المحتوى
الخلايا هي الوحدات الأساسية للحياة ، وعلى هذا فهي أصغر عناصر الكائنات الحية المتميزة التي تحتفظ بجميع الخصائص الرئيسية المرتبطة بالكائنات الحية ، بما في ذلك التمثيل الغذائي ، والقدرة على التكاثر ، وسيلة للحفاظ على التوازن الكيميائي. الخلايا إما بدائية النواة، مصطلح يشير إلى البكتيريا وتشتت الكائنات الحية وحيدة الخلية ، أو حقيقية النواة، الذي يشير إلى النباتات والفطريات والحيوانات.
إن الخلايا البكتيرية وغيرها من الخلايا بدائية النواة أبسط بكثير من نظيراتها حقيقية النواة. جميع الخلايا على الأقل تشمل غشاء البلازما ، السيتوبلازم والمواد الوراثية في شكل الحمض النووي. بينما تتميز الخلايا حقيقية النواة بمجموعة واسعة من العناصر التي تتجاوز هذه العناصر الأساسية ، فإن هذه الأشياء الثلاثة تمثل كامل الخلايا البكتيرية تقريبًا. ومع ذلك ، فإن الخلايا البكتيرية تتضمن بعض الميزات التي لا تتضمنها حقيقيات حقيقيات النوى ، وأبرزها جدار الخلية.
أساسيات الخلية
يمكن أن يحتوي الكائن الحي وحيد النواة على تريليونات من الخلايا ، على الرغم من أن الخميرة أحادية الخلية ؛ الخلايا البكتيرية ، من ناحية أخرى ، لديها خلية واحدة فقط. في حين تشتمل الخلايا حقيقية النواة على مجموعة متنوعة من العضيات المرتبطة بالأغشية ، مثل النواة والميتوكوندريا (في الحيوانات) ، والبلاستيدات الخضراء (النباتات تستجيب للميتوكوندريا) ، وأجسام جولجي ، والشبكية الداخلية والجسيمات الليزوزومية لا تحتوي على عضيات. تشتمل كل من حقيقيات النوى وبدائيات النوى على الريبوسومات ، وهي هياكل صغيرة مسؤولة عن تخليق البروتين ، ولكن عادة ما يتم تصورها بسهولة أكبر في حقيقيات النوى لأن العديد منها يتجمع على طول الشبكة الإندوبلازمية الخطية الشبيهة بالشريط.
من السهل اعتبار الخلايا البكتيرية ، والبكتيريا نفسها ، "بدائية" ، وذلك نظرًا لعمرها التطوري الأكبر (حوالي 3.5 مليار سنة ، مقابل حوالي 1.5 مليار من بدائيات النوى) وبساطتها. هذا ، ومع ذلك ، مضللة لعدة أسباب. أحدهما هو أنه من وجهة النظر المطلقة لبقاء الأنواع ، فإن المزيد من التعقيد لا يعني بالضرورة أكثر قوة ؛ في جميع الاحتمالات ، ستعمل البكتيريا كمجموعة على تجاوز البشر والكائنات "العليا" بمجرد تغير الظروف على الأرض بما فيه الكفاية. السبب الثاني هو أن الخلايا البكتيرية ، على الرغم من بساطتها ، قد طورت مجموعة متنوعة من آليات البقاء الفعالة التي لم تطورها حقيقيات النوى.
التمهيدي خلية البكتيرية
تأتي الخلايا البكتيرية في ثلاثة أشكال أساسية: تشبه العصي (العصيّات) ، الدائرية (الزنبق) ، والشكل الحلزوني (الزنبق). يمكن أن تكون خصائص الخلية البكتيرية المورفولوجية مفيدة في تشخيص الأمراض المعدية التي تسببها البكتيريا المعروفة. على سبيل المثال ، "بكتيريا الحلق" هي أسباب أنواع العقدياتالتي ، كما يوحي الاسم ، مستديرة ، كما هي المكورات العنقودية. الجمرة الخبيثة سببها عصية كبيرة ، ومرض لايم ناجم عن spirochete ، وهو على شكل حلزوني. بالإضافة إلى الأشكال المختلفة للخلايا الفردية ، تميل الخلايا البكتيرية إلى التواجد في مجموعات ، والتي يختلف هيكلها اعتمادًا على الأنواع المعنية. تنمو بعض العصي والكوتشي في سلاسل طويلة ، في حين توجد بعض الزعانف الأخرى في مجموعات تذكر إلى حد ما شكل الخلايا الفردية.
يمكن لمعظم الخلايا البكتيرية ، على عكس الفيروسات ، أن تعيش بشكل مستقل عن الكائنات الحية الأخرى ، ولا تعتمد على الكائنات الحية الأخرى لتلبية الاحتياجات الأيضية أو الإنجابية. الاستثناءات موجودة بعض الأنواع من ريكتسيات و الكلاميديا هي داخل الخلايا ، مما يعني أنه ليس لديهم خيار سوى أن تسكن خلايا الكائنات الحية من أجل البقاء.
عدم وجود الخلايا البكتيرية هو السبب وراء تميز الخلايا بدائية النواة أصلاً عن الخلايا حقيقية النواة ، لأن هذا الاختلاف واضح حتى تحت المجاهر ذات قدرة التكبير المنخفضة نسبيًا. الحمض النووي البكتيري ، على الرغم من أنه غير محاط بغشاء نووي مثل غشاء حقيقيات النوى ، إلا أنه يميل إلى التجمع عن كثب ، ويسمى التكوين الخشن الناتج بالنوى. يوجد عدد أقل بكثير من الحمض النووي في الخلايا البكتيرية مقارنة بخلايا حقيقية النواة ؛ إذا امتدت من النهاية إلى النهاية ، فستمتد نسخة واحدة من المادة الوراثية لنواة حقيقيات النواة ، أو الكروماتين ، إلى حوالي ملليمتر واحد ، بينما تمتد بكتيريا من حوالي 1 إلى 2 ميكرومتر - فرق يتراوح بين 500 إلى 1000 ضعف. تشتمل المادة الوراثية لنواة حقيقيات النوى على كل من الحمض النووي نفسه وبروتينات تسمى هيستون ، في حين أن الحمض النووي بدائية النواة يحتوي على عدد قليل من البوليامين (مركبات النيتروجين) وأيونات المغنيسيوم المرتبطة به.
جدار الخلية البكتيرية
ولعل الاختلاف الهيكلي الأكثر وضوحًا بين الخلايا البكتيرية والخلايا الأخرى هو حقيقة أن البكتيريا تمتلك جدران خلايا. هذه الجدران ، مصنوعة من ببتيدوغليكان الجزيئات ، تقع مباشرة خارج غشاء الخلية ، والتي تتميز بها الخلايا من جميع الأنواع. تتكون الببتيدوغليكان من مزيج من السكريات السكرية ومكونات البروتين. وتتمثل مهمتها الرئيسية في إضافة الحماية والصلابة إلى البكتيريا وتقديم نقطة تثبيت لهياكل مثل pili و flagella ، والتي تنشأ في غشاء الخلية وتمتد من خلال جدار الخلية إلى البيئة الخارجية.
إذا كنت أخصائيًا في علم الأحياء المجهرية تعمل في قرن مضى وأردت إنشاء دواء قد يكون خطيرًا على الخلايا البكتيرية بينما يكون في الغالب غير ضار بالخلايا البشرية ، وكان لديك معرفة بالهياكل الخاصة بكلٍ من التركيب الخلوي لهذه الكائنات الحية ، فقد تقوم بذلك عن طريق تصميم أو العثور على المواد السامة لجدران الخلايا مع تجنيب مكونات الخلية الأخرى. في الواقع ، هذا هو بالضبط كيفية عمل الكثير من المضادات الحيوية: فهي تستهدف وتدمير جدران خلايا البكتيريا ، وتقتل البكتيريا نتيجة لذلك. البنسلين، التي ظهرت في أوائل الأربعينيات من القرن الماضي كأول فئة من المضادات الحيوية ، تعمل عن طريق تثبيط تخليق الببتيدوغليكان الذي يتكون من جدران الخلايا لبعض البكتيريا ، ولكن ليس كلها. يفعلون ذلك عن طريق تعطيل الإنزيم الذي يحفز عملية تسمى الترابط في البكتيريا الحساسة. على مر السنين ، اختيرت إدارة المضادات الحيوية للبكتيريا التي تحدث لإنتاج مواد تسمى بيتا لاكتاماز ، والتي تستهدف البنسلين "الغازي". وبالتالي ، يظل "سباق التسلح" الذي طال أمده بلا نهاية ساري المفعول بين المضادات الحيوية وأهدافها الصغيرة المسببة للأمراض.
فلاجيلا وبيلي وإندوسبوريس
تتميز بعض البكتيريا بهياكل خارجية تساعد البكتيريا في التنقل في العالم المادي. فمثلا، الأسواط (المفرد: flagellum) هي الزوائد التي تشبه السوط والتي توفر وسيلة للتنقل للبكتيريا التي تمتلكها ، على غرار تلك الشراغيف. في بعض الأحيان يتم العثور عليها في نهاية واحدة من الخلايا البكتيرية. بعض البكتيريا يكون لهم في كلا الطرفين. "السوط" يشبه إلى حد كبير المروحة ، مما يسمح للبكتيريا "بمطاردة" العناصر الغذائية ، "الهروب" من المواد الكيميائية السامة أو التحرك نحو الضوء (بعض البكتيريا ، تسمى البكتيريا الزرقاء، الاعتماد على التمثيل الضوئي للطاقة مثل النباتات تفعل وبالتالي تتطلب التعرض المنتظم للضوء).
بيلي (المفرد: pilus) ، تشبه هيكليا مع سوط ، حيث أنها توقعات hairlike تمتد إلى الخارج من سطح الخلية البكتيرية. وظيفتها ، مع ذلك ، مختلفة. بدلاً من المساعدة في الحركة ، تساعد البيلة البكتيريا في ربط نفسها بالخلايا والأسطح بمختلف التركيبات ، بما في ذلك الصخور والأمعاء وحتى مينا أسنانك. وبعبارة أخرى ، فإنها توفر "الالتصاق" للبكتيريا في الطريقة التي تسمح بها الأصداف المميزة للبراميل لهذه الكائنات الحية بالالتصاق بالصخور. من دون pili ، فإن العديد من البكتيريا المسببة للأمراض (أي المسببة للأمراض) ليست معدية ، لأنها لا تستطيع الالتصاق بالأنسجة المضيفة. يتم استخدام نوع متخصص من pili لعملية تسمى اقتران، حيث اثنين من البكتيريا تبادل أجزاء من الحمض النووي.
بناء شيطاني إلى حد ما من بعض البكتيريا هي الإندوسبورات. بكتير مسبب لمرض و كلوستريديوم يمكن للأنواع إنتاج هذه الجراثيم ، والتي هي إصدارات عالية المقاومة للحرارة ، المجففة وغير النشطة للخلايا البكتيرية الطبيعية التي يتم إنشاؤها داخل الخلايا. أنها تحتوي على الجينوم الكامل الخاص بهم وجميع الانزيمات الأيضية. السمة الرئيسية في endospore هو معطف بوغ واقية واقية معقدة. مرض التسمم الناجم عن كلوستريديوم البوتولينوم endospore ، التي تفرز مادة قاتلة تسمى السموم الداخلية.
التكاثر البكتيري
تنتج البكتيريا من خلال عملية تسمى الانشطار الثنائي ، والتي تعني ببساطة الانقسام إلى النصف وإنشاء زوج من الخلايا التي تتشابه كل منها وراثياً مع الخلية الأم. يتعارض هذا الشكل غير الجنسي من التكاثر بشكل حاد مع استنساخ حقيقيات النوى ، وهو أمر جنسي حيث أنه يشتمل على اثنين من الكائنات الأم تساهم في كمية متساوية من المادة الجينية لإنشاء ذرية. في حين أن التكاثر الجنسي على السطح قد يبدو مرهقًا - بعد كل شيء ، لماذا نقدم هذه الخطوة الباهظة التكلفة إذا تمكنت الخلايا من الانقسام إلى النصف بدلاً من ذلك؟ - إنه ضمان مطلق للتنوع الجيني ، وهذا النوع من التنوع ضروري لبقاء الأنواع.
فكر في الأمر: إذا كان كل إنسان متطابقًا وراثيًا أو قريبًا ، لا سيما على مستوى الإنزيمات والبروتينات التي لا تستطيع رؤيتها ولكنها تخدم وظائف التمثيل الغذائي الحيوية ، فإن نوعًا واحدًا من الخصومة البيولوجية سيكون كافياً للقضاء على البشرية جمعاء. . أنت تعرف بالفعل أن البشر يختلفون في قابليتهم الجينية لأشياء معينة ، من الرئيسي (يمكن أن يموت بعض الأشخاص من التعرض لمسببات الحساسية الصغيرة ، بما في ذلك الفول السوداني وسم النحل) إلى تافه نسبيًا (بعض الناس لا يستطيعون هضم لاكتاز السكر ، مما يجعل أنهم غير قادرين على استهلاك منتجات الألبان دون انقطاع خطير في أنظمتهم المعوية). الأنواع التي تتمتع بقدر كبير من التنوع الجيني محمية إلى حد كبير من الانقراض ، لأن هذا التنوع يوفر المادة الخام التي يمكن أن تعمل عليها ضغوط الانتقاء الطبيعي المواتية. إذا صادف أن 10٪ من سكان نوع معين محصنون ضد فيروس معين لم تختبره هذه الأنواع بعد ، فهذا مجرد نزاع. من ناحية أخرى ، إذا ظهر الفيروس في هذه الفئة من السكان ، فقد لا يمر وقت طويل قبل أن يمثل هذا المصطلح 10 في المائة 100 في المائة من الكائنات الحية الباقية في هذا النوع.
نتيجة لذلك ، طورت البكتيريا عددًا من الطرق لضمان التنوع الجيني. وتشمل هذه التحول ، الاقتران و التوضيح. لا يمكن لجميع الخلايا البكتيرية الاستفادة من كل هذه العمليات ، ولكن فيما بينها ، فإنها تسمح لجميع الأنواع البكتيرية بالبقاء على قيد الحياة إلى حد أكبر بكثير مما كانت عليه.
التحول هو عملية أخذ الحمض النووي من البيئة ، وينقسم إلى أشكال طبيعية وصناعية. في التحول الطبيعي ، يتم استيعاب الحمض النووي من البكتيريا الميتة عبر غشاء الخلية ، على غرار الزبال ، ودمجها في الحمض النووي للبكتيريا الباقية. في التحول الاصطناعي ، يقوم العلماء بإدخال الحمض النووي عن عمد في بكتيريا مضيفة ، في كثير من الأحيان بكتريا قولونية (لأن هذا النوع يحتوي على جينوم صغير بسيط يمكن معالجته بسهولة) من أجل دراسة هذه الكائنات أو إنشاء منتج بكتيري مرغوب. في كثير من الأحيان ، والحمض النووي هو من قدم البلازميد، حلقة تحدث بشكل طبيعي من الحمض النووي البكتيري.
الاقتران هو العملية التي تستخدم بها بكتيريا واحدة بيلوس أو بيليه "لحقن" الحمض النووي في بكتيريا ثانية عن طريق الاتصال المباشر. قد يكون الحمض النووي المنقول ، كما هو الحال مع التحول الاصطناعي ، بلازميد أو قد يكون جزءًا مختلفًا. قد يشتمل الحمض النووي الذي تم إدخاله حديثًا على جين حيوي يرمز للبروتينات يسمح بمقاومة المضادات الحيوية.
أخيرًا ، يعتمد الانتقال على وجود فيروس غازي يسمى البكتيريا. تعتمد الفيروسات على الخلايا الحية لتكرارها ، على الرغم من أنها تمتلك مادة وراثية ، إلا أنها تفتقر إلى الآلية اللازمة لعمل نسخ منها. تضع هذه البكتيريا موادها الوراثية الخاصة بها في الحمض النووي للبكتيريا التي تغزوها وتوجه البكتيريا لإنتاج المزيد من البكتيريا ، والتي تحتوي بعد ذلك على الجينوم مزيج من الحمض النووي البكتيري الأصلي وحمض النووي البكتيري. عندما تغادر هذه البكتيريا الجديدة الخلية ، يمكنها أن تغزو البكتيريا الأخرى وتنقل الحمض النووي المكتسب من المضيف السابق إلى الخلية البكتيرية الجديدة.