13.1: Utofauti wa Prokaryotic

Prokaryotes zipo kila mahali. Wao hufunika kila uso unaoonekana ambapo kuna unyevu wa kutosha, na wanaishi na ndani ya vitu vingine vilivyo hai. Kuna prokaryotes zaidi ndani na nje ya mwili wa binadamu kuliko kuna seli za binadamu katika mwili. Baadhi ya prokaryotes hustawi katika mazingira ambayo hayatoshi kwa vitu vingine vilivyo hai. Prokaryotes husafisha virutubisho - vitu muhimu (kama vile kaboni na nitrojeni) -na huendesha mageuzi ya mazingira mapya, ambayo baadhi yake ni ya asili wakati wengine wanadamu. Prokaryotes wamekuwa duniani tangu muda mrefu kabla ya maisha ya multicellular kuonekana.

Utofauti wa Prokaryotic

Ujio wa mpangilio wa DNA ulitoa ufahamu mkubwa katika mahusiano na asili ya prokaryotes ambazo hazikuwezekana kutumia mbinu za jadi za uainishaji. Ufahamu mkubwa ulitambua makundi mawili ya prokaryotes yaliyoonekana kuwa tofauti na kila mmoja kama yalivyokuwa kutoka eukaryotes. Utambuzi huu wa utofauti wa prokaryotic ulilazimisha uelewa mpya wa uainishaji wa maisha yote na kutuleta karibu na kuelewa mahusiano ya msingi ya vitu vyote vilivyo hai, ikiwa ni pamoja na sisi wenyewe.

Maisha ya Mapema Duniani

Maisha yalianza lini na wapi? Hali gani duniani wakati maisha yalianza? Prokaryotes walikuwa aina ya kwanza ya maisha duniani, na walikuwepo kwa mabilioni ya miaka kabla ya mimea na wanyama kuonekana. Dunia ina umri wa miaka bilioni 4.54. Makadirio haya yanategemea ushahidi kutoka kwa urafiki wa nyenzo za meteorite, kwani miamba ya uso duniani sio zamani kama Dunia yenyewe. Miamba mingi inapatikana duniani imepata mabadiliko ya kijiolojia yanayowafanya kuwa mdogo kuliko Dunia yenyewe. Baadhi ya meteorites hufanywa kwa nyenzo za awali katika diski ya jua ambayo iliunda vitu vya mfumo wa jua, na hazijabadilishwa na taratibu zilizobadilisha miamba duniani. Hivyo, umri wa meteorites ni kiashiria kizuri cha umri wa malezi ya Dunia. Makadirio ya awali ya miaka bilioni 4.54 yalipatikana na Clare Patterson mwaka wa 1956. Kazi yake ya kina imethibitishwa na umri uliowekwa kutoka vyanzo vingine, yote ambayo yanaelekeza umri wa Dunia wa miaka bilioni 4.54.

Dunia ya mapema ilikuwa na angahewa tofauti sana kuliko ilivyo leo. Ushahidi unaonyesha kwamba wakati wa miaka bilioni 2 ya kwanza ya kuwepo kwa dunia, angahewa ilikuwa anoxic, maana yake hapakuwa na oksijeni. Kwa hiyo, viumbe wale tu ambao wanaweza kukua bila oksijeni-anaerobicorganisms- walikuwa na uwezo wa kuishi. Viumbe vinavyobadilisha nishati ya jua kuwa nishati ya kemikali huitwa phototrophs. Viumbe vya phototrophic ambavyo vinahitaji chanzo kikaboni cha kaboni vilionekana ndani ya miaka bilioni moja ya kuundwa kwa Dunia. Kisha, cyanobacteria, pia inajulikana kama mwani wa bluu-kijani, ilibadilika kutoka picha hizi rahisi miaka bilioni moja baadaye. Cyanobacteria zinaweza kutumia dioksidi kaboni kama chanzo cha kaboni. Cyanobacteria (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)) ilianza oksijeni ya anga. Kuongezeka kwa mkusanyiko wa oksijeni kuruhusiwa mageuzi ya aina nyingine za maisha.

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Hii spring moto katika Yellowstone National Park mtiririko kuelekea foreground. Cyanobacteria katika chemchemi ni ya kijani, na kama maji inapita chini ya joto la joto, ukubwa wa rangi huongezeka kwa sababu wiani wa seli huongezeka. Maji ni baridi kwenye kando ya mkondo kuliko katikati, na kusababisha kando kuonekana kuwa kijani. (mikopo: Graciela Brelles-Mariño)

Kabla ya angahewa kuwa oksijeni, sayari ilikuwa inakabiliwa na mionzi kali; hivyo, viumbe vya kwanza vingestawi pale walikohifadhiwa zaidi, kama vile katika kina cha bahari au chini ya uso wa Dunia. Kwa wakati huu, pia, nguvu volkeno shughuli ilikuwa ya kawaida duniani, hivyo kuna uwezekano kwamba viumbe hawa kwanza-prokaryotes kwanza-walikuwa ilichukuliwa na joto ya juu sana. Hizi sio mazingira ya kawaida ya joto ambayo maisha mengi hustawi leo; hivyo, tunaweza kuhitimisha kwamba viumbe vya kwanza vilivyoonekana duniani huenda viliweza kuhimili hali ngumu.

Mikeka ya microbial inaweza kuwakilisha aina za mwanzo za maisha duniani, na kuna ushahidi wa mafuta ya uwepo wao, kuanzia miaka bilioni 3.5 iliyopita. Mkeka wa microbial ni biofilm kubwa, karatasi ya layered ya prokaryotes (Kielelezo\(\PageIndex{2}\) a), ikiwa ni pamoja na bakteria zaidi, lakini pia archaea. Mikeka ya microbial ni sentimita chache nene, na kwa kawaida hukua kwenye nyuso za unyevu. Aina zao mbalimbali za prokaryotes hufanya njia tofauti za kimetaboliki, na kwa sababu hii, zinaonyesha rangi mbalimbali. Prokaryotes katika kitanda cha microbial hufanyika pamoja na dutu kama gummy ambayo huweka.

Mikeka ya kwanza ya microbial inawezekana kupatikana nishati zao kutoka kwenye matundu ya hydrothermal Vent hydrothermal ni fissure katika uso wa dunia ambayo hutoa maji ya joto ya joto. Pamoja na mageuzi ya usanisinuru takriban miaka bilioni 3 iliyopita, baadhi ya prokaryotes katika mikeka ya microbial walikuja kutumia chanzo cha nishati kilichopatikana zaidi-mwanga-ambapo wengine bado walikuwa wanategemea kemikali kutoka matundu ya hydrothermal kwa ajili ya chakula.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): (a) Hii kitanda microbial kukua juu ya vent hydrothermal katika Bahari ya Pasifiki. Chimney kama ile iliyoonyeshwa na mshale huruhusu gesi kutoroka. (b) Picha hii inaonyesha stromatolites kwamba ni karibu 1.5 miaka bilioni, kupatikana katika Glacier National Park, Montana. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na Dr. Bob Embley, NOAA PMEL; mikopo b: mabadiliko ya kazi na P. Carrara, NPS)

Mikeka ya microbial iliyosababishwa inawakilisha rekodi ya kwanza ya maisha duniani. Stromatolite ni muundo wa sedimentary uliofanywa wakati madini yanapotokana na maji na prokaryotes katika kitanda cha microbial (Kielelezo\(\PageIndex{2}\) b). Stromatolites huunda miamba iliyopambwa iliyofanywa kwa carbonate au silicate. Ingawa stromatolites wengi ni mabaki ya zamani, kuna maeneo duniani ambapo stromatolites bado wanaunda. Kwa mfano, stromatolites wanaoishi wamepatikana katika Anza-Borrego Jangwa State Park katika San Diego County, California.

Baadhi ya prokaryotes wana uwezo wa kustawi na kukua chini ya hali ambayo ingeweza kuua mmea au mnyama. Bakteria na archaea zinazokua chini ya hali mbaya huitwa extremophiles, maana yake ni “wapenzi wa extremes.” Extremophiles zimepatikana katika mazingira uliokithiri ya kila aina, ikiwa ni pamoja na kina cha bahari, chemchem za moto, Aktiki na Antaktiki, maeneo kavu sana, kina ndani ya Dunia, mazingira magumu ya kemikali, na mazingira ya mionzi ya juu. Extremophiles hutupa ufahamu bora wa utofauti wa prokaryotic na kufungua uwezekano wa ugunduzi wa madawa mapya ya matibabu au matumizi ya viwanda. Pia wamefungua uwezekano wa kupata maisha katika maeneo mengine katika mfumo wa jua, ambayo yana mazingira magumu kuliko yale yaliyopatikana duniani. Wengi wa extremophiles hizi hawawezi kuishi katika mazingira ya wastani.

Biofilms

Mpaka miongo michache iliyopita, microbiologists walidhani ya prokaryotes kama vyombo vya pekee vinavyoishi mbali. Mfano huu, hata hivyo, hauonyeshi mazingira ya kweli ya prokaryotes, ambayo wengi wanapendelea kuishi katika jamii ambapo wanaweza kuingiliana. Biofilm ni jamii microbial uliofanyika pamoja katika tumbo gummy-textured, yenye hasa ya polysaccharides siri na viumbe, pamoja na baadhi ya protini na asidi nucleic. Biofilms kukua masharti ya nyuso. Baadhi ya biofilms zilizojifunza vizuri zinajumuisha prokaryotes, ingawa biofilms ya vimelea pia imeelezwa.

Biofilms zipo karibu kila mahali. Wao husababisha kufungwa kwa mabomba na urahisi kutawala nyuso katika mazingira ya viwanda. Wamecheza majukumu katika kuzuka kwa hivi karibuni, kwa kiasi kikubwa cha uchafuzi wa bakteria wa chakula. Biofilms pia hukoloni nyuso za nyumbani, kama vile counters za jikoni, bodi za kukata, kuzama, na vyoo.

Ushirikiano kati ya viumbe vinavyojaa biofilm, pamoja na mazingira yao ya kinga, hufanya jamii hizi kuwa imara zaidi kuliko zilizo hai huru, au planktonic, prokaryotes. Kwa ujumla, biofilms ni vigumu sana kuharibu, kwa sababu ni sugu kwa aina nyingi za kawaida za sterilization.

Tabia za Prokaryotes

Kuna tofauti nyingi kati ya seli za prokaryotic na eukaryotic. Hata hivyo, seli zote zina miundo minne ya kawaida: utando wa plasma unaofanya kazi kama kizuizi kwa seli na hutenganisha seli na mazingira yake; saitoplazimu, dutu kama jelly ndani ya seli; vifaa vya maumbile (DNA na RNA); na ribosomu, ambapo protini awali hufanyika. Prokaryotes huja kwa maumbo mbalimbali, lakini wengi huanguka katika makundi matatu: cocci (spherical), bacilli (fimbo-umbo), na spirilla (mviringo) (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Prokaryotes nyingi huanguka katika makundi matatu ya msingi kulingana na sura yao: (a) cocci, au spherical; (b) bacilli, au umbo la fimbo; na (c) spirilla, au umbo la mviringo. (mikopo a: muundo wa kazi na Janice Haney Carr, Dr. Richard Facklam, CDC; mikopo c: mabadiliko ya kazi na Dr. David Cox, CDC; data wadogo bar kutoka Matt Russell)

Kiini cha Prokaryotic

Kumbuka kwamba prokaryotes (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)) ni viumbe vya unicellular ambavyo hawana organelles iliyozungukwa na membrane. Kwa hiyo, hawana kiini lakini badala yake huwa na kromosomu moja—kipande cha DNA ya mviringo iliyoko katika eneo la seli inayoitwa nucleoidi. Prokaryotes nyingi zina ukuta wa seli ulio nje ya utando wa plasma. Utungaji wa ukuta wa seli hutofautiana sana kati ya vikoa Bakteria na Archaea (na kuta zao za seli pia hutofautiana na kuta za seli za eukaryotiki zinazopatikana katika mimea na fungi.) Ukuta wa seli hufanya kazi kama safu ya kinga na ni wajibu wa sura ya viumbe. Miundo mingine iko katika aina fulani za prokaryotic, lakini si kwa wengine. Kwa mfano, capsule inayopatikana katika aina fulani inawezesha viumbe kushikamana na nyuso na kuilinda kutokana na maji mwilini. Spishi fulani zinaweza pia kuwa na flagella (umoja, flagellum) zinazotumika kwa ajili ya kukokotoa, na pili (umoja, pilus) zinazotumika kwa attachment kwa nyuso na kwa bakteria nyingine kwa ajili ya kuungana. Plasmidi, ambazo zinajumuisha vipande vidogo, vya mviringo vya DNA nje ya kromosomu kuu, pia zipo katika aina nyingi za bakteria.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Vipengele vya seli ya kawaida ya bakteria huonyeshwa.

Wote Bakteria na Archaea ni aina za seli za prokaryotiki. Wanatofautiana katika muundo wa lipid wa membrane zao za seli na katika sifa za kuta zao za seli. Aina zote mbili za prokaryotes zina miundo sawa ya msingi, lakini hizi zinajengwa kutoka kwa vipengele tofauti vya kemikali ambavyo ni ushahidi wa kujitenga kwa kale kwa mistari yao. Mbinu ya plasma ya archaeal ni tofauti kikemia na utando wa bakteria; baadhi ya utando wa archaeal ni monolayers za lipid badala ya tabaka za phosopholipid.

ukuta kiini

Ukuta wa seli ni safu ya kinga inayozunguka seli za prokaryotic na huwapa sura na rigidity. Iko nje ya membrane ya seli na kuzuia lysis ya osmotic (kupasuka kwa sababu ya kuongezeka kwa kiasi). Nyimbo za kemikali za kuta za seli zinatofautiana kati ya Archaea na Bakteria, pamoja na kati ya aina za bakteria. Ukuta wa seli za bakteria zina peptidoglycan, linajumuisha minyororo ya polysaccharide inayounganishwa na peptidi. Bakteria imegawanywa katika vikundi vikuu viwili: Gram-chanya na Gram-hasi, kulingana na majibu yao kwa utaratibu unaoitwa Madoa ya Gram. Majibu tofauti ya bakteria kwa utaratibu wa uchafu husababishwa na muundo wa ukuta wa seli. Viumbe vya Gram-chanya vina ukuta mwembamba unao na tabaka nyingi za peptidoglycan. Bakteria ya Gramu-hasi wana ukuta wa seli nyembamba unaojumuisha tabaka chache za peptidoglycan na miundo ya ziada, iliyozungukwa na utando wa nje (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

UHUSIANO WA S

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Bakteria imegawanywa katika makundi mawili makuu: Gram-chanya na Gram-hasi. Makundi yote mawili yana ukuta wa seli linajumuisha peptidoglycans: Katika bakteria ya Gram-chanya, ukuta ni nene, wakati katika bakteria ya Gram-hasi, ukuta ni nyembamba. Katika bakteria ya Gramu-hasi, ukuta wa seli umezungukwa na utando wa nje.

Ni ipi kati ya kauli zifuatazo ni kweli?

1. Bakteria ya Gram-chanya ina ukuta wa seli moja inayotengenezwa kutoka peptidoglycan.
2. Bakteria ya Gram-chanya ina utando wa nje.
3. Ukuta wa seli ya bakteria ya Gram-hasi ni nene, na ukuta wa seli ya bakteria ya Gram-chanya ni nyembamba.
4. Bakteria ya Gramu-hasi wana ukuta wa seli uliofanywa na peptidoglycan, wakati bakteria ya Gram-chanya zina ukuta wa seli uliofanywa na phospholipids.

Ukuta wa seli za archaeal hazina peptidoglycan. Kuna aina nne tofauti za kuta za kiini archaeal. Aina moja inajumuisha pseudopeptidoglycan. Aina nyingine tatu za kuta za seli zina polysaccharides, glycoproteins, na protini za safu za uso zinazojulikana kama S-tabaka.

Uzazi

Uzazi katika prokaryotes kimsingi ni asexual na unafanyika kwa fission binary. Kumbuka kwamba DNA ya prokaryote ipo kwa kawaida kama kromosomu moja, mviringo. Prokaryotes haipatikani mitosis. Badala yake, kitanzi cha kromosomu kinaigwa, na nakala mbili zinazotokana na utando wa plasma huondoka mbali kama seli inakua katika mchakato unaoitwa binary fission. Prokaryote, sasa imeenea, imefungwa ndani kwenye equator yake, na seli mbili zinazosababisha, ambazo ni clones, tofauti. Binary fission haitoi fursa kwa recombination maumbile, lakini prokaryotes inaweza kubadilisha babies yao maumbile kwa njia tatu.

Katika mchakato unaoitwa mabadiliko, seli huchukua katika DNA inayopatikana katika mazingira yake ambayo inamwagika na prokaryotes nyingine, hai au wafu. Pathogen ni kiumbe kinachosababisha ugonjwa. Ikiwa bakteria isiyo na pathogenic inachukua DNA kutoka kwa pathogen na inashirikisha DNA mpya katika kromosomu yake mwenyewe, pia inaweza kuwa pathogenic. Katika transduction, bacteriophages, virusi vinavyoambukiza bakteria, huhamisha DNA kutoka kwa bakteria moja hadi nyingine. Archaea wana seti tofauti ya virusi vinavyowaambukiza na kuhamisha vifaa vya maumbile kutoka kwa mtu mmoja hadi mwingine. Wakati wa kuungana, DNA huhamishwa kutoka prokaryote moja hadi nyingine kwa njia ya pilus ambayo huleta viumbe katika kuwasiliana na kila mmoja. DNA iliyohamishwa kwa kawaida ni plasmid, lakini sehemu za kromosomu zinaweza pia kuhamishwa.

Mzunguko wa fission ya binary inaweza kuwa haraka sana, kwa utaratibu wa dakika kwa aina fulani. Muda huu mfupi wa kizazi pamoja na taratibu za urekebishaji wa maumbile husababisha mageuzi ya haraka ya prokaryotes, na kuwaruhusu kujibu mabadiliko ya mazingira (kama vile kuanzishwa kwa antibiotiki) haraka sana.

Jinsi Prokaryotes Kupata Nishati na Carbon

Prokaryotes ni viumbe tofauti vya kimetaboliki. Prokaryotes hujaza niches nyingi duniani, ikiwa ni pamoja na kushiriki katika mizunguko ya virutubisho kama vile mizunguko ya nitrojeni na kaboni, kuoza viumbe wafu, na kukua na kuzidisha ndani ya viumbe hai, ikiwa ni pamoja na binadamu. Prokaryotes tofauti zinaweza kutumia vyanzo tofauti vya nishati kukusanyika macromolecules kutoka molekuli ndogo. Phototrophs hupata nishati zao kutoka jua. Chemotrophs hupata nishati zao kutoka kwa misombo ya kemikali.

Magonjwa ya Bakteria kwa Binadamu

Magonjwa mabaya ya pathogen na mapigo, yote ya virusi na bakteria katika asili, yameathiri na kuendelea kuathiri wanadamu. Ni muhimu kutambua kwamba prokaryotes zote za pathogenic ni Bakteria; hakuna Archaea inayojulikana ya pathogenic kwa wanadamu au viumbe vingine. Viumbe vya pathogenic vilibadilika pamoja na binadamu Katika siku za nyuma, sababu halisi ya magonjwa haya haikueleweka, na baadhi ya tamaduni walidhani kwamba magonjwa yalikuwa adhabu ya kiroho au walikuwa na makosa kuhusu sababu za kimwili. Baada ya muda, watu walikuja kutambua kwamba kukaa mbali na watu wanaoteseka, kuboresha usafi wa mazingira, na kutupa vizuri maiti na mali binafsi ya waathirika wa ugonjwa kupunguza nafasi zao wenyewe za kupata ugonjwa.

Mtazamo wa ki

Kuna kumbukumbu za magonjwa ya kuambukiza hadi nyuma kama 3,000 K.K. idadi ya magonjwa makubwa yanayosababishwa na Bakteria yameandikwa zaidi ya miaka mia kadhaa. Baadhi ya magonjwa makubwa yalisababisha kupungua kwa miji na tamaduni. Wengi walikuwa zoonoses ambazo zilionekana na ufugaji wa wanyama, kama ilivyo katika kifua kikuu. Zoonosisi ni ugonjwa unaoathiri wanyama lakini unaweza kuambukizwa kutoka kwa wanyama kwenda kwa binadamu.

Magonjwa ya kuambukiza yanabaki kati ya sababu za kifo duniani kote. Athari zao hazina maana sana katika nchi nyingi zilizoendelea, lakini ni vigezo muhimu vya vifo katika nchi zinazoendelea. Maendeleo ya antibiotics yalifanya mengi ili kupunguza viwango vya vifo kutokana na maambukizi ya bakteria, lakini upatikanaji wa antibiotics sio wote, na matumizi makubwa ya antibiotics imesababisha maendeleo ya matatizo ya sugu ya bakteria. Jitihada za usafi wa mazingira kwa umma zinazoondoa maji taka na kutoa maji safi ya kunywa zimefanya mengi au zaidi kuliko maendeleo ya matibabu ili kuzuia vifo vinavyosababishwa na maambukizi ya bakteria.

Mnamo mwaka 430 KK, pigo la Athens liliua robo moja ya askari wa Athene waliokuwa wakipigana katika Vita Kuu ya Peloponnesian. Ugonjwa huo uliua robo ya wakazi wa Athens katika zaidi ya miaka 4 na kudhoofisha utawala na nguvu za Athens. Chanzo cha tauni kinaweza kutambuliwa hivi karibuni wakati watafiti kutoka Chuo Kikuu cha Athens waliweza kuchambua DNA kutoka meno yaliyopatikana kutoka kaburi la wingi. Wanasayansi walitambua utaratibu wa nucleotide kutoka kwa bakteria ya pathogenic ambayo husababisha homa ya typhoid. ¹

Kutoka 541 hadi 750 A.D., kuzuka kuitwa pigo la Justinian (uwezekano bubonic pigo) kuondolewa, na baadhi ya makadirio, robo moja kwa nusu ya idadi ya watu. Idadi ya watu katika Ulaya ilipungua kwa asilimia 50 wakati wa kuzuka hii. Pigo la Bubonic lingeweza kuharibu Ulaya zaidi ya mara moja.

Mojawapo ya magonjwa makubwa zaidi ilikuwa Kifo cha Black (1346 hadi 1361), ambacho kinaaminika kuwa ni kuzuka kwa pigo jingine la bubonic lililosababishwa na bakteria Yersinia pestis. Bakteria hii inafanywa na fleas wanaoishi kwenye panya nyeusi. Kifo cha Black kilipunguza idadi ya watu duniani kutoka takriban milioni 450 hadi milioni 350 hadi 375. Bubonic pigo akampiga London ngumu tena katikati ya miaka ya 1600. Bado kuna takriban matukio 1,000 hadi 3,000 ya tauni duniani kila mwaka. Ingawa kuambukizwa pigo la bubonic kabla ya antibiotics ilimaanisha karibu kifo fulani, bakteria hujibu aina kadhaa za antibiotics za kisasa, na viwango vya vifo kutokana na pigo sasa ni ndogo sana.

DHANA KATIKA HATUA

Tazama video juu ya ufahamu wa kisasa wa Kifo cha Black (pigo la bubonic) huko Ulaya wakati wa karne ya kumi na nne.

Zaidi ya karne nyingi, Wazungu walitengeneza upinzani dhidi ya magonjwa mengi ya kuambukiza. Hata hivyo, washindi wa Ulaya walileta bakteria na virusi vinavyosababisha magonjwa pamoja nao wakati walifikia ulimwengu wa Magharibi, na kusababisha ugonjwa wa magonjwa ambayo yameharibiwa kabisa wakazi wa Wamarekani Wenyeji (ambao hawakuwa na upinzani wa asili kwa magonjwa mengi ya Ulaya).

Mgogoro wa antibiotic

Neno antibiotic linatokana na kupambana na Kigiriki, maana yake ni “dhidi,” na bios, maana yake ni “maisha.” Antibiotiki ni kemikali inayozalishwa na viumbe ambayo ni chuki kwa ukuaji wa viumbe vingine. Habari za leo na vyombo vya habari mara nyingi hushughulikia wasiwasi kuhusu mgogoro wa antibiotic. Je, antibiotics zilizotumiwa kutibu maambukizi ya bakteria zinaweza kutibiwa kwa urahisi katika siku za nyuma kuwa kizamani? Je, kuna “superbugs” mpya -bakteria ambayo imebadilika kuwa sugu zaidi kwa arsenal yetu ya antibiotics? Je, hii ni mwanzo wa mwisho wa antibiotics? Maswali haya yote changamoto jamii ya afya.

Moja ya sababu kuu za bakteria sugu ni matumizi mabaya na yasiyo sahihi ya antibiotics, kama vile kukamilisha kozi kamili ya antibiotics zilizoagizwa. Matumizi yasiyo sahihi ya matokeo ya antibiotic katika uteuzi wa asili wa aina za sugu za bakteria. Antibiotic huua bakteria nyingi zinazoambukiza, na kwa hiyo tu aina za sugu zinabaki. Fomu hizi za sugu zinazalisha, na kusababisha ongezeko la idadi ya fomu za sugu juu ya wale wasio na sugu.

Tatizo jingine ni matumizi makubwa ya antibiotics katika mifugo. Matumizi ya kawaida ya antibiotics katika malisho ya wanyama huendeleza upinzani wa bakteria pia. Nchini Marekani, asilimia 70 ya antibiotics zinazozalishwa hulishwa kwa wanyama. Antibiotics haitumiwi kuzuia magonjwa, lakini kuongeza uzalishaji wa bidhaa zao.

Staphylococcus aureus, mara nyingi huitwa “staph,” ni bakteria ya kawaida ambayo inaweza kuishi ndani na juu ya mwili wa binadamu, ambayo kwa kawaida huweza kutibiwa kwa urahisi na antibiotics. Matatizo hatari sana, hata hivyo, imefanya habari zaidi ya miaka michache iliyopita (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Aina hii, Staphylococcus aureus sugu ya methicillin (MRSA), inakabiliwa na antibiotics nyingi zinazotumiwa kwa kawaida, ikiwa ni pamoja na methicillin, amoxicillin, penicillin, na oxacillin. Wakati maambukizi ya MRSA yamekuwa ya kawaida kati ya watu katika vituo vya afya, yanaonekana kwa kawaida zaidi kwa watu wenye afya wanaoishi au wanafanya kazi katika vikundi vingi (kama wanajeshi na wafungwa). Journal of American Medical Association iliripoti kuwa, kati ya watu wanaosumbuliwa na MRSA katika vituo vya afya, umri wa wastani ni miaka 68, wakati watu wenye “MRSA inayohusishwa na jamii” (CA-MRSA) wana umri wa wastani wa miaka 23. ²

Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Hii micrograph skanning elektroni inaonyesha methicillin sugu Staphylococcus aureus bakteria, inayojulikana kama MRSA. (mikopo: muundo wa kazi na Janice Haney Carr, CDC; data wadogo bar kutoka Matt Russell)

Kwa muhtasari, jamii inakabiliwa na mgogoro wa antibiotic. Wanasayansi wengine wanaamini kwamba baada ya miaka ya kulindwa kutokana na maambukizi ya bakteria na antibiotics, tunaweza kurudi wakati ambapo maambukizi rahisi ya bakteria yanaweza kuharibu tena idadi ya watu. Watafiti wanafanya kazi katika kuendeleza antibiotics mpya, lakini wachache wako katika bomba la maendeleo ya madawa ya kulevya, na inachukua miaka mingi kuzalisha dawa yenye ufanisi na iliyoidhinishwa.

Magonjwa ya chakula

Prokaryotes ni kila mahali: Wao hukoloni kwa urahisi uso wa aina yoyote ya vifaa, na chakula sio ubaguzi. Mlipuko wa maambukizi ya bakteria kuhusiana na matumizi ya chakula ni ya kawaida. Ugonjwa unaosababishwa na chakula (colloquially inayoitwa “sumu ya chakula”) ni ugonjwa unaotokana na matumizi ya chakula kilichochafuliwa na bakteria ya pathogenic, virusi, au vimelea vingine. Ingawa Marekani ina mojawapo ya vifaa vya chakula salama zaidi duniani, Kituo cha Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa (CDC) kimeripoti kuwa “watu milioni 76 hupata ugonjwa, zaidi ya 300,000 wanahudhuria hospitalini, na Wamarekani 5,000 hufa kila mwaka kutokana na ugonjwa wa chakula.” ³

Tabia za magonjwa ya chakula zimebadilika kwa muda. Katika siku za nyuma, ilikuwa jambo la kawaida kusikia kuhusu matukio ya kawaida ya botulism, ugonjwa unaosababishwa na sumu kutoka kwa bakteria ya anaerobic Clostridium botulinum. Unaweza, jar, au mfuko uliunda mazingira ya anaerobic inayofaa ambapo Clostridium inaweza kukua. Utaratibu sahihi wa sterilization na canning umepunguza matukio ya ugonjwa huu.

Matukio mengi ya magonjwa ya chakula sasa yanahusishwa na kuzalisha uchafu na taka za wanyama. Kwa mfano, kumekuwa na kuzuka kwa kasi, zinazohusiana na kuzalisha zinazohusiana na mchicha wa mbichi nchini Marekani na kwa mimea ya mboga nchini Ujerumani (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)). Kuzuka kwa mchicha mbichi mwaka 2006 ulizalishwa na aina ya bakteria E. coli O157:H7. Matatizo mengi ya E. coli sio hatari kwa wanadamu, (kwa kweli, wanaishi katika tumbo letu kubwa), lakini O157:H7 inaweza kuwa mbaya.

Kielelezo\(\PageIndex{7}\): (a) mimea ya mboga iliyopandwa ndani ya nchi ilikuwa sababu ya kuzuka kwa E. coli ya Ulaya ambayo iliua watu 31 na kuumiza kuhusu 3,000 mwaka 2010. (b) Escherichia coli huonyeshwa hapa katika micrograph ya elektroni ya skanning. Matatizo ya E. koli ambayo yalisababisha kuzuka kwa mauti nchini Ujerumani ni mpya isiyohusika katika mlipuko wowote uliopita wa E. coli. Imepata jeni kadhaa za upinzani wa antibiotiki na utaratibu maalum wa maumbile unaohusika katika uwezo wa kukusanya na virulence. Hivi karibuni imekuwa mlolongo. (mikopo b: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH; data wadogo bar kutoka Matt Russell)

Aina zote za chakula zinaweza kuharibiwa na bakteria hatari ya aina tofauti. Mlipuko wa hivi karibuni wa Salmonella ulioripotiwa na CDC ilitokea katika vyakula tofauti kama siagi ya karanga, sprouts alfalfa, na mayai.

KAZI KATIKA ACTION: Epidemiologist

Epidemiolojia ni utafiti wa tukio, usambazaji, na vigezo vya afya na magonjwa katika idadi ya watu. Kwa hiyo, ni kuhusiana na afya ya umma. Daktari wa magonjwa huchunguza mzunguko na usambazaji wa magonjwa ndani ya watu na mazingira.

Wataalamu wa magonjwa hukusanya data kuhusu ugonjwa fulani na kufuatilia kuenea kwake ili kutambua hali ya awali ya maambukizi. Wakati mwingine hufanya kazi kwa ushirikiano wa karibu na wanahistoria kujaribu kuelewa jinsi ugonjwa ulivyobadilika kijiografia na baada ya muda, kufuatilia historia ya asili ya vimelea. Wanakusanya taarifa kutoka kwa rekodi za kliniki, mahojiano ya mgonjwa, na njia nyingine yoyote inapatikana. Taarifa hiyo hutumiwa kuendeleza mikakati na kubuni sera za afya ya umma ili kupunguza matukio ya ugonjwa au kuzuia kuenea kwake. Wataalamu wa magonjwa pia hufanya uchunguzi wa haraka katika kesi ya kuzuka ili kupendekeza hatua za haraka za kuidhibiti.

Epidemiologists kawaida wana elimu ya ngazi ya kuhitimu. Daktari wa magonjwa mara nyingi ana shahada ya kwanza katika uwanja fulani na shahada ya bwana katika afya ya umma (MPH). Epidemiologists wengi pia ni madaktari (na wana MD) au wana PhD katika uwanja unaohusishwa, kama vile biolojia au epidemiolojia.

Prokaryotes yenye manufaa

Sio prokaryotes zote ni pathogenic. Kinyume chake, vimelea vinawakilisha asilimia ndogo tu ya utofauti wa ulimwengu wa microbial. Kwa kweli, maisha yetu na maisha yote katika sayari hii hayakuwezekana bila prokaryotes.

Prokaryotes, na Vyakula na Vinywaji

Kwa mujibu wa Mkataba wa Umoja wa Mataifa kuhusu Utofauti wa Biolojia, bioteknolojia ni “maombi yoyote ya kiteknolojia ambayo hutumia mifumo ya kibiolojia, viumbe hai, au derivatives yake, kufanya au kurekebisha bidhaa au michakato kwa matumizi maalum.” ⁴ Dhana ya “matumizi maalum” inahusisha aina fulani ya maombi ya kibiashara. Uhandisi wa maumbile, uteuzi bandia, uzalishaji wa antibiotic, na utamaduni wa seli ni mada ya sasa ya utafiti katika teknolojia ya Hata hivyo, binadamu wametumia prokaryotes kuunda bidhaa kabla ya neno bioteknolojia hata kuundwa. Na baadhi ya bidhaa na huduma ni rahisi kama jibini, mtindi, sour cream, siki, sausage kutibiwa, sauerkraut, na vyakula vya baharini fermented ambayo ina bakteria na archaea (Kielelezo\(\PageIndex{8}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{8}\): Baadhi ya bidhaa inayotokana na matumizi ya prokaryotes katika teknolojia ya mapema ni pamoja na (a) jibini, (b) salami, (c) mtindi, na (d) mchuzi wa samaki. (mikopo b: mabadiliko ya kazi na Alisdair McDiarmid; mikopo c: mabadiliko ya kazi na Kris Miller; mikopo d: mabadiliko ya kazi na Jane Whitney)

Uzalishaji wa jibini ulianza karibu miaka 4,000 iliyopita wakati binadamu walianza kuzaliana wanyama na kutengeneza maziwa yao. Ushahidi unaonyesha kwamba bidhaa za maziwa zilizopandwa, kama mtindi, zimekuwepo kwa angalau miaka 4,000.

Kutumia Prokaryotes Kusafisha Sayari Yetu: Bioremediation

Bioremediation ya microbial ni matumizi ya prokaryotes (au kimetaboliki ya microbial) ili kuondoa uchafuzi. Bioremediation imetumika kuondoa kemikali za kilimo (dawa za wadudu na mbolea) ambazo huchuja kutoka kwenye udongo hadi chini ya ardhi. Baadhi ya metali za sumu, kama vile seleniamu na misombo ya arsenic, zinaweza pia kuondolewa kutoka kwa maji kwa bioremediation. Kupunguza kwa\(\ce{SeO^{2−}3}\) na\(\ce{SeO^{2−}4}\) kwa Se ⁰ (seleniamu ya metali) ni njia inayotumiwa kuondoa ioni za seleniamu kutoka kwa maji. Mercury ni mfano wa chuma cha sumu ambacho kinaweza kuondolewa kutoka kwenye mazingira kwa bioremediation. Mercury ni kiungo cha kazi cha dawa za dawa; hutumika katika sekta na pia ni matokeo ya viwanda fulani, kama vile uzalishaji wa betri. Mercury kwa kawaida huwa katika viwango vya chini sana katika mazingira ya asili lakini ni sumu kali kwa sababu hujilimbikiza katika tishu zilizo hai. Aina kadhaa za bakteria zinaweza kutekeleza biotransformation ya zebaki yenye sumu katika aina zisizo na sumu. Bakteria hizi, kama vile Pseudomonas aeruginosa, zinaweza kubadilisha Hg ²⁺ hadi Hg ⁰, ambayo haina sumu kwa wanadamu.

Pengine moja ya mifano muhimu zaidi na ya kuvutia ya matumizi ya prokaryotes kwa madhumuni ya bioremediation ni kusafishwa kwa maji ya mafuta. umuhimu wa prokaryotes kwa mafuta ya petroli bioremediation imekuwa alionyesha katika umwagikaji mafuta kadhaa katika miaka ya hivi karibuni, kama vile Exxon Valdez kumwagika katika Alaska (1989) (Kielelezo\(\PageIndex{9}\)), Prestige mafuta kumwagika katika Hispania (2002), kumwagika katika Mediterranean kutoka Lebanon nguvu kupanda (2006,) na hivi karibuni , BP mafuta kumwagika katika Ghuba ya Mexico (2010). Ili kusafisha uharibifu huu, bioremediation inakuzwa kwa kuongeza virutubisho isokaboni ambavyo husaidia bakteria tayari kuwepo katika mazingira kukua. Bakteria ya uharibifu wa hidrokaboni hulisha hidrokaboni katika droplet ya mafuta, kuivunja katika misombo ya isokaboni. Baadhi ya spishi, kama vile Alcanivorax borkumensis, huzalisha surfactants kwamba solubilize mafuta, wakati bakteria nyingine kuharibu mafuta kuwa dioksidi kaboni. Katika kesi ya kumwagika mafuta katika bahari, unaoendelea, bioremediation asili huelekea kutokea, kama vile kuna bakteria ya kuteketeza mafuta katika bahari kabla ya kumwagika. Chini ya hali nzuri, imeripotiwa kuwa hadi asilimia 80 ya vipengele visivyo na nguvu katika mafuta vinaweza kuharibiwa ndani ya mwaka 1 wa kumwagika. Vipande vingine vya mafuta vyenye minyororo yenye kunukia na yenye matawi ya hidrokaboni ni vigumu zaidi kuondoa na kubaki katika mazingira kwa muda mrefu zaidi. Watafiti na vinasaba bakteria nyingine ya kula mafuta ya petroli; kwa kweli, kwanza patent maombi kwa ajili ya maombi bioremediation katika Marekani ilikuwa kwa ajili ya vinasaba mafuta kula bakteria.

Kielelezo\(\PageIndex{9}\): (a) Kusafisha mafuta baada ya kumwagika Valdez katika Alaska, wafanyakazi hosed mafuta kutoka fukwe na kisha kutumika boom yaliyo kwa corral mafuta, ambayo hatimaye skimmed kutoka uso maji. Aina fulani za bakteria zinaweza kufuta na kuharibu mafuta. (b) Moja ya matokeo mabaya zaidi ya uharibifu wa mafuta ni uharibifu wa wanyama. (mikopo a: mabadiliko ya kazi na NOAA; mikopo b: mabadiliko ya kazi na GOLUBENKOV, NGO: Kuokoa Taman)

Prokaryotes ndani na juu ya Mwili

Binadamu sio ubaguzi linapokuja suala la kutengeneza mahusiano ya usawa na prokaryotes. Tumezoea kufikiri wenyewe kama viumbe moja, lakini kwa kweli, tunatembea mazingira. Kuna mara 10 hadi 100 seli nyingi za bakteria na archaeal zinazoishi miili yetu kama tuna seli katika miili yetu. Baadhi ya haya ni katika uhusiano wa manufaa na sisi, ambapo jeshi la binadamu na bakteria hufaidika, wakati baadhi ya mahusiano yanawekwa kama commensalism, aina ya uhusiano ambao bakteria hufaidika na jeshi la binadamu hajafaidika wala kuumiza.

Binadamu gut flora anaishi katika utumbo mkubwa na lina mamia ya aina ya bakteria na archaea, na watu tofauti zenye aina mbalimbali mixes. Neno “flora,” ambalo kwa kawaida huhusishwa na mimea, kwa kawaida hutumika katika muktadha huu kwa sababu bakteria ziliwahi kuainishwa kama mimea. Kazi za msingi za prokaryotes hizi kwa binadamu zinaonekana kuwa kimetaboliki ya molekuli ya chakula ambayo hatuwezi kuvunja, msaada na ngozi ya ions na koloni, awali ya vitamini K, mafunzo ya mfumo wa kinga ya watoto wachanga, matengenezo ya mfumo wa kinga ya watu wazima, matengenezo ya epithelium ya tumbo kubwa, na malezi ya kizuizi kinga dhidi ya vimelea.

Upeo wa ngozi pia umevikwa na prokaryotes. Nyuso tofauti za ngozi, kama vile vidonda, kichwa, na mikono, hutoa makazi tofauti kwa jamii tofauti za prokaryotes. Tofauti na flora ya gut, majukumu ya manufaa ya flora ya ngozi hayajajifunza vizuri. Hata hivyo, tafiti chache zilizofanywa hadi sasa zimetambua bakteria zinazozalisha misombo ya antimicrobial kama pengine inayohusika na kuzuia maambukizi na bakteria ya pathogenic.

Watafiti wanajifunza kikamilifu mahusiano kati ya magonjwa mbalimbali na mabadiliko ya muundo wa flora ya microbial ya binadamu. Baadhi ya kazi hii inafanywa na Mradi wa Binadamu Microbiome, unaofadhiliwa nchini Marekani na Taasisi za Taifa za Afya.

Muhtasari wa sehemu

Prokaryotes ilikuwepo kwa mabilioni ya miaka kabla ya mimea na wanyama kuonekana. Mikeka ya microbial inadhaniwa kuwakilisha aina za mwanzo za maisha duniani, na kuna ushahidi wa mafuta, unaoitwa stromatolites, wa uwepo wao kuhusu miaka bilioni 3.5 iliyopita. Katika miaka ya kwanza ya bilioni 2, anga ilikuwa anoxic na viumbe vya anaerobic tu waliweza kuishi. Cyanobacteria ilianza oksijeni ya anga. Kuongezeka kwa mkusanyiko wa oksijeni kuruhusiwa mageuzi ya aina nyingine za maisha.

Prokaryotes (domains Archaea na Bakteria) ni viumbe single-seli kukosa kiini. Wana kipande kimoja cha DNA ya mviringo katika eneo la nucleoid ya seli. Prokaryotes nyingi zina ukuta wa seli nje ya utando wa plasma. Bakteria na Archaea hutofautiana katika nyimbo za membrane zao za seli na sifa za kuta zao za seli.

Ukuta wa seli za bakteria zina peptidoglycan. Kuta za kiini za Archaean hazina peptidoglycan. Bakteria inaweza kugawanywa katika makundi mawili makuu: Gram-chanya na Gram-hasi. Viumbe vya Gram-chanya vina ukuta wa seli nene. Viumbe vya Gramu-hasi vina ukuta mwembamba wa seli na utando wa nje. Prokaryotes hutumia vyanzo mbalimbali vya nishati kukusanyika macromolecules kutoka molekuli ndogo. Phototrophs hupata nishati zao kutoka jua, wakati chemotrophs hupata kutoka kwa misombo ya kemikali.

Magonjwa ya kuambukiza yanayosababishwa na bakteria yanabaki kati ya sababu za kuongoza za kifo duniani kote. Matumizi makubwa ya antibiotics kudhibiti maambukizi ya bakteria yamesababisha aina sugu za bakteria zichaguliwe. Magonjwa ya chakula yanatokana na matumizi ya chakula kilichochafuliwa, bakteria ya pathogenic, virusi, au vimelea vinavyochafua chakula. Prokaryotes hutumiwa katika bidhaa za chakula cha binadamu. Bioremediation ya microbial ni matumizi ya kimetaboliki ya microbial ili kuondoa uchafuzi. Mwili wa binadamu una jumuiya kubwa ya prokaryotes, nyingi ambazo hutoa huduma za manufaa kama vile maendeleo na matengenezo ya mfumo wa kinga, lishe, na ulinzi kutoka kwa vimelea.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{5}\): Ni ipi kati ya kauli zifuatazo ni kweli?

1. Bakteria ya Gram-chanya ina ukuta wa seli moja inayotengenezwa kutoka peptidoglycan.
2. Bakteria ya Gram-chanya ina utando wa nje.
3. Ukuta wa seli ya bakteria ya Gram-hasi ni nene, na ukuta wa seli ya bakteria ya Gram-chanya ni nyembamba.
4. Bakteria ya Gramu-hasi wana ukuta wa seli uliofanywa na peptidoglycan, wakati bakteria ya Gram-chanya zina ukuta wa seli uliofanywa na phospholipids.

Jibu

A

maelezo ya chini

1. 1 Papagrigorakis M. J., Synodinos P. N., Yapijakis C, “Kale ugonjwa wa matumbo inaonyesha uwezekano mababu aina ya Salmonella enterica serovar Typhi, Kuambukiza Genet Evol 7 (2007): 126-7.
2. 2 Naimi, T. S., LeDell, K. H., Como-Sabetti, K., et al., “Kulinganisha jamii- na huduma za afya zinazohusiana methicillin sugu Staphylococcus aureus maambukizi, "JAMA 290 (2003): 2976-2984, doi: 10.1001/jama.290.22.2976.
3. 3 http://www.cdc.gov/ecoli/2006/september, Vituo vya Kudhibiti na Kuzuia Magonjwa, “Multi-state kuzuka kwa E. coli O157:H7 maambukizi kutoka mchicha,” Septemba-Oktoba (2006).
4. 4 http://www.cbd.int/convention/articl...cles/? a=cbd-02, Mkataba wa Umoja wa Mataifa juu ya Utofauti wa Biolojia, “Ibara ya 2: Matumizi ya Masharti.”

faharasa

anaerobic

inahusu viumbe vinavyokua bila oksijeni

ya kukosa sumu

bila oksijeni

biofilm

jamii microbial kwamba ni uliofanyika pamoja na tumbo gummy-textured

bioremediation

matumizi ya kimetaboliki microbial kuondoa uchafuzi

nyeusi kifo

janga kubwa ambalo linaaminika kuwa limekuwa kuzuka kwa pigo la bubonic linalosababishwa na bakteria Yersinia pestis

ubotuli

ugonjwa unaozalishwa na sumu ya bakteria ya anaerobic Clostridium botulinum

kidonge

muundo wa nje unaowezesha prokaryote kuunganisha kwenye nyuso na kuilinda kutokana na maji mwilini

uchanganuzi

uhusiano wa kimapenzi ambao mwanachama mmoja anafaidika wakati mwanachama mwingine haathiriwa

kunyambua

mchakato ambao prokaryotes huhamisha DNA kutoka kwa mtu mmoja hadi mwingine kwa kutumia pilus

sianobakteria

bakteria kwamba tolewa kutoka phototrophs mapema na oksijeni anga; pia inajulikana kama mwani bluu-kijani

janga

ugonjwa ambao hutokea kwa idadi isiyo ya kawaida ya watu katika idadi ya watu kwa wakati mmoja

mwendo wa mwisho

kiumbe kinachokua chini ya hali mbaya au ngumu

ugonjwa wa chakula

ugonjwa wowote unaosababishwa na matumizi ya chakula kilichochafuliwa, au bakteria ya pathogenic, virusi, au vimelea vingine vinavyochafua chakula

Gramu-hasi

inaelezea bakteria ambayo ukuta wa seli ina peptidoglycan kidogo lakini ina utando wa nje

Gram-chanya

inaelezea bakteria ambayo ina hasa peptidoglycan katika kuta zake za seli

hydrothermal hewa

fissure katika uso wa dunia kwamba releases maji geothermally moto

kitanda cha microbial

karatasi mbalimbali layered ya prokaryotes ambayo ni pamoja na bakteria na archaea

MRSA

(Methicillin sugu Staphylococcus aureus) Staphylococcus aureus hatari sana sugu kwa antibiotics

janga

kuenea, kwa kawaida duniani kote, ugonjwa wa janga

pathojeni

viumbe, au wakala wa kuambukiza, ambayo husababisha ugonjwa

peptidoglycan

vifaa linajumuisha minyororo polysaccharide msalaba-wanaohusishwa na peptidi kawaida

phototrophy

kiumbe kinachotumia nishati kutoka jua

pseudopeptidoglycan

sehemu ya kuta za seli za Archaea

stromatolite

muundo wa sedimentary uliojengwa na mvua ya madini na prokaryotes katika mikeka ya microbial

transduction

mchakato ambao bacteriophage husababisha DNA kutoka kwa prokaryote moja hadi nyingine

mabadiliko

utaratibu wa mabadiliko ya maumbile katika prokaryotes ambayo DNA iliyopo katika mazingira inachukuliwa ndani ya seli na kuingizwa katika genome

Wachangiaji na Majina

• Template:ContribOpenStaxConcepts