Skip to main content
Global

22.5: بدائيات النواة المفيدة

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    196747

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

    مهارات التطوير

    • اشرح الحاجة إلى تثبيت النيتروجين وكيفية تحقيق ذلك
    • حدد الأطعمة التي تستخدم فيها بدائيات النواة في المعالجة
    • وصف استخدام بدائيات النواة في المعالجة الحيوية
    • وصف الآثار المفيدة للبكتيريا التي تستعمر الجلد والجهاز الهضمي

    ليست كل بدائيات النواة مسببة للأمراض. على العكس من ذلك، لا تمثل مسببات الأمراض سوى نسبة صغيرة جدًا من تنوع العالم الميكروبي. في الواقع، لن تكون حياتنا ممكنة بدون بدائيات النواة. فقط فكر في دور بدائيات النوى في الدورات البيوجيوكيميائية.

    التعاون بين البكتيريا وحقيقيات النوى: تثبيت النيتروجين

    يعتبر النيتروجين عنصرًا مهمًا جدًا للكائنات الحية، لأنه جزء من النيوكليوتيدات والأحماض الأمينية التي تشكل اللبنات الأساسية للأحماض النووية والبروتينات، على التوالي. عادة ما يكون النيتروجين هو العنصر الأكثر تقييدًا في النظم البيئية الأرضية، حيث يوفر النيتروجين الجوي، N 2، أكبر تجمع من النيتروجين المتاح. ومع ذلك، لا يمكن لحقيقيات النوى استخدام النيتروجين الغازي الجوي لتجميع الجزيئات الكبيرة. لحسن الحظ، يمكن «إصلاح» النيتروجين، مما يعني أنه يتم تحويله إلى أمونيا (NH 3) إما بيولوجيًا أو غير بيولوجيًا. يحدث تثبيت النيتروجين اللاأحيائي نتيجة البرق أو العمليات الصناعية.

    يتم إجراء التثبيت البيولوجي للنيتروجين (BNF) حصريًا بواسطة بدائيات النواة: بكتيريا التربة والبكتيريا الزرقاء وFrankia spp. (تتفاعل البكتيريا الخيطية مع النباتات الشعاعية مثل الآلدر والتوت والسرخس الحلو). بعد عملية التمثيل الضوئي، تعد BNF ثاني أهم عملية بيولوجية على الأرض. المعادلة التي تمثل العملية هي كما يلي

    \[\text{N}_2 + 16\text{ATP} + 8\text{e}^- + 8\text{H}^+ \rightarrow 2\text{NH}_3 + 16\text{ADP} + 16\text{Pi} + \text{H}_2 \nonumber\]

    حيث يرمز Pi إلى الفوسفات غير العضوي. يبلغ إجمالي النيتروجين الثابت من خلال BNF حوالي 100 إلى 180 مليون طن متري سنويًا. تساهم العمليات البيولوجية بنسبة 65 في المائة من النيتروجين المستخدم في الزراعة.

    تعد البكتيريا الزرقاء أهم مثبتات النيتروجين في البيئات المائية. في التربة، تعتبر أعضاء جنس Clostridium أمثلة على البكتيريا الحية الحرة والمثبتة للنيتروجين. تعيش البكتيريا الأخرى بشكل تكافلي مع نباتات البقوليات، مما يوفر أهم مصدر لـ BNF. قد تقوم الكائنات الحية بتثبيت المزيد من النيتروجين في التربة مقارنة بالكائنات الحية الحرة بعامل 10. تستطيع بكتيريا التربة، التي تسمى مجتمعة ريزوبيا، التفاعل التكافلي مع البقوليات لتكوين عقيدات وهياكل متخصصة حيث يحدث تثبيت النيتروجين (الشكل\(\PageIndex{1}\)). يتم تعطيل النتروجيناز، الإنزيم الذي يثبت النيتروجين، بواسطة الأكسجين، لذلك توفر العقدة منطقة خالية من الأكسجين لتثبيت النيتروجين. توفر هذه العملية سمادًا نباتيًا طبيعيًا وغير مكلف، حيث تقلل النيتروجين الجوي إلى الأمونيا، والتي يمكن استخدامها بسهولة من قبل النباتات. يعد استخدام البقوليات بديلاً ممتازًا للتخصيب الكيميائي وله أهمية خاصة للزراعة المستدامة التي تسعى إلى تقليل استخدام المواد الكيميائية والحفاظ على الموارد الطبيعية. من خلال تثبيت النيتروجين التكافلي، يستفيد النبات من استخدام مصدر لا نهاية له للنيتروجين: الغلاف الجوي. تستفيد البكتيريا من استخدام التمثيل الضوئي (الكربوهيدرات المنتجة أثناء عملية التمثيل الضوئي) من النبات ولها مكانة محمية. بالإضافة إلى ذلك، تستفيد التربة من التسميد الطبيعي. لذلك، يعد استخدام الريزوبيا كسماد حيوي ممارسة مستدامة.

    لماذا تعتبر البقوليات مهمة جدًا؟ بعضها، مثل فول الصويا، هي مصادر رئيسية للبروتين الزراعي. بعض أهم البقوليات هي فول الصويا والفول السوداني والبازلاء والحمص والفاصوليا. تستخدم البقوليات الأخرى، مثل الفصفصة، لإطعام الماشية.

    تُظهر هذه الصورة جذرًا من البقوليات، وهو رقيق وأصفر مع عقيدات بارزة منه.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): فول الصويا (الجليسين ماكس) عبارة عن بقوليات تتفاعل بشكل تكافلي مع بكتيريا التربة Bradyrhizobium japonicum لتشكيل هياكل متخصصة على الجذور تسمى العقيدات حيث يحدث تثبيت النيتروجين. (الائتمان: وزارة الزراعة الأمريكية)

    التكنولوجيا الحيوية المبكرة: الجبن والخبز والنبيذ والبيرة واللبن

    وفقًا لاتفاقية الأمم المتحدة للتنوع البيولوجي، فإن التكنولوجيا الحيوية هي «أي تطبيق تكنولوجي يستخدم الأنظمة البيولوجية أو الكائنات الحية أو مشتقاتها، لصنع أو تعديل المنتجات أو العمليات لاستخدام معين». 1 يتضمن مفهوم «الاستخدام المحدد» نوعًا من التطبيقات التجارية. تعد الهندسة الوراثية والاختيار الاصطناعي وإنتاج المضادات الحيوية وزراعة الخلايا من الموضوعات الحالية للدراسة في مجال التكنولوجيا الحيوية. ومع ذلك، فقد استخدم البشر بدائيات النواة قبل صياغة مصطلح التكنولوجيا الحيوية. بالإضافة إلى ذلك، فإن بعض السلع والخدمات بسيطة مثل الجبن والخبز والنبيذ والبيرة واللبن، والتي تستخدم البكتيريا والميكروبات الأخرى، مثل الخميرة والفطريات (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

    الشكل\(\PageIndex{2}\): بعض المنتجات المشتقة من استخدام بدائيات النواة في التكنولوجيا الحيوية المبكرة تشمل (أ) الجبن، (ب) النبيذ، (ج) البيرة والخبز، و (د) الزبادي. (الخبز الائتماني: تعديل العمل من قبل إف رودريغو/ويكيميديا كومنز؛ النبيذ الائتماني: تعديل العمل من قبل جون سوليفان؛ الائتمان والبيرة والخبز: تعديل العمل من قبل كريس ميلر؛ الزبادي الائتماني: تعديل العمل من قبل جون سوليفان)

    بدأ إنتاج الجبن منذ حوالي 4000 إلى 7000 سنة عندما بدأ البشر في تربية الحيوانات ومعالجة الحليب. التخمير في هذه الحالة يحافظ على العناصر الغذائية: سوف يفسد الحليب بسرعة نسبية، ولكن عند معالجته كجبن، يكون أكثر استقرارًا. أما بالنسبة للبيرة، فإن أقدم سجلات التخمير يبلغ عمرها حوالي 6000 عام وتشير إلى السومريين. تشير الأدلة إلى أن السومريين اكتشفوا التخمير بالصدفة. تم إنتاج النبيذ منذ حوالي 4500 عام، وتشير الأدلة إلى أن منتجات الحليب المستزرع، مثل الزبادي، موجودة منذ 4000 عام على الأقل.

    استخدام بدائيات النواة لتنظيف كوكبنا: المعالجة الحيوية

    المعالجة الحيوية الميكروبية هي استخدام بدائيات النواة (أو الأيض الميكروبي) لإزالة الملوثات. تم استخدام المعالجة الحيوية لإزالة المواد الكيميائية الزراعية (المبيدات والأسمدة) التي تتسرب من التربة إلى المياه الجوفية وتحت سطح الأرض. يمكن أيضًا إزالة بعض المعادن والأكاسيد السامة، مثل السيلينيوم ومركبات الزرنيخ، من الماء عن طريق المعالجة الحيوية. يعد تقليل Seo 4 -2 إلى SEO 3-2 و Se 0 (السيلينيوم المعدني) طريقة تستخدم لإزالة أيونات السيلينيوم من الماء. الزئبق هو مثال للمعادن السامة التي يمكن إزالتها من البيئة عن طريق المعالجة الحيوية. وكمكون نشط في بعض مبيدات الآفات، يستخدم الزئبق في الصناعة وهو أيضًا منتج ثانوي لبعض العمليات، مثل إنتاج البطاريات. عادة ما يوجد ميثيل الزئبق بتركيزات منخفضة جدًا في البيئات الطبيعية، ولكنه شديد السمية لأنه يتراكم في الأنسجة الحية. يمكن لعدة أنواع من البكتيريا إجراء التحول الأحيائي للزئبق السام إلى أشكال غير سامة. يمكن لهذه البكتيريا، مثل Pseudomonas aeruginosa، تحويل Hg +2 إلى Hg 0، وهو غير سام للإنسان.

    يعد تنظيف الانسكابات النفطية أحد الأمثلة الأكثر فائدة وإثارة للاهتمام لاستخدام بدائيات النواة لأغراض المعالجة البيولوجية. وقد تجلت أهمية بدائيات النواة في المعالجة البيولوجية للبترول في العديد من حالات التسرب النفطي في السنوات الأخيرة، مثل تسرب إكسون فالديز في ألاسكا (1989) (الشكل\(\PageIndex{3}\))، وتسرب النفط من شركة بريستيج في إسبانيا (2002)، والتسرب إلى البحر الأبيض المتوسط من محطة توليد الكهرباء في لبنان (2006)، ومؤخراً ، التسرب النفطي لشركة BP في خليج المكسيك (2010). لتنظيف هذه التسربات، يتم تعزيز المعالجة الحيوية من خلال إضافة العناصر الغذائية غير العضوية التي تساعد البكتيريا على النمو. تتغذى البكتيريا المتحللة للهيدروكربونات على الهيدروكربونات في قطرات الزيت، مما يؤدي إلى تكسير الهيدروكربونات. تنتج بعض الأنواع، مثل Alcanivorax borkumensis، مواد خافضة للتوتر السطحي تعمل على إذابة الزيت، بينما تقوم البكتيريا الأخرى بتحلل الزيت إلى ثاني أكسيد الكربون. وفي حالة الانسكابات النفطية في المحيط، تميل المعالجة البيولوجية الطبيعية المستمرة إلى الحدوث، حيث توجد بكتيريا مستهلكة للنفط في المحيط قبل التسرب. بالإضافة إلى البكتيريا المحللة للزيوت التي تحدث بشكل طبيعي، يختار البشر ويهندسون البكتيريا التي تمتلك نفس القدرة مع زيادة الفعالية وطيف المركبات الهيدروكربونية التي يمكن معالجتها. في ظل الظروف المثالية، تم الإبلاغ عن أن ما يصل إلى 80 في المائة من المكونات غير المتطايرة في النفط يمكن أن تتحلل في غضون عام واحد من التسرب. من الصعب إزالة الأجزاء الزيتية الأخرى التي تحتوي على سلاسل هيدروكربونية عطرية ومتفرعة للغاية والبقاء في البيئة لفترات أطول من الوقت.

    الجزء أ: تُظهر هذه الصورة رجلين يرتديان ملابس المطر الصفراء يطرقان الصخور المنقوعة بالزيت على شاطئ البحر. الجزء ب: تظهر هذه الصورة طائرًا منقوعًا بالزيت يجلس في ماء زيتي.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): (أ) بعد تنظيف النفط بعد تسرب فالديز في ألاسكا، قام العمال بخراطيم النفط من الشواطئ ثم استخدموا ذراع الرافعة العائم لحبس النفط، الذي تم سلخه أخيرًا من سطح الماء. بعض أنواع البكتيريا قادرة على إذابة الزيت وتحلله. (ب) من أخطر عواقب الانسكابات النفطية الأضرار التي تلحق بالحيوانات. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل الإدارة الوطنية لدراسة المحيطات والغلاف الجوي؛ الائتمان ب: تعديل العمل من قبل غولوبنكوف، المنظمة غير الحكومية: إنقاذ تامان)

    الاتصال اليومي: الميكروبات على جسم الإنسان

    تقوم البكتيريا المتعامدة التي تعيش في الجلد والجهاز الهضمي بمجموعة من الأشياء الجيدة بالنسبة لنا. إنها تحمينا من مسببات الأمراض، وتساعدنا على هضم طعامنا، وإنتاج بعض الفيتامينات والمواد المغذية الأخرى. هذه الأنشطة معروفة منذ فترة طويلة. في الآونة الأخيرة، جمع العلماء أدلة على أن هذه البكتيريا قد تساعد أيضًا في تنظيم مزاجنا، والتأثير على مستويات نشاطنا، وحتى المساعدة في التحكم في الوزن من خلال التأثير على خياراتنا الغذائية وأنماط الامتصاص. بدأ مشروع الميكروبيوم البشري عملية فهرسة البكتيريا الطبيعية (والعتيقة) حتى نتمكن من فهم هذه الوظائف بشكل أفضل.

    هناك مثال رائع بشكل خاص للنباتات الطبيعية لدينا يتعلق بجهازنا الهضمي. يميل الأشخاص الذين يتناولون جرعات عالية من المضادات الحيوية إلى فقدان العديد من بكتيريا الأمعاء الطبيعية، مما يسمح لأنواع مقاومة للمضادات الحيوية بشكل طبيعي تسمى Clostridium dificile بالنمو والتسبب في مشاكل شديدة في المعدة، وخاصة الإسهال المزمن (الشكل\(\PageIndex{4}\)). من الواضح أن محاولة علاج هذه المشكلة بالمضادات الحيوية تزيد الأمر سوءًا. ومع ذلك، فقد تم علاجها بنجاح من خلال إعطاء المرضى عمليات زرع البراز من متبرعين أصحاء لإعادة تأسيس المجتمع الميكروبي المعوي الطبيعي. التجارب السريرية جارية لضمان سلامة وفعالية هذه التقنية.

    يُظهر التصوير المجهري مجموعات صغيرة من البكتيريا البيضاء على شكل قضيب على خلفية داكنة.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): يُظهر هذا المجهر الإلكتروني للمسح الضوئي بكتيريا المطثية العسيرة، وهي بكتيريا موجبة الجرام على شكل قضيب تسبب الإسهال الشديد. تحدث العدوى عادة بعد القضاء على حيوانات الأمعاء الطبيعية بالمضادات الحيوية. (الائتمان: تعديل العمل من قبل CDC و HHS؛ بيانات شريط المقياس من مات راسل)

    يكتشف العلماء أيضًا أن غياب بعض الميكروبات الرئيسية من القناة المعوية قد يضعنا في مجموعة متنوعة من المشاكل. يبدو أن هذا صحيح بشكل خاص فيما يتعلق بالأداء المناسب لجهاز المناعة. هناك نتائج مثيرة للاهتمام تشير إلى أن غياب هذه الميكروبات يساهم بشكل مهم في تطور الحساسية وبعض اضطرابات المناعة الذاتية. يجري البحث حاليًا لاختبار ما إذا كانت إضافة ميكروبات معينة إلى نظامنا البيئي الداخلي قد تساعد في علاج هذه المشكلات وكذلك في علاج بعض أشكال التوحد.

    ملخص

    مسببات الأمراض ليست سوى نسبة صغيرة من جميع بدائيات النواة. في الواقع، لن تكون حياتنا ممكنة بدون بدائيات النواة. عادة ما يكون النيتروجين هو العنصر الأكثر تقييدًا في النظم البيئية الأرضية؛ نيتروجين الغلاف الجوي، أكبر تجمع للنيتروجين المتاح، غير متاح لحقيقيات النوى. يمكن «إصلاح» النيتروجين أو تحويله إلى أمونيا (NH 3) إما بيولوجيًا أو غير حيوي. يتم إجراء التثبيت البيولوجي للنيتروجين (BNF) حصريًا بواسطة بدائيات النواة. بعد عملية التمثيل الضوئي، تعد BNF ثاني أهم عملية بيولوجية على الأرض. أهم مصدر لـ BNF هو التفاعل التكافلي بين بكتيريا التربة ونباتات البقوليات.

    المعالجة الحيوية الميكروبية هي استخدام الأيض الميكروبي لإزالة الملوثات. تم استخدام المعالجة الحيوية لإزالة المواد الكيميائية الزراعية التي تتسرب من التربة إلى المياه الجوفية وتحت سطح الأرض. يمكن أيضًا إزالة المعادن والأكاسيد السامة، مثل السيلينيوم ومركبات الزرنيخ، عن طريق المعالجة الحيوية. ربما يكون تنظيف الانسكابات النفطية أحد الأمثلة الأكثر فائدة وإثارة للاهتمام لاستخدام بدائيات النواة لأغراض المعالجة البيولوجية.

    الحياة البشرية ممكنة فقط بسبب عمل الميكروبات، سواء تلك الموجودة في البيئة أو تلك الأنواع التي تدعونا إلى الوطن. داخليًا، تساعدنا على هضم طعامنا، وإنتاج العناصر الغذائية الأساسية لنا، وحمايتنا من الميكروبات المسببة للأمراض، وتساعد في تدريب أجهزة المناعة لدينا على العمل بشكل صحيح.

    الحواشي

    1. 1 http://www.cbd.int/convention/articles/?a=cbd-02، اتفاقية الأمم المتحدة للتنوع البيولوجي: المادة 2: استخدام المصطلحات.

    مسرد المصطلحات

    تثبيت النيتروجين البيولوجي
    يتم تحويل النيتروجين الجوي إلى أمونيا حصريًا بواسطة بدائيات النواة
    المعالجة الحيوية
    استخدام الأيض الميكروبي لإزالة الملوثات
    التكنولوجيا الحيوية
    أي تطبيق تكنولوجي يستخدم الكائنات الحية أو الأنظمة البيولوجية أو مشتقاتها لإنتاج أو تعديل منتجات أخرى
    عقدة
    البنية الجديدة على جذور بعض النباتات (البقوليات) التي تنتج عن التفاعل التكافلي بين النبات وبكتيريا التربة، هي موقع تثبيت النيتروجين