موضوع بحث شامل عن بدائية النواة،التنوع والتطور والتركيب

مقدمة عن بدائية النواة

بدائية النواة هي كائنات حية وحيدة الخلية بسيطة نسبياً تفتقد إلى النواة وإلى مكونات خلوية أخرى توجد في كائنات أخرى خلاياها أكثر تعقيداً تدعى حقيقية النواة (eukaryotes). في عام 1938، اقترح عالم الأحياء الأمريكي هاربرت كوبلاند (Herbert Copeland) أن الأحياء وحيدة الخلية التي تفتقد إلى الأنوية (nuclei) تصنف في مملكة جديدة تسمى بدائية النواة (Prokaryotae)، وأن كل البكتيريا تنتمي إلى هذه المملكة. هذا التصنيف كان بداية لفصل المملكة بدائية النواة عن مملكة حقيقية النواة.

التسمية

التنوع والتطور

الخلايا البدائية النواة هي السلف الأول لجميع أشكال الحياة على الأرض. رغم اختلاف العلماء في تفاصيل التطور المبكر، إلا أن الأدلة تشير إلى أن البكتيريا البدائية هي أقدم خلايا ظهرت على سطح الأرض، وذلك قبل 3.5 بليون سنة على الأقل، أي بعد مرور بليون سنة من تكوّن الأرض. ومن المحتمل أن تكوّنت هذه الخلايا في الماء الساخن جدًا، وفي ظروف خالية من الأوكسجين، حيث لم يتراكم هذا الغاز في طبقات الغلاف الجوي أو الماء إلا بعد مرور بليون ونصف بليون سنة أخرى. قبل وخلال هذه الفترة، تعرضت البكتيريا البدائية لظروف قاسية نتجت عن نشاط بركاني مستمر وانفجارات وانبعاثات غازية ساخنة، التي غيرت تركيب الماء والغلاف الجوي بشكل دائم. وكنتيجة لذلك، حدث اختيار طبيعي للبكتيريا التي استطاعت التأقلم مع هذه الظروف، وتطورت مسارات أيضية جديدة لهذه الخلايا.

من بين أشكال التطور التي حدثت للبكتيريا البدائية، ظهر نوع منها يسمى Cyanobacteria أو الطحالب المزرقة-الخضراء، وهذه البكتيريا قادرة على إجراء عملية التركيب الضوئي، التي تستخدم ضوء الشمس لإنتاج المادة العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء، مع إطلاق غاز الأوكسجين كمادة فضلية. وقد عثر على حفريات لهذه البكتيريا في تكوّنات صخرية قديمة تسمى stromatolites، مما يشير إلى أنها كانت موجودة قبل 2.5 بليون سنة على الأقل. خلال عملية التركيب الضوئي، ساهمت Cyanobacteria في زيادة نسبة غاز الأوكسجين في الماء والغلاف الجوي على مدى قرون طويلة. وبما أن الأوكسجين يعتبر مصدرًا كفؤًا للطاقة، فقد تطورت بعض البكتيريا لتستخدم هذا الغاز في عملية تسمى التنفس الهوائي (aerobic respiration)، وهي عملية تحطيم المادة العضوية بوجود الأوكسجين لإنتاج طاقة على شكل جزيئة ATP. وهذه العملية ساعدت في إنشاء شروط ملائمة لتطور خلايا أكبر وأكثر تعقيدًا، وهي الخلايا حقيقية النواة.

التركيب الخلوي لبدائية النواة

الحجم والشكل

الخلايا بدائية النواة (Prokaryotic) صغيرة نسبياً، تتراوح أحجامها من 0.0001 إلى 0.0005 ملمتر في القطر، أو من 0.00000001 إلى 0.00000005 سنتيمتر، أو من 0.000000004 إلى 0.00000002 بوصة. هناك بعض الأنواع الاستثنائية التي تكون أكبر من ذلك، مثل Thiomargarita namibiensis التي يصل قطرها إلى 0.75 ملمتر. شكل الخلايا بدائية النواة متنوع، فقد تكون كروية أو عصوية أو حلزونية أو غير منتظمة.

الجدار الخلوي

الخلايا بدائية النواة محاطة بجدار خلوي يحمي الخلية ويحافظ على شكلها. جدار الخلية في البكتيريا والبكتيريا البدائية يحتوي على مادة تسمى الببتيدوغليكان (Peptidoglycan)، وهي جزيئة مركبة من سكر وبروتين. هذه المادة لا توجد في جدار خلايا الفطريات والنباتات والحقيقية النواة (eukaryotes)، وهذا يميز بدائية النواة عنهم. جدار خلايا البكتيريا البدائية (archaebacteria) يختلف تركيبه الكيميائي كثيراً عن جدار خلايا البكتيريا، فهو لا يحتوي على الببتيدوغليكان، بل على بوليمرات أخرى.

غشاء البلازما

إلى داخل جدار الخلية يوجد غشاء خلوي أو غشاء بلازما، وهو تركيب شفاف ومرن وقوي. غشاء البلازما يتكون من طبقتين من جزيئات تسمى الفسفولبيدات (phospholipids)، المتداخلة مع جزيئات من البروتين. غشاء البلازما يفصل داخل الخلية عن خارجها، ويلعب دوراً هاماً في نقل المواد داخل وخارج الخلية. غشاء البلازما في بدائية النواة يقوم بوظائف إضافية، فهو يشارك في مضاعفة المادة الوراثية (DNA)، وفي توليد طاقة على شكل جزء مولدي (ATP)، وفي بعض حالات التركيب الضوئي. التركيب الضوئي هو العملية التي تستخدم فيها طاقة الضوء لتحويل ثاني أوكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز.

السيتوبلازم

في داخل الخلية يوجد سائل مائي غني بالمواد المذابة، مثل الأملاح والمغذيات والأنزيمات وجزيئات أخرى. هذا السائل يسمى السيتوبلازم (cytoplasm)، وهو مكان حدوث العديد من التفاعلات البايوكيميائية (التي تصل إلى آلاف) في الخلية. في منطقة من السيتوبلازم تسمى المنطقة النووية (nucleoid)، يوجد جزء من المادة الوراثية (DNA) على شكل حلقة مغلقة تعرف بالكروموسوم (chromosome). بعض أنواع بدائية النواة تحتوي أيضاً على جزء آخر من المادة الوراثية على شكل دوائر صغيرة تعرف بالبلازميدات (plasmids). البلازميدات تحتوي على جينات إضافية تمنح الخلية بعض الصفات المفيدة، مثل المقاومة للمضادات الحيوية.

الرايبوسومات

في السيتوبلازم توجد تراكيب صغيرة تشبه الحبيبات، تسمى الرايبوسومات (ribosomes). هذه التراكيب هي المسؤولة عن صناعة البروتينات في الخلية. للرايبوسومات تركيب معقد، يتألف من جزء من المادة الوراثية على شكل حامض رايبونويل نوكليك (RNA)، وجزء من البروتين. حامض رايبونيل نوكليك في الرايبوسومات يختلف كثيراً بين البكتيريا والبكتيريا البدائية.

التراكيب الأخرى

باستثناء الرايبوسومات، فإن خلايا بدائية النواة تفتقد إلى التراكيب المحصورة بأغشية، والتي تسمى بالعضيات (organelles). هذه التراكيب مثل:

• النواة (nucleus): وهي التركيب المحتوى على المادة الوراثية في خلايا حقيقية النواة.
• المايتوكندريا (mitochondria): وهي التركيبات المولدة لطاقة على شكل جزء مولدي في خلايا حقيقيات النواة.
• البلاستيدات الخضراء (chloroplasts): وهي التركيبات المسؤولة عن التركيب الضوئي في خلايا النباتات والطحالب.
• الأجسام الحالة (lysosomes): وهي التركيبات المحتوية على أنزيمات هاضمة تستخدم في تحليل المواد الغذائية والمواد الغريبة والخلايا الميتة في خلايا حقيقية النواة.
• جهاز جولجي (Golgi apparatus): وهو تركيب يعمل على تعديل وتغليف ونقل البروتينات والدهون المنتجة في خلايا حقيقية النواة.

أنواع بدائية النواة تمتلك تراكيب غير محصورة بأغشية

بعض أنواع بدائية النواة تمتلك تراكيب غير محصورة بأغشية، تؤدي بعض الوظائف المشابهة للعضيات. مثلاً بعض البكتيريا والبكتيريا البدائية ذات التركيب الضوئي تمتلك أغشية داخلية متصلة بالغشاء البلازما، تسمى كروماتوفورات (chromatophores) أو ثيلاغويدات (thylakoids). هذه التراكيب تحتوي على صبغات التركيب الضوئي، مثل الكلوروفيل (chlorophyll).وهناك بعض أنواع بدائية النواة تنتج سبورات داخلية (endospores)، وهي تراكيب ذات غشاء سميك ومقاوم للظروف القاسية، مثل الجفاف والحرارة. هذه التراكيب تحافظ على حياة الخلية لفترات طويلة من الزمن. بعض الأمراض التي تسببها بكتيريا منتجة للسبورات هي:

• • الجمرة الخبيثة (anthrax)، وهي مرض يصاب به الإنسان والحيوان نتيجة استنشاق أو ابتلاع أو اختراق سبورات بكتيريا Bacillus anthracis.
  • التشنج (tetanus)، وهو مرض يصاب به الإنسان نتيجة إصابة جروح بسبورات بكتيريا Clostridium tetani.
  • التسمم الزائف (botulism)، وهو مرض يصاب به الإنسان ننتيجة ابتلاع أو استنشاق سبورات بكتيريا Clostridium botulinum، التي تفرز سماً يسبب شللاً في العضلات. هذا المرض يمكن أن يحدث بسبب تناول مواد غذائية ملوثة بالسبورات، مثل العسل أو المعلبات.

بعض أنواع بدائية النواة تتحرك باستقلالية باستخدام الأسواط (flagella)، وهي تراكيب طويلة تدور بنمط يشبه الرفاس (propeller-like fashion). تتألف الأسواط من ألياف ملفتة داخلياً، عبارة عن جزيئات من البروتين الليفي فلاجيلين (flagellin). قد تمتلك خلية بدائية النواة سوطاً واحداً أو مجموعة من الأسواط في طرف أو طرفي الخلية، أو ربما تكون الخلية مغطاة كلها بالأسواط. بعض أنواع بدائية النواة تمتلك أيضاً شعيرات (pili)، وهي امتدادات شعرية تستخدمها للالتصاق بالتربة أو الأحجار أو الأسنان.

التكاثر في بدائية النواة

الانقسام الثنائي

معظم بدائية النواة تتضاعف بالطريقة اللاجنسية المعروفة باسم الانقسام الثنائي (binary fission). في هذه الطريقة، يتضاعف المادة الوراثية (DNA) في السيتوبلازم، ثم تنقسم الخلية إلى خليتين متماثلتين. كل خلية جديدة تحصل على نسخة من DNA الأصلي.

إعادة التوليف الجيني

بالإضافة إلى الانقسام الثنائي، بعض خلايا بدائية النواة تخضع لعمليات مختلفة من إعادة التوليف الجيني (genetic recombination). في هذه العمليات، تحدث تغيرات في تركيب DNA بسبب نقل جزء منه من خلية إلى أخرى. هذا يؤدي إلى زيادة التنوع الجيني والتكيف مع البيئة. أمثلة على عمليات إعادة التوليف الجيني هي:

• التحول (transformation): وهو عملية تأخذ فيها بكتيريا جزء من DNA من بقايا خلايا ميتة في البيئة، وتدمجه مع كروموسومها. مثلاً، بكتيريا Streptococcus pneumoniae تستطيع أن تأخذ جزء من DNA يحتوي على جين للمقاومة للبنسيللين، وتصبح قادرة على مقاومة هذا المضاد الحيوي.
• الارتباط (conjugation): وهو عملية تنقل فيها بكتيريا جزء من DNA من خلية مانحة إلى خلية مستقبلة. هذا يحدث عبر اتصال شعيرات (pili) بين الخلايتين، وإرسال جزء من DNA عبر قناة صغيرة. عادة، يكون جزء DNA المرسل عبارة عن بلازميد (plasmid)، وهو دائرة صغيرة من DNA .

أنماط التغذية في بدائية النواة

التغذية الذاتية (autotrophs)

التغذية الذاتية هي القدرة على توليد المركبات العضوية، مثل الكربوهيدرات والبروتينات والدهون والأحماض النووية، من مصادر غير عضوية، مثل ثاني أوكسيد الكربون والماء. بدائية النواة التي تمتلك هذه القدرة تسمى بالتغذية الذاتية، وهي تحتاج إلى مصدر للطاقة لإجراء هذه العملية. هناك نوعان رئيسيان من التغذية الذاتية:

• التغذية بالتركيب الضوئي (photoautotrophs): وهي التي تستخدم طاقة الضوء كمصدر للطاقة، وتحول ثاني أوكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين. هذه تشمل بعض أنواع البكتيريا، مثل سيانوبكتيريا (cyanobacteria)، وبكتيريا الكبريت الخضراء (green sulfur bacteria)، وبكتيريا الكبريت الأرجوانية (purple sulfur bacteria).
• التغذية الكيميائية الذاتية (chemoautotrophs): وهي التي تستخدم طاقة المركبات اللاعضوية كمصدر للطاقة، وتحول ثاني أوكسيد الكربون إلى مركبات عضوية. هذه تشمل بعض أنواع بكتيريا التربة، مثل نتروبكتير (Nitrobacter)، وبعض أنواع بكتيريا الهيدروجين (hydrogen bacteria)، وبعض أنواع بكتيريا الحديد (iron bacteria).

التغذية المختلطة (heterotrophs)

التغذية المختلطة هي القدرة على استخدام المركبات العضوية الجاهزة كمصدر للكربون والطاقة. بدائية النواة التي تمتلك هذه القدرة تسمى بالتغذية المختلطة، وهي تحتاج إلى مصادر مختلفة من الطاقة، بحسب نوعها. مثلاً:

• التغذية الضوئية المختلطة (photoheterotrophs): وهي التي تستخدم طاقة الضوء كمصدر للطاقة، ولكن تحتاج إلى مركبات عضوية كمصدر للكربون. هذه تشمل بعض أنواع بكتيريا أخرى من المجموعات الأرجوانية (purple non-sulfur bacteria) والخضراء (green non-sulfur bacteria).
• التغذية الكيميائية المختلطة (chemoheterotrophs): وهي التي تستخدم المركبات العضوية كمصدر للكربون والطاقة. هذه تشمل معظم أنواع البكتيريا والفطريات والحيوانات.

البكتيريا الخضراء المزرقة ابرز مثال على كائنات بدائية النواة

البكتيريا الخضراء المزرقة هي مجموعة من الكائنات الحية ذات الخلايا الوحيدة، التي تنتمي إلى مملكة بدائية النواة (prokaryotae)، وشعبة سيانوفيتا (cyanophyta). هذه الكائنات تستطيع أن تقوم بالتركيب الضوئي، أي تحول ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، وتنتج أكسجيناً كمادة فضلية. لهذه الكائنات صبغة خضراء تسمى الكلوروفيل (chlorophyll)، والتي تمتص ضوء الشمس، وصبغات أخرى زرقاء أو حمراء تساعد في التركيب الضوئي. هذه الصبغات لا توجد داخل تراكيب خاصة تسمى بلاستيدات (plastids)، كما في خلايا النباتات، بل توجد في أغشية داخلية متصلة بغشاء الخلية، تسمى كروماتوفورات (chromatophores). خلايا هذه الكائنات لا تحتوي على نواة محصورة بغشاء، أو عضيات أخرى متخصصة، كما في خلايا حقيقية النواة (eukaryotes).

التكاثر والانتشار

البكتيريا الخضراء المزرقة تتكاثر بطرق لاجنسية، مثل الانقسام الثنائي (binary fission)، وهو عملية تنقسم فيها الخلية إلى خليتين متطابقتين، أو التجزؤ (fragmentation)، وهو عملية تنفصل فيها جزء من خلية أو خط مستعمرة إلى قطع صغيرة قادرة على التطور إلى خلايا جديدة. هذه الطرق لا تؤدي إلى تغير في التركيب الوراثي للخلايا. بعض أنواع هذه الكائنات قادرة على إجراء عملية انتقال جزء من المادة الوراثية (DNA) من خلية إلى أخرى، وهذه تسمى بالارتباط (conjugation). هذه العملية تؤدي إلى زيادة التنوع والتكيف مع الظروف المحيطة.

البكتيريا الخضراء المزرقة تنتشر في أنواع مختلفة من البيئات، حيث تجد ضوء وماء ومغذيات. بعضها يعيش حرًّا في الماء أو التربة أو على سطح الأشجار أو الصخور. بعضها يعيش في مستعمرات أو خيوط، ويمكن أن يشكل أشكالًا مختلفة، مثل الكرات أو الأسطوانات أو الحلقات. بعضها يعيش في تعايش مع كائنات أخرى، مثل الفطريات، في علاقة تبادل المنافع، ويشكل الأشنات (lichens). بعضها يعيش في المياه الضحلة، ويتراكم على شكل كتل، ويشكل الترسبات الحجرية (stromatolites). هذه الترسبات وجدت متحجرة في الصخور القديمة، وتعود إلى ما قبل 3 بليون سنة. يعتقد أن هذه الكائنات ساهمت على مر الزمن في تغير تركيب الغلاف الجوي للأرض، من غني بثاني أوكسيد الكربون إلى غني بالأوكسجين.

أهمية بدائية النواة في الحياة

بدائية النواة تلعب دورًا مهمًا في حياتنا اليومية، فهي تشارك في عدة دورات للمواد والطاقة في الطبيعة. مثلاً:

• في عملية تثبيت النتروجين (nitrogen fixation)، تقوم أنواع من البكتيريا الخضراء المزرقة (cyanobacteria) بتحويل النتروجين الجوي (N2) إلى مركبات نتروجينية (NH3)، تستخدمها الكائنات الحية الأخرى في تغذيتها وبناء جزيئات مثل البروتينات والأحماض النووية.
• في عملية التركيب الضوئي (photosynthesis)، تقوم أنواع من بدائية النواة، مثل البكتيريا الخضراء المزرقة والطحالب، بتحول ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، وتنتج المادة العضوية (C6H12O6) والأوكسجين (O2). هذه العملية تساهم بكمية أساسية من الأوكسجين إلى الجو، وتخزن الطاقة الشمسية في جزيئات كربوهيدراتية، يستفيد منها باقي المستهلكات في سلسلة الغذاء.
• في عملية التنفس (respiration)، تقوم أنواع من بدائية النواة، مثل بكتيريا حقيقية النواة (eubacteria)، بتحول المادة العضوية والأوكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء (H2O) وطاقة. هذه الطريقة تسمح لهذه الخلايا بالحصول على طاقة كافية للحفاظ على عملياتها الحيوية، وتشارك في دورة الكربون.
• في عملية التخمر (fermentation)، تقوم أنواع من بدائية النواة، مثل بكتيريا بدائية النواة (archaebacteria)، بتحول المادة العضوية إلى مركبات أخرى، مثل حامض اللاكتيك (lactic acid) أو كحول إثيلي (ethanol) أو غاز الميثان (methane)، دون استخدام أو إطلاق أوكسجين. هذه التخصصات تسمح لهذه الخلايا بالعيش في ظروف قاسية جدًّا، مثل الماء المالح أو الماء الساخن أو الماء الحامض. هذه الخلايا تشارك في دورة الفسفور والكبريت والنتروجين وعناصر أخرى. كما تستخدم هذه الخلايا في بعض الصناعات والتطبيقات، مثل إنتاج الأدوية والأغذية والوقود.

دورها في الصحة والاقتصاد

بدائية النواة تمتلك أهمية طبية واقتصادية للإنسان، فهي تشمل بعض البكتيريا المسببة للأمراض، والتي لعبت دورًا مهمًا في تاريخ البشرية، مسببة أمراضًا عديدة، مثل: السل (tuberculosis) والسيلان (gonorrhea) والطاعون (plague) والسعال الديكي (whooping cough) وذات الرئة (pneumonia) والزهري (syphilis) والتسمم البوتوليني (botulism). هذه الأمراض يمكن علاجها ببعض المضادات الحيوية (antibiotics)، التي تنتج من بعض أنواع بدائية النواة، مثل بكتيريا التربة (actinomyces). كما يمكن استخدام بعض أنواع بدائية النواة في إنتاج أدوية أخرى بواسطة عمليات الهندسة الوراثية (genetic engineering).

بعض بدائية النواة تستخدم في الصناعة لإنتاج مركبات كيميائية مفيدة، مثل الأنزيمات (enzymes) والفيتامينات (vitamins) والأحماض العضوية (organic acids) والأغذية (foods). مثلاً، تستخدم بعض أنواع بدائية النواة في تخمير (fermenting) بعض المواد الغذائية، مثل: الزبادي (yogurt) والجبن (cheese) والخبز (bread) والخل (vinegar) والبيرة (beer). كما تستخدم بعض أنواع بدائية النواة في إنتاج غاز الميثان (methane gas)، وهو نوع من الوقود المتجدد. هذه الغاز يمكن إنتاجه من رواسب المجاري (sewage sludge) أو من نفايات الحيوانات (animal wastes) أو من المواد العضوية الأخرى. هذه الغاز يمكن استخدامه في توليد الكهرباء أو في تسخين المنازل أو في تشغيل المركبات.