4.6: أرتشيا

أهداف التعلم

• وصف الميزات الفريدة لكل فئة من فئات Archaea
• اشرح لماذا قد لا ترتبط الأركيا بالميكروبيوم البشري أو علم الأمراض
• أعط أمثلة شائعة عن الآثار المرتبطة بشكل شائع بالموائل البيئية الفريدة

مثل الكائنات الحية في مجال البكتيريا، فإن الكائنات الحية في مجال Archaea كلها كائنات أحادية الخلية. ومع ذلك، تختلف الأركيا من الناحية الهيكلية عن البكتيريا في عدة نواحٍ مهمة، كما تمت مناقشته في الخصائص الفريدة للخلايا بدائية النواة. للتلخيص:

• يتكون غشاء الخلية الأثرية من روابط الأثير مع سلاسل الإيزوبرين المتفرعة (على عكس غشاء الخلية البكتيرية، الذي له روابط استر مع الأحماض الدهنية غير المتفرعة).
• تفتقر جدران الخلايا الأثرية إلى الببتيدوجليكان، لكن بعضها يحتوي على مادة متشابهة هيكليًا تسمى pseudopeptidoglycan أو pseudomurein.
• جينومات Archaea أكبر وأكثر تعقيدًا من تلك الموجودة في البكتيريا.

تتنوع Domain Archaea مثل البكتيريا في المجال، ويمكن العثور على ممثليها في أي موطن. بعض الأركيا من عشاق الميزوفيل، والعديد منهم من محبي التطرف، ويفضلون الحرارة أو البرودة الشديدة، أو الملوحة الشديدة، أو غيرها من الظروف المعادية لمعظم أشكال الحياة الأخرى على الأرض. يتم تكييف عملية التمثيل الغذائي الخاصة بهم مع البيئات القاسية، ويمكنهم إجراء عملية توليد الميثان، على سبيل المثال، وهو ما لا تستطيع البكتيريا وحقيقيات النوى القيام به.

إن حجم وتعقيد الجينوم الأثري يجعل من الصعب تصنيفه. يتفق معظم علماء التصنيف على أنه داخل الأركيا، توجد حاليًا خمس نباتات رئيسية: كرينتشيوتا ويوراتشيوتا وكوراتشيوتا ونانارياوتا وثاومارشايوتا. من المحتمل أن تكون هناك العديد من المجموعات الأثرية الأخرى التي لم يتم دراستها وتصنيفها بشكل منهجي بعد.

مع استثناءات قليلة، لا توجد الأركيا في الميكروبات البشرية، ولا يُعرف حاليًا أي منها بأنه مرتبط بالأمراض المعدية في البشر أو الحيوانات أو النباتات أو الكائنات الحية الدقيقة. ومع ذلك، يلعب الكثيرون أدوارًا مهمة في البيئة وبالتالي قد يكون لهم تأثير غير مباشر على صحة الإنسان.

كرينتشيوتا

Crenarchaeota هي فئة من الأركيا متنوعة للغاية، وتحتوي على أجناس وأنواع تختلف اختلافًا كبيرًا في مورفولوجيتها ومتطلبات النمو. جميع الكائنات الحية الدقيقة الكرينتشيوتا هي كائنات مائية، ويُعتقد أنها أكثر الكائنات الحية الدقيقة وفرة في المحيطات. معظم أنواع الكرينهاريوتا، وليس كلها، من محبي فرط الحرارة؛ بعضها (لا سيما جنس Pyrolobus) قادر على النمو في درجات حرارة تصل إلى 113 درجة ^مئوية.1

الأركيا من جنس السلفولوبوس (الشكل\(\PageIndex{1}\)) هي من محبي الحرارة الذين يفضلون درجات حرارة تتراوح بين 70 و 80 درجة مئوية وأسيدوفيل الذين يفضلون درجة حموضة تتراوح من 2 إلى 3. ² يمكن أن يعيش السلفولوبوس في البيئات الهوائية أو اللاهوائية. في وجود الأكسجين، يستخدم Sulfolobus spp. عمليات التمثيل الغذائي المشابهة لتلك الخاصة بالمغايرات. في البيئات اللاهوائية، تعمل على أكسدة الكبريت لإنتاج حمض الكبريتيك، الذي يتم تخزينه في حبيبات. يستخدم Sulfolobus spp. في التكنولوجيا الحيوية لإنتاج بروتينات قابلة للحرارة ومقاومة للأحماض تسمى الأفيتين. ³ يمكن للأفيتين ربط وتحييد المستضدات المختلفة (الجزيئات الموجودة في السموم أو العوامل المعدية التي تثير استجابة مناعية من الجسم).

الشكل\(\PageIndex{1}\): يؤكسد السلفولوبوس، وهو أثرون من فئة Crenarcheota، الكبريت ويخزن حمض الكبريتيك في حبيباته.

هناك جنس آخر، هو Thermoproteus، يتمثل في الكائنات اللاهوائية الدقيقة بدرجة حرارة نمو مثالية تبلغ 85 درجة مئوية، وهي تحتوي على سوط وبالتالي فهي متحركة. يحتوي Thermoproteus على غشاء خلوي تشكل فيه الدهون طبقة أحادية بدلاً من طبقة ثنائية، وهو أمر نموذجي بالنسبة للعرايا. عملية التمثيل الغذائي لها هي ذاتية التغذية. لتجميع ATP، يعمل Thermoproteus spp. على تقليل الكبريت أو الهيدروجين الجزيئي واستخدام ثاني أكسيد الكربون أو أول أكسيد الكربون كمصدر للكربون. يُعتقد أن Thermoproteus هو الجنس الأعمق تفرعًا في Archaea، وبالتالي فهو مثال حي لبعض أقدم أشكال الحياة على كوكبنا.

التمارين\(\PageIndex{1}\)

ما أنواع البيئات التي تفضلها Crenarcheota؟

يورياتشيوتا

تتضمن فئة Euryarchaeota عدة فئات متميزة. تمثل الأنواع في فئات الميثانوباكتيريا والميثانوكسي والميثانوميكروبيا الأركيا التي يمكن وصفها عمومًا بالميثانوجين. تعتبر الميثانوجينات فريدة من نوعها من حيث قدرتها على تقليل ثاني أكسيد الكربون في وجود الهيدروجين وإنتاج الميثان. يمكن أن تعيش في أكثر البيئات قسوة ويمكن أن تتكاثر في درجات حرارة تتراوح من أقل من درجة التجمد إلى الغليان. تم العثور على الميثانوجين في الينابيع الساخنة وكذلك في أعماق الجليد في جرينلاند. حتى أن بعض العلماء افترضوا أن الميثانوجين قد تعيش في كوكب المريخ لأن مزيج الغازات التي تنتجها الميثانوجين يشبه تركيبة الغلاف الجوي للمريخ. ⁴

يُعتقد أن الميثانوجينات تساهم في تكوين رواسب نقص الأكسجين عن طريق إنتاج كبريتيد الهيدروجين، مما ينتج «غاز الأهوار». كما أنها تنتج الغازات في المجترات والبشر. يمكن لبعض أجناس الميثانوجين، ولا سيما Methanosarcina، أن تنمو وتنتج الميثان في وجود الأكسجين، على الرغم من أن الغالبية العظمى منها عبارة عن لاهوائيات صارمة.

تشمل فئة Halobacteria (التي سميت قبل أن يتعرف العلماء على التمييز بين الأركيا والبكتيريا) الأركيا الهالوفيلية («المحبة للملح»). تتطلب البكتيريا الهالوجينية تركيزات عالية جدًا من كلوريد الصوديوم في بيئتها المائية. التركيز المطلوب قريب من التشبع، بنسبة 36٪؛ مثل هذه البيئات تشمل البحر الميت وكذلك بعض البحيرات المالحة في أنتاركتيكا وجنوب وسط آسيا. إحدى السمات الرائعة لهذه الكائنات هي أنها تقوم بعملية التمثيل الضوئي باستخدام بروتين bacteriorhodopsin، الذي يعطيها، والأجسام المائية التي تعيش فيها، لونًا أرجوانيًا جميلًا (الشكل\(\PageIndex{2}\)).

الشكل\(\PageIndex{1}\): إن بكتيريا الهالوباكتيريا التي تنمو في أحواض الملح هذه تمنحها لونًا أرجوانيًا مميزًا. (الائتمان: تعديل العمل من قبل توني هيسجيت)

تشمل الأنواع البارزة من بكتيريا الهالوباكتيريا الهالوباكتيريوم ساليناروم، والتي قد تكون أقدم كائن حي على وجه الأرض؛ وقد عزل العلماء حمضها النووي من الحفريات التي يبلغ عمرها 250 مليون سنة. ⁵ يُظهر نوع آخر، Haloferax volcanii، نظامًا متطورًا للغاية للتبادل الأيوني، مما يمكّنه من موازنة تركيز الأملاح في درجات الحرارة المرتفعة

التمارين\(\PageIndex{2}\)

أين تعيش بكتيريا الهالوباكتيريا؟

العثور على رابط بين الركام والمرض

من غير المعروف أن الأركيا تسبب أي مرض في البشر أو الحيوانات أو النباتات أو البكتيريا أو غيرها من الآثار القديمة. على الرغم من أن هذا أمر منطقي بالنسبة لعشاق التطرف، إلا أن جميع الأركيا لا تعيش في بيئات قاسية. العديد من أجناس وأنواع الأركيا من عشاق الميزوفيلات، لذا يمكنهم العيش في الميكروبات البشرية والحيوانية، على الرغم من أنها نادرًا ما تفعل ذلك. كما تعلمنا، توجد بعض الميثانوجين في الجهاز الهضمي البشري. ومع ذلك، ليس لدينا أي دليل موثوق يشير إلى أي أثري كعامل مسبب لأي مرض بشري.

ومع ذلك، حاول العلماء إيجاد روابط بين الأمراض البشرية والعتيقة. على سبيل المثال، في عام 2004، قدم ليب وآخرون دليلًا على أن أثريًا يدعى Methanobrevibacter oralis يسكن لثة المرضى الذين يعانون من أمراض اللثة. اقترح المؤلفون أن نشاط هذه الميثانوجينات يسبب المرض. ⁶ ومع ذلك، تبين لاحقًا أنه لا توجد علاقة سببية بين M. oralis والتهاب اللثة. يبدو من الأرجح أن أمراض اللثة تتسبب في تضخم المناطق اللاهوائية في الفم والتي يسكنها لاحقًا M. oralis. ⁷

لا توجد إجابة جيدة عن سبب عدم ظهور الآثار المسببة للأمراض، لكن العلماء يواصلون التكهن ويأملون في العثور على الإجابة.

ملخص

• الأركيا هي كائنات دقيقة أحادية الخلية وبدائية النواة تختلف عن البكتيريا في علم الوراثة والكيمياء الحيوية والبيئة.
• بعض الأركيا من عشاق الطبيعة المتطرفة، ويعيشون في بيئات ذات درجات حرارة عالية أو منخفضة للغاية، أو ملوحة شديدة.
• من المعروف أن الأركيا فقط هي التي تنتج الميثان. تسمى الأركيا المنتجة للميثان بالميثان.
• تفضل الأراشيا الهالوفيلية تركيز الملح بالقرب من التشبع وتقوم بعملية التمثيل الضوئي باستخدام باكتيريوروهودوبسين.
• تعد بعض الآثار، بناءً على الأدلة الأحفورية، من بين أقدم الكائنات الحية على وجه الأرض.
• لا تعيش الأركيا بأعداد كبيرة في الميكروبات البشرية وليس من المعروف أنها تسبب المرض.

الحواشي

1. هاء. بلوكل وآخرون «يمثل Pyrolobus fumani، genr. and sp. nov.، مجموعة جديدة من Archaea، تعمل على تمديد الحد الأعلى لدرجة الحرارة مدى الحياة إلى 113 ^{درجة مئوية}» إكستريموفيلز 1 (1997): 14-21.
2. تي دي بروك وآخرون. «السلفولوبوس: جنس جديد من البكتيريا المؤكسدة للكبريت التي تعيش في درجة حموضة منخفضة ودرجة حرارة عالية.» أرشيف علم الأحياء الدقيقة 84 رقم 1 (1972): 54—68.
3. إس باتشيكو وآخرون «نقل التقارب إلى بروتين SAC7d الأثري إكستريموفيليك عن طريق إدخال CDR.» تصميم واختيار هندسة البروتين 27 رقم 10 (2014): 431-438.
4. آر آر بريت «كريتر كريترز: أين قد تكمن ميكروبات المريخ» www.space.com/1880-crater-cri... obes-lurk.html. تم الوصول إليه في 7 أبريل 2015.
5. إتش فريلاند وآخرون «تكشف تحليلات الأحماض الدهنية و DA للبكتيريا البرمية المعزولة من بلورات الملح القديمة عن الاختلافات مع أقاربها الحديثين.» إكستريموفيلز 10 (2006): 71-78.
6. بي دبليو ليب وآخرون. «الآثار الميثانوجينية وأمراض اللثة البشرية». وقائع الأكاديميات الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية 101 رقم 16 (2004): 6176-6181.
7. آر آي أمينوف. «دور Archaea في الأمراض البشرية». الحدود في علم الأحياء الدقيقة الخلوي والعدوى 3 (2013): 42.