تنوع بدائيات النوى

لقد وفر ظهور تسلسل الحمض النووي (DNA) رؤى هائلة حول علاقات بدائيات النوى وأصولها، وهو ما لم يكن ممكنًا باستخدام طرق التصنيف التقليدية. حددت رؤية رئيسية مجموعتين من بدائيات النوى وُجد أنهما مختلفتان عن بعضهما البعض بقدر اختلافهما عن حقيقيات النوى. أجبر هذا الاعتراف بتنوع بدائيات النوى على فهم جديد لتصنيف جميع أشكال الحياة وقربنا من فهم العلاقات الأساسية لجميع الكائنات الحية، بما في ذلك نحن.

الحياة المبكرة على الأرض

متى وأين بدأت الحياة؟ ما هي الظروف التي كانت سائدة على الأرض عندما بدأت الحياة؟ كانت بدائيات النوى أول أشكال الحياة على الأرض، ووجدت لمليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. يبلغ عمر الأرض حوالي 4.54 مليار سنة. يستند هذا التقدير إلى أدلة من تأريخ مادة النيازك، حيث إن صخور السطح على الأرض ليست قديمة مثل الأرض نفسها. خضعت معظم الصخور المتاحة على الأرض لتغيرات جيولوجية تجعلها أحدث من الأرض نفسها. تتكون بعض النيازك من المادة الأصلية في القرص الشمسي الذي شكل أجسام النظام الشمسي، ولم تتغير بفعل العمليات التي غيرت الصخور على الأرض. وبالتالي، فإن عمر النيازك مؤشر جيد لعمر تشكل الأرض. تم الحصول على التقدير الأصلي البالغ 4.54 مليار سنة بواسطة Clair Patterson في عام 1956. وقد تم تأكيد عمله الدقيق منذ ذلك الحين من خلال أعمار محددة من مصادر أخرى، وكلها تشير إلى عمر للأرض يبلغ حوالي 4.54 مليار سنة.

كانت الأرض المبكرة تتمتع بغلاف جوي مختلف تمامًا عما هو عليه اليوم. تشير الأدلة إلى أنه خلال أول 2 مليار سنة من وجود الأرض، كان الغلاف الجوي لاأكسجيني (anoxic)، مما يعني عدم وجود الأكسجين. لذلك، لم تتمكن من العيش سوى الكائنات الحية التي يمكنها النمو بدون أكسجين—الكائنات اللاهوائية (anaerobic). تسمى الكائنات الحية التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية ضوئيات التغذية (phototrophs). ظهرت الكائنات الضوئية التغذية التي تتطلب مصدرًا عضويًا للكربون في غضون مليار سنة من تشكل الأرض. ثم تطورت البكتيريا الزرقاء (cyanobacteria)، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة، من هذه الضوئيات التغذية البسيطة بعد مليار سنة. البكتيريا الزرقاء قادرة على استخدام ثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون. بدأت البكتيريا الزرقاء (شكل 13.2) أكسجة الغلاف الجوي. سمحت الزيادة في تركيز الأكسجين بتطور أشكال حياة أخرى.

شكل 13.2 يتدفق هذا النبع الساخن في حديقة يلوستون الوطنية نحو المقدمة. تكون البكتيريا الزرقاء في النبع خضراء، ومع تدفق الماء عبر تدرج الحرارة، تزداد شدة اللون بسبب زيادة كثافة الخلايا. الماء أبرد عند حواف المجرى منه في المركز، مما يجعل الحواف تبدو أكثر اخضرارًا. (المصدر: غراسييلا بريلز-مارينو)

قبل أن يصبح الغلاف الجوي مؤكسجًا، تعرض الكوكب لإشعاع قوي؛ وبالتالي، كانت الكائنات الحية الأولى ستزدهر حيث كانت أكثر حماية، مثل أعماق المحيطات أو تحت سطح الأرض. في هذا الوقت أيضًا، كان النشاط البركاني القوي شائعًا على الأرض، لذلك من المحتمل أن هذه الكائنات الحية الأولى—بدائيات النوى الأولى—كانت متكيفة مع درجات الحرارة العالية جدًا. هذه ليست البيئات المعتدلة النموذجية التي تزدهر فيها معظم أشكال الحياة اليوم؛ وبالتالي، يمكننا أن نستنتج أن الكائنات الحية الأولى التي ظهرت على الأرض كانت على الأرجح قادرة على تحمل الظروف القاسية.

قد تمثل الحصائر الميكروبية أقدم أشكال الحياة على الأرض، وهناك أدلة أحفورية على وجودها، بدءًا من حوالي 3.5 مليار سنة مضت. الحصيرة الميكروبية (microbial mat) هي غشاء حيوي كبير، طبقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى (شكل 13.3أ)، تتضمن في الغالب البكتيريا، ولكن أيضًا العتائق. يبلغ سمك الحصائر الميكروبية بضعة سنتيمترات، وتنمو عادة على الأسطح الرطبة. تقوم أنواعها المختلفة من بدائيات النوى بتنفيذ مسارات أيضية مختلفة، ولهذا السبب، تعكس ألوانًا متنوعة. تتماسك بدائيات النوى في الحصيرة الميكروبية بواسطة مادة صمغية تفرزها.

من المرجح أن الحصائر الميكروبية الأولى حصلت على طاقتها من الفوهات الحرارية المائية. الفوهة الحرارية المائية (hydrothermal vent) هي شق في سطح الأرض يطلق مياهًا ساخنة حراريًا أرضيًا. مع تطور عملية التمثيل الضوئي قبل حوالي 3 مليارات سنة، بدأت بعض بدائيات النوى في الحصائر الميكروبية في استخدام مصدر طاقة متاح على نطاق أوسع—ضوء الشمس—بينما ظل البعض الآخر يعتمد على المواد الكيميائية من الفوهات الحرارية المائية للحصول على الغذاء.

شكل 13.3 (أ) تنمو هذه الحصيرة الميكروبية فوق فوهة حرارية مائية في المحيط الهادئ. تسمح المداخن مثل تلك المشار إليها بالسهم للغازات بالهروب. (ب) تُظهر هذه الصورة ستروماتوليتات يبلغ عمرها ما يقرب من 1.5 مليار سنة، وُجدت في حديقة غلاسير الوطنية، مونتانا. (المصدر أ: تعديل لعمل الدكتور بوب إمبلي، NOAA PMEL؛ المصدر ب: تعديل لعمل بي. كارارا، NPS)

تمثل الحصائر الميكروبية المتحجرة أقدم سجل للحياة على الأرض. الستروماتوليت (stromatolite) هو تركيب رسوبي يتشكل عندما تترسب المعادن من الماء بواسطة بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية (شكل 13.3ب). تشكل الستروماتوليتات صخورًا طبقية مصنوعة من الكربونات أو السيليكات. على الرغم من أن معظم الستروماتوليتات هي آثار من الماضي، إلا أن هناك أماكن على الأرض لا تزال تتشكل فيها الستروماتوليتات. على سبيل المثال، عُثر على ستروماتوليتات حية في متنزه أنزا-بوريغو الصحراوي الحكومي في مقاطعة سان دييغو، كاليفورنيا. قد يكون للجهود المبذولة لفهم أقدم الحصائر الميكروبية آثار أيضًا على البحث عن الحياة في أماكن أخرى. نورا نوفكي، التي حددت العديد من السمات المستخدمة في تأريخ وتصنيف التراكيب الرسوبية المنتجة ميكروبيًا، تؤكد أن تشكيلات مماثلة يمكن استخدامها للعثور على أدلة على الحياة على المريخ. عند تحليل الصور التي التقطتها مركبة NASA Curiosity، عرضت نوفكي أوجه التشابه بين الحصائر الميكروبية المتحجرة الموجودة على الكوكبين.

بعض بدائيات النوى قادرة على الازدهار والنمو في ظروف قد تقتل نباتًا أو حيوانًا. تسمى البكتيريا والعتائق التي تنمو في الظروف القاسية كائنات محبة للظروف القاسية (extremophiles)، أي "محبي الظروف القصوى". عُثر على الكائنات المحبة للظروف القاسية في بيئات قاسية من جميع الأنواع، بما في ذلك أعماق المحيطات، والينابيع الساخنة، والقطب الشمالي والقطب الجنوبي، والأماكن شديدة الجفاف، وأعماق الأرض، والبيئات الكيميائية القاسية، وبيئات الإشعاع العالي. تمنحنا الكائنات المحبة للظروف القاسية فهمًا أفضل لتنوع بدائيات النوى وتفتح إمكانية اكتشاف أدوية علاجية جديدة أو تطبيقات صناعية. كما أنها فتحت إمكانية العثور على حياة في أماكن أخرى في النظام الشمسي، والتي تتميز ببيئات أقسى من تلك الموجودة عادة على الأرض. العديد من هذه الكائنات المحبة للظروف القاسية لا تستطيع البقاء على قيد الحياة في البيئات المعتدلة.

رابط للتعلم

اقرأ هذا النص لعالم ناسا Richard Hoover وهو يناقش الآثار المترتبة على وجود الكائنات المحبة للظروف القاسية على الأرض فيما يتعلق بإمكانية العثور على حياة على كواكب أخرى في نظامنا الشمسي، مثل المريخ.

الأغشية الحيوية

حتى عقدين من الزمن، كان علماء الأحياء الدقيقة يعتقدون أن بدائيات النوى كيانات معزولة تعيش منفصلة. لكن هذا النموذج لا يعكس البيئة الحقيقية لبدائيات النوى، فمعظمها يفضل العيش في مجتمعات حيث يمكنها التفاعل. الغشاء الحيوي (biofilm) هو مجتمع ميكروبي متماسك في مصفوفة ذات نسيج صمغي، تتكون أساسًا من عديدات السكاريد التي تفرزها الكائنات الحية، بالإضافة إلى بعض البروتينات والأحماض النووية. تنمو الأغشية الحيوية ملتصقة بالأسطح. تتكون بعض أفضل الأغشية الحيوية المدروسة من بدائيات النوى، على الرغم من وصف أغشية فطرية حيوية أيضًا.

توجد الأغشية الحيوية في كل مكان تقريبًا. إنها تسبب انسداد الأنابيب وتستعمر الأسطح بسهولة في البيئات الصناعية. لقد لعبت أدوارًا في تفشيات واسعة النطاق حديثة لتلوث الطعام البكتيري. تستعمر الأغشية الحيوية أيضًا الأسطح المنزلية، مثل أسطح المطابخ، وألواح التقطيع، والأحواض، والمراحيض.

التفاعلات بين الكائنات الحية التي تسكن الغشاء الحيوي، جنبًا إلى جنب مع بيئتها الواقية، تجعل هذه المجتمعات أكثر قوة من بدائيات النوى الحرة المعيشة أو العوالق. بشكل عام، من الصعب جدًا تدمير الأغشية الحيوية، لأنها مقاومة للعديد من أشكال التعقيم الشائعة.

خصائص بدائيات النوى

هناك العديد من الاختلافات بين الخلايا بدائية النوى وحقيقية النوى. ومع ذلك، فإن جميع الخلايا لديها أربعة تراكيب مشتركة: غشاء بلازمي يعمل كحاجز للخلية ويفصلها عن بيئتها؛ سيتوبلازم، وهي مادة شبيهة بالهلام داخل الخلية؛ مادة وراثية (DNA و RNA)؛ وريبوسومات، حيث تتم عملية تخليق البروتين. تأتي بدائيات النوى بأشكال مختلفة، ولكن العديد منها يندرج ضمن ثلاث فئات: مكورات (كروية)، عصيات (عصوية الشكل)، وحلزونات (حلزونية الشكل) (شكل 13.4).

شكل 13.4 تندرج العديد من بدائيات النوى ضمن ثلاث فئات أساسية بناءً على شكلها: (أ) مكورات، أو كروية؛ (ب) عصيات، أو عصوية الشكل؛ و (ج) حلزونات، أو حلزونية الشكل. (المصدر أ: تعديل لعمل جانيس هاني كار، الدكتور ريتشارد فاكلام، CDC؛ المصدر ج: تعديل لعمل الدكتور ديفيد كوكس، CDC؛ بيانات مقياس الرسم من مات راسل)

الخلية بدائية النواة

تذكر أن بدائيات النوى (شكل 13.5) هي كائنات وحيدة الخلية تفتقر إلى العضيات المحاطة بأغشية. لذلك، ليس لديها نواة بل لديها صبغي واحد—قطعة من الحمض النووي الدائري تقع في منطقة من الخلية تسمى المنطقة النووية. تمتلك معظم بدائيات النوى جدارًا خلويًا يقع خارج الغشاء البلازمي. تختلف التركيبات الكيميائية للجدران الخلوية بشكل كبير بين نطاقي البكتيريا والعتائق (وتختلف جدرانها الخلوية أيضًا عن جدران الخلايا حقيقية النوى الموجودة في النباتات والفطريات). يعمل الجدار الخلوي كطبقة واقية وهو مسؤول عن شكل الكائن الحي. توجد بعض التراكيب الأخرى في بعض أنواع بدائيات النوى، ولكن ليس في جميعها. على سبيل المثال، تمكن المحفظة (capsule) الموجودة في بعض الأنواع الكائن الحي من الالتصاق بالأسطح وتحميه من الجفاف. قد تمتلك بعض الأنواع أيضًا أسواطًا (المفرد: سوط) تستخدم للحركة، وأهدابًا (المفرد: هدب) تستخدم للالتصاق بالأسطح وبالبكتيريا الأخرى من أجل الاقتران. البلازميدات، التي تتكون من قطع صغيرة دائرية من الحمض النووي خارج الصبغي الرئيسي، موجودة أيضًا في العديد من أنواع البكتيريا.

شكل 13.5 تُظهر الصورة ميزات خلية بكتيرية نموذجية.

كل من البكتيريا والعتائق هي أنواع من الخلايا بدائية النوى. تختلف في التركيب الدهني لأغشيتها الخلوية وفي خصائص جدرانها الخلوية. يمتلك كلا النوعين من بدائيات النوى نفس التراكيب الأساسية، ولكنها مبنية من مكونات كيميائية مختلفة تشكل دليلاً على انفصال قديم لسلالاتهما. يختلف الغشاء البلازمي للعتائق كيميائيًا عن الغشاء البكتيري؛ فبعض أغشية العتائق هي طبقات دهنية أحادية بدلاً من طبقات الفوسفوليبيد الثنائية.

الجدار الخلوي

الجدار الخلوي هو طبقة واقية تحيط ببعض الخلايا بدائية النوى وتمنحها الشكل والصلابة. يقع خارج الغشاء الخلوي ويمنع التحلل الأسموزي (الانفجار الناتج عن زيادة الحجم). تختلف التركيبات الكيميائية للجدران الخلوية بين العتائق والبكتيريا، وكذلك بين الأنواع البكتيرية. تحتوي جدران الخلايا البكتيرية على الببتيدوغليكان (peptidoglycan)، المكون من سلاسل عديد السكاريد المرتبطة عرضيًا بالببتيدات. تنقسم البكتيريا إلى مجموعتين رئيسيتين: إيجابية الغرام (Gram-positive) وسلبية الغرام (Gram-negative)، بناءً على تفاعلها مع إجراء يسمى صبغة غرام. تُعزى الاستجابات البكتيرية المختلفة لإجراء الصبغ إلى تركيب الجدار الخلوي. تمتلك الكائنات الحية إيجابية الغرام جدارًا سميكًا يتكون من عدة طبقات من الببتيدوغليكان. تمتلك البكتيريا سلبية الغرام جدارًا خلويًا أرق يتكون من بضع طبقات من الببتيدوغليكان وتراكيب إضافية، محاطة بغشاء خارجي (شكل 13.6).

ربط بصري

شكل 13.6 تنقسم البكتيريا إلى مجموعتين رئيسيتين: إيجابية الغرام وسلبية الغرام. تمتلك كلتا المجموعتين جدارًا خلويًا يتكون من الببتيدوغليكان: في البكتيريا إيجابية الغرام، يكون الجدار سميكًا، بينما في البكتيريا سلبية الغرام، يكون الجدار رقيقًا. في البكتيريا سلبية الغرام، يحيط بالجدار الخلوي غشاء خارجي.

أي العبارات التالية صحيحة؟

1. البكتيريا إيجابية الغرام لها جدار خلوي واحد يتكون من الببتيدوغليكان.
2. البكتيريا إيجابية الغرام لها غشاء خارجي.
3. الجدار الخلوي للبكتيريا سلبية الغرام سميك، والجدار الخلوي للبكتيريا إيجابية الغرام رقيق.
4. البكتيريا سلبية الغرام لها جدار خلوي مصنوع من الببتيدوغليكان، بينما البكتيريا إيجابية الغرام لها جدار خلوي مصنوع من الفوسفوليبيدات.

جدران الخلايا العتائقية لا تحتوي على الببتيدوغليكان. هناك أربعة أنواع مختلفة من جدران الخلايا العتائقية. يتكون أحد الأنواع من ببتيدوغليكان كاذب (pseudopeptidoglycan). الأنواع الثلاثة الأخرى من جدران الخلايا تحتوي على عديدات السكاريد، والبروتينات السكرية، وبروتينات الطبقة السطحية المعروفة باسم طبقات S.

التكاثر

التكاثر في بدائيات النوى لاجنسي في المقام الأول ويتم عن طريق الانشطار الثنائي. تذكر أن الحمض النووي لبدائي النواة يوجد عادة كصبغي دائري واحد. بدائيات النوى لا تخضع للانقسام المتساوي. بدلاً من ذلك، يتم تضاعف حلقة الصبغي، وتتحرك النسختان الناتجتان الملتصقتان بالغشاء البلازمي بعيدًا عن بعضهما البعض مع نمو الخلية في عملية تسمى الانشطار الثنائي. يتم قرص بدائي النواة، الذي أصبح الآن متضخمًا، إلى الداخل عند خط استوائه، وتنفصل الخليتان الناتجتان، وهما نسختان متطابقتان. لا يوفر الانشطار الثنائي فرصة لإعادة التركيب الجيني، ولكن بدائيات النوى يمكنها تغيير تركيبها الجيني بثلاث طرق.

لا يوفر الانشطار الثنائي كطريقة للتكاثر فرصة لإعادة التركيب الجيني وزيادة التباين الوراثي. ومع ذلك، يمكن لبدائيات النوى تغيير تركيبها الجيني بثلاث آليات للحصول على الحمض النووي الخارجي. في عملية تسمى التحول (transformation)، تأخذ الخلية الحمض النووي الموجود في بيئتها والذي تطلقه بدائيات نوى أخرى، حية أو ميتة. مسبب المرض (pathogen) هو كائن حي يسبب مرضًا. إذا التقطت بكتيريا غير مسببة للمرض حمضًا نوويًا من مسبب مرض وأدمجت الحمض النووي الجديد في صبغيها الخاص، فقد تصبح هي أيضًا مسببة للمرض. في التنبيغ (transduction)، تنقل العاثيات، وهي الفيروسات التي تصيب البكتيريا، الحمض النووي من بكتيريا إلى أخرى. تمتلك العتائق مجموعة مختلفة من الفيروسات التي تصيبها وتنقل المواد الوراثية من فرد إلى آخر. أثناء الاقتران (conjugation)، يتم نقل الحمض النووي من بدائي نواة إلى آخر بواسطة هدب يجمع الكائنات الحية مع بعضها البعض. الحمض النووي المنقول عادة ما يكون بلازميدًا، ولكن يمكن أيضًا نقل أجزاء من الصبغي.

يمكن أن تكون دورات الانشطار الثنائي سريعة جدًا، في حدود الدقائق لبعض الأنواع. يؤدي هذا الوقت القصير للجيل، مقترنًا بآليات إعادة التركيب الجيني، إلى التطور السريع لبدائيات النوى، مما يسمح لها بالاستجابة للتغيرات البيئية (مثل إدخال مضاد حيوي) بسرعة كبيرة.

كيف تحصل بدائيات النوى على الطاقة والكربون

بدائيات النوى هي كائنات حية متنوعة أيضيًا. تشغل بدائيات النوى العديد من المواقع البيئية على الأرض، بما في ذلك المشاركة في دورات المغذيات مثل دورات النيتروجين والكربون، وتحليل الكائنات الميتة، والنمو والتكاثر داخل الكائنات الحية، بما في ذلك البشر. يمكن لبدائيات النوى المختلفة استخدام مصادر طاقة مختلفة لتجميع الجزيئات الضخمة من جزيئات أصغر. تحصل ضوئيات التغذية على طاقتها من ضوء الشمس. تحصل كيميائيات التغذية على طاقتها من المركبات الكيميائية.

الأمراض البكتيرية في البشر

لقد أثرت الأمراض والأوبئة المدمرة التي تنقلها مسببات الأمراض، سواء كانت فيروسية أو بكتيرية بطبيعتها، ولا تزال تؤثر على البشر. تجدر الإشارة إلى أن جميع بدائيات النوى المسببة للأمراض هي بكتيريا؛ لا توجد عتائق مسببة للأمراض معروفة في البشر أو أي كائن حي آخر. تطورت الكائنات المسببة للأمراض جنبًا إلى جنب مع البشر. في الماضي، لم يكن السبب الحقيقي لهذه الأمراض مفهومًا، واعتقدت بعض الثقافات أن الأمراض كانت عقابًا روحيًا أو أخطأت في الأسباب المادية. بمرور الوقت، أدرك الناس أن الابتعاد عن الأشخاص المصابين، وتحسين الصرف الصحي، والتخلص السليم من جثث ومتعلقات ضحايا الأمراض يقلل من فرص إصابتهم بالمرض.

منظور تاريخي

توجد سجلات للأمراض المعدية تعود إلى 3,000 قبل الميلاد. تم توثيق عدد من الجوائح (pandemics) الهامة التي سببتها البكتيريا على مدى عدة مئات من السنين. أدت بعض أكبر الجوائح إلى تدهور المدن والثقافات. كان العديد منها أمراضًا حيوانية المصدر ظهرت مع تدجين الحيوانات، كما في حالة السل. المرض الحيواني المصدر هو مرض يصيب الحيوانات ولكن يمكن أن ينتقل من الحيوانات إلى البشر.

لا تزال الأمراض المعدية من بين الأسباب الرئيسية للوفاة في جميع أنحاء العالم. تأثيرها أقل أهمية في العديد من الدول المتقدمة، لكنها عوامل مهمة لتحديد الوفيات في الدول النامية. لقد ساهم تطوير المضادات الحيوية كثيرًا في تقليل معدلات الوفيات الناجمة عن العدوى البكتيرية، ولكن الوصول إلى المضادات الحيوية ليس عالميًا، وقد أدى الإفراط في استخدام المضادات الحيوية إلى تطور سلالات بكتيرية مقاومة. لقد حققت جهود الصرف الصحي العام التي تتخلص من مياه الصرف الصحي وتوفر مياه الشرب النظيفة قدرًا مماثلاً أو أكثر من التقدم الطبي في منع الوفيات الناجمة عن العدوى البكتيرية.

في عام 430 قبل الميلاد، قتلت طاعون أثينا ربع القوات الأثينية التي كانت تقاتل في الحرب البيلوبونيسية الكبرى. قتل المرض ربع سكان أثينا خلال أكثر من 4 سنوات وأضعف هيمنة أثينا وقوتها. ربما تم تحديد مصدر الطاعون مؤخرًا عندما تمكن باحثون من جامعة أثينا من تحليل الحمض النووي من أسنان استُخرجت من مقبرة جماعية. حدد العلماء تسلسلات نيوكليوتيدية من بكتيريا مسببة للأمراض تسبب حمى التيفوئيد.1

من عام 541 إلى 750 ميلادي، قضى تفشي مرض يسمى طاعون Justinian (الذي يُرجح أنه طاعون دبلي) على ما يقدر بربع إلى نصف السكان البشريين. انخفض عدد السكان في أوروبا بنسبة 50 بالمائة خلال هذا التفشي. لقد أهلك الطاعون الدبلي أوروبا أكثر من مرة.

كان أحد أكثر الجوائح تدميرًا هو الموت الأسود (Black Death) (من 1346 إلى 1361)، والذي يُعتقد أنه كان تفشيًا آخر للطاعون الدبلي الذي تسببت به بكتيريا Yersinia pestis. تحمل هذه البكتيريا بواسطة البراغيث التي تعيش على الفئران السوداء. خفض الموت الأسود عدد سكان العالم من حوالي 450 مليون إلى ما يقرب من 350 إلى 375 مليون نسمة. ضرب الطاعون الدبلي لندن بقوة مرة أخرى في منتصف القرن السابع عشر. لا يزال هناك ما يقرب من 1,000 إلى 3,000 حالة طاعون عالميًا كل عام. على الرغم من أن الإصابة بالطاعون الدبلي قبل المضادات الحيوية كانت تعني الموت شبه المؤكد، إلا أن البكتيريا تستجيب لعدة أنواع من المضادات الحيوية الحديثة، وأصبحت معدلات الوفيات الناجمة عن الطاعون منخفضة جدًا الآن.

على مر القرون، طور الأوروبيون مقاومة للعديد من الأمراض المعدية. ومع ذلك، جلب الغزاة الأوروبيون معهم بكتيريا وفيروسات مسببة للأمراض عندما وصلوا إلى نصف الكرة الغربي، مما أدى إلى تفشي أوبئة (epidemics) دمرت تمامًا سكان الأمريكيين الأصليين (الذين لم تكن لديهم مقاومة طبيعية للعديد من الأمراض الأوروبية).

أزمة المضادات الحيوية

كلمة مضاد حيوي تأتي من اليونانية anti، وتعني "ضد"، و bios، وتعني "الحياة". المضاد الحيوي هو مادة كيميائية تنتجها الكائنات الحية وتكون معادية لنمو الكائنات الحية الأخرى. غالبًا ما تتناول أخبار ووسائل الإعلام اليوم المخاوف بشأن أزمة المضادات الحيوية. هل أصبحت المضادات الحيوية التي كانت تستخدم لعلاج العدوى البكتيرية سهلة العلاج في الماضي قديمة؟ هل هناك "بكتيريا خارقة" جديدة—بكتيريا تطورت لتصبح أكثر مقاومة لترسانتنا من المضادات الحيوية؟ هل هذه بداية نهاية المضادات الحيوية؟ كل هذه الأسئلة تتحدى مجتمع الرعاية الصحية.

أحد الأسباب الرئيسية للبكتيريا المقاومة هو الإفراط في استخدام المضادات الحيوية والاستخدام غير الصحيح لها، مثل عدم إكمال دورة كاملة من المضادات الحيوية الموصوفة. يؤدي الاستخدام غير الصحيح للمضاد الحيوي إلى الانتخاب الطبيعي للأشكال المقاومة من البكتيريا. يقتل المضاد الحيوي معظم البكتيريا المسببة للعدوى، وبالتالي لا تبقى إلا الأشكال المقاومة. تتكاثر هذه الأشكال المقاومة، مما يؤدي إلى زيادة نسبة الأشكال المقاومة على غير المقاومة.

مشكلة أخرى هي الاستخدام المفرط للمضادات الحيوية في الثروة الحيوانية. الاستخدام الروتيني للمضادات الحيوية في علف الحيوانات يعزز مقاومة البكتيريا أيضًا. في الولايات المتحدة، يتم إطعام 70 بالمائة من المضادات الحيوية المنتجة للحيوانات. لا تستخدم المضادات الحيوية لمنع الأمراض، بل لتعزيز إنتاج منتجاتها.

المكورات العنقودية الذهبية (Staphylococcus aureus)، التي غالبًا ما تسمى "العنقودية"، هي بكتيريا شائعة يمكن أن تعيش في جسم الإنسان وعلى سطحه، وعادة ما تكون قابلة للعلاج بسهولة بالمضادات الحيوية. ومع ذلك، فقد تصدرت سلالة خطيرة جدًا الأخبار على مدى السنوات القليلة الماضية (شكل 13.7). هذه السلالة، المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين، Staphylococcus aureus (MRSA)، مقاومة للعديد من المضادات الحيوية الشائعة الاستخدام، بما في ذلك الميثيسيلين، الأموكسيسيلين، البنسلين، والأوكساسيلين. بينما كانت عدوى MRSA شائعة بين الأشخاص في مرافق الرعاية الصحية، فإنها تظهر بشكل أكثر شيوعًا لدى الأشخاص الأصحاء الذين يعيشون أو يعملون في مجموعات كثيفة (مثل الأفراد العسكريين والسجناء). ذكرت Journal of the American Medical Association أنه بين الأشخاص المصابين بـ MRSA في مرافق الرعاية الصحية، يبلغ متوسط العمر 68 عامًا، بينما يبلغ متوسط عمر الأشخاص المصابين بـ "community-associated MRSA" (CA-MRSA) 23 عامًا.2

شكل 13.7 تُظهر هذه الصورة المجهرية الإلكترونية الماسحة بكتيريا المكورات العنقودية الذهبية المقاومة للميثيسيلين (Staphylococcus aureus)، والمعروفة باسم MRSA. (المصدر: تعديل لعمل جانيس هاني كار، CDC؛ بيانات مقياس الرسم من مات راسل)

باختصار، يواجه المجتمع أزمة مضادات حيوية. يعتقد بعض العلماء أنه بعد سنوات من الحماية من العدوى البكتيرية بالمضادات الحيوية، قد نعود إلى زمن يمكن فيه لعدوى بكتيرية بسيطة أن تدمر السكان البشريين مرة أخرى. يعمل الباحثون على تطوير مضادات حيوية جديدة، ولكن القليل منها في طور التطوير الدوائي، ويستغرق الأمر سنوات عديدة لإنتاج دواء فعال ومعتمد.

الأمراض المنقولة بالغذاء

بدائيات النوى موجودة في كل مكان: إنها تستعمر بسهولة سطح أي نوع من المواد، والطعام ليس استثناءً. تفشيات العدوى البكتيرية المتعلقة باستهلاك الطعام شائعة. المرض المنقول بالغذاء (foodborne disease) (يُطلق عليه عامة "التسمم الغذائي") هو مرض ينتج عن استهلاك طعام ملوث ببكتيريا مسببة للأمراض، أو فيروسات، أو طفيليات أخرى. على الرغم من أن الولايات المتحدة لديها واحدة من أكثر الإمدادات الغذائية أمانًا في العالم، فقد أفاد مركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) أن "76 مليون شخص يمرضون، وأكثر من 300,000 يدخلون المستشفى، و5,000 أمريكي يموتون كل عام بسبب الأمراض المنقولة بالغذاء".3

تغيرت خصائص الأمراض المنقولة بالغذاء بمرور الوقت. في الماضي، كان من الشائع نسبيًا سماع عن حالات متفرقة من التسمم الوشيقي (botulism)، وهو مرض قد يكون مميتًا ينتج عن سم من بكتيريا Clostridium botulinum اللاهوائية. خلقت علبة أو جرة أو عبوة بيئة لاهوائية مناسبة حيث يمكن أن تنمو Clostridium. لقد أدت إجراءات التعقيم والتعليب السليمة إلى تقليل حدوث هذا المرض.

ترتبط معظم حالات الأمراض المنقولة بالغذاء الآن بالمنتجات الزراعية الملوثة بفضلات الحيوانات. على سبيل المثال، كانت هناك تفشيات خطيرة مرتبطة بالمنتجات الزراعية، مثل السبانخ النيئة في الولايات المتحدة وبراعم الخضروات في ألمانيا (شكل 13.8). تسبب تفشي السبانخ النيئة في عام 2006 ببكتيريا E. coli سلالة O157:H7. معظم سلالات E. coli ليست خطيرة بشكل خاص على البشر، (في الواقع، تعيش في أمعائنا الغليظة)، ولكن سلالة O157:H7 قد تكون قاتلة.

شكل 13.8 (أ) كانت براعم الخضروات المزروعة محليًا سبب تفشي بكتيريا E. coli في أوروبا الذي أودى بحياة 31 شخصًا وأصاب حوالي 3,000 بالمرض في عام 2010. (ب) تُظهر هذه الصورة المجهرية الإلكترونية الماسحة بكتيريا Escherichia coli. سلالة E. coli التي تسببت في تفشٍ مميت في ألمانيا هي سلالة جديدة لم تشارك في أي تفشيات سابقة لـ E. coli. لقد اكتسبت عدة جينات مقاومة للمضادات الحيوية وتسلسلات جينية محددة تشارك في القدرة على التجمع والضراوة. تم تسلسلها مؤخرًا. (المصدر ب: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH؛ بيانات مقياس الرسم من Matt Russell)

يمكن لجميع أنواع الطعام أن تتلوث بالبكتيريا الضارة من أنواع مختلفة. حدثت تفشيات حديثة لبكتيريا Salmonella التي أبلغ عنها مركز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) في أطعمة متنوعة مثل زبدة الفول السوداني، وبراعم البرسيم، والبيض.

بدائيات النوى المفيدة

ليست كل بدائيات النوى مسببة للأمراض. على العكس من ذلك، تمثل مسببات الأمراض نسبة صغيرة جدًا من تنوع العالم الميكروبي. في الواقع، لن تكون حياتنا وجميع أشكال الحياة على هذا الكوكب ممكنة بدون بدائيات النوى.

بدائيات النوى، والغذاء والمشروبات

وفقًا لاتفاقية الأمم المتحدة للتنوع البيولوجي، التقنية الحيوية هي "أي تطبيق تكنولوجي يستخدم أنظمة بيولوجية، أو كائنات حية، أو مشتقاتها، لإنتاج أو تعديل منتجات أو عمليات لاستخدام محدد".4 يتضمن مفهوم "الاستخدام المحدد" نوعًا من التطبيقات التجارية. الهندسة الوراثية، والانتخاب الاصطناعي، وإنتاج المضادات الحيوية، وزراعة الخلايا هي مواضيع دراسية حالية في التقنية الحيوية. ومع ذلك، استخدم البشر بدائيات النوى لإنشاء منتجات قبل حتى صياغة مصطلح التقنية الحيوية. وبعض السلع والخدمات بسيطة مثل الجبن، والزبادي، والقشدة الحامضة، والخل، والنقانق المعالجة، والمخلل الملفوف، والمأكولات البحرية المخمرة التي تحتوي على كل من البكتيريا والعتائق (شكل 13.9).

شكل 13.9 تشمل بعض المنتجات المشتقة من استخدام بدائيات النوى في التقنية الحيوية المبكرة (أ) الجبن، (ب) السلامي، (ج) الزبادي، و (د) صلصة السمك. (المصدر ب: تعديل لعمل Alisdair McDiarmid؛ المصدر ج: تعديل لعمل Kris Miller؛ المصدر د: تعديل لعمل Jane Whitney)

بدأ إنتاج الجبن قبل حوالي 4,000 عام عندما بدأ البشر في تربية الحيوانات ومعالجة حليبها. تشير الأدلة إلى أن منتجات الألبان المخمرة، مثل الزبادي، موجودة منذ 4,000 عام على الأقل.

استخدام بدائيات النوى لتنظيف كوكبنا: المعالجة الحيوية

المعالجة الحيوية (bioremediation) الميكروبية هي استخدام بدائيات النوى (أو الأيض الميكروبي) لإزالة الملوثات. لقد استخدمت المعالجة الحيوية لإزالة المواد الكيميائية الزراعية (المبيدات الحشرية والأسمدة) التي تتسرب من التربة إلى المياه الجوفية. يمكن أيضًا إزالة بعض المعادن السامة، مثل مركبات السيلينيوم والزرنيخ، من الماء عن طريق المعالجة الحيوية. يعد اختزال ${\text{SeO}}_4^{2^{-}}$ إلى ${\text{SeO}}_3^{2^{-}}$ وإلى Se⁰ (السيلينيوم المعدني) طريقة تستخدم لإزالة أيونات السيلينيوم من الماء. الزئبق مثال على معدن سام يمكن إزالته من البيئة عن طريق المعالجة الحيوية. الزئبق مكون نشط في بعض المبيدات الحشرية؛ ويستخدم في الصناعة وهو أيضًا منتج ثانوي لبعض الصناعات، مثل إنتاج البطاريات. يتواجد الزئبق عادة بتركيزات منخفضة جدًا في البيئات الطبيعية ولكنه شديد السمية لأنه يتراكم في الأنسجة الحية. يمكن لعدة أنواع من البكتيريا أن تقوم بالتحول الحيوي للزئبق السام إلى أشكال غير سامة. هذه البكتيريا، مثل Pseudomonas aeruginosa، يمكنها تحويل Hg²⁺ إلى Hg⁰، وهو غير سام للبشر.

ربما يكون أحد أكثر الأمثلة فائدة وإثارة للاهتمام لاستخدام بدائيات النوى لأغراض المعالجة الحيوية هو تنظيف التسربات النفطية. لقد تم إثبات أهمية بدائيات النوى في المعالجة الحيوية للبترول في عدة تسربات نفطية في السنوات الأخيرة، مثل تسرب Exxon Valdez في ألاسكا (1989) (شكل 13.10)، وتسرب Prestige النفطي في إسبانيا (2002)، والتسرب إلى البحر الأبيض المتوسط من محطة طاقة لبنانية (2006)، ومؤخرًا، تسرب النفط لشركة BP في خليج المكسيك (2010). لتنظيف هذه التسربات، يتم تعزيز المعالجة الحيوية عن طريق إضافة مغذيات غير عضوية تساعد البكتيريا الموجودة بالفعل في البيئة على النمو. تتغذى البكتيريا المحللة للهيدروكربونات على الهيدروكربونات في قطرة الزيت، وتحولها إلى مركبات غير عضوية. تنتج بعض الأنواع، مثل Alcanivorax borkumensis، مواد خافضة للتوتر السطحي تذيب الزيت، بينما تحلل بكتيريا أخرى الزيت إلى ثاني أكسيد الكربون. في حالة التسربات النفطية في المحيط، تميل المعالجة الحيوية الطبيعية المستمرة إلى الحدوث، حيث توجد بكتيريا مستهلكة للنفط في المحيط قبل التسرب. في ظل الظروف المثالية، أفيد أن ما يصل إلى 80 بالمائة من المكونات غير المتطايرة في النفط يمكن أن تتحلل في غضون عام واحد من التسرب. تكون كسور النفط الأخرى التي تحتوي على سلاسل هيدروكربونية عطرية ومتفرعة للغاية أكثر صعوبة في الإزالة وتبقى في البيئة لفترات أطول من الزمن. لقد قام الباحثون بهندسة بكتيريا أخرى وراثيًا لاستهلاك المنتجات البترولية؛ في الواقع، كان أول طلب براءة اختراع لتطبيق المعالجة الحيوية في الولايات المتحدة لبكتيريا معدلة وراثيًا آكلة للنفط.

شكل 13.10 (أ) أثناء تنظيف النفط بعد تسرب Valdez في ألاسكا، قام العمال بغسل النفط من الشواطئ ثم استخدموا حاجزًا عائمًا لتجميع النفط، والذي تم كشطه أخيرًا من سطح الماء. بعض أنواع البكتيريا قادرة على إذابة النفط وتحليله. (ب) أحد أكثر العواقب الكارثية للتسربات النفطية هو الضرر الذي يلحق بالحيوانات. (المصدر أ: تعديل لعمل NOAA؛ المصدر ب: تعديل لعمل GOLUBENKOV, NGO: Saving Taman)