة، بما في ذلك البكتيريا والفطريات، بتحلل المواد العضوية، كما تطلق NH4+. النترجة هي العملية التي تنتج من خلالها البكتيريا النترجة النتريت (NO2-) والنترات (NO3-). يتم استيعاب النترات بواسطة النباتات، ثم الحيوانات، ثم المتحللة. تقوم البكتيريا التي تزيل النتروجين بتحويل النترات إلى غاز النيتروجين، لتكمل الدورة.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): تلعب بدائيات النواة دورًا رئيسيًا في دورة النيتروجين. (الائتمان: وكالة حماية البيئة)

    أي العبارات التالية عن دورة النيتروجين خاطئة؟

    1. توجد بكتيريا تثبيت النيتروجين على العقيدات الجذرية للبقوليات وفي التربة.
    2. تقوم البكتيريا التي تزيل النتروجين بتحويل النترات (\(\ce{NO_3^-}\)) إلى غاز نيتروجين (\(\ce{N_2}\)).
    3. عملية التسميد هي العملية التي يتم من خلالها إطلاق أيون الأمونيوم (\(\ce{NH_4^+}\)) من المركبات العضوية المتحللة.
    4. النترجة هي العملية التي يتم من خلالها تحويل النتريت (\(\ce{NO_2^-}\)) إلى أيون الأمونيوم (\(\ce{NH_4^+}\)).

    ملخص

    بدائيات النواة هي أكثر الكائنات الحية تنوعًا في التمثيل الغذائي؛ فهي تزدهر في العديد من البيئات المختلفة مع مصادر طاقة الكربون والكربون المختلفة ودرجات الحرارة المتغيرة ودرجة الحموضة والضغط وتوافر المياه. تسمى العناصر الغذائية المطلوبة بكميات كبيرة بالمغذيات الكبيرة، في حين أن تلك المطلوبة بكميات ضئيلة تسمى المغذيات الدقيقة أو العناصر النادرة. تشمل المغذيات الكبيرة C و H و O و N و P و S و K و Mg و Ca و Na. بالإضافة إلى هذه المغذيات الكبيرة، تتطلب بدائيات النواة عناصر معدنية مختلفة للنمو ووظيفة الإنزيم. تستخدم بدائيات النواة مصادر مختلفة للطاقة لتجميع الجزيئات الكبيرة من الجزيئات الصغيرة. تحصل الفوتوتروفات على طاقتها من ضوء الشمس، بينما تحصل المواد الكيميائية على الطاقة من المركبات الكيميائية.

    تلعب بدائيات النواة أدوارًا في دورات الكربون والنيتروجين. يتم إرجاع الكربون إلى الغلاف الجوي عن طريق تنفس الحيوانات والكائنات العضوية الكيميائية الأخرى. يستخدم المستهلكون المركبات العضوية التي يولدها المنتجون ويطلقون ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. أهم مساهم لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو التحلل الميكروبي للمواد الميتة. يتم إعادة تدوير النيتروجين في الطبيعة من المركبات العضوية إلى الأمونيا وأيونات الأمونيوم والنتريت والنترات وغاز النيتروجين. يتم تحويل النيتروجين الغازي إلى أمونيا من خلال تثبيت النيتروجين. يتم تدمير الأمونيا عن طريق بعض بدائيات النواة اللاهوائية، مما ينتج عنه N2 كمنتج نهائي. النترجة هي تحويل الأمونيوم إلى نتريت. تتم عملية النترجة في التربة بواسطة البكتيريا. يتم إجراء إزالة النتروجين أيضًا بواسطة البكتيريا وتحويل النترات من التربة إلى مركبات نيتروجين غازية، مثل N 2 O و NO و N 2.

    اتصالات فنية

    الشكل\(\PageIndex{2}\): أي العبارات التالية عن دورة النيتروجين خاطئة؟

    1. توجد بكتيريا تثبيت النيتروجين على العقيدات الجذرية للبقوليات وفي التربة.
    2. تقوم البكتيريا التي تزيل النتروجين بتحويل النترات (NO 3 -) إلى غاز نيتروجين (N 2).
    3. عملية التسميد بالأمونيا هي العملية التي يتم من خلالها إطلاق أيون الأمونيوم (NH 4 +) من المركبات العضوية المتحللة.
    4. النترجة هي العملية التي يتم من خلالها تحويل النتريت (NO 2 -) إلى أيون الأمونيوم (NH 4 +).
    إجابة

    د

    مسرد المصطلحات

    ترسب الأمونيا
    عملية يتم من خلالها إطلاق الأمونيا أثناء تحلل المركبات العضوية المحتوية على النيتروجين
    التحليل الكيميائي
    كائن حي يحصل على الطاقة من المركبات الكيميائية
    متحللة
    الكائن الحي الذي يقوم بتحلل الكائنات الحية الميتة
    نزع النتروجين
    تحويل النترات من التربة إلى مركبات النيتروجين الغازية مثل N 2 O و NO و N 2
    النترجة
    تحويل الأمونيوم إلى نتريت ونترات في التربة
    تثبيت النيتروجين
    عملية يتم من خلالها تحويل النيتروجين الغازي أو «تثبيته» إلى أشكال أكثر سهولة مثل الأمونيا