البدئيات

بدييات

Arshaeobacteria -

البدئيات

عدنان علي نظام

موقع البدئيات بين الكائنات الحية

ظهور البدئيات على الأرض وأسباب بقائها

تصنيف البدئيات

الوضع الوراثي للبدئيات

البدئيات Archaea كائنات حية بدائية النواة prokaryotes، اشتق اسمها من اللاتينية archēin- بمعنى بدائي، ومن اليونانية arkhaios بمعنى الأول، وقد سميت كذلك لأنه كان يعتقد أنها أول كائنات حية ظهرت على الكرة الأرضية، وبها بدأت الحياة بالظهور (الشكل 1).

الشكل (1)

البدئيات الاسم جديد، حيث كان يطلق عليها سابقاً تعبير البكتريا البدئية Archaebacteria، لكن تبين أنها لا ترتبط بالبكتريا بدقة لوجود اختلافات كبيرة بينها، من أهمها أنه لا توجد فيها أنواع منتجة للأبواغ. لذا يبقى المستوى الجزيئي الطريق الوحيد للتمييز بين البدئيات والبكتريا. كما يؤكّد التركيب الكيميائيّ أنّ البدئيات تُمَثِّل مجموعةً مستقلّة، فإلى جانب الرنا الريبوزومي rRNA النوعي تَمَيُّزِها من البكتريا بطبيعة الشحميات (الليبيدات) lipids في أغشيتها التي تتضمن إتيرات ethers الغليسيرول والإيزوبرينول، في حين تتألف الدهون في البكتريا وحقيقيات النواة من إستِرات esters الغليسيرول والحموض الدسمة. إن هذا التركيب للشحميات في أغشية خلايا البدئيات يسمح لها بأن تعيش في البيئات المفرطة extreme environments (الملوحة العالية حتى 34 % كالبحر الميت ودرجة الحموضة «الباهاء» pH المنخفضة (0.7) أو العالية (11) ودرجة الحرارة المنخفضة أو العالية حتى 120 °س والضغط العالي حتى 800 ضعط جوي)، كما تتضمن بيئاتها الموائل اللاهوائية، إذ إنهـا تؤلِّف نحو 34 % من الكتلة الحيوية للأحياء الدقيقة في المياه السطحية بالقطب الجنوبي. ويعيش بعضها في الأجهزة الهضمية للحيوانات، وتسبب التجشؤ للأبقار. كما أن جدرانها لاتحتوي على الببتيدوغليكانات peptidoglycans، حيث يغيب الموريين murein الموجود في جدران خلايا معظم البكتريا. يتألف جدار خلايا معظم البدئيات من سكريات متعددة السكريد polysaccharides، كما أن جدار بعضها يتألف كلياً فقط من البروتينات الغليسيرية الواقية للغلاف السيتوبلاسمي، وقليل منها لا يحمل جداراً خلوياً أبداً. من أجل ذلك فإن البدئيات متعضيات تعيش في البيئات القاسية جداً، من حيث درجة الحرارة والبرودة والملوحة، فهي أليفة للبيئات المفرطة extremophiles.

ثمة فروق أخرى بين البدئيات والبكتريا يجملها- مع ما سبق ذكره- الجدول (1).

كما احتفظت البدئيات بأشكال بدائية من فعاليات الاستقلاب، وأحد أنماط ذلك اصطناع الميتان methanogenesis- هو أمر غير معروف عند البكتريا- من البدئيات وتعرف هذه المجموعة باسم مصنِّعات الميتان methanogens. أما البدئيات الأخرى فمعظمها كيميائيات التغذي chemotrophic، وبعضها القليل مُرَكِّبات ضوئية photosynthetic، تَستعمِل في ذلك كثيراً من مانحات الإلكترونات ومستقبلاتها electron donors and acceptors. وهذا ما يوحي بأن التغذي بالتركيب الكيميائي chemosynthesis سبق التغذي بالتركيب الضوئي؛ إذ لم يُكتَشَف التركيب الضوئي المعتمد على اليخضور chlorophyll في البدئيات، بل عُرِفَ التركيب الضوئي الذي يعتمد على صباغ الرودوبسين البكتري bacteriorhodopsin الموجود في البدئيات أليفات الملوحة.

كل ذلك يُبقي دمج البدئيات بالبكتريا في مجموعة واحدة هي البكتريا البدئية Archeabacteria غير مبرر.

مع أن البدئيات متكيفة مع الظروف المفرطة؛ فإن بعضها يعيش في أوساط طبيعية، فقد وجد أن منها ما يعيش في حالة تعايش symbiosis مع بعض الحيوانات؛ مثل الإسفنجيات وبعض القثاءانيات sea cucumbers من شوكيات الجلد Echinodermata، ويعيش بعضها بحالة تنافع mutualism، وبعضها بحالة تطاعم commensalism، لكن لا توجد منها أنماط طفيلية، بمعنى أنه لم يعرف منها أنواع تسبب الأمراض.

موقع البدئيات بين الكائنات الحية

كان الإنسان منذ زمن طويل يقسم الأحياء إلى مملكتي النبات والحيوان، وفي عام 1866 اقترح إرنست هِيكل Ernst Haeckel مملكة ثالثة هي الأوليّات
Protista لتضمّ جميع الأحياء الدقيقة كالبكتريا (الجراثيم) Bacteria والفطريّات Fungi والحيوانات الأوالي Protozoa والطّحالب Algae. وفي عام 1969 اقترح وايتَكَر H. Whittaker نظام خمس ممالك kingdoms الذي لاقى قبولاً واسعاً، ووفقاً لذلك عُدّت البكتريا والبكتريا الزرقاء (الزراقم) Cyanobacteria أحياء بدائيّة النواة prokaryotic، ودعاها المونيرا Monera، وهكذا تم تمييز خمس ممالك هي: المونيرا (التي تضم بدائيات النواة prokaryotes)، والأوليات (التي تضم معظم وحيدات الخلية)، والنباتات plantae، والفطريات Fungi، والحيوانات Animalia. ميز هذا النظام الفرق الكبير بين المجموعات من حيث بنيتها الخلوية؛ أي كونها مؤلفة من خلايا حقيقية النواة أو خلايا بدائية النواة، وميز هذه الأخيرة من باقي المجموعات بوضعها في مملكة خاصة بها هي المينورا. لكن فيما بعد أبرز التطور السلالي phylogeny -الذي يعتمد المعطيات الجزيئية الوراثية- مشكلةً تتجلى في أن بعض بدائيات النواة -إضافة إلى اختلافها عن حقيقيات النوى- يختلف بعضها عن بعض، وقد دفع ذلك البيولوجيين إلى تمييز نظام ثلاثة عوالم (مجالات) domains، هي: البكتريا Bacteria، والبدئيات KArchaea وحقيقيات النواة Eukarya، وهي تصنيفات سويتها أعلى من سوية المملكة kingdom. وقد أيد هذا النظام دراساتٌ كثيرة، بما في ذلك دراسةٌ حديثة سَلْسَلت نحو 100جين، وكان عالما البكتريا والبدئيات يتمثلان بمجموعة المينورا، إضافة إلى حقيقيات النواة، كما يبينه الشكل (2).

الشكل (2) تصنيف الكائنات الحية

ظهور البدئيات على الأرض وأسباب بقائها

تؤكد شواهد المستحاثات (الحفريات) وجود البكتريا على الأرض منذ نحو 3.5 بليون (مليار) سنة، وبعد ذلك ومنذ نحو بليون سنة مضت تقريباً تطوّر نمط الخليّة حقيقيّة النواة على نحو واضح في الكائنات الحية الأرقى والأكثر تعقيداً في بنيتها. وتوحي تحاليل النشوء النوعي وجينومية البدئيات القابلة للاستزراع أن الجَد السلف لجميع البدئيات الموجودة اليوم لاهوائي الحياة anaerobic، وربما كان هذا الجد قد عاش عندما كان الأكسجين لا يزال غير متوفر في الغلاف الجوي للكرة الأرضية. أما التحول إلى نمط الحياة الهوائية فهو تكيف ثانوي في مجال البدئيات التي ظهرت مرات عديدة على نحو مستقل، وقد لا تكون مصنِّعة للميتان، وكانت غيرية التغذي. ولكن وَضْعُ تصور لتطور المسالك الاستقلابية لها أمر صعب، ويمكن أن تكون الشحميات النادرة قادرة على الحفاظ على مرونة الغشاء السليم في مَدى واسع لدرجات الحرارة في الجد الأعلى للبدئيات أليفة الحر، وربما يمثل وجودها اليوم في البدئيات أليفة الاعتدال وأليفة البرودة psychrophilic بقايا منه. وتوجد ذريات أليفة الحرارة كثيرة تنبثق من قاعدة المجموعتين البدئيات واسعة البيئات وبدئيات الينابيع Crenarchaea.

لا ريب في أن الخلايا تتطلَّب الماء من أجل الحياة ولكن الماء فوق درجة 100°س يكون بخاراً، مما جعل حياة هذه الكائنات محددة في منافس المياه الحرارية hydrothermal vents في قاع البحر. ففي هذه البيئات الفريدة توجد جماعات من الأحياء الدقيقة متنوعة من حيث النشوء النوعي وكذلك من حيث الفيزيولوجيا. ويؤكد تسلسل الرنا الريبي rRNA- فيزيولوجياً- العلاقات المتباعدة ليس فقط لتسلسل الرنا الريبي من البدئيات أليفة الحرارة الممكن استزراعها، ولكن أيضاً لتسلسل نسائل الرنا الريبي من البدئيات غير المعرَّفة التي توجد في البيئات المائية الحارة الأخرى.

تصنيف البدئيات

تصنف البدئيات عادة بحسب نوع البيئات التي تعيش فيها، لذا يميز فيها ثلاث شعب clades هي: البدئيات واسعة البيئات Euryarchaeota (من اليونانية eurys بمعنى عريض)، وبدئيات الينابيع Crenarchaea (من اليونانية cren بمعنى النبع)، والبدئيات الحديثة Korarchaea (من اليونانية koron بمعنى الرجل الفتي).

1- شعبة البدئيات واسعة البيئات:

تضم 9 رتب، معظمها مصنِّعة للميتان، منها:

أ- رتبة مصنِّعات الميتان methanogens التي تحرر أفرادها هذا الغاز ليكون مصدراً للطاقة اللازمة لها، فهي تستعمل ثنائي أكسيد الكربون لأكسدة الهدروجين من أجل إنتاج الميتان ومن ثم الطاقة التي تربطها مع الأدينوزين ثلاثي الفسفات (Adenosine Triphosphate (ATP، وأفرادها مرتبطة جداً بالأصل الحار للحياة على الأرض. وهي واسعة الانتشار في المنظومات البيئية اللاهوائية حيث تتفكك المواد العضوية؛ مثل المياه غير المهواة كالأراضي الرطبة المغمورة والمستنقعات وبرك المخلفات الحيوانية وحقول الرز والسبخات المالحة salt marshes.

ومع أن بعض هذه الكائنات تستطيع الحياة في أعماق تصل إلى الكيلومترات في البحار- كما في تحت جليد غرينلاند- بيد أنها تتسمم بالأكسجين، فهي تعيش حياة لا هوائية anaerobic life، وفي الرسوبيات، وتعيش أيضاً في الجهاز الهضمي للحيوانات مثل المجترات والأرَضَة (النمل الأبيض)، حيث تقوم بدور مهم في تغذية هذه الحيوانات، وقد عُزِلَ مثلاً الجنس Methanosphaera من براز الحيوانات.

ب- رتبة أليفات الملوحة المفرطة extreme halophytes (من اليونانية halo بمعنى الملح) التي فقدت قدرتها على إنتاج الميتان وأصبحت متسامحة مع الأكسجين. وهي تنمو في محاليل ملحية مشبعة أو قريبة من الإشباع، وتعيش في البحيرات المالحة، مثل البحيرات المالحة العظمى Great Salt Lakes في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث صباغ الرودوبسين الملحي halorhodopsin (إشارة إلى صباغ الرودوبسين في شبكية العين) يجعلها جلية، وتعيش أيضاً في البحر الميت بين فلسطين والأردن، فهي تتطلب أوساطاً شديدة الملوحة تتعدى ملوحة مياه البحر التي تقدر بـ 3.5 %، يساهم في ذلك بروتينات الغشاء، فالجنس Halobacterium مثلاً يتميز جدار خلاياه بخصائص تجعله غير قادر على الحياة في درجة ملوحة أقل من 9 %.

وقد طورت هذه المجموعة عدداً من الآليات لكي تمكنها من الحياة في مثل هذه الأوساط شديدة الملوحة، فالبروتينات عندها تتمتع بمضخات كلور chloride pumps تستخدم الرودوبسين الملحي من أجل ضخ الكلور إلى داخل الخلية، الأمر الذي يمنع خسارة الماء. وهي تستعمل أيضاً مضخة أخرى هي الرودوبسين البكتري bacteriorhodopsin لتركيب ATP بوجود الضوء.

ج- رتبة أليفات الحرارة والملوحة Thermoplasmatales: تضم أفراداً من دون جدار خلوي، وهي تعيش حياة غيرية التغذي heterotrophic ولاهوائية مُخَيَّرَة، يقوم فيها الأكسجين أو الكبريت بدور المتقبل (الآخذ) النهائي للإلكترونات. ينتمي إليها الجنس Thermoplasma الذي ينتشر في القاع.

د- رتبة مُرْجِعات الكبريت Archaeoglobales: عُزِلَ منها الجنس Archaeoglobus من المنافس المائية الحرارية الجيزرات geysers (الشكل 3) ومن الرسوبيات البحرية الحارة، وهو يعيش بصورة غيرية التغذي حيث يستعمل المسلك المُنْتِج للميتان بصورة عكسية، ويعيش أيضاً بصورة ذاتية التغذي autotrophic بإرجاع الكبريت.

الشكل (3) المنافس المائية الحرارية في أعماق البحار.

هـ- رتبة أليفات الحرارة Thermococcales: تستقلب أفرادها الكبريت أيضاً. وتكثر في الرواسب البحرية الحارة وفي مناطق المنافس المائية الحرارية وحول البراكين. ينتمي إليها الجنس Thermococcus غيري التغذي، والجنس Pyrococcus الشبيه بالجنس السابق لكنه يعيش في درجات حرارة أعلى. ويستخدم النوع
Pyrococcus furiosus – خاصة- في مجالات التقانة الحيوية مصدراً لبوليميراز الـ DNA وفي تقنيات تفاعل البوليمراز المتسلسل (Polymerase Chain Reaction (PCR.

كما أنها تكثر في الجيزرات. فالجنس Sulfolobus يعيش في ينابيع بركانية غنية بالكبريت بدرجات حرارة تصل إلى 90°م (الشكل 4). وفي مثل درجة الحرارة العالية هذه تموت خلايا الكائنات الحية الأخرى؛ لأن معظم بروتيناتها تتمسخ denature في هذه الدرجة من الحرارة ويفقد الدنا شكله الحلزوني، فيتجنب هذا الجنس Sulfolobus وأليفات الحرارة الأخرى هذا المصير؛ لأن الدنا والبروتينات فيها تكيفت بحيث تبقى مستقرة في درجات الحرارة العالية، لكن أحد أليفات الحرارة الشديدة الذي يعيش قرب المنافس المائية الحرارية في قاع البحر يستطيع التكاثر في درجة حرارة 121°س، لذا يسمى- بصورة غير رسمية- «السلالة 121» (strain 121).

الشكل (4) ينابيع رابت كريك البركانية Rabbit Creek في الحديقة الوطنية في يِلوستون Yellowstone في الولايات المتحدة الأمريكية، حيث يعيش الجنس Sulfolobus في المواقع شديدة الحرارة.

2- شعبة بدئيات الينابيع: تضم أنواعاً قابلة للاستزراع وأليفة الحرارة مثل الجنس Thermoproteus، كما تضم مجموعات أليفة للبرودة، ومجموعات تعيش حياة لاهوائية صارمة مثل الجنس Pyrodictium الذي استُزرِع من بركان في قاع المحيط.

3- شعبة البدئيات الحديثة: هي مجموعة لا يعرف عنها الكثير، وقد أمكن استزراعها. تقع في قاعدة شجرة الحياة، لذا فالمعلومات الجزيئية عنها ستسهم في إثراء معرفة الأحياء القديمة وفهمها.

اكتشف الباحثون في عام 2002- في المنافس المائية الحرارية، بعيداً عن سواحل آيسلاند Iceland- خلايا بدئية قطرها 0.4 مكرومتر ملتصقة ببدئيات ينابيع تفوقها حجماً بصورة كبيرة. وكان جينوم البدئيات الصغيرة أصغر ما عُرِفَ من الجينومات بين المتعضيات، ويحتوي على 500000 زوج من الأسس base pairs. وقد أشار التحليل الوراثي إلى أن بدائيات النواة هذه تنتمي إلى شعبة رابعة من البدئيات، سميت البدئيات القزمة Nanoarchaea (من اليونانية nanos بمعنى قزم). وبعد سنة من هذه التسمية، تم عزل ثلاث متتاليات دنا DNA من نوع بدئي قزم، واحدة من ينابيع يلوستون الحارة في الولايات المتحدة الأمريكية، وواحدة من ينابيع حارة في سيبيريا، وثالثة من منافس مائية حرارية في المحيط الأطلسي. ومع اكتشاف أنماط أخرى قد تغير الوضع التصنيفي لهذه المجموعة من الكائنات الحية.

الوضع الوراثي للبدئيات

إن الريبوزومات ribosomes مكونات خلوية أساسية في جميع أشكال الحياة على الكرة الأرضيّة، ويعكس تتابع النكليوتيدات في الرنا الريبي التاريخ التطوري evolutionary history للخليّة التي يوجد فيها هذا الرنا. وعلى أساس التشابه والاختلاف بين جزيئات الرنا الريبي في غالبيّة الأنواع المختلفة؛ تتميّز البكتريا البدئيّة في مجموعة خاصّة، يدعم ذلك المعلومات عن ليبيدات الغشاء البلاسمي والكودون البادئ لجزيئات الرنا وجزيئات الرنا الناقل tRNA والتحسّس للصّادّات الحيويّة antibiotics. واستنتج الباحثون أنّ الجراثيم البدئيّة تمزّق شجرة التطوّر لتكوِّن فرعاً مستقلاً في الوقت الذي تتباعد فيه فروع البكتريا وحقيقيّات النواة.

ويفترض البحث في البدئيّات بعض التعديلات في النظريّة الحاليّة حول أصل الخلايا حقيقيّة النواة، فلئن شاع اعتقاد أنّ المتقدرات mitochondria والصّانعات الخضر تتحدّر من البكتريا التي كانت تنغمس في خلايا بدائيّة نواة أضخم، وتفترض أنّ الخلايا المضيفة كانت بكتريا عاديّة، فقد تبيّن الآن أنّه من الممكن أن تمتلك الخليّة المضيفة الأصليّة أحد الأحياء الدقيقة الذي تطوّر على طول خط مستقلّ عن البكتريا، الأمر الذي يفيد في تفسير العديد من الاختلافات الجزيئيّة الأساسيّة بين البدئيّات والبكتريا وحقيقيّات النواة، وإن انفجار الدراسات البيئية اعتماداً على تطبيقات تفاعل البوليميراز المتسلسل Palymerase Chain

(Reaction (PCR للرنا الريبي 16S كشف الانتشار الواسع للبدئيات أليفة الاعتدال مع أنماط ظاهرية غير معروفة من نوع آخر في المياه والتربة.

تتشابه آليات تطور الجينوم genome في البدئيات مع مثيلاتها في البكتريا، فمعظم الجينات المستنسخة تبدو مترجمة مباشرة معاً مع تضاعف الدنا DNA replication، كما في البكتريا، ويوجد تسلسل شاين دالغارنو Shine–Dalgarno في بعض البدئيات كما في البكتريا، وجينات البدئيات نشأت غالباً في الأوبرون Operon، وإن آليات تنظيم الجين في البدئيات تتضمن بروتينات المنظم الشبيه البكتري.

إن صبغي البدئيات أصغر مما هو في البكتريا، ويمكن أن تتنوع الجينومات فيما يحويه الدنا من السيتوزين والغوانين للدنا بين 21 و68 %، مما يجعلها دليلاً على تنوع النمط المورثي. والمورثات المترابطة وظيفياً هي غالباً منتظمة في بنى شبيهة بالأوبرون وإن كان التسلسل الأولي لبروتينات البدئيات متشابهاً غالباً أكثر مع المتماثلات في حقيقيات النواة مما هي عليه في البكتريا. والإنترونات introns توجد في 23S و16S الرنا الريبوزومي في البدئيات ومورثات الرنا الناقل.

التصنيف : علم الحياة (البيولوجيا)

النوع : علم الحياة (البيولوجيا)

المجلد: المجلد الرابع

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية