معلومة

1.3.1: علم الأحياء الدقيقة الأساسي - علم الأحياء

1.3.1: علم الأحياء الدقيقة الأساسي - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

علم الأحياء الدقيقة هو دراسة الكائنات الحية الدقيقة وكيفية تفاعلها مع البشر والبيئة.

أهداف التعلم

  • تقييم علم الأحياء الدقيقة الأساسية ؛ فهم الجوانب الأساسية لعلم الأحياء الدقيقة.

النقاط الرئيسية

  • يركز علم الأحياء الدقيقة على الكائنات الحية الصغيرة جدًا باستخدام أدوات مختلفة ، وهي عملية يقوم بها علماء الأحياء الدقيقة.
  • نظرًا لأن الميكروبات ضرورية لحياة الإنسان ولأن الميكروبات يمكن أن تسبب أمراضًا للإنسان ، فإن علم الأحياء الدقيقة مهم للغاية.
  • إن أعداد الميكروبات الفردية وعدد الميكروبات الموجودة على الأرض وعلى الأرض مذهل في النسب.

الشروط الاساسية

  • الكميات: عملية القياس الكمي.
  • علم المناعة: فرع الطب الذي يدرس جهاز المناعة في الجسم.
  • مثقف: قادرة على الاستزراع (تنمو في بيئة مناسبة).

علم الأحياء الدقيقة هو دراسة الكائنات المجهرية (الميكروبات) ، والتي يتم تعريفها على أنها أي كائن حي يكون إما خلية واحدة (أحادية الخلية) ، أو كتلة خلوية ، أو لا تحتوي على خلايا على الإطلاق (لا خلوي). وهذا يشمل حقيقيات النوى ، مثل الفطريات والطلائعيات وبدائيات النوى. كما تمت دراسة الفيروسات والبريونات ، وإن لم يتم تصنيفها بدقة على أنها كائنات حية.

يتضمن علم الأحياء الدقيقة عادة دراسة الجهاز المناعي أو علم المناعة. بشكل عام ، تتفاعل أجهزة المناعة مع الميكروبات المسببة للأمراض ؛ غالبًا ما يتقاطع هذان التخصصان وهذا هو السبب في أن العديد من الكليات تقدم درجة مزدوجة مثل "علم الأحياء الدقيقة وعلم المناعة. "

علم الأحياء الدقيقة هو مصطلح واسع يشمل علم الفيروسات وعلم الفطريات وعلم الطفيليات وعلم الجراثيم وعلم المناعة والفروع الأخرى. عالم الأحياء الدقيقة متخصص في علم الأحياء الدقيقة وهذه الموضوعات ذات الصلة. عادةً ما يجب أن تكون الإجراءات الميكروبيولوجية معقمة وتستخدم مجموعة متنوعة من الأدوات مثل المجاهر الضوئية مع مجموعة من البقع والأصباغ. نظرًا لأن الميكروبات مطلوبة تمامًا لمعظم جوانب الحياة البشرية (بما في ذلك الهواء الذي نتنفسه والطعام الذي نتناوله) وهي أسباب محتملة للعديد من الأمراض البشرية ، فإن علم الأحياء الدقيقة أمر بالغ الأهمية للمجتمع البشري.

يتوسع البحث في مجال علم الأحياء الدقيقة ، وفي السنوات القادمة ، يجب أن نرى زيادة الطلب على علماء الأحياء الدقيقة في القوى العاملة. تشير التقديرات إلى أن حوالي واحد بالمائة فقط من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في عينة بيئية معينة قابلة للزراعة ولا يزال من غير الممكن تحديد عدد الخلايا والأنواع البكتيرية على الأرض. تشير التقديرات الأخيرة إلى أن هذا الرقم قد يكون مرتفعًا للغاية عند خمسة أس ثلاثين. على الرغم من ملاحظة الميكروبات بشكل مباشر منذ أكثر من ثلاثمائة عام ، إلا أن التحديد الدقيق والكمي ووصف وظائفها أبعد ما يكون عن الاكتمال ، نظرًا للتنوع الهائل الذي تم اكتشافه بوسائل وراثية ومستقلة عن الثقافة.


التكنولوجيا الحيوية

التكنولوجيا الحيوية هي مجال واسع من علم الأحياء ، يشمل استخدام النظم والكائنات الحية لتطوير أو صنع المنتجات. اعتمادًا على الأدوات والتطبيقات ، غالبًا ما يتداخل مع المجالات العلمية ذات الصلة. في أواخر القرن العشرين وأوائل القرن الحادي والعشرين ، توسعت التكنولوجيا الحيوية لتشمل علومًا جديدة ومتنوعة ، مثل علم الجينوم ، وتقنيات الجينات المؤتلفة ، وعلم المناعة التطبيقي ، وتطوير العلاجات الصيدلانية والاختبارات التشخيصية. المصطلح التكنولوجيا الحيوية تم استخدامه لأول مرة بواسطة Karl Ereky في عام 1919 ، مما يعني إنتاج المنتجات من المواد الخام بمساعدة الكائنات الحية.


علم الأحياء الدقيقة والتمريض

في هذه المقالة ، سنناقش حول علم الأحياء الدقيقة فيما يتعلق بالتمريض. ستساعدك المقالة الواردة أدناه على فهم الأمور التالية: - 1. مقدمة في علم الأحياء الدقيقة في التمريض و 2. المخطط التاريخي لعلم الأحياء الدقيقة.

1. مقدمة في علم الأحياء الدقيقة في التمريض:

علم الأحياء الدقيقة (Gr. mikros - الصغير ، السير - الحياة ، الشعارات - العلم) هو علم الكائنات الدقيقة غير المرئية بالعين المجردة ، والتي تسمى الميكروبات. إنها دراسة قوانين حياة الكائنات الدقيقة وتطورها ، وكذلك التغيير الذي تحدثه في الكائنات الحية الحيوانية والنباتية وفي المواد غير الحية والخجولة.

وفقًا لمتطلبات المجتمع الحديث ، في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، تم تمييز علم الأحياء الدقيقة إلى علم الأحياء الدقيقة العام والزراعي والبيطري والطب والتمريض. لقد أصبح علم الأحياء الدقيقة الطبية الحديث علمًا واسعًا وينقسم إلى علم الجراثيم - علم البكتيريا المسببة للأمراض (بكتيريا Gr. - دراسة علم الديدان الطفيلية الممرضة - دراسة حشرات الديدان الطفيلية - دراسة الحشرات (النواقل) التي تنقل المرض إلى الإنسان - دراسة الطفيليات (الأوليات والديدان الطفيلية). بالإضافة إلى ذلك ، يشمل علم الأحياء الدقيقة الطبي أيضًا دراسة آليات العدوى والمناعة ، وطرق العلاج المحدد والوقاية من الأمراض المعدية.

علم الأحياء الدقيقة في التمريض هو تطبيق المعرفة بالميكروبيولوجيا الطبية بجانب سرير المرضى أثناء الرعاية التمريضية. تعتبر الرعاية التمريضية في المستشفى والمجتمع ذات أهمية قصوى لتعزيز الصحة ، فهي تعتبر العمود الفقري للصحة العامة. لتحقيق الكمال في هذه المهنة ، يجب أن يكتسب الممرضون معرفة جيدة بعلم الأحياء الدقيقة للتمريض ، حيث أن التمريض مهنة مترابطة تتأثر بالتطورات العلمية والتكنولوجية الحديثة لعلوم التمريض.

2. المخطط التاريخي لعلم الأحياء الدقيقة:

في العصور القديمة ، في بداية الحضارة ، استخدم الإنسان عمليات معينة ناجمة عن أنشطة الكائنات الحية الدقيقة ، مثل تخمير الحليب والنبيذ والعصير وما إلى ذلك ، اعتقد ابن سينا ​​(980-1037 م) أن جميع الأمراض المعدية سببها كائنات حية دقيقة ، غير مرئي للعين المجردة وينتقل عن طريق الهواء والماء.

كان أول من رأى ووصف الميكروبات هو العالم الهولندي أ. ليوينهوك 1632-1723. لقد صنع هو نفسه عدسات بسيطة تكبر من 160 إلى 300 ضعف. في عام 1678 ، نشر رسالته على & # 8220animalcule viva & # 8221— جزيئات الحيوانات الحية التي لاحظها في الماء والبراز والحقن وكشط الأسنان.

إلى جانب اكتشافه للميكروبات ، رسم الميكروبات بدقة. كان اكتشافه نقطة البداية لدراسة السكان الميكروبيين. بعد هذا التحقيق الرائع ، مر أكثر من 150 عامًا قبل اكتمال البحث عن العوامل المسببة للأمراض المعدية بنجاح.

تم حل المشكلات العملية التي واجهتها معركة الأمراض الوبائية من خلال معرفة علم الأحياء الدقيقة. في عام 1798 ، أثبت الطبيب الإنجليزي إدوارد جينر (1749-1823) أن تطعيم البشر ضد جدري البقر يقيهم من الإصابة بالجدري. طور باستور (1880-1890) لقاحات ضد كوليرا الطيور والجمرة الخبيثة وداء الكلب. كان هذا الاكتشاف مفيدًا جدًا في مكافحة هذه الأمراض عند الحيوانات والبشر.

في النصف الأول من القرن التاسع عشر ، تم اكتشاف العوامل المسببة للأمراض. في عام 1839 ، أثبت د. شوينلين أن القراع سببه الفطريات المسببة للأمراض. في عام 1843 ، كشف د. في 1849-1854 ، اكتشف A. Pollender ، C. Davaine ، F. Bravell عصية الجمرة الخبيثة.

في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، تم تطوير طرق الفحص المجهري بمساعدة المجاهر الأفضل. أثناء دراسة الكائنات الحية الدقيقة ، تم إيلاء الكثير من الاهتمام للعمليات الكيميائية الحيوية ، وقدرة الميكروبات على تخمير الركائز العضوية.

أثبت لويس باستور (1822-1895) ، عالم وكيميائي وعالم ميكروبيولوجي فرنسي ، أن التخمير الكحولي والتعفن ناتجا عن نشاط الميكروبات. قام بالتحري عن العوامل المسببة لكوليرا الطيور والجمرة الخبيثة وداء الكلب وأعد اللقاحات. نظرًا لطبيعة انتشار الكائنات الحية الدقيقة في كل مكان ، قام باستير بحماية وسائط المغذيات من التلوث الميكروبي وأثبت أن التوليد التلقائي للكائنات الحية الدقيقة غير موجود.

جذبت اكتشافاته العديد من العلماء نحوه. بناءً على العدوى الميكروبية التي وصفها باستور ، أدخل الجراح الإنجليزي جوزيف ليستر (1827-1912) في الجراحة مبادئ المطهرات (تطهير الجروح بالمطهرات الكيميائية).

أجرى الطبيب الألماني روبرت كوخ (1843-1910) تحقيقًا مفصلاً في التهابات الجروح وطور طريقة لعزل البكتيريا المسببة للأمراض في مزرعة نقية ، وهاجم مشكلة الجمرة الخبيثة ، وطور طريقة تلطيخ البكتيريا ووصف أيضًا طريقة زراعة على وسائط صلبة. أسس مدرسة لعلم الأحياء الدقيقة وكان تلاميذه هم K. Ebarth و G. Gaffksy و K. Klebs و F. Loeffler و S. Kitasato وغيرهم الكثير.

في عام 1874 وصف هانسن عصية الجذام. في عام 1880 ، عزل باستير عصية كوليرا الطيور ولاحظ إيبرث عصية حمى التيفوئيد. تم تقديم وصف مناسب للمكورات العنقودية بواسطة Ogston (1881). اكتشف كوخ (1882) عصية الحديبة. في عام 1885 ، عزل فرانكل المكورات الرئوية Escherich ، القولون Bacillus. لاحظ نيكولاير أن عصية الكزاز تمت زراعتها لاحقًا بواسطة Kitasato في عام 1889. وصف ويلش ونوتال العصية اللاهوائية المعروفة باسم Clostridium welchii.

في عام 1894 ، وصف Kitasato و Yersin بشكل مستقل عصية الطاعون التي تعرف الآن باسم Yersinia pestis. في عام 1896 ، وصف Van Ermengem CI. البوتولينوم كعامل مسبب للتسمم الغذائي. في عام 1897 ، اكتشف بانغ العصية التي تسبب الإجهاض البقري. وهكذا ، بحلول نهاية القرن التاسع عشر ، تم تحديد مجموعة كبيرة ومتنوعة من الكائنات الحية الدقيقة ووجد أنها مرتبطة بالأمراض البشرية.

جوزيف ليستر ، أستاذ الجراحة في جلاسكو ، ابتكر طريقة لتخفيف الثقافة البكتيرية وتحضير سلسلة من الثقافات الفرعية بكمية صغيرة من السائل الأصلي الذي نتج عنه خلية بكتيرية واحدة ، لذلك كان ليستر أول عالم بكتيريا ، على الرغم من أنه في الأساس الجراح ، للحصول على ثقافة نقية بالتأكيد من البكتيريا.

وهكذا ، انتشرت الثورة الميكروبيولوجية التي أطلقها باستور وامتدها كوخ إلى ما هو أبعد من مجال الطب. لم يكن هناك تقدم ملموس في معرفة علم الجراثيم للأمراض خلال الفترة من 1875 إلى 1900 حيث تم تطبيق التقنيات التي طورها باستور وكوخ فقط في مجال واسع جدًا خلال هذه الفترة.

استوعبت دراسة المناعة (فرع علم الجراثيم) ، المستمدة من دراسات باستور عن كوليرا الدجاج والجمرة الخبيثة وداء الكلب ، عددًا كبيرًا من علماء البكتيريا. من تحقيقات Metchnikoff & # 8217s (1845-1916) حول التفاعل الخلوي في العدوى وكذلك من عمل Buchner و Nuttall و Von Behring (1890) و Ehrlich (1854-1915) و Bordet وغيرهم ، المزيد من طرق التشخيص المخبرية المحسنة تم ابتكار الأمراض المعدية واللقاحات ضد الحمى المعوية والكوليرا والطاعون وأمراض أخرى.

في القرن العشرين ، تم تطوير مجال الوقاية النوعية من الأمراض المعدية. أتقن رامون (1924-1925) طريقة لتحضير مضادات السموم (السموم التي تجعل الفورمالين غير ضار ، أي التوكسويد). تم إجراء التحصين ضد الدفتيريا والتيتانوس بنجاح بمساعدة هذا اللقاح (اللقاح).

تم استخدام العامل المسبب الحي الموهن لمرض السل لتحضير لقاح ضد السل (كالميت وجرين ، 1919) وبالمثل لقاح الطاعون (Giard and Robic ، 1931) ، ولقاح التولاريميا (Gaisky ، 1939) ، ولقاح شلل الأطفال (Sabin ، 1954-1958).

حقق الطب الحديث نجاحًا كبيرًا في علاج الأمراض المعدية ، بسبب إدخال سلفارسان (إيرليش) ، العاثية (د & # 8217 هيريل) ، سلفوناميد (دوماجك وآخرون) ، البنسلين (فليمينجيتال) ، الستربتومايسين (واكسمان وآخرون). تم الكشف عن الآليات البيوكيميائية للوراثة والاختلافات بسبب جينات البكتيريا والفيروسات. نشأ مجال علمي جديد - البيولوجيا الجزيئية - من علم الوراثة للبكتيريا والفيروسات.

كان تطوير دراسة الأمراض المعدية ، وعلم الأوبئة ، وعلم الفيروسات ، وعلم المناعة ، والجراحة ، والنظافة وما إلى ذلك بسبب نجاح علم الأحياء الدقيقة. يمكن القول بحزم أن العلوم الطبية لم يكن من الممكن أن تتقدم بدون تطور علم الأحياء الدقيقة.


المراجعة السنوية لعلم الأحياء الدقيقة

إصدار تقارير الاقتباس من المجلات الدورية لعام 2020

يوفر إصدار 2020 من Journal Citation Reports® (JCR) الذي نشرته Clarivate Analytics مزيجًا من مقاييس التأثير والتأثير من بيانات مصدر شبكة العلوم لعام 2019. يوفر هذا المقياس نسبة الاقتباسات من مجلة في سنة معينة إلى العناصر القابلة للاقتباس في العامين السابقين.

قم بتنزيل المراجعات السنوية 2020 Edition JCR Rankings بتنسيق Excel.

المراجعة السنوية لـ: مرتبة اسم التصنيف المجلات المرتبة في الفئة عامل التأثير استشهد نصف الحياة مؤشر الوساطة
الكيمياء التحليلية 6 كيمياء تحليلية 86 7.023 7.1 2.042
الكيمياء التحليلية3التحليل الطيفي427.0237.12.042
علوم الحيوان الحيوية2علم الحيوان1686.0914.13.125
علوم الحيوان الحيوية17التكنولوجيا الحيوية وعلم الأحياء الدقيقة التطبيقي1566.0914.13.125
علوم الحيوان الحيوية1الزراعة ومنتجات الألبان وعلوم الحيوان636.0914.13.125
علوم الحيوان الحيوية2العلوم البيطرية1426.0914.13.125
الأنثروبولوجيا6الأنثروبولوجيا903.17515.60.240
علم الفلك والفيزياء الفلكية1علم الفلك والفيزياء الفلكية6832.96310.85.133
الكيمياء الحيوية3الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية29725.78712.34.933
الهندسة الطبية الحيوية2الهندسة الطبية الحيوية8715.5419.01.524
الفيزياء الحيوية3الفيزياء الحيوية7111.6856.63.130
بيولوجيا السرطان53علم الأورام2445.4132.02.826
بيولوجيا الخلية والنمو13بيولوجيا الخلية19514.66710.50.552
بيولوجيا الخلية والنمو1علم الأحياء التنموي4114.66710.50.552
الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية1الكيمياء التطبيقية719.5615.60.941
الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية5الهندسة الكيميائية1439.5615.60.941
علم النفس السريري1علم النفس ، السريرية (العلوم الاجتماعية)13113.6927.93.304
علم النفس السريري4علم النفس (علم)7713.6927.93.304
فيزياء المادة المكثفة6الفيزياء ، المادة المكثفة6914.8334.97.273
علم الجريمة1علم الجريمة وعلم العقاب696.3481.40.955
علوم الأرض والكواكب4علوم الأرض ، متعددة التخصصات2009.08914.22.727
علوم الأرض والكواكب5علم الفلك والفيزياء الفلكية689.08914.22.727
علم البيئة والتطور والنظاميات2علم الأحياء التطوري5014.04117.40.440
علم البيئة والتطور والنظاميات2علم البيئة16814.04117.40.440
اقتصاديات39اقتصاديات3713.5916.40.686
علم الحشرات1علم الحشرات10113.79614.34.762
البيئة والموارد5الدراسات البيئية (العلوم الاجتماعية)1238.0659.60.563
البيئة والموارد14العلوم البيئية (علوم)2658.0659.60.563
الاقتصاد المالي36تمويل الأعمال التجارية1082.0577.00.167
الاقتصاد المالي107اقتصاديات3712.0577.00.167
ميكانيكا الموائع1الفيزياء والسوائل والبلازما3416.30615.49.190
ميكانيكا الموائع1علم الميكانيكا13616.30615.49.190
علم الغذاء والتكنولوجيا3علوم الأغذية وتكنولوجيا أمبير1398.9605.22.615
علم الوراثة5علم الوراثة والوراثة17711.14610.80.500
علم الجينوم وعلم الوراثة البشرية15علم الوراثة والوراثة1777.2439.10.955
علم المناعة4علم المناعة15819.90010.75.875
القانون والعلوم الاجتماعية18قانون1542.5887.70.233
القانون والعلوم الاجتماعية20علم الاجتماع1502.5887.70.233
اللغويات23اللغويات1872.0263.31.000
العلوم البحرية2الجيوكيمياء والجيوفيزياء8516.3596.67.050
العلوم البحرية1علم الأحياء البحرية والمياه العذبة10616.3596.67.050
العلوم البحرية1علم المحيطات6616.3596.67.050
بحوث المواد19علم المواد ، متعدد التخصصات31412.53110.62.267
طب6الطب والبحوث والتجريبية1389.7168.63.829
علم الاحياء المجهري9علم الاحياء المجهري13511.00013.70.967
علم الأعصاب9علوم الأعصاب27112.54713.62.130
العلوم النووية والجسيمات2الفيزياء النووية198.7789.81.000
العلوم النووية والجسيمات3الفيزياء والجسيمات والحقول298.7789.81.000
تغذية2التغذية وعلم التغذية8910.89714.20.714
علم النفس التنظيمي والسلوك التنظيمي2علم النفس التطبيقي8410.9234.41.222
علم النفس التنظيمي والسلوك التنظيمي2إدارة22610.9234.41.222
علم الأمراض: آليات المرض1علم الأمراض7816.7507.26.500
علم الأدوية والسموم1علم السموم9211.25011.45.793
علم الأدوية والسموم5الصيدلة والصيدلة27011.25011.45.793
الكيمياء الفيزيائية19الكيمياء والفيزيائية15910.63812.13.667
علم وظائف الأعضاء2علم وظائف الأعضاء8119.55611.14.769
علم أمراض النبات4علوم النبات23412.62312.70.478
بيولوجيا النبات1علوم النبات23419.54013.04.586
العلوم السياسية8العلوم السياسية1804.00011.30.750
علم النفس2علم النفس (علم)7718.15612.36.367
علم النفس3علم النفس متعدد التخصصات (العلوم الاجتماعية)13818.15612.36.367
الصحة العامة2العامة والبيئية والاحتلال. الصحة (العلوم الاجتماعية)17016.4639.53.880
الصحة العامة3العامة والبيئية والاحتلال. العلوم الصحية)19316.4639.53.880
اقتصاديات الموارد70اقتصاديات3712.7455.80.167
اقتصاديات الموارد48الدراسات البيئية (العلوم الاجتماعية)1162.7455.80.167
اقتصاديات الموارد4الاقتصاد والسياسة الزراعية (العلوم)212.7455.80.167
علم الاجتماع 1علم الاجتماع1506.40017.70.767
الإحصاء وتطبيقاته4الرياضيات ، تطبيقات متعددة التخصصات1065.0953.21.350
الإحصاء وتطبيقاته2الإحصاء والاحتمالية1245.0953.21.350
علم الفيروسات2علم الفيروسات378.0213.61.172
علوم الرؤية34علوم الأعصاب2715.8973.40.391
علوم الرؤية5طب العيون605.8973.40.391

أهداف ونطاق المجلة: ال المراجعة السنوية لعلم الأحياء الدقيقة، الذي نُشر منذ عام 1947 ، يغطي التطورات الهامة في مجال علم الأحياء الدقيقة ، بما في ذلك البكتيريا ، والعتائق ، والفيروسات ، وحقيقيات النوى أحادية الخلية.


ملفات تعريف الارتباط المحددة التي نستخدمها

تحدد القائمة أدناه ملفات تعريف الارتباط التي نستخدمها وتشرح الأغراض التي يتم استخدامها من أجلها. قد نقوم بتحديث المعلومات الواردة في هذا القسم من وقت لآخر.

  • JSESSIONID: يتم استخدام ملف تعريف الارتباط هذا بواسطة خادم التطبيق لتحديد جلسة مستخدم فريد.
  • registrarToken: يُستخدم ملف تعريف الارتباط هذا لتذكر العناصر التي أضفتها إلى سلة التسوق الخاصة بك
  • الإعدادات المحلية: يُستخدم ملف تعريف الارتباط هذا لتذكر إعدادات اللغة والإعدادات المحلية الخاصة بك.
  • cookieconsent_status: يُستخدم ملف تعريف الارتباط هذا لتذكر ما إذا كنت & # 39 قد رفضت بالفعل إشعار الموافقة على ملف تعريف الارتباط.
  • _ga_UA - ########: تُستخدم ملفات تعريف الارتباط هذه لجمع معلومات حول كيفية استخدام الزوار لموقعنا. نستخدم المعلومات لتجميع التقارير ولمساعدتنا على تحسين الموقع. تجمع ملفات تعريف الارتباط المعلومات في شكل مجهول ، بما في ذلك عدد زوار موقع الويب ، ومن أين أتى الزوار إلى الموقع والصفحات التي زاروها. يتم تخزين هذا الزائر المجهول ومعلومات التصفح في Google Analytics.

مادة الاحياء

نوعان من بق الفراش (Insecta: Hemiptera: Cimicidae) المتورطان عادة في الإصابة البشرية هما سيمكس ليكتولريوس و جيم نصفي. على الرغم من ندرته ، قد يصبح البشر مضيفين عرضيين لـ سيمكس أنواع الخفافيش والطيور.

دورة الحياة:

البالغون وجميع مراحل الحورية سيمكس النيابة. تحتاج إلى تناول وجبات دم من مضيفين ذوات الدم الحار ، والتي عادة ما تكون من البشر C.Lectularius و جيم نصفي، على الرغم من أنه يمكن استخدام الثدييات والطيور الأخرى في حالة عدم وجود مضيف بشري. تضع أنثى بق الفراش حوالي خمس بيضات يوميًا طوال حياتها البالغة في مكان محمي (طبقات الفراش ، والشقوق في الزنبركات الصندوقية ، والمساحات أسفل الألواح ، إلخ). يفقس البيض في حوالي 4-12 يومًا في أول طور الحوريات والتي يجب أن تتناول وجبة دم قبل طرح الريش إلى المرحلة التالية. ستخضع الحشرات لخمسة مراحل من الحوريات (، ، ، ،) ، كل مرحلة تتطلب وجبة دم قبل طرح الريش إلى المرحلة التالية ، مع طرح المرحلة الخامسة في شخص بالغ. على الرغم من أن الحوريات تفتقر إلى براعم الجناح ، إلا أنها تشبه النسخ الأصغر من البالغين. تستغرق الحوريات والبالغات حوالي 5-10 دقائق للحصول على وجبة دم كاملة. قد يتناول البالغون عدة وجبات من الدم على مدار عدة أسابيع ، بافتراض توفر مضيف من ذوات الدم الحار. يحدث التزاوج خارج المضيف وينطوي على شكل فريد من أشكال الجماع يسمى & lsquotraumatic insemination & rsquo حيث يخترق الذكر الأنثى جدار البطن مع أعضائه التناسلية الخارجية ويلقح في تجويف جسمها. يعيش البالغون من 6 إلى 12 شهرًا ويمكنهم البقاء على قيد الحياة لفترات طويلة دون إطعام.


الدراسات الميكروبيولوجية في بيئة الفضاء أو استخدام المرافق لمحاكاة ظروف الفضاء الخارجي

الحدود العليا للمحيط الحيوي

يمثل الغلاف الجوي ، حتى ارتفاعه 30 كم ، سلسلة من التحديات للحياة (225). تزداد الكمية المطلقة للإشعاع الشمسي والمساهمة النسبية للأشعة فوق البنفسجية الطويلة والمتوسطة (الشكل & # x200 ب (الشكل 3) ، 3) ، وكلاهما يشكل خطراً بشكل خاص على الجزيئات الحيوية ، وعلى الأخص الأحماض النووية والبروتينات ، التي لها ذروة إشعاع الامتصاص عند 260 و 280 نانومتر ، على التوالي (الشكل & # x200B (الشكل 1) .1). علاوة على ذلك ، فإن انخفاض درجة الحرارة والضغط على ارتفاع 29 كم فوق سطح الأرض مماثلة لتلك الموجودة في المريخ وتسبب مشاكل بسبب التجمد والجفاف. أخيرًا ، يؤدي توافر المغذيات والتكوين الغازي للغلاف الجوي إلى خلق تحديات إضافية للحياة.

يعتمد بقاء الميكروبات المحمولة جواً بشكل أساسي على عاملين مستقلين: (1) مدى الضرر الذي يلحق بالميكروب أثناء الطيران و (2) مدى إمكانية إصلاح هذا الضرر بواسطة الميكروب المصاب (للمراجعة ، انظر المرجع 43).

لا ينبغي الخلط بين بقاء الميكروبات المحمولة جواً والنمو والانقسام أثناء الطيران. في الواقع ، أحد الأسئلة المهمة التي لم تتم الإجابة عليها بشكل لا لبس فيه هو ما يلي: هل تستقلب الميكروبات وتنمو وتنقسم وهي محمولة في الهواء؟ إذا فعلوا ذلك ، فيمكن اعتبار الغلاف الجوي موطنًا حقيقيًا بدلاً من مجرد مكان يكون فيه متطفلين عابرين. على الرغم من أنه تم الإبلاغ عن ذلك السراتية الذابلة يمكن أن يخضع للانقسام الخلوي بينما في قطرة مائية تحتوي على مغذيات بقطر 2 إلى 6 & # x003bcm (52 ​​، 53 ، 54 ، 240) ، فإن النتائج ليست واضحة. الجلوكوز ، أحد مكونات الوسط ، هو سكر مختزل يمكن أن يخضع لتفاعلات ميلارد غير الأنزيمية التي تستهلك O2 وتحرير ثاني أكسيد الكربون2مما يربك نتائج الدراسة التي اعتمدت على O2 الاستهلاك وثاني أكسيد الكربون2 الإنتاج كمؤشرات غير مباشرة لعملية التمثيل الغذائي (44).

بالنظر إلى العداء الواضح للبيئة ، يحتوي الغلاف الجوي للأرض الموجود فوق السطح مباشرة على مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة المحمولة جواً والتي يعتقد أنها تنشأ من التربة والبحيرات والمحيطات (20 ، 75 ، 82 ، 127 ، 196 ، 204 ، 221 ، 271) ، الحيوانات (21) ، والنباتات (151) ، ومحطات معالجة مياه الصرف الصحي (1 ، 168 ، 182) ، والحيوانات (237) ، وأنظمة استعادة النفايات الصلبة (145) ، ومواقع الري برش مياه الصرف الصحي (25) ، والتخمير وعمليات التكنولوجيا الحيوية الأخرى ( 36 ، 43). يبدو أن أعداد الميكروبات المحمولة جواً القابلة للحياة والتي يتم انتشالها من الغلاف الجوي تتباين بشكل موسمي ، حيث يتم الحصول على أكبرها خلال الصيف والخريف والأدنى في الشتاء (124 ، 148 ، 234). بالنظر إلى المصادر المحتملة للميكروبات المحمولة جوًا المدرجة سابقًا والتي تتغير بشكل كبير مع المواسم ، قد تكون التغييرات الملحوظة مرتبطة بالمناخ ، لكنها غير مؤكدة. تم تحليل المسافات التي قد تقطعها الكائنات المحمولة جواً لخطوط العرض الوسطى ، على غرار (على سبيل المثال ، 138 ، 148 ، 149) ، ووجد أنها تتراوح من بضعة كيلومترات إلى آلاف الكيلومترات. تم العثور أيضًا على اختلافات زمنية ومكانية في أعداد وأنواع الميكروبات في الغلاف الجوي (على سبيل المثال ، انظر المراجعين 67 و 234). على سبيل المثال ، تم العثور على أعداد أكبر من الفطريات القابلة للحياة في الجزء الغربي والجنوب الغربي من الولايات المتحدة مقارنة بالمنطقة الشمالية الشرقية (157 ، 234). أظهر Mancinelli and Shulls (157) ارتباطًا إيجابيًا ذا دلالة إحصائية بين العدد الإجمالي للبكتيريا القابلة للحياة المعزولة من الهواء الحضري وتركيز الجسيمات العالقة ، واقترحوا أن البكتيريا الموجودة في الهواء يمكن حمايتها من الجفاف بواسطة الماء الممتز على السطح. أسطح هذه الجسيمات المعلقة.

تعود دراسات بيولوجيا الغلاف الجوي العلوي ، أي طبقة التروبوسفير العليا والستراتوسفير السفلى (من 5 إلى 20 كم) ، إلى أواخر القرن التاسع عشر. لكن هذه الدراسات قليلة العدد بسبب قلة فرص أخذ العينات. في معظم الحالات ، تم استخدام البالونات للوصول إلى هذه الارتفاعات (223). تضمنت الكائنات الحية التي تم جمعها الفطريات والبكتيريا المكونة للجراثيم (على سبيل المثال ، انظر المراجع 46 و 88 و 223). وتجدر الإشارة إلى أن هذه الدراسات المبكرة لم يتم التحكم فيها جيدًا وأن ما تم الإبلاغ عنه قد لا يكون تمثيلًا دقيقًا لما كان موجودًا في الغلاف الجوي العلوي. أفادت دراسات لاحقة عن مجموعة أكبر من الميكروبات ، بما في ذلك أنواع المكورات الدقيقة و المكورات العنقودية والأنواع ذات الصلة دينوكوكس، وكذلك مجموعة متنوعة من البكتيريا المصطبغة (28 ، 74 ، 83 ، 84 ، 120 ، 258). باستخدام صواريخ الأرصاد الجوية ، تم عزل الفطريات والبكتيريا المصطبغة من ارتفاع يصل إلى 77 كم ، وهو أعلى ارتفاع تم عزل الميكروبات منه (120). أجريت دراسة حديثة لبيولوجيا الغلاف الجوي العلوي باستخدام منطاد يطير فوق الهند (235). تم جمع عينات الهواء من مسافة 24 و 28 و 41 كيلومترًا فوق سطح الأرض باستخدام جهاز أخذ العينات المبردة ومرشحات ميليبور. أربعة أنواع فقط من عصية تم عزلهم في هذه الدراسة. ومع ذلك ، استخدمت جميع الدراسات السابقة طرق الزراعة لتحديد عدد الميكروبات. تشير التقديرات إلى أن طرق الاستزراع تسمح فقط بدراسة ما بين 0.1 و 10 & # x00025 من إجمالي النباتات الميكروبية في أي بيئة معينة (79 أ). لذلك ، يُعتقد أن عددًا من الميكروبات قد يوجد في الغلاف الجوي العلوي ليس لدينا القدرة على الاستزراع ، وبالتالي يمر دون أن يلاحظه أحد ولا يحصى في هذه الدراسات.

دور الجاذبية في العمليات البيولوجية الأساسية

تم تلخيص نتائج & # x0201c التجارب الميكروبيولوجية الأولى في الفضاء & # x0201d بواسطة Zhukov-Verezhnikov et al. (269) على النحو التالي: & # x0201con رحلات مماثلة لمدار سفينة الفضاء فوستوك الأول، لا يوجد أي تأثير عمليًا من العوامل القادرة على التأثير الأولي على الخلايا المعزولة. وخلصت التحليلات النظرية المبكرة التي أجراها بولارد (201) بالمثل إلى أن عتبة الجاذبية الصغرى لإحداث تأثير على الخلايا كان قطرها حوالي 10 & # x003bcm ، والتي أكبر من معظم الخلايا البكتيرية. ومع ذلك ، تكشف مراجعة الأدبيات من العقود التي تلت ذلك عن وجود مجموعة متنوعة من الاختلافات في نمو الميكروبات وسلوكها نتيجة لرحلات الفضاء ، ويُفترض أن تُعزى النتائج إلى بعض جوانب انعدام الوزن (132 ، 146 ، 186 ، 200 ، 257).

في حين أن غالبية هذه التجارب أبلغت عن استجابات أساسية متشابهة في الغالب عبر عدد من الأنواع البكتيرية ، وهي مرحلة تأخر أقل وزيادة أعداد الخلايا النهائية في الفضاء ، تم الإبلاغ عن تناقضات غير مفسرة تنحرف عن النتائج النموذجية أيضًا من قبل محققين مختلفين على مر السنين. . يقترح اتجاه مثير للاهتمام تم تحديده من خلال تحليل مفصل حديث للأدبيات أن حركة الخلية قد تكون المتغير الرئيسي المسؤول عن النتائج التي تبدو متباينة (16). من خلال تصنيف النتائج من حيث حركية الخلية ، وهي معلمة لا يتم الإشارة إليها بوضوح دائمًا وأحيانًا دالة لوسط النمو ، فقد وجد أن تلك التجارب التي أجريت مع الخلايا البكتيرية غير المتحركة أبلغت عن الاختلافات الملحوظة عادةً في حركية النمو ، في حين أن أولئك الذين يستخدمون السلالات المتحركة يميلون لاستنتاج أنه لم تحدث تأثيرات من الفضاء. يعطي هذا الارتباط نظرة ثاقبة لآليات السبب والنتيجة الأساسية التي يمكن نظريًا تتبعها إلى حدث بدأ الجاذبية. في حالة عدم وجود حركية ، يُقترح أن يظل السائل المحيط بالخلية هادئًا ، مما يقلل من انتقال الكتلة بين الخلية المعلقة وبيئتها السائلة (135). هذا ، بدوره ، يمكن أن يؤدي إلى تكوين كيميائي متغير للسائل المحيط بالخلية ، والذي يؤدي بالتالي إلى استجابة بيولوجية محددة. يُفترض أن الإجراء السوطي المرتبط بالحركة كافٍ بما يكفي لخلط الطبقة الحدودية الهادئة حول الخلية ، وبالتالي القضاء على التأثير التراكمي المشتبه به الناجم عن انعدام الوزن. اختبرت دراسة سابقة واحدة على الأقل هذه الفرضية مباشرة (248) ، مع النتائج التي تدعم التفسير أعلاه.

غالبًا ما يشار إلى هذه العلاقة الفيزيائية الحيوية المتغيرة بين الخلية وبيئتها على أنها تأثير غير مباشر لرحلات الفضاء. على هذا النحو ، فإنه لا يتعارض مع التوقعات السابقة التي تشير إلى أن البكتيريا أصغر من أن تتأثر مباشرة بالجاذبية الصغرى بدلاً من ذلك ، فهي توسع الظواهر المعتمدة على الجاذبية إلى الخارج لتشمل الخلية وكذلك البيئة المحيطة بها كنظام معقد. في حين أن الآليات الدقيقة للعمل لم يتم تحديدها بالكامل بعد ، يمكن تلخيص سلسلة الأحداث التي تحركها الجاذبية المقترحة على أنها (1) تبدأ بقوة بدنية متغيرة تعمل على الخلية وبيئتها عند التعرض للجاذبية الصغرى (& # مشغل الجاذبية x0201c & # x0201d) ، مما أدى إلى (2) انخفاض النقل خارج الخلية للمغذيات والمنتجات الثانوية الأيضية التي تتحرك باتجاه الخلية وبعيدًا عنها ، مما يؤدي بالتالي (3) إلى تعريض الخلية لبيئة كيميائية معدلة ، والتي ينتج عنها مجموعها في النهاية إلى (4) استجابة بيولوجية ملحوظة تختلف عما يحدث في ظل الظروف العادية (1 & # x000d7 ز). تقدم نتائج الدراسات المنشورة في العقد الماضي أو نحو ذلك رؤى إضافية حول الظواهر الفيزيائية الأساسية وكذلك الانتشار الجيني لهذه الآثار. علاوة على ذلك ، تتجه أبحاث الفضاء بشكل متزايد نحو التطبيقات الصيدلانية التجارية ، مثل إنتاج المستقلب الثانوي (المضادات الحيوية) ، والتحكم في انتشار مسببات الأمراض المقاومة للأدوية المتعددة ، ومؤخراً تطوير اللقاح.

مرافق لدراسة آثار الجاذبية. (ط) المفاعلات الحيوية داخل موائل المركبات الفضائية.

تم تطوير مجموعة متنوعة من الحمولات ونقلها بواسطة العديد من الفرق الدولية لدعم دراسات البيولوجيا الخلوية والجزيئية داخل البيئة المضغوطة للمركبة الفضائية. بشكل عام ، يجب أن تحاول الأنظمة محاكاة الظروف في مختبر أرضي نموذجي قدر الإمكان ، مع الالتزام بمخاوف السلامة المتعلقة بمعالجة وخلط العينات البيولوجية الخطرة والكواشف الأخرى في موائل المركبة الفضائية والقيام بذلك تحت كتلة كبيرة ، وطاقة ، و قيود الحجم (130). تتوفر ملخصات عن المرافق التجريبية البيولوجية وغيرها من المرافق التجريبية الحالية الأكثر شمولاً لمحطة الفضاء الدولية في المواقع الإلكترونية التالية للإدارة الوطنية للملاحة الجوية والفضاء (NASA) ووكالة الفضاء الأوروبية (ESA): http://generations.arc.nasa.gov/generations.php ؟ pg & # x0003dflt_hdw و http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/Facility_Cat.html و http://www.esa.int/SPECIALS/Columbus/ESAAYI0VMOC_0.html.

(2) في المدار 1 & # x000d7 ز التحكم في الرحلة.

في كثير من الحالات ، يتم استخدام أجهزة الطرد المركزي على متن الطائرة وأجهزة التحكم الأرضية المشابهة للرحلة في محاولة لتمكين الباحثين من عزل الجاذبية المنخفضة بشكل أكثر تحديدًا كمتغير تجريبي مستقل. مثال على ذلك هو مجهر الطرد المركزي بطيء الدوران NIZEMI (نيedergeschwindigkeits-زينتريفوجين-ميkroskop) التي تم استخدامها خلال مهام Spacelab لتحديد عتبة إدراك الجاذبية في أنظمة أحادية الخلية (72). استخدام في المدار 1 & # x000d7 ز يمكن أن توفر أجهزة الطرد المركزي كعنصر تحكم طريقة مثالية لضمان تعرض المجموعة التجريبية لنفس العوامل البيئية الشاملة للفضاء باستثناء الجاذبية الصغرى. حتى هذه المحاكاة لـ 1 & # x000d7 ز أثناء التواجد في المدار ، يمكن أن تقدم متغيرات ، مثل الاهتزاز أو قوى القص بالقصور الذاتي الناشئة عن دوران السرعة الثابتة عبر مجموعة من قيم نصف قطر العينة الفعالة عند استخدام وعاء استزراع ذو قاع مسطح (255). لأخذ هذه الظاهرة في الاعتبار ، يجب تصميم الأجهزة الموجودة في المدار بـ 1 & # x000d7 ز حاوية التحكم & # x0201cbottom & # x0201d منحنية لتتناسب مع قوس نصف قطر الطرد المركزي ، والذي يقدم متغيرًا تجريبيًا آخر يجب أخذه بعين الاعتبار في النتائج عند مقارنتها بمجموعة من الأرضية (true 1 & # x000d7 ز) عينات.

(3) نظائر رحلات الفضاء الأرضية.

بالإضافة إلى الرحلات الفضائية الفعلية ، غالبًا ما يتم استخدام العديد من المنهجيات الأرضية لمحاكاة السمات المختلفة لانعدام الوزن. أحد أكثر الأجهزة شيوعًا المستخدمة لتوفير نموذج للجاذبية الصغرى هو كلينوستات أو مشتق يسمى مفاعل حيوي لوعاء الجدار الدوار (RWV) (87 ، 131). يستخدم كلا الجهازين الدوران الطبيعي لسحب الجاذبية الأرضية لإبطال الترسيب التراكمي للجسيمات أو الخلايا المعلقة في وسط لزج. ومع ذلك ، لا يمكن لأي منهما إعادة إنتاج النقص المتزامن للتشوه الهيكلي ، أو إزاحة المكونات بين الخلايا ، أو انخفاض نقل الكتلة عبر السائل خارج الخلية الذي يحدث جميعًا في حالة انعدام الوزن الفعلي. الحالة النسبية & # x0201cm انعدام الحركة & # x0201d للخلية فيما يتعلق بالسائل السائب المحيط بها ، ومع ذلك ، يمكن نظريًا تحقيقها من خلال التدوير الإكلينيكي لأن السائل يعاني من دوران صلب للجسم وتظل الخلايا معلقة باستمرار من خلال إعادة التوجيه المستمر. من ناحية أخرى ، فإن المفاعل الحيوي RWV ، مع الحفاظ بالمثل على الخلايا في نظام تعليق منخفض القص حيث إنها تسقط باستمرار من خلال الوسط تحت 1 & ​​# x000d7 ز الظروف ، يمكن أن تحفز أيضًا عن قصد نضح المغذيات والنفايات من الثقافة. لذلك ، يتم استخدام كلينوستات عادةً في محاولة لإعادة إنتاج ظروف السوائل الهادئة غير المندفعة التي يمكن تحقيقها في المدار ، بينما يخلق المفاعل الحيوي RWV بيئة سائلة مختلطة مرغوبة ومُحسَّنة لثقافة التعليق ونمو الأنسجة دون إحداث قوى القص المرتبطة بالاهتزاز أو التحريك. يمكن أن توفر التقنيات الأخرى لاستكشاف البيئات بالقصور الذاتي المتغيرة أثناء وجودها على الأرض ، مثل السقوط الحر المؤقت والطفو المحايد والارتفاع المغناطيسي (79) ، نظرة ثاقبة إضافية حول كيفية تأثير الجاذبية على الأنظمة الميكروبية.

بينما توفر كل من تقنيات محاكاة رحلات الفضاء هذه فرصة لعزل دور الجاذبية في العمليات البيولوجية المختلفة ، فإنها تقدم أيضًا عوامل تصميم تجريبية معقدة يجب أخذها في الاعتبار عند تفسير النتائج. على سبيل المثال ، عند استخدام كلينوستات أو مفاعل حيوي دوار ، فإن المعلمة الأولية التي يجب تحديدها هي معدل دوران مناسب. بالنسبة لمزارع المعلق ، إذا تم تدوير العينة بسرعة كبيرة ، فسيتم طرد الجسيمات أو الخلايا الموجودة في الوسط إلى الخارج باتجاه جدار الحاوية ، وإذا تم تدويرها ببطء شديد ، فسوف تترسب إلى أسفل بشكل ملحوظ خلال فترة دوران واحد ، وعند متطرفًا ، سوف يتدحرجون ببساطة في قاع الحاوية (136). لا يمثل أي من الشرطين إذن الهدوء الكامل الذي تم تحقيقه في الجاذبية الصغرى. لذلك ، كان الهدف من البحث الكبير هو تحديد معدل الدوران الأمثل للحفاظ على مجموعة من الجسيمات المعلقة في حالة & # x0201cm بلا حراك & # x0201d تقريبًا ، كما هو الحال في الجاذبية الصغرى الفعلية. ومع ذلك ، إذا كانت الجسيمات أو الخلايا المعلقة ذات أحجام و / أو كثافات مختلفة ، فلا يمكن ضبط معدل الدوران على سرعة ترسيب معينة كما هو الحال بالنسبة لمزيج موحد ، وسيختبر التعليق الناتج درجات مختلفة من الحركة النسبية بين الأجزاء المختلفة فيما يتعلق بالبيئة السائلة. بالإضافة إلى ذلك ، تضيف الكائنات الحية تعقيد التفاعلات الأيضية ، مما يعني أن المكونات خارج الخلية التي يتم إفرازها وامتصاصها من وإلى البيئة المحيطة يجب أيضًا أن تؤخذ في الاعتبار في توازن القوى التي تعمل على النظام الذي يخضع للدوران. تميز بيغلي وكليس (12) بنقل وخلط الخلايا والأكسجين المروي في وعاء حائط دوار باستخدام نماذج عددية. يتم عرض النتائج لنقل الأكسجين لكثافة الخلايا ومعدلات الاستهلاك النموذجية لخلايا سرطان القولون. تم تحديد أن زيادة معدل الدوران التفاضلي (الجاذبية الصغرى) أدى إلى زيادة الخلط والنقل ، بينما أدت زيادة متوسط ​​معدل الدوران (النظام الأرضي) إلى تثبيط كليهما. تبين أن النقل الجماعي يزداد بشكل نسبي مع زيادة معدل التروية في كلتا الحالتين ، مع تناقص العوائد التي تم الوصول إليها للنطاقات التي تم اختبارها أعلى من 5 إلى 10 مل / دقيقة. حتى عند العمل بالقرب من الحد الأدنى النظري لمعدل التروية ، تم العثور على جزء صغير فقط من الحجم الكلي لتوفير أقل من مستوى الأكسجين المطلوب.

يجب الاعتراف بأن عمليات المحاكاة الأرضية ، بينما تسفر عمومًا عن نتائج تجريبية تميل إلى اتباع اتجاهات الاستجابات الميكروبية الفعلية لرحلات الفضاء ، لا تكرر تمامًا نفس الآليات الأساسية (7 ، 8 ، 15 ، 118 ، 126). ومع ذلك ، فإن إدراك هذا الاختلاف يمكن استخدامه في الواقع لاكتساب ميزة عزل الإجراءات الرئيسية المستقلة للجاذبية بشكل كامل لنقل الوزن و / أو الحركة إلى كتلة كدالة للكثافة النسبية. التباين الدقيق بين الظروف المادية للجاذبية الصغرى الفعلية ومحاكاة الجاذبية الصغرى و 1 & # x000d7 ز لذلك توفر عناصر التحكم إمكانية تحديد مسارات السبب والنتيجة المحددة بشكل أكثر إيجازًا والتي تربط تأثير الجاذبية بالنتائج التجريبية المرصودة.

(4) التحليلات العددية لتأثيرات الجاذبية الصغرى.

كمكمل للدراسات التجريبية ، يمكن للتحليل العددي أيضًا أن يوفر نظرة ثاقبة مفيدة لتحديد الدور الذي تلعبه الجاذبية على المستوى تحت الخلوي. دراسة أجراها Liu et al. وصف (152) القوى والمسارات التي تتعرض لها الجسيمات المعلقة داخل بيئة دوارة كدالة لسرعة الدوران وحجم الجسيمات وكثافتها. جاو وآخرون. (77) نماذج حسابية تم تطويرها والتحقق من صحتها لتقدير معدلات نقل الكتلة الخارجية لنظام فيزيائي حيوي بدلاً من نظام بيولوجي خالص ، حيث يمكن التنبؤ بالتفاعلات ومراقبتها بسهولة أكبر. باستخدام أنواع كيميائية مختلفة تتفاعل مع أسطح جزيئات الزجاج النشطة بيولوجيًا المعلقة في سائل في مفاعل حيوي دوار ، أظهروا أن محاكاة الجاذبية الصغرى في مفاعل حيوي دوار عززت معدل تعديل السطح للخرز المعلق بالنسبة لتلك التي تم السماح لها بالترسيب إلى القاع سطح قارورة ثابتة. سلطت هذه الدراسة الضوء على أهمية عزل (1 & # x000d7 ز) قوى الحمل الحراري التي تحدث بشكل متزامن ، والتي تعتمد على الجاذبية ، والانتشار ، المستقل عن الجاذبية ، على فعالية نقل الكتلة الصافية خارج الخلية. يصبح التفاعل الدقيق بين الخلية وبيئتها مهمًا بشكل متزايد وأكثر تعقيدًا ، حيث يتم إدخال تأثيرات حركية الخلية.

نظريات السبب والنتيجة وآلياتها.

تستحث الجاذبية الوزن الناتج عن الكثافة و / أو الحركة النسبية على الكتلة. إذا كان من المقرر أن تُعزى استجابة معينة إلى الجاذبية الصغرى ، فمن المنطقي أن التحفيز البادئ الذي يؤدي في النهاية إلى النتيجة البيولوجية المتغيرة المرصودة يجب أن ينبع من أساس مادي يتضمن الوزن أو الحركة (253). على هذا النحو ، يجب أن تكون تأثيرات الجاذبية على الكائنات الحية الدقيقة ، من حيث المبدأ ، قابلة للتتبع لإزالة بعض الوزن أو الحركة الموجودة بشكل طبيعي مما يتسبب في حدوث تغيير نسبي بين المكونات داخل الخلية أو بين الخلية وبيئتها.ومن ثم ، فإن تحديد مشغل الجاذبية هو ، بحكم التعريف ، الخطوة الأولى في سلسلة معقدة من أحداث السبب والنتيجة المنتشرة عبر المسارات الميكانيكية أو الكيميائية الحيوية التي تبلغ ذروتها في استجابة بيولوجية مُقاسة. بالنسبة للميكروبات وحيدة الخلية ، تكون المكونات داخل الخلايا ذات كثافة موحدة وصغيرة الحجم بحيث ثبت نظريًا في وقت مبكر أنه من غير المحتمل أن تواجه أي نوع من التأثير المادي النسبي بحجم كافٍ لتمكين الاستشعار المباشر للجاذبية (201 ، 202). بالإضافة إلى ذلك ، فإن التأثير المتزامن والمهم للحركة البراونية ، التي لا تعتمد على الجاذبية ، يشير أيضًا إلى أن الخلايا الميكروبية من غير المرجح أن تميز التأثير الأقل للجاذبية في أي حالة معينة ، على الرغم من أن التأثير التراكمي للترسيب يمكن أن يؤدي إلى تغير الظروف البيئية ، وبالتالي تؤثر بشكل غير مباشر على التمثيل الغذائي الميكروبي (137). لذلك ، فإن الطريقة التي تغير بها الجاذبية الصغرى سلوك في المختبر من المرجح أن تُعزى مزارع المعلق الميكروبي إلى استجابة الخلية للتغيرات في البيئة ، بما في ذلك ظواهر النقل التي تحكم امتصاص المغذيات ، وتشتت النفايات ، وعمليات استشعار النصاب القانوني (135). مع زيادة حجم الخلايا إلى ما بعد 10 & # x003bcm تقريبًا ، مثل الباراميسيا ، تصبح الظواهر الداخلية معقولة ، ويهدف البحث إلى كيفية إدراك الكائن الحي للجاذبية والاستجابة لها (90).

(ط) نقل الكتلة خارج الخلية.

تُعرَّف التأثيرات غير المباشرة للجاذبية التي تعمل على التمثيل الغذائي للميكروبات على أنها تلك التي تُعزى إلى سلسلة من أحداث السبب والنتيجة في البيئة خارج الخلية التي تحكم السلوك الخلوي. يمكن لأي عدد من الظواهر الفيزيائية أن تؤثر على نمو البكتيريا تحت تأثير غير مسبب ، 1 & # x000d7 ز الشروط (135). ترسب المزارع المعلقة إلى أسفل تحت تأثير الجاذبية في كل مكان ، وتعاني من مستوى معين من قوة القص أثناء تحركها خلال السائل اللزج المقاوم حتى الوصول إلى قاع الحاوية ، وعند هذه النقطة تبدأ في الاستراحة على الخلايا الأخرى ، وبالتالي إدخال بيئة محلية تراكمية من المنتجات الثانوية و زيادة المنافسة على العناصر الغذائية في الطبقة الحدودية فوق الخلايا.

بالإضافة إلى ذلك ، تتكون البيئة الدقيقة المحيطة بالخلية من توازن ديناميكي للعناصر الغذائية التي يتم تناولها من وسط الكتلة إلى الخلية من خلال غشاءها ومنتجات النفايات التي تفرز من الخلية وتخفيفها إلى الخارج عبر عمليات نقل الكتلة خارج الخلية مدفوعة بالانتشار والحمل الحراري تحت 1 & # x000d7 ز شروط. تقضي بيئة الجاذبية المنخفضة في الفضاء بشكل أساسي على الحمل الحراري مدفوعًا بالكتلة ، مما يحد من هذا النقل خارج الخلية للجزيئات من وإلى سطح الخلية إلى الانتشار فقط ، وقد يغير سيولة النقل الغشائي أيضًا. بينما تتجمع الخلايا في قاع الحاوية عند 1 & # x000d7 ز، فقد ثبت أن تأثيرها التراكمي على الطبقة الحدودية للسائل يخلق تدفقًا تصاعديًا مدفوعًا بالكثافة للسوائل حيث يصبح أقل كثافة وغير مستقر في النهاية بسبب استهلاك المغذيات. ومع ذلك ، فإن الدرجة التي يعمل بها هذا الاختزال على الخلايا المفردة لم يتم تحديدها بالكامل (17 ، 123).

(2) تأثير حركة / حركية الخلية.

يمكن فحص التأثيرات البيئية للجاذبية الصغرى على الأرض ، إلى حد ما ، باستخدام تقنيات محاكاة الجاذبية الصغرى الدورانية ، كما هو موضح أعلاه. نظرًا لأن الجاذبية في ظل هذه الظروف التناظرية لرحلات الفضاء الأرضية تظل تأثيرًا ثابتًا ، يُعتقد أن الحالة شبه الخالية من الحركة للخلية بالنسبة إلى الوسط المحيط الذي تم تحقيقه من إعادة التوجيه المستمر هي العامل الأساسي الذي يتسبب في الاستجابات المتغيرة. تم إجراء نهج تكميلي لتقييم آثار انخفاض ترسيب الخلايا على سلوك النمو بطريقة مختلفة باستخدام إنتاج الحويصلات الغازية الإشريكية القولونية الثقافات التي تم تعديلها وراثيا لتكون طافية بشكل محايد (147). بالمقارنة مع نتائج كلينوستات المتعلقة بـ 1 & # x000d7 ز أظهرت هذه التجربة أنه يمكن تحقيق سلوك مشابه من خلال شل حركة الخلايا جزئيًا من خلال الكثافة المتطابقة مع الوسط ، مما يشير أيضًا إلى أن الدور المهيمن للجاذبية في هذا المقياس هو التغيير غير المباشر للبيئة خارج الخلية ، وليس العمل على الخلايا بشكل مباشر (15).

بالإضافة إلى القوى الخارجية التي تعمل على الخلية و / أو بيئتها ، يمكن للحركة أيضًا أن تمارس تأثيرًا على السائل المحلي المحيط بالخلية بسبب الاختلاط الناتج عن عمل السوط وإزالة الخلية من موقعها الهادئ. على الرغم من أن معظم التقارير من دراسات الفضاء التي يعود تاريخها إلى الستينيات تشير إلى أن نمو البكتيريا يتحسن بشكل عام في الفضاء ، إلا أن العديد من الاستثناءات على مر السنين خلقت جدلًا وتفسيرات معقدة لكيفية أو حتى تأثير الجاذبية الصغرى على الكائنات الحية الدقيقة. كما هو مذكور أعلاه ، أظهر استعراض مفصل حديث للأدبيات وجود علاقة قوية بين حركة الخلية وتأثير رحلة الفضاء (بما في ذلك نظائر الجاذبية الصغرى) على أرقام الخلايا النهائية لثقافات التعليق البكتيري. بشكل عام ، بالنسبة للظروف المواتية لحركة الخلية ، فإن الاختلافات النموذجية التي لوحظت في الفضاء ، مثل مرحلة التأخر القصيرة وزيادة عدد الخلايا النهائي ، لم تحدث إذا تم استخدام سلالات متحركة في التجربة (16). بالنسبة للخلايا غير المتحركة ، يتم تقليل النقل الجماعي خارج الخلية للمغذيات والنفايات في الجاذبية الصغرى إلى الانتشار فقط ، لذلك من المعقول تصور ذلك بالنسبة إلى 1 & # x000d7 ز الضوابط ، فإن عينات الفضاء ستختبر بيئة مختلفة تمامًا ، مما يغير من نموها وسلوكها. ومع ذلك ، إذا تم تقديم عمل السوط ، فإن هذا الاختلاف لم يعد موجودًا ، نظرًا لأن كلا المجموعتين تواجه اختلاطًا مشابهًا على مستوى البيئة المحلية ، ومن ثم فمن المنطقي عدم ظهور أي تأثير للرحلة الفضائية. بشكل جماعي مع النتائج الأخرى التي تحكمها الحركة بشكل مشابه على ما يبدو ، يوفر هذا الارتباط نظرة ثاقبة إضافية حول كيف تملي الجاذبية الصغرى العلاقة بين الخلية وبيئتها ، مما يعزز التفسير الآلي بأن التغيير غير المباشر لنقل الكتلة مسؤول عن التغييرات الملحوظة في الفضاء. يوضح تحديد هذا الاتجاه الخفي كيف يمكن لعوامل تجريبية مربكة ، مثل حركية الخلية ووسط النمو ، أن تعقد فهمنا للآليات التي يؤثر بها انخفاض الجاذبية بشكل عميق على الأنظمة البيولوجية. من أجل الاكتمال ، يجب أن تميز دراسات الرحلات الفضائية المستقبلية (والتناظرية الجاذبية الصغرى) بدقة مستوى الحركة البكتيرية للثقافة قيد التحقيق واستخلاص استنتاجات حول النتائج وفقًا لذلك.

(3) تغييرات الغشاء.

بالانتقال إلى ما بعد حدث الجاذبية الأولي ، فإن الغشاء الخلوي ، الذي يعزل المكونات الداخلية عن البيئة المحيطة ، هو الخطوة المنطقية التالية التي يجب فحصها في مسار السبب والنتيجة المتتالي. أظهر Goldermann و Hanke (81) أن الجاذبية يمكن أن تؤثر على فتح جزء بورين في الأغشية المعاد تشكيلها في ظل ظروف السقوط الحر (في برج السقوط) والجاذبية المفرطة (في جهاز الطرد المركزي). يشير هذا إلى أن حاجز الغشاء بين العالمين البيولوجي والفيزيائي قد يتأثر كدالة لمستوى الجاذبية ، مما يؤدي إلى معدلات امتصاص أو إفراز متغيرة. Huitema et al. (118) أبلغت عن زيادة في بكتريا قولونية سيولة الغشاء عند زراعة الخلايا في ظروف محاكاة الجاذبية الصغرى ، لكن إنجلترا وآخرون. (60) لا يوجد فرق بين الأنواع المختلفة (الزائفة الزنجارية). وأشير أيضًا إلى أن زيادة سيولة الغشاء في الجاذبية الصغرى يمكن أن تكون مسؤولة عن زيادة مقاومة الأدوية.

(4) التعبير الجيني والتبادل.

مزيد من المنبع في المسار الأيضي ، قد تؤثر التعديلات الفيزيائية الأولية المعتمدة على الجاذبية للخلية على علم الوراثة الخاص بها. يركز الكثير من الأبحاث الحالية على التعبير الجيني التفاضلي في محاولة لربط الاستجابات لانعدام الوزن (أو محاكاة انعدام الوزن) بجينات معينة يتم رفعها أو تقليلها. على الرغم من أن هذا المجال الذي لا يزال ينضج لم يحدد بشكل إيجابي الجينات المسؤولة عن مختلف الاستجابات المعتمدة على الجاذبية التي لوحظت ، إلا أنه يتم توثيق قاعدة بيانات متزايدة من العلاقات (2 ، 242 ، 243). ويلسون وآخرون. (264) تحليل ميكروأري على السالمونيلا الخلايا المستزرعة في ظل ظروف محاكاة الجاذبية الصغرى ووجدت أن الإفراط في التعبير عن 100 جين قد تغير بشكل كبير ، بما في ذلك الجينات التي تشفر منظمات النسخ ، وعوامل الفوعة ، والإنزيمات الاصطناعية عديد السكاريد الدهني (LPS) ، وإنزيمات استخدام الحديد. من المرجح أن يؤدي التقدم في هذا المجال من تجارب الرحلات الفضائية الأخيرة إلى توسيع فهمنا بشكل كبير لكيفية تحكم الجاذبية الصغرى في نهاية المطاف بالسلوك الميكروبي على أساس وراثي.

عامل آخر يساهم في هذا الصدد هو عامل النقل الجيني. DeBoever et al. (48) لاحظ أن تبادل البلازميد بين السلالات البكتيرية إيجابية الجرام حدث في رحلة الفضاء وأن تبادل البلازميد حدث بشكل أكثر كفاءة من ذلك في تجربة التحكم الأرضي ، ولكن لم يلاحظ وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين رحلة الفضاء والتحكم الأرضي لبكتيريا سالبة الجرام. أضنى. بالإضافة إلى فهم كيفية تغيير التعبير الجيني في الفضاء ، هناك حاجة أيضًا إلى تجارب إضافية لتقييم حدوث وتأثير التكيف الميكروبي والتطور عبر العناصر الوراثية المتنقلة مثل العاثيات والبلازميدات والترانسبوزونات ، والتي تلعب دورًا حاسمًا في التكيف البكتيري والتطور.

الفعالية البيولوجية للإشعاع الكوني

هناك حاجة إلى معرفة متعمقة بشأن الآثار البيولوجية لمجال الإشعاع في الفضاء لتقييم مخاطر الإشعاع على البشر في الفضاء. للحصول على هذه المعرفة ، تمت دراسة الكائنات الحية الدقيقة والنباتات والحيوانات كنظم نماذج إشعاعية في الفضاء وفي مسرعات الأيونات الثقيلة على الأرض (تمت مراجعتها في المراجع 94 و 98 و 100 و 101 و 128).

يتفاعل الإشعاع مع المادة في المقام الأول من خلال تأين وإثارة الإلكترونات في الذرات والجزيئات. تحدث التأثيرات البيولوجية إما من خلال الامتصاص المباشر للطاقة بواسطة الجزيئات الحيوية الرئيسية ، مثل البروتينات والأحماض النووية ، أو بشكل غير مباشر من خلال تفاعلات تلك الجزيئات مع الجذور التي يسببها الإشعاع ، والتي يتم إنتاجها ، على سبيل المثال ، عن طريق التحليل الإشعاعي للمياه الخلوية (الشكل & #) x200B (الشكل 4) .4). مع زيادة كثافة التأين ، يزداد عدد وحجم الأضرار الموضعية في الخلايا. هذا ينطبق بشكل خاص على جسيمات HZE من GCR ، والتي تنتج مجموعات من الأيونات والجذور على طول مرورها عبر الخلية. تعتبر مفاهيم القياس الجزئي التوزيع الشعاعي للطاقة حول جوهر مسار الجسيم كمعامل حاسم (33). في هذه الحالة ، يجب معرفة المقطع العرضي للإجراء وهيكل المسار والطاقة المودعة في المواقع الحساسة للنظام البيولوجي. الأبواغ البكتيرية ذات النواة السيتوبلازمية ذات المقطع العرضي الهندسي من 0.2 إلى 0.3 & # x003bcm 2 هي كائنات اختبار جيدة لدراسات القياس الجزئي.

سلسلة من الأحداث الإشعاعية البيولوجية التي تبدأ في خلية ميكروبية بعد التعرض للإشعاع المؤين ، مع مسارين بديلين للتفاعل ، مما يؤدي إلى ضرر إشعاعي مباشر أو غير مباشر. (معدلة من الشكل & # x200B الشكل 7-05 7 -05 في المرجع 101 بإذن لطيف من Springer Science and Business Media.)

في مجموعة متنوعة من التجارب الفضائية ، ظهرت جراثيم العصوية الرقيقة تم استخدامها كمقاييس جرعات بيولوجية بمقياس & # x003bcm لتحديد الكفاءة البيولوجية الشعاعية على طول مسارات جسيمات HZE الفردية. لهذا الغرض ، تم تطوير تجارب Biostack. يتكون المفهوم التجريبي للتكديس الحيوي من شطيرة من طبقات أحادية من الأبواغ البكتيرية المركبة على رقائق نترات السليلوز ككاشفات مسار بصري (29 ، 94). بعد العودة من الفضاء (مشروع اختبار Apollo Soyuz ومهمة Spacelab 1) ، تم تحليل قابلية بقاء كل بوغ في المنطقة المجاورة لمسار جسيم HZE بشكل منفصل عن طريق الفحص المجهري بعد نقش جانب واحد لكاشف المسار ، والمعالجة الدقيقة للجراثيم على أجار المغذيات والحضانة. تم قياس معدل التدفق اليومي من 0.3 إلى 0.7 هرتز جسيم / سم 2 ، مع معدل نقل طاقة خطي (LET) من & # x02265130 keV / & # x003bcm ، عن طريق حساب المسارات في الكواشف. LET هو مقياس لمعدل فقدان الطاقة لكل وحدة طول مسار الجسيمات في المادة. يوضح الشكل & # x200B الشكل 5 تواتر الجراثيم المعطلة كدالة للمسافة الشعاعية من مسار جسيم HZE ، أي معلمة التأثير والتحليلات الإحصائية. اقترحت البيانات تأثيرين مكملين لتعطيل الجراثيم بواسطة جسيمات HZE: تأثير قصير المدى يصل إلى مسافة شعاعية تبلغ 0.2 & # x003bcm من مسار جسيمات HZE التي يمكن إرجاعها إلى التأثيرات بواسطة الإلكترونات الثانوية (& # x003b4- rays) وتأثير طويل المدى يمتد إلى مسافة 3.8 & # x003bcm ، حيث تم اقتراح آليات أخرى ، مثل موجات الصدمة أو الأحداث الفيزيائية الحرارية (تمت مراجعتها في المراجع 98 و 101 و 185). وتجدر الإشارة إلى أنه في تلك المناطق الخارجية ، فإن الجراثيم ، التي يبلغ قطرها حوالي 1 & # x003bcm ، لم تتعرض مباشرة لجسيمات HZE. مثل هذه الظاهرة ، التي تحدث تأثيرًا بيولوجيًا في الخلايا التي لا يتم عبورها مباشرة بواسطة جسيم مشحون ولكنها قريبة من الخلايا المعروفة باسم & # x0201cbystander & # x0201d ، وقد لوحظ منذ ذلك الحين لمجموعة متنوعة من العناصر البيولوجية نقاط النهاية ، مثل التعطيل والطفرات والانحرافات الصبغية في خلايا الثدييات التي تم تحديدها باستخدام الحزم الميكروبية الضيقة من إشعاع الجسيمات (تمت مراجعتها في المرجع 176). في الآونة الأخيرة ، تم العثور على تأثيرات المتفرج أيضًا في الجسم الحي في الفئران التي تعرضت جزئيًا للأشعة السينية (160). قد يكون لتأثيرات Bystander عواقب وخيمة في تقييم مخاطر الآثار الصحية الضارة الناجمة عن الإشعاع لرواد الفضاء ، لأنها قد تزيد من خطر تحريض السرطان (178 ، 198).

جزء صافي لا يتجزأ من الجراثيم المعطلة من B. الرقيقة كدالة لمعلمة التأثير ، أي المسافة الشعاعية من مسار جسيم HZE ، والجزء المتكامل لجميع الجراثيم التي تم فحصها في تلك المنطقة. النتائج مأخوذة من Biostack III في مشروع اختبار Apollo Soyuz (ASTP). (تم التعديل من المرجع 61 بإذن من Elsevier.)

من أجل مقارنة نتائج تجربة Biostack الفضائية مع تلك التي تم الحصول عليها في تجارب التشعيع في مسرعات الأيونات الثقيلة ، مقاطع التعطيل العرضية ، & # x003c3أنا، تم تحديدها (94). & # x003c3أنا، وهي مساحة سطحية ، تعطي احتمالية تعطيل نشاط بوغ واحد بواسطة الجسيم. & # x003c3أنا يتم الحصول عليها من منحدر الجزء الأسي لمنحنيات تعطيل السلاسة. يوضح الشكل & # x200B الشكل 6 6 أن (i) & # x003c3أنا زادت القيم مع LET و Z للجسيمات ، (ii) & # x003c3أنا كانت قيم الأبواغ الفضائية (تجارب Biostack) أعلى بحوالي 20 مرة من تلك التي تم العثور عليها للجراثيم المشعَّعة في مسرعات الأيونات الثقيلة مع أيونات LET قابلة للمقارنة (من منحنيات منع النشاط بطلاقة) ، و (iii) & # x003c3أنا كانت قيم الأبواغ الفضائية (تجارب Biostack) أعلى بحوالي 20 مرة من المقطع العرضي الهندسي لبوغ البوغ ، والذي يبلغ حوالي 0.32 & # x003bcm 2.

المقطع العرضي للتعطيل ، & # x003c3أنا، من B. الرقيقة أبواغ HA 101 كدالة لـ LET والعدد الذري Z ، محددًا من منحنيات تعطيل الطلاقة في مسرعات الأيونات الثقيلة (مختبر لورانس بيركلي ، بيركلي ، كاليفورنيا [A] و Gesellschaft f & # x000fcr Strahlenforschung ، دارمشتات ، ألمانيا [B]) ومن تجارب Biostack في الفضاء (C). (معدلة من الشكل & # x200B الشكل 12 12 في المرجع 94 بإذن لطيف من Springer Science and Business Media.)

وتجدر الإشارة إلى أنه في نظام Biostack ثقيل جدًا وعالي LET أيونات من GCR ، مثل Fe أيونات ، مع قيم LET & # x0003e100 keV / & # x003bcm ، تنتج مسارات طويلة من خلال عدة طبقات للكشف. تم اكتشاف أيونات الحديد هذه بشكل تفضيلي في التجارب الفضائية ، بينما لم تكن متوفرة في التجارب الأرضية. لذلك ، زادت & # x003c3أنا قد تكون قيم الأبواغ المعرضة لجزيئات الأشعة الكونية HZE مقارنة بتلك الخاصة بعناصر التحكم الأرضية نتيجة للتردد العالي لأيونات الحديد LET العالية المسجلة بواسطة طريقة Biostack.

مقارنة بجراثيم B. الرقيقة، البكتيريا المقاومة للإشعاع Deinococcus radiodurans R1 أكثر مقاومة للإشعاع المؤين بحوالي 5 مرات ، كما يستدل من ذلك د0 القيم (د0 تُعرَّف بأنها جرعة الأشعة السينية التي تقلل البقاء على قيد الحياة بواسطة e & # x022121 ، على النحو المحدد من المنحدر الأسي لمنحنيات البقاء على قيد الحياة). الأهم من ذلك هو شكل منحنى البقاء ، والذي يظهر كتفًا واضحًا لـ D. radiodurans R1 ، حيث تظهر الخلايا بقاء 100 & # x00025 عند تعرضها لجرعات تصل إلى 4 كيلوغرامات. لأن منحنى البقاء على قيد الحياة لجراثيم B. الرقيقة هو أسي تمامًا ، نفس الجرعة العالية من الإشعاع المؤين تقلل من بقاء الجراثيم بحوالي 3 أوامر من حيث الحجم (تمت مراجعتها في المرجع 10).

تعد فواصل الحمض النووي المزدوجة (DSBs) هي أشد أنواع الضرر الناجم عن جزيئات HZE في الكائنات الحية الدقيقة ، كما هو محدد في خلايا بكتريا قولونية ب / ص (230) ، D. radiodurans R1 (270) و B. الرقيقة TKJ 8431 (166). اتبعت المقاطع العرضية لتحريض DSB اعتمادًا مشابهًا على LET و Z للأيونات لتلك الموجودة في تعطيل الخلايا (الشكل & # x200B (الشكل 6) .6). بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على ضرر قاعدي مؤكسد ، مثل 8-oxo-7،8-dihydro-2 & # x02032-deoxyguanosine (8-oxodGuo) ، في B. الرقيقة تتعرض الأبواغ لجزيئات HZE (أيونات C و Fe) (169) ، والتي قد تكون ناجمة عن التأثيرات غير المباشرة للإشعاع الجسيمي.

تمتلك الكائنات الحية الدقيقة عدة آليات لإصلاح DNA DSBs التي تسببها جسيمات HZE. وتشمل هذه إعادة الانضمام إلى النهايات المكسورة ، عن طريق إعادة التركيب المتماثل مع جزيء حبلا شقيق (71) أو عن طريق انضمام طرف غير متماثل (NHEJ) (22). في جراثيم B. الرقيقة، التي تحتوي على كروموسوم واحد مرتب في شكل حلقي (70) ، NHEJ هو مسار الإصلاح الأكثر كفاءة أثناء إنبات الجراثيم المعرضة للإشعاع المؤين ، مثل الأشعة السينية (170) أو جزيئات HZE (173).

تشكل الطفرات الجينية لجسيمات HZE مصدر قلق خاص في تقييم مخاطر الإشعاع على رواد الفضاء ، بسبب علاقتها بتحريض السرطان. دراسات حول تحريض الطفرات (على سبيل المثال ، ارتداد الهيستيدين في B. الرقيقة و السالمونيلا المعوية تيفيموريوم المصلي ومقاومة أزيد في B. الرقيقة الأبواغ) النتائج التالية: (1) تم إحداث طفرات قليلة ، إن وجدت ، بواسطة أيونات الضوء (Z & # x02264 10) ، و (2) للأيونات الثقيلة (Z & # x02265 26) ، المقطع العرضي للطفرة ، & # x003c3م، مع زيادة الطاقة حتى الحد الأقصى أو نقطة التشبع. من هذا الاعتماد على & # x003c3م فيما يتعلق بالطاقة ، تم اقتراح وجود & # x0201cm الحزام الجيني & # x0201d داخل مسار الجسيم الذي يقتصر على منطقة تكون فيها كثافة الطاقة المغادرة منخفضة بما يكفي لعدم قتل الخلية ولكنها عالية بما يكفي لإحداث طفرات (139).

دور طبقة أوزون الستراتوسفير في حماية المحيط الحيوي للأرض من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية

يتم اختبار الطيف الكامل للأشعة فوق البنفسجية الشمسية في الفضاء فقط. للحصول على تقييم كمي لتأثيرات الاستنفاد التدريجي للأوزون على الحياة على الأرض ، تم استخدام الإشعاع الشمسي خارج كوكب الأرض في تجربة فضائية كمصدر طبيعي للأشعة فوق البنفسجية لإشعاع جراثيم العصوية الرقيقة 168 في مقياس الجرعات البيولوجي & # x0201cbiofilm & # x0201d (109). تزن تقنية الأغشية الحيوية هذه بشكل مباشر المكونات الطيفية للحوادث للأشعة فوق البنفسجية البيئية وفقًا لفعاليتها البيولوجية (179 ، 210 ، 211). أثناء مهمة معمل الفضاء الألماني D2 (الجداول & # x200B (الجداول 1 و & # x200B و 3) ، 3) تمت معايرتها مسبقًا & # x0201cbiofilms & # x0201d تتكون من طبقات أحادية جافة من جراثيم ثابتة من B. الرقيقة تم تعريض 168 لفترات زمنية محددة للإشعاع الشمسي خارج الأرض الذي تم ترشيحه من خلال نظام ترشيح ضوئي لمحاكاة سماكة عمود الأوزون المختلفة وصولاً إلى قيم منخفضة جدًا. بعد الاسترجاع ، الإشعاع الفعال بيولوجيا هإف تم تحديده بشكل تجريبي من بيانات الأغشية الحيوية لمختلف سماكات عمود الأوزون المحاكاة ومقارنتها بالبيانات المحسوبة ، باستخدام نموذج النقل الإشعاعي وطيف عمل الأغشية الحيوية المعروف. الشكل & # x200B الشكل 7 يوضح البيانات التجريبية والمحسوبة لزيادة الإشعاع الشمسي الفعال بيولوجيًا للأشعة فوق البنفسجية مع تناقص (محاكاة) تركيزات الأوزون. أدى الطيف غير المفلتر للإشعاع الشمسي خارج الأرض إلى زيادة هإف بما يقرب من 3 أوامر من حيث الحجم مقارنة بالطيف الشمسي على سطح الأرض لمتوسط ​​إجمالي أعمدة الأوزون (الشكل & # x200B (الشكل 7C) .7C). توضح البيانات قيمة التجارب الفضائية في العمل كآلة & # x0201ctime & # x0201d للتنبؤ بحساسية الحياة لتقلص طبقة الأوزون ، أي تقييم الاتجاهات المستقبلية ، وكذلك لتقييم تأثير مناخ الأشعة فوق البنفسجية على المحيط الحيوي في وقت مبكر ، قبل بناء شاشة أوزون الستراتوسفير ، أي بالنظر إلى الوراء في تاريخ الأرض (41).

(أ) ظروف الإشعاع فوق البنفسجي (قطع الطول الموجي القصير باستخدام نظام الترشيح ، مع سماكة عمود الأوزون المحاكاة المقابلة) في تجربة RD-UVRAD أثناء مهمة D2 الألمانية. (ب) أطياف الفعالية البيولوجية المحسوبة للظروف التجريبية المختلفة وفقًا لمنحنى الحساسية لمقياس جرعات الأغشية الحيوية. (ج) الفعالية البيولوجية للإشعاع ، ويتم تحديدها تجريبياً باستخدام مقياس جرعات الأغشية الحيوية (الدوائر الزرقاء) وتحسب من خلال دمج أطياف الفعالية البيولوجية (ب) على الأطوال الموجية (الدوائر الحمراء). DU ، وحدة دوبسون ، التي تقيس طبقة الأوزون في الستراتوسفير. 1 DU يشير إلى طبقة من الأوزون بسماكة 10 & # x003bcm تحت درجة الحرارة والضغط القياسيين. GC ، بيانات التحكم الأرضي التي تم قياسها ظهرًا في الصيف على سطح DLR في كولونيا ، ألمانيا. (تم التعديل من المرجع 109 بإذن من Elsevier.)

الجدول 3.

تجارب في الفضاء الخارجي لاختبار بقاء الكائنات الحية الدقيقة

عامبعثةمنشأةنظام الفحص الميكروبيمدة التعرضدرس معلمة الفضاءجرعة GCR (mGy)درس الظاهرةمراجع)
1965ارتفاع صواريخ 150 كم الجراثيم T1 ، B. الرقيقة جراثيم بنسيليوم جراثيم3 دقيقةالفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية تعطيل116
1966ارتفاع الصاروخ اللامع بمقدار & # x0003c149 كم الجراثيم T1204 قالأشعة فوق البنفسجية الشمسية (163 ، 206 ، 254 ، 260-280 ، 306-320 نانومتر) طيف عمل الأشعة فوق البنفسجية للتثبيط153
1966برج الجوزاء 9 بارتفاع 300 كم الجراثيم T1 ، TMV ، B. الرقيقة جراثيم بنسيليوم جراثيم16 ساعة و 47 دقيقةالفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية تعطيل117
1966برج الجوزاء 12 بارتفاع 300 كم الجراثيم T1 ، TMV ، B. الرقيقة جراثيم بنسيليوم جراثيم6 ساعات و 24 دقيقةالفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية تعطيل117
1972مهمة أبولو 16 القمريةميدB. الرقيقة 168 جراثيم عاثية T7فراغ ، 1.3 ساعة للأشعة فوق البنفسجية ، 10 دقائقفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (254 ، 280 نانومتر)4.8التعطيل ، الإصلاح30, 238
1983معمل الفضاء 1 على ارتفاع 240 كمES029B. الرقيقة جراثيم HA 101 و HA 101 F و TKJ 6312فراغ ، 9 أيام للأشعة فوق البنفسجية ، 19 دقيقة إلى 5 ساعات و 17.5 دقيقةفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e170 ، 220 ، 240 ، 260 ، 280 نانومتر)1.3طيف عمل الأشعة فوق البنفسجية للتثبيط ، المنتجات الضوئية ، الإصلاح106, 107
1984-1990ارتفاع LDEF & # x0223c500 كمExostackB. الرقيقة جراثيم2107 يومفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية4,800البقاء على المدى الطويل105
1992-1993EURECAحقبةB. الرقيقة جراثيم HA 101 و HA 101F و TKJ 6312 و TKJ 8431 D. radiodurans R1 البلازميد pBR322 البلازميد pUC19327 يومًافراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e110 ، & # x0003e170 ، & # x0003e280 ، & # x0003e295 ، 220 ، 230 ، 260 ، 290 نانومتر)240-410طيف عمل الأشعة فوق البنفسجية للتثبيط ، والطفرة ، وتكسر شرائط الحمض النووي ، والحماية من الغبار56, 115
1993معمل الفضاء D2RD-UVRADB. الرقيقة 168 جراثيم D. radiodurans R1 ، بلازميد pBR322 ، Aspergillus ochraceus كونديا الرشاشيات النيجر كونيديا10 أيام (فراغ) ، 5-120 دقيقة (UV)فراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (190 ، 210 ، 220 ، 230 ، 260 ، 280 ، & # x0003e190 ، & # x0003e304 ، & # x0003e313 ، & # x0003e314 ، & # x0003e315 ، & # x0003e316 ، & # x0003e317 نانومتر)0.74طيف عمل الأشعة فوق البنفسجية للتثبيط ، المنتجات الضوئية ، الإصلاح ، الطفرة ، دور طبقة الأوزون109, 114
1994فوتون 9Biopan 1B. الرقيقة جراثيم HA 101 و HA F و TKJ 5312 ، هالواركولا ص. الخلايا المكورات المتزامنة ص. الخلايا14.8 يومفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية6-74البقاء على قيد الحياة ، الحماية من الأشعة فوق البنفسجية من الغبار110, 158
1997فوتون 11Biopan 2B. الرقيقة HA 101 جراثيم ، عاثية T1 ، هالواركولا ص. الخلايا المكورات المتزامنة ص. (N & # x000e4geli) الخلايا10 أيامفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية4-30البقاء على قيد الحياة ، الحماية من الأشعة فوق البنفسجية بالغبار أو الأملاح110
1999فوتون 12Biopan 3B. الرقيقة HA 101 جراثيم12.7 يومًافراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية5-28البقاء على قيد الحياة ، الحماية من الأشعة فوق البنفسجية من الغبار110
1999مير- فرساوساكسبيولوجيB. الرقيقة HA 101 ، TKJ 6312 جراثيم98 يومًافراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية37-49الحماية من الأشعة فوق البنفسجية بغبار النيزك220
1999ارتفاع صاروخ Terrier Black Brant بمقدار & # x0003c304 كمسرتيسD. radiodurans R1 ، عصية ص. PS3D395 ثانيةفراغ الفضاء ، الطاقة الشمسية EUV (30.4 نانومتر) نجاة228
2004صاروخ Terrier Mark 70 محسّن B. الرقيقة جراثيم B. amyloliquefaciens جراثيم350 ثانيةدخول الغلاف الجوي عالي السرعة البقاء على قيد الحياة ، الطفرات63
2005فوتون- M2بيوبان 5B. الرقيقة جراثيم ريزوكاربونgeographicum, زانثوريا ايليجانس، النظام البيئي الميكروبي دائم التجمد14.6 يومفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e170 ، & # x0003e280 ، & # x0003e320 ، & # x0003e400 نانومتر)3.1البقاء على قيد الحياة ، الحماية من الثرى المريخي أو التربة الصقيعية217 ، 229 D. Gilichinsky ، اتصال شخصي
2005فوتون- M2الحجر 5B. الرقيقة جراثيم أولوكلاديومatrum جراثيم Chroococcidiopsis ص.14.6 يومدخول النيزك إلى الغلاف الجوي للأرض نجاة24, 42
2007فوتون- M3بيوبان 6بجراثيم ، D. radiodurans, ريزوكاربونgeographicum, زانثوريا ايليجانس, Aspicilia fruticulosa، البكتيريا الزرقاء الداخلية ، endoevaporites10 أيامفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e110 ، & # x0003e200 ، & # x0003e290 ، & # x0003e400 نانومتر)3-80درع البقاء على قيد الحياة من خلال الثرى المريخي والصخور وبلورات الملح التي تحميها القشرة والأصباغ49,219
2007فوتون M3الحجر 6ريزوكاربونgeographicum دخول النيزك إلى الغلاف الجوي للأرض نجاة262
2008-2009ISS-EuTeFكشف- EB. الرقيقة 168 جراثيم ب. بوميلوس جراثيم هالوكوكوسدومبروفسكي, أنابينا سيلندريكا، مجتمعات cryptoendolithic في القطب الجنوبي ، كريوميسيسالقطب الجنوبي, Cryomyces minteri& # x0223c1.5 سنةفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e110 نانومتر) ، محاكاة الغلاف الجوي للمريخ ومناخ الأشعة فوق البنفسجية (& # x0003e200 نانومتر) البقاء ، الحماية ، المنتجات الضوئية للحمض النووي ، التنشيط الجيني192
2009-ISSاكسبوز- Rالجراثيم T7 ، B. الرقيقة 168 جراثيم ب. بوميلوس, B. licheniformis, Halorubrum chaoviatoris, Chroococcidiopsis, المكورات المتزامنة (N & # x000e4geli) ، البنسيليوم إيتاليكوم, تمدد البنسليوم, البنسليوم أورانتيوجريسيوم, Aspergillus sydowi, الرشاشيات المبرقشة, بانوراما Geomyces, Trichoderma koningii& # x0223c1 سنةفراغ الفضاء ، الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e110 ، & # x0003e200 نانومتر) البقاء ، الحماية ، المنتجات الضوئية للحمض النووي ، التنشيط الجيني102,197

جراثيم B. الرقيقة تم استخدام 168 في مقياس الجرعات البيولوجي & # x0201cbiofilm & # x0201d أيضًا على متن مير محطة لتقدير تعرض رواد الفضاء للأشعة فوق البنفسجية الضارة خارج كوكب الأرض أثناء & # x0201cs حمامات الشمس & # x0201d في نافذة كوارتز ، وكذلك لتقييم كفاية هذه الأشعة فوق البنفسجية لإنتاج فيتامين د الداخلي بواسطة رواد الفضاء (218). وجد أن الأشعة فوق البنفسجية الشمسية الطبيعية تخترق نافذة الكوارتز مير كانت المحطة كافية لتخليق فيتامين (د) خلال فترات طويلة من & # x0201csunbathing & # x0201d ، ومع ذلك ، فقد احتوت على الكثير من الأشعة فوق البنفسجية الضارة بيولوجيًا والأشعة فوق البنفسجية ، وبالتالي كانت تشكل خطرًا على صحة رواد الفضاء ويجب تجنبها.

تفاعلات الجاذبية الصغرى والإشعاع في الكائنات الحية الدقيقة

بالإضافة إلى المخاطر الصحية التي تم تقييمها لرواد الفضاء من التعرض للإشعاع والجاذبية الصغرى ، فقد تنشأ المخاطر من تفاعلات عوامل رحلات الفضاء هذه (97). تم توفير الدعم التجريبي لصالح هذه الفرضية من خلال التجارب الفضائية Biostack على التطور الجنيني لحشرة العصا Carausius morosus. أصيب عدد متزايد من الأجنة بتشوهات بعد اصطدامها بجسيم HZE في ظروف الجاذبية الصغرى (215). لقد تم اقتراح أن الجاذبية الصغرى تتداخل مع عمليات الإصلاح الخلوي للحمض النووي المتضرر من الإشعاع ، مما يؤدي إلى زيادة الاستجابة الإشعاعية أثناء الرحلات الفضائية (مراجعة 194 في المرجع 92). تجارب في منشأة ESA Biorack (26) على متن Spacelab IML-1 (STS-42 22 إلى 30 يناير 1992) مع متحولة إصلاح مشروطة بدرجة الحرارة خميرة الخميرة قدم rad 54-3 مزيدًا من الدعم لهذه الفرضية (208). خلايا خميرة الخميرة Rad 54-3 إصلاح DSBs الناجم عن الإشعاع عند احتضانها عند 22 & # x000b0C ومع ذلك ، فإنها تفشل في القيام بذلك عندما تنمو عند 36 & # x000b0C. نظرًا لأن جرعة الإشعاع التي تبلغ حوالي 1 ميغا غرام والتي تم تلقيها خلال المهمة التي استمرت 8 أيام في المدار الأرضي المنخفض ستكون منخفضة جدًا بحيث لا يمكن الكشف عن أي تعطيل ملحوظ للنشاط الناتج عن الإشعاع للخلايا ، فقد تم تعريض خلايا المرحلة الثابتة للإشعاع قبل الرحلة باستخدام الأشعة السينية بجرعات أعلى. إلى 140 غراي وتم الاحتفاظ بها خلال المهمة بأكملها في ظل ظروف عدم النمو للسماح بتقييم تأخر استرداد الطلاء (69) بعد العودة ، تم تحضين الخلايا إما عند 22 & # x000b0C أو 36 & # x000b0C. وجد أنه في عينات الرحلة التي تم الاحتفاظ بها في الجاذبية الصغرى ، انخفضت القدرة على إصلاح DNA DSBs بعامل 2 مقارنة بـ 1 & # x000d7 ز التحكم الأرضي (208). لم يتم تأكيد هذه البيانات ، التي تشير إلى وجود تفاعل تآزري بين الجاذبية الصغرى والإشعاع ، في تجربة متابعة أثناء مهمة Spacelab SMM-03 (STS-76 22 إلى 31 مارس 1996) (206). يلزم إجراء مزيد من التجارب باستخدام مصدر إشعاع على متن الطائرة لتحديد التأثير المحتمل للجاذبية الصغرى على عمليات إصلاح الحمض النووي.

تم إجراء تحقيق أكثر تفصيلاً في كفاءة مسارات الإصلاح المختلفة في الخلايا المشععة التي تنمو تحت الجاذبية الصغرى في منشأة Biorack أثناء مهمة Spacelab IML-2 (STS-65 8 إلى 23 يوليو 1994) ، مع أنظمة أحادية الخلية مختلفة تم تعريضها للإشعاع قبل مهمة الفضاء. في هذه الدراسة ، تم التحقيق في وظائف الإصلاح التالية: (1) حركية عودة الانضمام إلى حبلا DNA الناجم عن الإشعاع. بكتريا قولونية الخلايا والأرومات الليفية البشرية ، (2) تحريض استجابة SOS في خلايا بكتريا قولونية، و (3) حركية التعطيل في جراثيم الإنبات العصوية الرقيقة بقدرات إصلاح مختلفة. بالنسبة لتلك الدراسات ، تم تجهيز كل حاضنة مقدمة من Biorack بـ 1 & # x000d7 ز أجهزة الطرد المركزي المرجعية وكذلك المقصورات الثابتة ، مع تعريض هذه الأخيرة العينات لظروف الجاذبية الصغرى. تم جمع العينات بشكل دوري بعد ساعة واحدة إلى 5 ساعات من الحضانة وتخزينها في ثلاجة & # x0221224 & # x000b0C حتى التحليل في المختبر. في الشكل & # x200 ب الشكل 8 ، 8 ، تم وصف حركية الإصلاح للأنظمة الميكروبية المختلفة لظروف الجاذبية التالية أثناء الحضانة: الفضاء (0 & # x000d7 ز و 1 & # x000d7 ز) والأرض (1 & # x000d7 ز و 1.4 & # x000d7 ز). مقارنة الخلايا التي سُمح لها بالإصلاح في الجاذبية الصغرى بتلك الموجودة تحت الجاذبية (1 & # x000d7 ز أجهزة الطرد المركزي المرجعية على متن الطائرة أو عناصر التحكم الأرضية المقابلة) لم تظهر أي فرق كبير في تفاعلات الإصلاح الأنزيمية الخاصة بهم (108 ، 112). باستخدام مصدر إشعاع على متن الطائرة ، Pross et al. أظهر (207) ، باستخدام خلايا خميرة الخميرة Rad 54-3 ، أنه في الجاذبية الصغرى ، لا يختلف عدد DSBs من الحمض النووي الناجم عن الإشعاع وفعالية إصلاحها عن تلك الموجودة في الظروف الأرضية. لذلك ، فإن التأثيرات التآزرية للجاذبية الصغرى والإشعاع في الأنظمة البيولوجية التي لوحظت في عدة حالات ، على سبيل المثال ، الأنظمة الجنينية (تمت مراجعتها في المراجع 92 و 93) ، ربما لا يمكن تفسيرها باضطراب الإصلاح داخل الخلايا في الجاذبية الصغرى. تشمل الآليات الأخرى المُحدَّسة ما يلي: (1) على المستوى الجزيئي ، عواقب بيئة خالية من الحمل الحراري (251) (2) على المستوى الخلوي ، تأثير على نقل الإشارة ، على المستقبلات ، على الحالة الأيضية / الفسيولوجية ، على الكروماتين ، أو على بنية الغشاء و (3) على مستوى الأنسجة والأعضاء ، وتعديل التجميع الذاتي ، والتواصل بين الخلايا ، وهجرة الخلايا ، وتشكيل النمط ، أو التمايز. سيتم تحقيق مزيد من التبصر في التفاعل المحتمل للإشعاع والجاذبية الصغرى مع تجربة Triple-Lux ، التي ستجرى داخل منشأة حضانة Biolab التابعة لـ ESA على محطة الفضاء الدولية (212). في هذه التجربة ، سيتم استخدام اختبار سمية جهاز الاستشعار البيولوجي البكتيري SOS-Lux-Lac-Fluoro للتمييز بين الضرر الناجم عن الإشعاع والجاذبية الصغرى في الخلايا البكتيرية. يتكون من مزيج من اختبار SOS-Lux ، أي المؤتلف السالمونيلا المعوية تحولت خلايا تيفيموريوم TA1535 المصلي مع البلازميد المشتق من pBR322 pPLS-1 (209) والمفتاح البلازميدي المتقدم المماثل ، الذي يحمل المروج بدون لوكس مشغل فوتوباكتيريوم ليوجناثي كعنصر مراسل ، يتحكم فيه مروج SOS المعتمد على تلف الحمض النووي كعنصر استشعار ، مع البلازميد pGFPuv للكشف عن النشاط السام للخلايا للمواد الكيميائية أو العوامل البيئية (11). هذا المستشعر الحيوي المركب لديه القدرة على استخدامات متعددة في أنظمة مراقبة السمية البيئية (9).

إصلاح الخواص الحركية لتلف الحمض النووي الناجم عن الإشعاع تحت ظروف الجاذبية الصغرى. (أ) الانضمام إلى حبلا الحمض النووي فواصل في الخلايا المشعة X من بكتريا قولونية ب / ص. (ب) تحريض استجابة SOS في الخلايا المشععة لـ X. بكتريا قولونية PQ37. (ج) بقاء جراثيم B. الرقيقة HA 101 بعد التشعيع بالأشعة فوق البنفسجية. (معدلة من المرجع 112 بإذن من الناشر.)

بقاء الكائنات الدقيقة في الفضاء الخارجي

منذ ظهور رحلة الفضاء ، تم التحقيق في قدرة الكائنات الحية الدقيقة على البقاء على قيد الحياة من التعرض لظروف الفضاء الخارجي لدراسة الأسئلة التالية. ما هي الحدود العليا للمحيط الحيوي؟ إلى أي مدى يمكننا توسيع حدود الحياة (التمثيل الغذائي والنمو أو البقاء على قيد الحياة)؟ هل النقل بين الكواكب للكائنات الدقيقة عن طريق العمليات الطبيعية ممكن؟ إلى أي مدى تُعقِّم البيئة الفضائية المركبات الفضائية أثناء السفر بين الكواكب؟ هل يمكننا استخدام البيئة الفضائية لمحاكاة بيئات كوكبية معينة لنمذجة واختبار قابلية تلك الكواكب للسكن؟

في حين تم التحقيق في البحث عن الحدود العليا للمحيط الحيوي باستخدام أجهزة أخذ العينات على متن صواريخ الأرصاد الجوية وبالونات عالية الارتفاع (انظر & # x0201cUpper Boundary of the Biosphere & # x0201d) ، تمت معالجة الأسئلة الأخرى عن طريق تعريض الكائنات الحية الدقيقة عمدًا إلى البيئة الفضائية أو على عوامل مختارة منها ودراسة استجاباتها بعد استرجاعها.

مرافق لتعريض الكائنات الدقيقة للفضاء الخارجي.

لتعريض الكائنات الحية الدقيقة للفضاء الخارجي أو لبارامترات مختارة من هذه البيئة القاسية ، تم تطوير العديد من مرافق التعرض للربط مع الغلاف الخارجي للمركبة الفضائية. يسرد Table & # x200B Table3 3 التجارب على الكائنات الحية الدقيقة في الفضاء الخارجي التي أجريت منذ عام 1965. تم بناء أول جهاز تعريض متطور في عام 1972 من قبل ناسا وكان هذا هو MEED لمهمة أبولو 16 (245 ، 246). تم تثبيت MEED على الطرف البعيد من ذراع التلفزيون لوحدة القيادة أثناء مرحلة النشاط خارج المركبة من عبر-ساحل الأرض. كان يتألف من 798 عينة كوفيت مع نوافذ كوارتز كمرشحات بصرية ، مع توفير اختياري لثقوب تهوية للوصول إلى فراغ الفضاء (الشكل & # x200 ب (الشكل 9) .9). تعرض MEED لفراغ فضائي لمدة 1.3 ساعة ولثلاثة مستويات شدة من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية لمدة 10 دقائق ، مع ذروة طول موجي يبلغ 254 نانومتر ، 280 نانومتر ، أو 300 نانومتر. باستخدام جهاز تحديد المواقع الشمسي ، تم توجيه MEED بشكل عمودي بشكل مباشر على الشمس.

منشأة تعرض MEED مثبتة على شعاع الكاميرا للمركبة القمرية لبعثة Apollo 16 (A) وعينة الكوفيت لتعريض الطبقات الجافة من الكائنات الحية الدقيقة للأشعة فوق البنفسجية الشمسية وفراغ الفضاء (B). (أعيد طبعه من المرجع 245.)

تم توفير الفرصة التالية للتجارب الميكروبيولوجية في الفضاء الخارجي في عام 1983 من قبل بعثة SL1 (الجدول & # x200B (الجدول 3) ، 3) ، مع تجربة التعرض الألمانية ES029 (106 ، 107). تم وضع درج التعريض ، المقسم إلى أربع حجرات مربعة مغطاة بالكوارتز ، في حجرة الشحن في SL1 وتم تركيبه على اللوحة الباردة للمنصة النقالة (الشكل & # x200B (الشكل 10) .10). تم تهوية اثنتين من الحجرات إلى الخارج ، مما يسمح بالوصول إلى الفراغ المكاني ، تم إغلاق المقصورتين الأخريين بإحكام ، بضغط ثابت قدره 10 5 باسكال. استوعبت كل مقصورة 79 عينة جافة في الطبقة العليا ، مما يسمح بالتعرض للأشعة فوق البنفسجية ، ونفس الشيء تم الاحتفاظ بالرقم في الطبقة السفلية كعناصر تحكم طيران مظلمة. تم وضع العينات المشعة بالأشعة فوق البنفسجية أسفل نظام ترشيح بصري يتكون من مرشحات التداخل لنطاقات الموجات الضيقة (220 نانومتر ، 240 نانومتر ، 260 نانومتر ، 280 نانومتر) والمرشحات ذات الكثافة المحايدة (الجدول & # x200 ب (الجدول 1). 1). تم استخدام مصراع غير شفاف مزود بنوافذ بصرية لتحقيق فترات تشعيع دقيقة خلال المرحلة & # x0201chot & # x0201d من المهمة ، عندما كان حجرة الشحن للمكوك خلال عدة مدارات تشير بشكل عمودي نحو الشمس. تعرضت العينات لفراغ الفضاء لمدة 10 أيام وللأشعة فوق البنفسجية الشمسية لفترات محددة مسبقًا (من 19 دقيقة إلى 5 ساعات و 17.5 دقيقة). تراوحت درجة الحرارة من 17 & # x000b0C إلى 35 & # x000b0C ، مع حدوث أعلى القيم أثناء & # x0201chot مرحلة & # x0201d من المهمة. تم إجراء نوعين من أدوات التحكم الأرضية ، بما في ذلك تجربة محاكاة أرضية في منشأة محاكاة فضائية قبل المهمة والتحكم الأرضي الموازي مع إعداد تجريبي مماثل لوحدة الطيران التي تم الاحتفاظ بها في مركز كينيدي للفضاء في غرفة فراغ (10 & # x022124 Pa) عند درجات حرارة تحاكي ملف درجة حرارة الرحلة ، مع تأخير لمدة يوم واحد. تم تحليل العينات الميكروبيولوجية من تجربة الطيران والضوابط الأرضية بعد استرجاعها في مختبرات الباحثين.تم نقل جهاز مماثل في عام 1993 مع تجربة UVRAD أثناء مهمة SL D2 الألمانية (الجدول & # x200B (الجدول 1) ، 1) ، والتي قدمت & # x0201chot المرحلة & # x0201d خلال مدارين في نهاية المهمة.

علبة التعرض لتجربة ES029 (A) ، والتي تم تركيبها (السهم) على منصة نقالة داخل حجرة الشحن لـ SL1 (B) ، ودرج التعرض (C) لمرفق ERA (D) على متن القمر الصناعي EURECA. (بإذن من DLR [A] و NASA [B] و ESA [C و D].)

تم تطوير مرافق التعرض الأكثر تقدمًا مع ما يصل إلى أربعة أضعاف قدرة تجربة ES029 لـ SL1 بواسطة ESA ، مع مجموعة الإشعاع الخارجي (ERA) لمهمة EURECA (الشكل & # x200B (الشكل 10) 10) (115 ، 121) ومرافق التعرض الملحقة بمحطة الفضاء الدولية (6). تم إطلاق EURECA في عام 1992 في مهمة تحديد الشمس لمدة 9 أشهر وقدمت التعرض للأشعة فوق البنفسجية الشمسية لمدة 6 أشهر. تم التحكم في درجة الحرارة باستخدام صفيحة باردة وظلت بين 25 & # x000b0C و 40 & # x000b0C. يتألف مرفق ERA من درجين: أحدهما مغطى بمصراع بنوافذ بصرية ، مما يسمح بالإشعاع فوق البنفسجي على فترات محددة مسبقًا & # x02014 على غرار مرافق SL & # x02014 والآخر تم فصله حراريًا ، وبالتالي محاكاة السفر الطبيعي في الفضاء للكائنات الحية الدقيقة المغلفة في نيزك . في الحالة الأخيرة ، تم الكشف عن العينات داخل ما يسمى بالنيازك الاصطناعية ، أي مختلطة مع أنواع مختلفة من التربة والصخور ومسحوق النيزك ، وتم ترشيح الأشعة فوق البنفسجية الشمسية من خلال مرشحات قطع مختلفة طويلة المدى (& # x0003e110 نانومتر ، & # x0003e170 nm و # x0003e280 nm و & # x0003e295 nm) أو لم يتم تخفيفه على الإطلاق. تراوحت درجات حرارة الدرج الأخير من 25 & # x000b0C إلى ما يقرب من 50 & # x000b0C (114 ، 115) ، وبلغت جرعة الإشعاع من GCR قيمًا تصل إلى 0.4 Gy (216) (الجدول & # x200B (الجدول 1 1).

تعد مرافق التعرض التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية التابعة لمحطة الفضاء الدولية هي الكيانات الأخيرة المطورة في سلسلة مرافق التعرض. تتكون وحدة EXPOSE من ثلاث صواني ، تحتوي كل منها على أربع حجرات مماثلة لتلك الموجودة في صواني التعرض SL و ERA (الشكل & # x200B (الشكل 11) .11). تم إطلاق مرفق EXPOSE-E مع STS 122 في 7 فبراير 2008 وتم تركيبه بواسطة نشاط خارج المركبة على وحدة كولومبوس الأوروبية التابعة لمحطة الفضاء الدولية كجزء من منصة مرفق التكنولوجيا الأوروبية (EuTeF) (6). تم حجز صينية واحدة من EXPOSE-E لإجراء تجارب على التطور الكيميائي للبريبايوتيك ، وتوفر الصينية الثانية ظروفًا للفضاء الخارجي (فراغ في الفضاء وطيف للأشعة فوق البنفسجية من الشمس & # x0003e110 نانومتر) ، ويوفر الدرج الثالث ظروفًا تحاكي مناخ سطح المريخ (600 باسكال ضغط ، 95 & # x00025 CO2، والأشعة فوق البنفسجية الشمسية من & # x0003e200 نانومتر). سيبقى EXPOSE-E في الفضاء لأكثر من عام واحد. تم إطلاق منشأة EXPOSE الثانية ، EXPOSE-R ، في نوفمبر 2008 وستظل متصلة بمنصة URM-D ، وهي منشأة خارجية لمحطة الفضاء الدولية في وحدة Svezda الروسية ، لمدة عام تقريبًا. يضم EXPOSE-E و EXPOSE-R ما مجموعه 13 تجربة مختلفة يتم إجراؤها في مجال التعاون الدولي (6 ، 102). قبل إطلاقها في الفضاء ، تم اختبار جميع تجارب EXPOSE في تجارب محاكاة أرضية مصممة بعناية وفي اختبار تسلسل تجارب ، باستخدام مرافق محاكاة الكواكب والفضاء (PSI) في مركز الفضاء الألماني DLR (213).

منشأة EXPOSE-E مثبتة على منصة EuTeF لوحدة كولومبوس الأوروبية لمحطة الفضاء الدولية. التقط الصورة طاقم STS 122 عند مغادرة محطة الفضاء الدولية. (بإذن من وكالة الفضاء الأوروبية ووكالة ناسا.)

تم إجراء التعرض الطويل الأمد (حوالي 3 أشهر) للمركبات الكيميائية العضوية والكائنات الدقيقة إلى الفضاء في عام 1999 من قبل بعثة فرساوس الفرنسية في روسيا. مير محطة (220). كان وقت التشمس 1045 ساعة ، وتراوحت درجة الحرارة من & # x0221214 & # x000b0C إلى & # x0002b43 & # x000b0C. خلال هذه المهمة ، تلقت الطبقة العلوية المعرضة للشمس جرعة إشعاعية مقدارها 48.7 مللي غراي ، واستقبلت الطبقة السفلية المظلمة 36.8 مللي غراي (الجدول & # x200 ب (الجدول 1). 1). تم تحقيق أطول تعرض للكائنات الدقيقة للفضاء ، حوالي 6 سنوات (1984-1990) ، خلال مهمة ناسا للتعرض طويل المدى (LDEF) ضمن تجربة Exostack الألمانية (105). كان LDEF عبارة عن هيكل تروس سلبي يشير إلى الأرض لاختبار ثبات المواد المختلفة في الفضاء (129). تم استيعاب العينات البيولوجية على لوح جانبي أسفل قبة مثقبة ، إما بدون أي غطاء ، أي تعرض لمصفوفة كاملة لمعلمات الفضاء ، أو مغطاة بمرشحات الكوارتز أو رقائق الألومنيوم (الشكل & # x200 ب (الشكل 12). 12). تم تقدير جرعة إجمالية للأشعة فوق البنفسجية (& # x0003e100 نانومتر) تبلغ 10 9 جول / م 2 بجرعة GCR قدرها 4.8 غراي وقياس 60 جسيم HZE / سم 2 في تجارب Biostack الموجودة على نفس البليت (105) ( الجدول & # x200B (الجدول 1). 1). تم تصميم مرافق التعرض الأكثر تقدمًا التي تحافظ على العينات في درجات حرارة منخفضة جدًا ، على سبيل المثال ، 10 كلفن أثناء التشعيع فوق البنفسجي من الناحية المفاهيمية ولكن لم تتحقق بعد (89). تم تطوير جهاز التعريض والتقاط الجسيمات لوحدة KIBO اليابانية لمحطة الفضاء الدولية واختياره كمرشح للطيران في عام 2010 (267).

مخطط ظروف التعرض في تجربة Exostack (A) على متن LDEF (B) (السهم). (تم تعديل اللوحة A من المرجع 96 بإذن من Elsevier ، اللوحة B بإذن من وكالة ناسا).

تم توفير فرص لتجارب التعرض قصير المدى (من 10 إلى 12 يومًا) من قبل مرافق ESA Biopan ، وهي حاويات أسطوانية الشكل ذات غطاء قابل للنشر مثبتة على السطح الخارجي لوحدة النسب الخاصة بالروسية فوتون القمر الصناعي (الشكل & # x200B (الشكل 13) 13) (6 ، 50). بعد الوصول إلى المدار المناسب ، يفتح الغطاء من خلال 180 & # x000b0 ، مما يعرض التجارب في الأسفل والغطاء إلى الفضاء. لمراقبة ظروف التعرض ، تم تجهيز منشأة Biopan بأجهزة استشعار مدمجة للأشعة فوق البنفسجية والإشعاع والحرارة. أثناء الصعود والعودة ، يتم إغلاق الغطاء بإحكام ويتم تغطية المرفق بالكامل بدرع حراري جر. منذ عام 1992 ، تم الانتهاء بنجاح من خمس بعثات Biopan (الجدول & # x200B (الجدول 1). 1). تقوم ناسا حاليًا بتطوير أقمار صناعية صغيرة في علم الأحياء الفلكية والتي تتوقع أيضًا تعرض الكائنات الحية الدقيقة لمعايير فضائية مختارة (226). تعرضت الكائنات الحية الدقيقة أيضًا إلى الفضاء لفترات قصيرة جدًا (عدة دقائق) باستخدام صواريخ الأرصاد الجوية (63 ، 153 ، 228).

منشأة Biopan مفتوحة كما هو الحال في الرحلة (A) ومركبة على فوتون كبسولة عائدة (ب). (بإذن من وكالة الفضاء الأوروبية).

الفضاء الخارجي كقاعدة اختبار لتقييم حدود بقاء الكائنات الحية الدقيقة.

أثار السؤال عما إذا كانت بعض الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تعيش في البيئة القاسية للفضاء الخارجي اهتمام العلماء منذ بداية رحلات الفضاء ، وأتيحت الفرص لكشف عينات إلى الفضاء. تم إجراء الاختبارات الأولى في عام 1966 ، خلال بعثتي الجوزاء التاسع والثاني عشر ، عندما ظهرت عينات من العاثيات T1 وجراثيم بنسيليوم روكفورتي تعرضت للفضاء الخارجي لمدة 16.8 ساعة و 6.5 ساعة على التوالي. أعطت التحليلات بعد الاسترداد الكسور الباقية من 3 & # x000d7 10 & # x022125 (الجوزاء التاسع) و & # x0003c2 & # x000d7 10 & # x022126 (الجوزاء XII) من أجل ف. روكفورتي و 2 & # x000d7 10 & # x022126 (الجوزاء التاسع) و 3 & # x000d7 10 & # x022125 (الجوزاء XII) للعاثرين T1 ، مما يدل على قوة القتل القوية لبيئة الفضاء الكاملة (117). ومع ذلك ، فإن تغطية العينات بطبقة رقيقة (0.4 مم) من الألومنيوم تسبب في بقاء أعلى بمقدار 3000 مرة من T1 وبقاء كامل للجراثيم الفطرية. كان هذا أول مؤشر على أن الإشعاع غير المخترق للفضاء ، ربما الأشعة فوق البنفسجية الشمسية أو الأشعة السينية الناعمة ، كان مسؤولاً بشكل أساسي عن تعطيل عينات الاختبار. تم التأكيد لاحقًا على قدر كبير من الفتك للكائنات الحية الدقيقة المعرضة للطيف الكامل للفضاء لمجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة ، بما في ذلك خلايا الخميرة ، Aspergillus ochraceous كونيديا خلايا Deinococcus radiodurans، وجراثيم العصوية الرقيقة بقدرات مختلفة لإصلاح الحمض النووي (الشكل & # x200 ب (الشكل 14) 14) (56 ، 105 ، 110 ، 115). حتى لو كانت مدمجة في بلورات الملح ، فإن خلايا الأنواع المحبة للملوحة Halorubrum chaoviatoris تم تعطيل نشاطها ، بأكثر من 7 أوامر من حيث الحجم ، بعد التعرض لمساحة كاملة (جرعة الأشعة فوق البنفسجية ، 10 4 كيلوجول / م 2) خلال رحلة لمدة أسبوعين على متن منشأة بايوبان 1 التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية (158). حتى الآن ، لا يُعرف سوى عدد قليل من الأنظمة الميكروبية التي تتعامل مع بيئة الفضاء الكاملة ، فهذه هي الأشنات Rhizocarpon geographicum و زانثوريا ايليجانس، والتي استعادت نشاط التمثيل الضوئي تمامًا بعد الاسترداد من رحلات Biopan لمدة أسبوعين (الشكل & # x200B (الشكل 14) 14) (49 ، 229) ، وخلايا البكتيريا الزرقاء البحرية المكورات المتزامنة يسكن بلورات الجبس الهاليت ، والتي حافظت على قدرة تثبيت الكربون الطبيعية تقريبًا بعد تعرض لمدة أسبوعين للفضاء الخارجي (158). كشفت المزيد من التحليلات المتعددة المجهرية عن عدم وجود تغييرات في البنية التحتية يمكن اكتشافها في معظم الخلايا الطحلبية والفطرية للأشنات. كلا النظامين & # x02014the الأشنات والبكتيريا الزرقاء المحبة للملوحة & # x02014 يمتلكان قدرات الفحص بالأشعة فوق البنفسجية ، وهي القشرة السميكة والكثيفة ، مع أصباغ rhizocarpic و parietin الفينولية التي تحجب الأشعة فوق البنفسجية كطبقة علوية وكحماية أصلية للنظام التكافلي للحزاز (51 ، 78) ، وبلورات الملح كحماية خارجية للبكتيريا الزرقاء.

بقاء الكائنات الحية الدقيقة لفترات طويلة في فراغ الفضاء (أي محمية من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية) (رموز مملوءة) أو معرضة لظروف الفضاء الخارجي الكاملة (مثل الفراغ في الفضاء ، والأشعة فوق البنفسجية الشمسية ، والإشعاع الكوني) (رموز مفتوحة). تم فحص الميكروبات B. الرقيقة جراثيم في طبقات أحادية ، في طبقات متعددة مختلطة بالجلوكوز ، مختلطة بالطين أو مسحوق نيزك ، أو مدمجة في نيازك صناعية يبلغ قطرها 1 سم في خلايا قطرها هالواركولا والأشنات Rhizocarpon geographicum و زانثوريا ايليجانس. البيانات من التجارب على فوتون Biopan ، ميرو EURECA و LDEF.

لفصل التأثيرات البيولوجية للمعلمات المختلفة للفضاء ، يتطلب الأمر أجهزة تجريبية خاصة ، على النحو المنصوص عليه في تجارب التعرض على اللوحة SL1 و D2 و EURECA و ISS (الشكل & # x200B (الشكل 10 10 و & # x200B و 11) 11). تم التحكم في معظم معلمات الفضاء بشكل كاف & # x02014solar UV باستخدام المرشحات الضوئية ، ودرجة الحرارة باستخدام التبريد النشط و / أو التسخين ، والوصول إلى الفراغ باستخدام مقصورات مهواة أو محكمة الإغلاق. ومع ذلك ، فإن الحماية من GCR تكاد تكون مستحيلة ، وهي تؤثر باستمرار على جميع عينات الاختبار في الفضاء. تعتبر جزيئات HZE هي المكون الأكثر فعالية من الناحية البيولوجية في GCR ، وذلك نتيجة لانقائها المنخفض جدًا من 6 & # x000d7 10 & # x022125 جزيئات / سنة - & # x003bcm 2 ، كما تم قياسها خلال العديد من المهمات الفضائية ، على سبيل المثال ، خلال مهمة LDEF (105) ، لم يتم إصابة العديد من الكائنات الحية الدقيقة بجسيم HZE ، والتقنيات الخاصة ، مثل مفهوم Biostack (29) ، مطلوبة لتحديد تلك الكائنات الدقيقة التي تم ضربها (انظر & # x0201c الفعالية البيولوجية للإشعاع الكوني & # x0201d). الجاذبية الصغرى هي معلمة فضائية أخرى لا يمكن للخلايا الهروب منها إلا إذا تم استضافتها في 1 & # x000d7 على متن الطائرة ز مرجع الطرد المركزي. تمت مناقشة استجابات الكائنات الدقيقة للجاذبية الصغرى على المستويين الجزيئي والخلوي في & # x0201cRole of Gravity in Basic Biological Operations. & # x0201d. وتجدر الإشارة إلى أن الجاذبية الصغرى تتداخل في الغالب مع الخلايا النامية أو الأيضية ، ومع ذلك ، في تجارب التعرض ، الطبقات الجافة تم استخدام الخلايا أو الكونيديا الفطرية أو الجراثيم البكتيرية التي لم تتأثر ببيئة الجاذبية.

(ط) الفعالية الطيفية للأشعة فوق البنفسجية الشمسية الموجودة خارج كوكب الأرض.

من منحنيات تأثير فلوينس ، التي تم الحصول عليها في تجربة ES029 على متن Spacelab 1 ، وجد أن 10 ثوانٍ من التعرض للطيف الكامل للأشعة فوق البنفسجية الشمسية خارج كوكب الأرض (& # x0003e190 نانومتر) قلل من الجزء الباقي من جراثيم B. الرقيقة بما يقرب من 2 مرتبة من حيث الحجم (106 ، 107). أطياف العمل ، تم الحصول عليها لأول مرة لتعطيل البكتيريا T1 أثناء رحلة صاروخية (153) ولاحقًا لتعطيل B. الرقيقة جراثيم HA 101 في التجارب على SL1 و D2 و EURECA (95 ، 106 ، 107 ، 115 ، 185) ، مرتبطة بطيف امتصاص الحمض النووي ، مما يشير إلى أن الحمض النووي هو الجزيء المستهدف الحساس لتعطيل الكائنات الحية الدقيقة في الفضاء (الشكل. & # x200B (الشكل 15) .15). هذا يرجع إلى التوليد المباشر لآفات بيبيريميدين عن طريق امتصاص الفوتونات والإثارة. إن المنتجات الضوئية الأولية للحمض النووي في الخلايا النباتية هي ثنائيات البيريميدين الحلقي والبيريميدين (6-4) من المنتجات الضوئية بيريميدين التي تتشكل بين بقايا بيريميدين المجاورة على نفس شريط الحمض النووي (35). في الأبواغ البكتيرية ، تولد الأشعة فوق البنفسجية في الغالب bipyrimidine آخر ، 5،6-dihydro-5 (& # x003b1-thymine) الثايمين ، ما يسمى بالمنتج الضوئي البوغ (SP) (174 ، 256). يمكن تفسير غلبة SP في الحمض النووي للأبواغ المشعة بالأشعة فوق البنفسجية من خلال عوامل مختلفة ، بما في ذلك الحالة الجافة لبوغ البوغ ، ووجود كميات كبيرة من حمض ديبيكولينك ، وربط البروتينات البوغية الصغيرة القابلة للذوبان في الحمض (SASPs) من النوع & # x003b1 / & # x003b2 إلى DNA (185). يؤدي ربط & # x003b1 / & # x003b2-type SASPs إلى الحمض النووي للأبواغ ، جنبًا إلى جنب مع جفاف لب الأبواغ ، إلى إحداث تغيير في التشكل الحلزوني لبوغ الحمض النووي من الشكل B إلى الشكل الشبيه بـ A ، والذي بدوره يغير شكله الكيمياء الضوئية للأشعة فوق البنفسجية لصالح إنتاج SP (58 ، 232). يتم إصلاح SP بكفاءة عالية أثناء إنبات الجراثيم ، من خلال مسار إصلاح خاص بـ SP باستخدام SP lyase (180 ، 214 ، 236).

أطياف العمل لتعطيل جراثيم B. الرقيقة HA 101 عن طريق الأشعة فوق البنفسجية الشمسية خارج كوكب الأرض ، وتعرض لفراغ الفضاء (الدوائر الزرقاء) أو 10 5 باسكال في الهواء أو الأرجون (دوائر حمراء). البيانات هي قيم متوسطة من التجارب على SL1 و D2 و EURECA. يتم تطبيع الأطياف إلى 1 عند & # x003bb & # x0003d 260 نانومتر عند 10 5 باسكال. للمقارنة ، يظهر طيف عمل تلف الحمض النووي (خط متقطع). (تم التعديل من المرجع 115 بإذن من Elsevier.)

حتى الأشعة فوق البنفسجية الشديدة (EUV) (10 إلى 190 نانومتر) تقتل الكائنات الحية الدقيقة بكفاءة في الفضاء ، كما هو محدد لخلايا B. الرقيقة ص. سلالة PD3D و D. radiodurans بعد تعرض قصير لـ EUV عند 30 نانومتر أثناء رحلة صاروخية (228). في نطاق EUV هذا ، تزداد الكفاءة الطيفية للتعطيل بشكل حاد مع زيادة طاقة الفوتونات (99). نظرًا لأن هذه الزيادة لا تنعكس في طيف الامتصاص لقواعد الحمض النووي في منحنى امتصاص جزء السكر والفوسفات في الحمض النووي (122) ، فقد استنتج أن فواصل شرائط الحمض النووي قد تكون مسؤولة عن قتل الكائنات الحية الدقيقة بواسطة EUV. بالإضافة إلى التفاعل المباشر مع الحمض النووي ، يمكن أن يؤثر إشعاع EUV على الحمض النووي بشكل غير مباشر عن طريق توليد أنواع الأكسجين التفاعلية ، والتي يمكن أن تحفز حدوث فواصل مفردة ومزدوجة في الحمض النووي (الشكل & # x200B (الشكل 4) .4). في الواقع ، تم العثور على زيادة في فواصل حبلا DNA مع pUC19 البلازميد بعد التشعيع باستخدام EUV في مرافق محاكاة الفضاء (99 ، 260). ومع ذلك ، في الكائنات الحية الدقيقة ، قد يتم امتصاص EUV إلى حد كبير بواسطة الطبقات الخارجية ، مما يؤدي إلى تلف بروتينات الغشاء بدلاً من الحمض النووي (228). العواقب البيولوجية لهذا الضرر تحتاج إلى مزيد من التحقيق. تم الكشف أيضًا عن فواصل شرائط الحمض النووي وكذلك الارتباط المتبادل لبروتين الحمض النووي في خلايا D. radiodurans و Halorubrum chaoviator (يشار إليها سابقًا باسم هالواركولا ص. و Halo-G) ، في كونيديا Aspergillus ochraceus، في جراثيم B. الرقيقة، وفي البلازميد pBR322 ، والتي تعرضت للطيف الكامل للأشعة فوق البنفسجية الشمسية خارج كوكب الأرض (& # x0003e110 نانومتر أو & # x0003e170 نانومتر) خلال مهمات فضائية مختلفة (56 ، 107 ، 158). تم إنتاجها بالإضافة إلى المنتجات الضوئية المعروفة للأشعة فوق البنفسجية بيريميدين (34 ، 106 ، 107). قد يتراكم تلف الحمض النووي الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية أثناء التعرض للفضاء ، مما يؤدي في النهاية إلى عواقب وخيمة على سلامة الجينوم عند استئناف نمو الخلايا وتكاثرها.

(2) آثار الجفاف بفراغ الفضاء.

فراغ الفضاء (10 & # x022127 إلى 10 & # x022124 Pa) (الجدول & # x200B (الجدول 1) 1) هو عامل ضار آخر يؤثر على سلامة الميكروبات. إذا لم تكن الخلايا محمية بمواد داخلية أو خارجية ، فإن الجفاف سيسبب ضررًا شديدًا لمكونات الخلية: قد تتغير الأغشية الدهنية من طبقات ثنائية مستوية إلى طبقات ثنائية أسطوانية وكربوهيدرات ، وقد تخضع البروتينات والأحماض النووية لتفاعلات أمينية كربونية (تفاعلات ميلارد) ينتج عنه ربط متقاطع وأخيراً بلمرة للجزيئات الحيوية (45). يمكن أن تؤدي هذه التغييرات الهيكلية إلى تغييرات وظيفية ، مثل نشاط الإنزيم المانع أو المتغير ، والتغيرات في نفاذية الغشاء ، وتغيير المعلومات الجينية. يعتبر التغيير الأخير دراماتيكيًا بشكل خاص لأنه قد يؤدي إلى موت الخلايا أو حدوث الطفرات. في الجراثيم البكتيرية شديدة المقاومة للجفاف ، يتم تقليل محتوى الماء في لب البوغ بشكل طبيعي إلى 25 إلى 45 & # x00025 من وزنها الرطب. نتيجة لذلك ، تكون البروتينات غير متحركة والإنزيمات غير نشطة خلال مرحلة البوغ (231).

تمت دراسة الكائنات الحية الدقيقة التي تعرضت للفضاء في حجيرات مهواة ولكنها محمية من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية لتحديد تأثيرات الفراغ في الفضاء. على الرغم من أن مجموعة متنوعة من الميكروبات معروفة بأنها مقاومة للجفاف ، إلا أن الكثير منها لم يكن قادرًا على التعامل مع الضغط الميكانيكي الناتج عن الفراغ العالي في الفضاء. على سبيل المثال ، خلايا البكتيريا المقاومة للجفاف Deinococcus radiodurans قُتلوا بعد 9 أشهر من التعرض لفراغ الفضاء خلال مهمة EURECA (56). في نفس السلسلة التجريبية ، كونيديا من الرشاشيات النيجر وبناءا على Aspergillus ochraceus تحدت فراغ الفضاء وأظهرت معدلات بقاء تبلغ حوالي 30 & # x00025 و 5 & # x00025 ، على التوالي. جراثيم B. الرقيقة أظهرت السلالات من النوع البري والتي تعاني من نقص الإصلاح المجففة في طبقات أحادية وتعرضت لفراغ الفضاء لمدة 10 أيام بقاء 70 & # x00025 و 50 & # x00025 ، على التوالي (95). بعد ما يقرب من 6 سنوات في فراغ الفضاء & # x02014 ، وصل سجل التعرض للفضاء حتى الآن & # x020141 إلى 2 & # x00025 من B. الرقيقة نجت الأبواغ في طبقة أحادية الطبقة من التعرض طويل الأمد لفراغ الفضاء (الشكل & # x200B (الشكل 14) 14) (105). يزداد معدل البقاء على قيد الحياة بشكل كبير إذا تمت إضافة المواد الواقية ، مثل السكريات ، أو الأملاح العازلة إلى الجراثيم. سبعون بالمائة إلى 90 & # x00025 من الأبواغ المجففة مسبقًا في طبقات متعددة في وجود جلوكوز 5 & # x00025 نجا من التعرض لمدة 6 سنوات للفراغ الفراغي على متن LDEF (الشكل & # x200 ب (الشكل 14) 14) (95 ، 105) .

تم اقتراح الآليات التالية للبقاء الملحوظ المتزايد للجراثيم في فراغ الفضاء عند تعرضها في وجود مواد حامية: (1) المواد المضافة تربط جزيئات الماء الإضافية ، وبالتالي تمنع الجفاف الكامل للخلية (على سبيل المثال ، الكربوهيدرات) (2) المواد المضافة استبدال جزيئات الماء ، وبالتالي تثبيت بنية الجزيئات الكبيرة (على سبيل المثال ، الكحوليات المتعددة) و (3) تغطي المواد المضافة الجراثيم بطبقة أقل نفاذية للماء ، وبالتالي بناء مناخ محلي لضغط ماء أعلى أسفل هذه الطبقة (تم تلخيصه في المرجع 95). أثناء مهمة LDEF ، قد يكون الجمع بين الآليات الثلاث قد أدى إلى ارتفاع معدل بقاء الجراثيم في الطبقات الجافة متعددة الطبقات في وجود الجلوكوز.

تم اكتشاف الطفرات الجينية للفراغ الفضائي لأول مرة خلال مهمة SL1 ، عندما بعد تعرض جراثيم B. الرقيقة لتفريغ الفراغ ، زاد تواتر ارتداد الهيستيدين بمعامل 10 (106). هذا التأثير المطفر عن طريق الفراغ المكاني ، والذي تم تأكيده منذ ذلك الحين في تجارب فضائية ومختبرية أخرى ، ربما يعتمد على توقيع جزيئي فريد لتغييرات ترادفية ثنائية القاعدة في المواقع المحظورة في الحمض النووي (181). تم تأكيد ذلك في الدراسات التي أجريت على جراثيم B. الرقيقة سلالة TKJ6312 مع عيوب إصلاح الحمض النووي المزدوجة (uvrA10 spl-1). فيما يتعلق بطفرات مقاومة حمض الناليديكسيك ، فإن غالبية الطفرات الناجمة عن التعرض للفراغ العالي تنتمي إلى أليل واحد معين ، جير، تحمل تغيير قاعدة ترادفية ، 5 & # x02032-CA إلى 5 & # x02032-TT ، عند الكودون 84 من جيرا الجين ، الترميز للوحدة الفرعية DNA gyrase A. Munakata et al. (181) ذكر أنه لم يتم العثور على هذا الأليل أبدًا بين أكثر من 500 طفرة تم الحصول عليها من خلال العلاجات المختلفة ما لم يتم تعريضهم للفراغ.

تشير الطفرات الناتجة عن الفراغ إلى أن الحمض النووي في الجراثيم هو أحد الجزيئات المهمة الحساسة للتعرض للفراغ. تؤدي زيادة فقد الماء بسبب التعرض للفراغ إلى تمسخ جزئي للحمض النووي (64). تتمثل العواقب في حدوث فواصل في شرائط الحمض النووي ، والتي تم تحديدها في خلايا D. radiodurans و Halo-G ، التي تم تحديدها الآن باسم Halorubrum chaoviatoris (159) ، وكذلك في جراثيم B. الرقيقةبعد التعرض للفراغ المكاني (55 ، 56 ، 158). جراثيم السلالة ثلاثية الطافرة التي تعاني من نقص الإصلاح TKJ 8431 (uvrA10 ssp-1 recA1) من B. الرقيقة، والتي كانت ناقصة في إصلاح إعادة التركيب ، كانت أكثر العينات حساسية في ظل ظروف فراغ الفضاء (115). باستخدام مرافق محاكاة الفضاء ، Moeller et al. أظهر (170) أن NHEJ هو مسار إصلاح عالي الكفاءة لـ DNA DSBs المستحثة في جراثيم B. الرقيقة بواسطة فراغ عالي. يفترضون أن NHEJ هي إستراتيجية رئيسية مستخدمة أثناء إنبات البوغ لإصلاح DSBs الناتجة عن الجفاف الشديد الناجم عن الفراغ الشديد ، بالإضافة إلى العوامل المتطرفة الأخرى ، مثل الأشعة فوق البنفسجية والإشعاع المؤين ، التي تمت مواجهتها أثناء التعرض الطويل للبيئة القاسية من الفضاء. تشير هذه النتائج إلى أن الجفاف القسري للحمض النووي في البيئة المكروية لبوغ البوغ قد يسبب ضررًا فريدًا ، مع عواقب مطفرة ومميتة في النهاية. يعتمد بقاء البوغ في النهاية على كفاءة إصلاح الحمض النووي بعد معالجة الجفاف والإنبات.

يرجع المستوى العالي لمقاومة الأبواغ البكتيرية إلى الفراغ والجفاف بشكل عام بشكل أساسي إلى نواة مجففة محاطة بغلاف واقي سميك ، والقشرة وطبقات غلاف البوغ ، وحماية حمضها النووي ببروتينات صغيرة يتغير ارتباطها إلى حد كبير التفاعل الكيميائي والإنزيمي للحمض النووي (185). ومع ذلك ، فإن الاستراتيجيات التي B. الرقيقة تحمي الأبواغ سلامتها ، بما في ذلك سلامة الحمض النووي ، ضد تلف الفراغ الذي لم يتم فهمه بالكامل بعد. تساعد السكريات غير المختزلة ، مثل التريهالوز أو السكروز ، بشكل عام على منع تلف الحمض النووي والأغشية والبروتينات عن طريق استبدال جزيئات الماء أثناء عملية التجفيف وبالتالي الحفاظ على البنية ثلاثية الأبعاد للجزيئات الحيوية. على الرغم من أن الجراثيم البكتيرية لا تتراكم بشكل طبيعي هذه المواد ، فإن إضافة الجلوكوز إلى الأبواغ زادت بشكل كبير من معدل بقاء الجراثيم في فراغ الفضاء.

(3) تفاعل الفراغ الفضائي والأشعة فوق البنفسجية الشمسية خارج كوكب الأرض في الكائنات الحية الدقيقة.

عندما تكون جراثيم B. الرقيقة تعرضوا في وقت واحد للأشعة فوق البنفسجية الشمسية وفراغ الفضاء ، واستجابوا بحساسية متزايدة من 5 إلى 10 أضعاف لطيف واسع من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية (& # x0003e170 نانومتر) ، وكذلك لأطوال موجية مختارة ، مقارنة بالإشعاع فوق البنفسجي في الهواء أو الأرجون عند الضغط الجوي (10 5 باسكال) (الشكل & # x200B (الشكل 15) .15). عند الجفاف ، على سبيل المثال ، في فراغ الفضاء ، يخضع الحمض النووي لتغييرات توافق جوهرية ، مثل التمسخ القابل للانعكاس (64). يؤدي هذا التحويل في البنية الفيزيائية إلى تغيير الكيمياء الضوئية للحمض النووي. المنتجات الضوئية المتولدة داخل الحمض النووي لـ B. الرقيقة كانت الأبواغ المعرضة للأشعة فوق البنفسجية في الفراغ مختلفة عن تلك المستحثة في الأبواغ الرطبة. المنتج الضوئي السائد الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية في الأبواغ تحت الضغط الجوي هو ثايمين ديبيريميدين 5،6-ديهيدرو -5 (& # x003b1-ثيمينيل) الثايمين ، ما يسمى بالمنتج الضوئي البوغ (256). في الأبواغ التي تعرضت للإشعاع فوق البنفسجي في الفراغ ، هناك منتجان إضافيان لتحلل الثايمين ، وهما رابطة الدول المستقلة و عبر مزامنة تم العثور على ثايمين الثايمين السيكلوبوتاني ، وكذلك الارتباط المتبادل لبروتين الحمض النووي (106 ، 107 ، 150) بالإضافة إلى منتج ضوئي البوغ. حضور ال عبر مزامنة الثايمين هو تلميح آخر إلى تغيير طبيعة الحمض النووي جزئيًا عن طريق الفراغ (64) ، لأنه لا يمكن تشكيلها إلا إذا كان أحد الثايمين قد استدار 180 & # x000b0 فيما يتعلق بالثيمين المجاور. تم تأكيد الحث السائد لـ 5،6-dihydro-5 (& # x003b1-thymine) بواسطة الأشعة فوق البنفسجية (254 نانومتر) في الأبواغ وكذلك العينات الجافة من الحمض النووي مؤخرًا باستخدام مطياف الكتلة الكروماتوجرافي السائل عالي الأداء (57 ، 58 ، 171 ، 174). تطبيق هذه التقنية عالية الدقة لتحليل المنتجات الضوئية في الحمض النووي للأبواغ المشعة بالأشعة فوق البنفسجية في الفراغ قيد التحقيق حاليًا (R.Moeller ، اتصال شخصي). حتى الآن ، تشير البيانات إلى تغيير في التشكل للحمض النووي للجراثيم في فراغ الفضاء مما يؤدي إلى منتجات ضوئية مختلفة.

احتمال انتقال الكائنات الحية الدقيقة بين الكواكب عن طريق العمليات الطبيعية.

في عام 1903 ، نشر Svante Arrhenius مقالته & # x0201cDie Verbreitung des Lebens im Weltenraum & # x0201d (& # x0201cthe Distribution of Life in Space & # x0201d) في يموت أومشاو، وبالتالي توفير الأساس المنطقي العلمي لنظرية البانسبيرميا (4). النظرية ، التي تسمى الآن radiopanspermia (184 أ) ، تفترض أن أشكال الحياة المجهرية ، على سبيل المثال ، الأبواغ ، يمكن أن تنتشر في الفضاء ، مدفوعًا بضغط الإشعاع الصادر عن الشمس ، وبالتالي تزرع الحياة من كوكب إلى آخر أو حتى بين كواكب. أنظمة شمسية مختلفة. استند أرينيوس في اعتباراته إلى حقيقة أن الفضاء بين كواكب نظامنا الشمسي مليء بجزيئات الغبار الكوني بحجم ميكرومتر ، والتي عند حجمها الحرج أقل من 1.5 & # x003bcm سوف تطفو بعيدًا عن الشمس بسرعة عالية ينتشرها الإشعاع ضغط الشمس. ومع ذلك ، نظرًا لأن فعاليتها تتناقص مع زيادة حجم الجسيم ، فإن هذه الآلية تنطبق على الجسيمات الصغيرة جدًا فقط ، مثل الأبواغ البكتيرية المفردة. في النهاية ، تعرضت البانسبيرميا لانتقادات شديدة لأنها لا تجيب على سؤال أصل الحياة ولكنها تضعها فقط على جرم سماوي آخر دون تفسير. كما تم انتقاده لأنه لا يمكن اختباره تجريبياً. علاوة على ذلك ، تم اقتراح أن الأبواغ المفردة لن تنجو من القوى المادية المفروضة عليها في الفضاء (191). نتيجة لذلك ، سقطت البانسبيرميا في غياهب النسيان.

تم إحياء مفهوم البانسبيرميا عندما أتاحت التكنولوجيا الفرصة لدراسة بقاء الجراثيم البكتيرية و # x000edn في بيئة الفضاء القاسية. كما هو موضح في & # x0201c الفضاء الخارجي كسرير اختبار لتقييم حدود بقاء الكائنات الحية الدقيقة ، & # x0201d ، فقد وجد أن الأبواغ المعزولة من B. الرقيقة قُتلت بعدة أوامر من حيث الحجم إذا تعرضت لبيئة الفضاء الكاملة لبضع ثوانٍ فقط. من الواضح أن هذه النتائج تنفي فرضية البانسبيرميا الأصلية ، والتي تتطلب وجود أبواغ مفردة حيث يتم تسريع المسافرين إلى الفضاء بواسطة ضغط إشعاع الشمس ، الأمر الذي يتطلب سنوات عديدة للسفر بين الكواكب.

يوفر الاكتشاف الأخير لحوالي 40 نيزكًا مريخيًا على الأرض (73 خلاصة نيزك المريخ [http://curator.jsc.nasa.gov/antmet/mmc/index.cfm]) دليلاً على أن الصخور يمكن أن تنتقل بشكل طبيعي بين الكواكب الأرضية . تم تصور هذا بالفعل في عام 1871 من قبل كل من هيرمان فون هيلمهولتز ولورد كلفن ، اللذين فضلوا نسخة من البانسبيرميا حيث شظايا صخور خارج الأرض تحمل ميكروبات كركاب مكفوفين داخل شقوقهم تنقل الحياة من كوكب إلى آخر (184 أ ، 249). ومع ذلك ، خلال حياة اللورد كلفن ، لم تُعرف أي آلية لتسريع الصخور للهروب من السرعات من أجل مغادرة كوكبهم الأصلي نتيجة لذلك ، تم تجاهل فكرة كلفن.

نحن نعلم الآن أن النيازك المريخية قد انطلقت من المريخ نتيجة اصطدام الكويكبات أو المذنبات بحجم كيلومتر. أظهرت الدراسات الصخرية لتحولها الصدمي والمحاكاة العددية للقذف الناجم عن التأثير لصخور المريخ إلى ما بعد سرعة الهروب للمريخ أن نافذة إطلاق النيازك المريخية موجودة بين حوالي 5 و 55 جيجا باسكال ، مع درجات حرارة ما بعد الصدمة تتراوح من حوالي 100 & # x000b0C إلى 600 & # x000b0C (5 ، 73). على الرغم من أن هذه التأثيرات نشطة للغاية ، إلا أن جزءًا معينًا من المقذوفات لا يتم تسخينه فوق 100 & # x000b0C. يتم إخراج شظايا درجة الحرارة المنخفضة من ما يسمى منطقة الشظية ، أي الطبقة السطحية للهدف ، حيث يتم تقليل الصدمة الناتجة بشكل كبير عن طريق تراكب موجة الصدمة المنعكسة على موجة الصدمة المباشرة (164). تشير التقديرات إلى أنه في تاريخ النظام الشمسي ، تم إخراج أكثر من مليار شظية صخرية من المريخ في درجات حرارة لا تتجاوز 100 & # x000b0C ، والتي ربما وصلت حوالي 5 & # x00025 إلى الأرض (167). وبالتالي ، فإن النيازك المريخية الأربعين التي تم اكتشافها حتى الآن على الأرض لا تمثل سوى جزء صغير جدًا من تلك الواردات من المريخ إلى الأرض. يوفر التعرف على أعداد كبيرة من الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في قشرة الأرض (14 ، 62 ، 193) دعمًا لسيناريو تأثير الصخور بوساطة الصخور ، والذي يُطلق عليه الآن & # x0201clithopanspermia & # x0201d (103).

يتضمن سيناريو lithopanspermia ثلاث خطوات افتراضية أساسية: (1) عملية الهروب ، أي إزالة المواد البيولوجية إلى الفضاء ، مع البقاء على قيد الحياة للرفع من السطح إلى ارتفاعات عالية والوصول إلى سرعات الهروب (2) حالة مؤقتة في الفضاء ، على سبيل المثال ، بقاء المادة البيولوجية على مر الزمن بمقاييس مماثلة للمرور بين الكواكب و (3) عملية الدخول ، أي الترسيب غير المدمر للمواد البيولوجية على كوكب آخر (103 ، 185). يمكن الآن الوصول إلى جميع خطوات lithopanspermia الثلاثة للاختبار التجريبي مع الكائنات الحية الدقيقة ، إما في تجارب الفضاء أو باستخدام مرافق المحاكاة الأرضية.

لمعالجة مسألة ما إذا كانت الكائنات الحية الدقيقة في العصر الحجري يمكنها البقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية لتأثير النيزك وحدث الانطلاق ، تمت محاكاة تأثيرات السرعة الفائقة في تجارب استرداد الصدمات مع إعداد شديد الانفجار (103 ، 104 ، 172 ، 239) أو عن طريق تسريع محملة بالميكروبات مقذوفات باستخدام بندقية أو مسدس غاز (31 ، 32 ، 161). في تجارب استعادة الصدمات المنهجية ، تم تطبيق نطاقات الضغط من 5 إلى 50 جيجا باسكال التي تحاكي تلك التي لوحظت في النيازك المريخية على طبقات جافة من الكائنات الحية الدقيقة (جراثيم من العصوية الرقيقةوخلايا البكتيريا الزرقاء باطن الحجري Chroococcidiopsisو الأشنة زانثوريا ايليجانس) التي كانت محصورة بين أقراص من صخور المريخ التناظرية. من خلال عمليات محاكاة تأثير السرعة الفائقة هذه ، تخضع الكائنات الحية الدقيقة لمصفوفة معقدة من معاملات الإجهاد الفيزيائي ، بما في ذلك (1) ضغوط صدمة شديدة محددة من 5 إلى 50 جيجا باسكال (2) زيادات في درجة حرارة الصدمة القصوى تصل إلى حوالي 1000 & # x000b0C ، تدوم لمدة نانوثانية (iii) زيادات في درجة حرارة الصدمة تصل إلى 200 & # x000b0C ، تدوم لكسور & # x003bcs (iv) الزيادات في درجة حرارة ما بعد الصدمة حتى 300 & # x000b0C ، تدوم لعدة ثوانٍ إلى بضع دقائق ، وأخيراً ، (v) الإجهاد الميكانيكي عن طريق الاحتكاك و / أو التكسير. لا يعتمد حجم درجة الحرارة على درجة حرارة ما قبل الصدمة فحسب ، بل يعتمد أيضًا على التركيب المعدني ، والمسامية ، والمحتوى المائي للصخور المضيفة للعينة. المعالجة الفائقة السرعة لجراثيم B. الرقيقة أدى إلى منحنى بقاء أسي تقريبًا (الشكل & # x200B (الشكل 16) .16). انخفض منحدره مع انخفاض درجة حرارة ما قبل الصدمة ، مما يشير إلى أنه بالإضافة إلى الإجهاد الميكانيكي المحتمل الناتج عن ضغط الصدمة ، كانت درجات حرارة الذروة المرتفعة المصاحبة معلمة ضغط حرجة للجراثيم أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تطبيق الضغط الناجم عن طفرات معيبة في التبويض مع تردد عالٍ (حتى 9 & # x00025) ، بطريقة خطية (172). جراثيم B. الرقيقة كانت السلالات المعيبة في SASPs الرئيسية (& # x003b1 / & # x003b2 من النوع SASPs) التي تحمي إلى حد كبير الحمض النووي للبوغ وسلالات ناقصة في إصلاح DNA NHEJ كانت أكثر حساسية لضغط الصدمة المطبق من جراثيم النوع البري. تشير هذه النتائج إلى أن الحمض النووي قد يكون الهدف الحساس السائد للجراثيم المعرضة لضغط الصدمات الفائقة (172). من منحنيات بقاء الضغط للكائنات المختلفة التي تم اختبارها (الشكل & # x200B (الشكل 16) ، 16) ، تم استنتاج نافذة إطلاق حيوية لنقل الكائنات الحية الدقيقة التي تعيش في الصخور من كوكب شبيه بالمريخ والتي تشمل ضغوط الصدمة في نطاق من 5 إلى حوالي 40 جيجا باسكال للأبواغ والأشنات البكتيرية ، مع نطاق محدود أكثر للبكتيريا الزرقاء الحجريّة (من 5 إلى 10 جيجا باسكال). تعد نوافذ الإطلاق الحيوية للجراثيم البكتيرية كبيرة بما يكفي لدعم مفهوم إطلاق الصدمات القابلة للتطبيق من الكواكب الشبيهة بالمريخ (103 ، 239) ، على الرغم من أن مرشح التشتت المحدود من 5 إلى 10 جيجا باسكال للبكتيريا الزرقاء يكشف عن عوائق محتملة أمام التلقيح المتبادل لعملية التمثيل الضوئي بين الكواكب (40).

البقاء على قيد الحياة كدالة لضغط الصدمة المطبق أثناء تجارب استرداد الصدمات مع جراثيم B. الرقيقة TKL 6312 وخلايا من Chroococcidiopsis ص. (أ) وحيوية زانثوريا ايليجانس حزاز mycobionts و photobionts مغطاة بألواح صخرية gabbro (B). الدوائر المفتوحة تشير إلى البقاء تحت عتبة الكشف. (معدلة من المرجع 103 بإذن من الناشر.)

يتطلب نقل الميكروبات القابلة للحياة من كوكب إلى آخر الكائنات الحية الدقيقة للبقاء ليس فقط في عملية الهروب ولكن أيضًا الرحلة عبر الفضاء ضمن النطاقات الزمنية التي شهدتها النيازك المريخية ، أي ما بين مليون و 20 مليون سنة. ومع ذلك ، يمكن أن تنتقل نسبة صغيرة من النيازك في غضون بضعة أشهر أو سنوات بين الأرض والمريخ أو العكس ، كما أظهرت حسابات النموذج (164 أ). للبقاء على قيد الحياة في الرحلة في الفضاء ، يجب حماية الكائنات الحية الدقيقة من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية. يمكن تحقيق ذلك من خلال تغطيتها بطبقات من الغبار بسماكات مختلفة. باستخدام مرفق Biopan التابع لوكالة الفضاء الأوروبية (ESA) لإجراء تجارب فضائية لمدة أسبوعين ، تم إثبات أن خلط جراثيم B. الرقيقة مع الطين أو الصخور أو مسحوق النيزك زاد من بقائهم على قيد الحياة بمقدار 3 إلى 4 أوامر من حيث الحجم مقارنة بتلك التي لا تحتوي على أي مادة مضافة (110). أدى تضمين الجراثيم في & # x0201carteorite ، & # x0201d ، أي كرة قطرها 1 سم تتكون من الطين أو الحجر الرملي الأحمر ، إلى بقاء ما يصل إلى 100 & # x00025 (الشكل & # x200B (الشكل 14) .14) ). ومع ذلك ، فمن المشكوك فيه ما إذا كان الحماية من الأشعة فوق البنفسجية بالغبار التي تم توضيحها في تجارب Biopan تبقى لفترة أطول من التعرض للفضاء. دراسات التعرض لمدة ثلاثة أشهر على متن الطائرة مير أظهرت المحطة زيادة طفيفة فقط في البقاء على قيد الحياة ، بحوالي مرتبة واحدة من حيث الحجم ، إذا تم خلط الجراثيم بمسحوق الطين أو النيازك المختلفة (220). ومع ذلك ، إذا كانت محمية تمامًا من الأشعة فوق البنفسجية الشمسية خارج كوكب الأرض ، فإن جراثيم B. الرقيقة يمكن أن يعيش لسنوات في الفضاء ، كما هو موضح في تجربة Exostack على متن مهمة LDEF لمدة 6 سنوات تقريبًا (الشكل & # x200B (الشكل 14) 14) (105).

أخيرًا ، إذا لم تكن الميكروبات محمية بشكل كافٍ بمواد النيزك ، فقد تتأثر بالمكونات المؤينة في GCR. على وجه الخصوص ، تسبب جسيمات HZE للإشعاع الكوني المجري أكبر ضرر للأنظمة البيولوجية. ومع ذلك ، نظرًا لتدفقها المنخفض (على سبيل المثال ، 1 Fe ion لكل & # x003bcm 2 لكل 100000 إلى 1 مليون سنة ، وهو الحد الزمني الأدنى لسفر نيازك المريخ إلى الأرض) (80) ، يكون الضرر موضعيًا ، و يعاني عدد قليل من الكائنات الحية الدقيقة من ضربات خلال النطاقات الزمنية لرحلة بين الكواكب. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإشعاع المنبعث من داخل الصخر ، من تحلل العناصر المكونة للمعادن (مثل البوتاسيوم) ، من شأنه أن يؤدي إلى تلف الخلايا الشديد والموت على مدار ملايين السنين. مع الأخذ في الاعتبار احتمال البقاء على قيد الحياة فيما يتعلق بالمزيج المعقد من المخاطر في الفضاء ، أي الضرر الإشعاعي ، وانحلال الحمض النووي عن طريق التحلل المائي ، والتعرض للفراغ ، Mileikowsky et al. أظهر (167) في دراسة كمية أن النقل الطبيعي للميكروبات القابلة للحياة من المريخ إلى الأرض والعكس بالعكس عبر صخور المريخ التي لا تقل عن متر واحد هو عملية محتملة للغاية يمكن أن تحدث عدة مرات خلال تاريخ نظامنا الشمسي. ومع ذلك ، فإن الأبواغ البكتيرية المفردة ، كما اقترحت فرضية البانسبيرميا الأصلية (4) ، ستقتل في غضون بضع دقائق بواسطة الأشعة فوق البنفسجية الشمسية النشطة (110). أظهرت حسابات النموذج أن نقل الكائنات الحية الدقيقة القابلة للحياة عبر المقذوفات بين كواكب أنظمة شمسية مختلفة يبدو غير مرجح للغاية ، حتى لو افترض المرء أن الميكروبات يمكن أن تعيش في الفضاء لعشرات الملايين من السنين (253). ومع ذلك ، إذا اعتبرنا أن النظام النجمي يتشكل داخل عنقود نجمي ، كما هو مفترض لنظامنا الشمسي ، فلا يمكن استبعاد إمكانية انتقال الحياة بين الأنظمة الشقيقة (253).

عندما يلتقطها كوكب به غلاف جوي ، تتعرض معظم النيازك لدرجات حرارة عالية جدًا أثناء الهبوط. نظرًا لأن عملية إعادة الدخول بأكملها تستغرق من بضع ثوانٍ فقط إلى دقيقة واحدة ، فإن الطبقات الخارجية تشكل قشرة اندماجية ، بحيث لا تصل الحرارة إلى الأجزاء الداخلية من النيزك. ومن ثم ، باستثناء بضعة مم أو سم من قشرة الاجتثاث على السطح ، لا يتم تسخين الجزء الداخلي من النيزك بدرجة كبيرة فوق درجة الحرارة في الفضاء (تمت مناقشته في المرجع 63). لدراسة التغيرات المعدنية في الصخور ، واستقرار الأحافير الدقيقة المغلقة ، وبقاء الكائنات الحية الدقيقة داخل الحجارة أثناء عملية إعادة الدخول ، طورت وكالة الفضاء الأوروبية منشأة STONE ، التي تعلق على الدرع الحراري لروسي. فوتون القمر الصناعي (الشكل & # x200B (الشكل 17) 17) (23 ، 24 ، 42 ، 262). كان الهدف هو محاكاة دخول النيزك إلى الغلاف الجوي للأرض. في الصخور البركانية أو الرسوبية التي يبلغ سمكها 2 سم أو أقل ، تم حفر ثقوب في الجانب الخلفي وتحميلها بالكائنات الحية الدقيقة (جراثيم من B. الرقيقة والفطر Ulocladium atrum وخلايا البكتيريا الزرقاء المقاومة للإشعاع والجفاف Chroococcidiopsis ص) (24 ، 42). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الأشنة Rhizocarpon geographicum، على موطنه الطبيعي المصنوع من الجرانيت ، تم تركيبه في منشأة STONE المواجهة للجهة الخلفية. ال فوتون دخلت الكبسولة مع منشأة STONE الغلاف الجوي للأرض بسرعة 7.7 كم / ثانية ، وهي سرعة تقل عن 12 إلى 20 كم / ثانية من النيازك متوسطة الحجم. أثناء عملية الدخول ، شهدت العينات درجات حرارة عالية بما يكفي لإذابة السيليكا والبازلت. تسببت درجات الحرارة هذه في تكوين قشرة اندماجية على العينات. لم تنج أي من العينات البيولوجية من هذا الدخول الجوي (262).لقد قيل أن تغطية الصخور التي يبلغ ارتفاعها 2 سم لم تكن سميكة بدرجة كافية لحماية الكائنات الحية الدقيقة أو أن الغازات الساخنة المنبعثة أثناء الاجتثاث قد تخللت الفراغ بين العينة وحامل العينة ، مما أدى إلى تسخين محلي مكثف. تم تأكيد هذا الافتراض من خلال ذوبان السطح الذي لوحظ على الأسطح غير المكشوفة لعينات الصخور (24). من أجل إجراء محاكاة أكثر واقعية لعودة دخول النيازك التي تحمل كائنات دقيقة من العصر الحجري ، يحتاج مرفق STONE إلى تعديل بحيث يمكن استيعاب عينات صخرية أكبر.

منشأة STONE مثبتة على نقطة ركود فوتون كبسولة إعادة الدخول ، قبل الإطلاق (أ) وبعد إعادة الدخول والهبوط (ب). (بإذن من وكالة الفضاء الأوروبية).

في نهج آخر لمحاكاة دخول النيازك بسرعة فائقة من الفضاء ، تم استخدام صواريخ سبر ، مع عينات من الجرانيت تتخللها أبواغ B. الرقيقة تم إرفاق WN511 بمواقع مختلفة على سطح الصاروخ (63). في هذه الحالة ، كانت سرعة الدخول 1.2 كم / ثانية ووصلت درجة الحرارة إلى 145 & # x000b0C ، وهي درجة حرارة أقل بكثير من حالة دخول النيزك الفعلي. تم عزل واحد إلى 4 & # x00025 ناج من البوغ من جميع الأسطح ، باستثناء السطح المواجه للأمام. من المثير للاهتمام أنه من بين الناجين ، طور حوالي 4 & # x00025 طفرات معيبة في الأبواغ ، وهي ظاهرة لوحظت أيضًا بعد التأثيرات الفائقة السرعة التي تعمل على جراثيم B. الرقيقة (172).

تم الإبلاغ عن مثال آخر لـ & # x0201csafe الإدخال & # x0201d للكائنات الدقيقة بعد الحادث المأساوي لـ كولومبيا مكوك الفضاء STS-107 ، الذي تفكك أثناء العودة على ارتفاع 61.2 كم. كولومبيا استيعاب تجربة ميكروبيولوجية باستخدام مجموعات ملتصقة بالسطح بكتريا قولونية ATCC 23848 ، كروموباكتيريوم فيولاسيوم ATCC 12472 و الزائفة الزنجارية PAO1. لم ينج أي من هذه الكائنات الحية الدقيقة من الانهيار. ومع ذلك ، تم تحديد البكتيريا بطيئة النمو والمقاومة للحرارة الجراثيم sp. ، من أجهزة التجربة. كان من المفترض أن ميكروبيسبورا ص. كان أحد الملوثات البيئية للحمولة قبل الإطلاق (162). مثال آخر هو الديدان الخيطية أنواع معينة انيقة، والتي نمت على متن STS-107 (مكوك الفضاء كولومبيا). خلال جهود التعافي الهائلة ، تم انتشال الكائنات الحية (241). توضح هذه البيانات أن الحيوانات يمكنها البقاء على قيد الحياة في حالة عودة غير محمية نسبيًا إلى الغلاف الجوي للأرض ، الأمر الذي له آثار فيما يتعلق بتغليف المواد الحية أثناء رحلة الفضاء ، وحماية الكواكب ، ونقل الحياة بين الكواكب.

الجوانب التطبيقية

الإنتاج الحيوي للمركبات الصيدلانية في المدار.

توفر منصة الأبحاث البيولوجية لرحلات الفضاء إمكانات للتطبيقات التجارية بخلاف الدراسات الأساسية الموصوفة سابقًا ، والتي كانت تهدف إلى توصيف كيفية تأثير الجاذبية على الظواهر الخلوية. لا ينصب التركيز في هذه الحالة إلى حد كبير على محاولة توضيح كيفية تغيير الجاذبية الصغرى للاستجابات البيولوجية الطبيعية ولكن بدلاً من ذلك لمعالجة البحث التطبيقي ، مع التركيز على كيفية استخدام الجاذبية الصغرى لمعالجة العمليات على المستوى الجزيئي أو الخلوي لتحسين النتيجة المرجوة. قد تكمن إحدى السمات المميزة للمعالجة الحيوية في الفضاء في القدرة على إبقاء الخلايا معلقة في وسط مائع دون نقل قوى القص الكبيرة التي غالبًا ما تصاحب الأنظمة الأرضية المقلوبة (133). تقدم الأبحاث الصيدلانية المعتمدة على الفضاء فرصة لتحسين فهمنا لكيفية حدوث العمليات الحيوية عن طريق إزالة التأثير الدائم للجاذبية من الخلية والبيئة المحيطة بها. تفتح بيئة البحث الفريدة هذه آفاقًا جديدة لاستكشاف تقنيات المعالجة الحيوية غير التقليدية ، ربما في البداية لاكتساب المعرفة لتطبيقها في مرافق الإنتاج الأرضية ولكن أيضًا للرؤى المستقبلية للمنتجات الفضائية ذات القيمة المضافة الكافية لضمان الإنتاج في المدار ذي الجدوى التجارية.

(ط) إنتاج المستقلب الثانوي.

استنادًا إلى بحث أساسي يُظهر أن الرحلات الفضائية تؤدي عمومًا إلى نمو البكتيريا ، تم الافتراض بأن إنتاج المستقلبات الثانوية ذات الأهمية التجارية يمكن أيضًا تحسينها. في أول سلسلة من التجارب التي تهدف إلى توصيف هذه الاستجابة ، لام وآخرون. (143) أظهر أن إنتاج الفطر monorden هيوميكولا فوسكوترا تمت زيادته عندما تم تربيته على وسيطين مختلفين من الأجار الصلب في الفضاء. ومن المثير للاهتمام ، أن الزيادة تُعزى إلى تحسين الإنتاجية المحددة ، حيث لم تكن الكتل الحيوية الفطرية مختلفة بشكل كبير بين ثقافات الطيران والأرض. أظهرت تجربة متابعة رحلات الفضاء بالمثل إنتاجية محددة للأكتينوميسين D بواسطة Streptomyces plicatus في التعليق المراد زيادته أيضًا (142). في مسعى ذي صلة ، براون وآخرون. وجد (27) ذلك بكتريا قولونية لم تصل فقط إلى تركيزات أعلى للخلايا في الفضاء (وتحت تأثير الإكلينيكي) ولكنها فعلت ذلك أيضًا دون استهلاك المزيد من الجلوكوز ، مما يشير إلى أن عملية استخدام المغذيات الأكثر كفاءة ترافقت مع المكاسب في النمو. تُوجت هذه الدراسات الواعدة بتجربة أُجريت باستخدام مفاعل آلي يعمل بنظام التغذية وُضِع على متن محطة الفضاء الدولية ، مما أكد النتائج التي توصل إليها إنتاج الأكتينوميسين D عن طريق Streptomyces plicatus زادت خلال أول أسبوعين من المهمة. ومع ذلك ، أعطت العينات التي تم أخذها لاحقًا خلال الفترة المتبقية من الحضانة التي استمرت 72 يومًا ، نتائج عكسية ، مع تفوق أدوات التحكم الأرضية على ثقافات الطيران (18). تشير هذه النتائج المتباينة إلى أن الدراسات طويلة المدى في الفضاء قد تكون ضرورية لتوصيف كيفية تصرف الكائنات الحية الدقيقة بشكل كامل على مدى فترات طويلة.

دراسة أخرى لإنتاج المضادات الحيوية ، أجريت باستخدام kanglemycin C (K-C) ، وهو أحد مثبطات المناعة المعزولة من مرق الاستنبات. نوكارديا ميديتيراني فار. كانجلينسيس 1747-64 ، تم إجراؤه في عام 2002 على متن مركبة صينية بدون طيار ، شنتشو الثالث. تم الإبلاغ عن مجموعة متنوعة من النتائج ، تتراوح من زيادة ملحوظة في الغلة تصل إلى 12.5 & # x000b1 0.2 & # x003bcg / ml إلى خصائص التشكل والثقافة المتغيرة لسلالة متحولة ما بعد الطيران F-210 (268).

تم إجراء بحث أرضي إضافي يهدف إلى تقييم إنتاج المستقلب الثانوي باستخدام تقنية محاكاة الجاذبية الصغرى للمفاعل الحيوي RWV. فانغ وآخرون. قام (66) بفحص تأثير محاكاة الجاذبية الصغرى على إنتاج الراباميسين بواسطة Streptomyces hygroscopicus وأبلغ عن انخفاض وزن الخلية الجافة ، مع حدوث نمو في شكل حبيبات ، وتثبيط إنتاج الراباميسين. أدت إضافة الخرزات إلى تقليل التكوير وزيادة وزن الخلية الجافة دون التأثير على إنتاج الرابامايسين ، ومن المثير للاهتمام أن كمية أكبر نسبيًا من الراباميسين تم توطينها خارج الخلية في بيئة الجاذبية الصغرى المحاكاة ، مع وبدون خرز ، مقارنة بظروف الجاذبية العادية (65 ، 76 ، 85).

(2) تطوير اللقاح.

تم إجراء سلسلة من تجارب تطوير اللقاح برعاية تجارية بناءً على الفوعة الجرثومية المتغيرة في رحلات الفضاء. هذه الفرص ، التي يتم تنفيذها الآن على متن محطة الفضاء الدولية ، هي جزء من مهام National Lab Pathfinder (NLP). الهدف من مشاريع البرمجة اللغوية العصبية هو تطوير لقاح ضد السلالات المسببة للإسهال من السالمونيلا، التي لا يتوفر لها لقاح حاليًا. يتم إجراء الدراسة عن طريق الإطلاق S. المعوية و أنواع معينة انيقة الديدان في حاوية معزولة ، وبعد ذلك يتم خلطها بشكل متسلسل وتنمو وتثبيتها أثناء الطيران. يتوفر المزيد من المعلومات على مواقع ناسا التالية: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/NLP-Vaccine-1A.html ، http://www.nasa.gov/mission_pages/station/ science / التجارب / NLP-Vaccine-1B.html و http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/NLP-Vaccine-2.html و http://www.nasa.gov/mission_pages /station/science/experiments/NLP-Vaccine-3.html.

تشير هذه الدراسات التجريبية الواعدة إلى تطبيقات تجارية مفيدة محتملة لتحسين كفاءة إنتاج المضادات الحيوية وتطوير لقاح جديد من أبحاث الفضاء الميكروبي ، ومع ذلك ، فإن النتائج الحاسمة من هذا البحث ليست متاحة بعد.

الفوعة الجرثومية ومقاومة الأدوية في الفضاء.

بالإضافة إلى النتائج الموصوفة أعلاه التي تشير إلى أن البكتيريا تميل عمومًا إلى تحقيق نتائج جيدة في الفضاء من حيث انخفاض مرحلة التأخر ، وزيادة النمو السكاني ، وتحسين إنتاج المستقلب الثانوي ، تشير التجارب الأخرى أيضًا إلى أن فعالية المضادات الحيوية ضد الكائنات الحية الدقيقة قد تنخفض والفوعة الميكروبية يمكن زيادتها (186 ، 250). هذه العوامل ، جنبًا إلى جنب مع احتمالية كبت المناعة المشتبه في حدوثه في رواد الفضاء بسبب ضغوط الرحلات الفضائية المختلفة ، تمثل مخاوف متزايدة تتعلق بالصحة مع تمديد بعثات الفضاء البشرية في مدتها ، والأهم من ذلك ، في المسافة من الأرض (134).

(ط) مقاومة الأدوية الجرثومية.

ليس وآخرون. (146) ذكر أن هناك حاجة لتركيزات أكبر بكثير من المضادات الحيوية المختلفة لتثبيط في المختبر نمو البكتيريا في الفضاء. تفسيرات هذه الملاحظات ، ومع ذلك ، لا تزال غير معروفة تماما. يمكن طرح فرضيتين متنافستين إلى حد ما لمعالجة هذه النتيجة المرصودة. إما أن تزداد المقاومة البكتيرية في الفضاء أو تقل فعالية الدواء و / أو معدل الامتصاص. يمكن أن يؤدي كلا السيناريوهين بشكل معقول إلى نمو مرئي يحدث في الفضاء (أو بيئة فضائية محاكية) على وسائط تحتوي على مضاد حيوي MIC محدد تجريبياً تحت 1 & ​​# x000d7 ز شروط.

تحولت التحقيقات الحديثة نحو تحليل التعبير الجيني في محاولة لتوصيف استجابات الخلايا التي تواجهها المضادات الحيوية في الفضاء وفي المرافق التناظرية كلينوستات (2). يعد مسار RpoS أحد المنظمين الأساسيين لـ بكتريا قولونية و السالمونيلا ردود الإجهاد. ويلسون وآخرون. (266) مقارنة استجابات الإجهاد من النوع البري و rpoS سلالات متحولة. نظرًا لأن كلا السلالتين تأثرتا بالمثل ، فقد خلصوا إلى أن استجابة الإجهاد كانت rpoS مستقل تحت تأثير الجاذبية الصغرى المحاكاة. تم الإبلاغ أيضًا عن زيادة مقاومة الإجهاد الحمضي ، والإجهاد الحراري ، والإجهاد التناضحي والقدرة على البقاء داخل البلاعم في ظل ظروف الفضاء المحاكاة ، بينما انخفضت مقاومة الإجهاد التأكسدي. تم اقتراح أن مسار الاستجابة للضغط يبدو أنه تعويضي من خلال السماح لـ rpoS متحولة لعرض استجابات مماثلة لتلك من النوع البري التي لم يتم ملاحظتها في العادي 1 & # x000d7 ز شروط. على الرغم من أن النمو في بيئة الفضاء المحاكاة لم يُبلغ عن أي تأثير على rpoS التعبير الجيني regulon ، تمت الإشارة إلى عدد من أنماط التعبير الجيني المتغيرة الأخرى.

لينش وآخرون. (155) ذكرت ذلك أيضًا بكتريا قولونية كانت الخلايا التي نمت في ظل ظروف الجاذبية الصغرى المحاكاة أكثر مقاومة للإجهاد المفرط والتضخم الحمضي ، خلال مرحلتي النمو الأسي والثابت ، مقارنةً بـ 1 & # x000d7 المتطابقة ز ضوابط. بالنسبة لكلا النوعين من الصدمات ، كان للخلايا التي نمت تحت تأثير الإكلينيكي معدل بقاء يقارب 50 & # x00025 ، مقارنة بفقد شبه كامل للقدرة على البقاء في الجاذبية العادية. خلال مرحلة النمو الأسي ، تم العثور على التغييرات rpoS مستقل ، مما أدى إلى استنتاج مفاده أن الاستجابة المتزايدة للضغط كانت بسبب التغيرات في مسار استجابة الإجهاد العام غير المكتشف سابقًا. ومع ذلك ، في المرحلة الثابتة ، وجد أن استجابة الإجهاد تعتمد على rpoS، حيث أظهرت السلالات البرية مقاومة أكبر من rpoS المسوخ. تتمتع خلايا المرحلة الثابتة التي نمت تحت تأثير الإكلينيكي بمقاومة أكبر من الخلايا في الجاذبية العادية ، مما يؤدي إلى تكوين خلايا فائقة المقاومة. خصائص النسخ والترجمة rpoS تم فحصها أيضا. ومن المثير للاهتمام ، أن تركيز البروتين & # x003c3 في الخلايا الموصلة بالكلينيك وجد أنه 30 & # x00025 أقل خلال المرحلة الأسية و 100 & # x00025 أعلى خلال المرحلة الثابتة. وفي الوقت نفسه ، كانت أرقام نسخ mRNA متشابهة بين كلينوستات وظروف الجاذبية الطبيعية لجميع مراحل النمو. في المرحلة الأسية ، لم يتأثر استقرار الرنا المرسال ، لذلك لم يتأثر معدل النسخ أيضًا. تمت زيادة استقرار mRNA في المرحلة الثابتة ، مع وجود فرق مزدوج لوحظ بين عينات كلينوستات و 1 & # x000d7 ز لذلك يبدو أن معدل النسخ في المرحلة الثابتة قد انخفض في ظل ظروف تحاكي رحلات الفضاء. تم استنتاج أن تنظيم النسخ لم يأخذ في الاعتبار الاختلافات في تركيز بروتين سيجما. علاوة على ذلك ، فقد وجد أن استقرار البروتين قد انخفض تحت الإكلينيكي أثناء النمو الأسي ، مع استمرار انخفاض طفيف في المرحلة الثابتة. لحساب الاختلافات في تركيز البروتين ، تم اقتراح زيادة معدل التحويل والكفاءة في كلينوستات مقارنة مع تلك الموجودة في الجاذبية العادية. توفر هذه الاختلافات الملحوظة نظرة ثاقبة لتحديد الآليات الأساسية المعتمدة على الجاذبية المرتبطة بالاستجابات الميكروبية للضغوط البيئية.

بينما يُفترض عمومًا أن زيادة مقاومة الخلية للعقاقير بسبب الجاذبية الصغرى ، فقد اقترح تقرير واحد على الأقل أن الظروف البيئية لرحلة الفضاء قد تؤثر أيضًا على استقرار المستحضرات الصيدلانية (59) ، وأشارت دراسة أخرى إلى عدم وجود مقاومة واضحة للأدوية المتبقية في البكتيريا. تم اختبار الثقافات بعد الرحلة (125). هذه النتائج ، جنبًا إلى جنب مع عوامل نقل الكتلة خارج الخلية المخفّضة في الجاذبية الصغرى الموصوفة سابقًا ، تستدعي إجراء بحث إضافي حول ما إذا كانت ملاحظات البكتيريا التي تنمو في ظل ظروف مثبطة بالحد الأدنى (MIC) مع مضاد حيوي في رحلة فضائية لها تأثير فسيولوجي أو فيزيائي (أي بيئي). ) أساس أو مزيج من الاثنين.

(2) الفوعة والقدرة المرضية.

بالإضافة إلى احتمال أن تصبح البكتيريا أكثر صعوبة في العلاج بالمضادات الحيوية في الفضاء (أو نظائر الجاذبية الصغرى المحاكية) ، هناك مجموعة متزايدة من الأدلة على أنها قد تصبح أيضًا أكثر مسببة للأمراض. نيكرسون وآخرون. (188) أظهر زيادة ضراوة S. المعوية تيفيموريوم المصلي بعد النمو في محاكاة الجاذبية الصغرى عن طريق إصابة الفئران بمزارع نمت في ظروف محاكاة الجاذبية الصغرى ومقارنتها بالفئران المصابة بالمزارع التي نمت تحت 1 & ​​# x000d7 ز شروط. تم العثور على مزارع الفضاء المحاكاة أيضًا لتكون أكثر مقاومة للظروف الحمضية ، مما يشير إلى إمكانية البقاء على قيد الحياة في الجهاز الهضمي. تم تغيير تعبير البروتين البكتيري أثناء النمو ، كما هو محدد بواسطة الرحلان الكهربائي للهلام.

تم اقتراح عامل آخر من العوامل المساهمة من قبل Poudrier (203) ، الذي ذكر أن البكتيريا تميل إلى الالتصاق بالخلايا البشرية بشكل أفضل في محاكاة الجاذبية الصغرى مقارنة بالظروف العادية 1 & # x000d7. علاوة على ذلك ، وجد أن التعبير الجيني والبروتيني قد تم تغييرهما للمجموعة التجريبية على وجه الخصوص ، فقد تم تنظيم كل من بروتين الالتصاق ومقاومة البروتين الناقل لتريميثوبريم-سلفاميثوكسازول.

على الرغم من عدم وجود ارتباط نهائي بشأن كيفية تحفيز رحلات الفضاء على هذه النتائج المتغيرة للتعبير الجيني ، إلا أن Nickerson et al. (187) اقترح أن إشارة تنظيمية عالمية قد تؤثر على التعبير الجيني ، والاستجابات الفسيولوجية ، والتسبب في المرض. ويلسون وآخرون. (265) أظهرت أن الزيادات الناجمة عن رحلات الفضاء في السالمونيلا يتم تنظيم الفوعة من خلال تركيبة الأيونات المتوسطة وأن أيونات الفوسفات كافية لتغيير استجابات مسببات الأمراض ذات الصلة في نموذج تناظري لرحلات الفضاء. على الرغم من أنه لا يزال من غير الواضح بالضبط كيف تشعر البكتيريا بالتغيرات المرتبطة برحلات الفضاء في بيئة نموها وكيف تترجم هذه التغييرات إلى أنماط ظاهرية متغيرة ذات صلة بالعدوى ، فإن تحديد النماذج التنظيمية المحفوظة تطوريًا في هذه الدراسات والظواهر الأخرى ذات الصلة التي تصف الاستجابات الشائعة للفضاء ومحاكاة الجاذبية الصغرى البيئات ، جنبًا إلى جنب مع الآليات المحتملة التي تظهر التأثيرات العالمية عبر الأنواع الميكروبية ، توفر بشكل جماعي أساسًا مثيرًا للاهتمام يستمر البحث المستمر في استكشافه.

تم إجراء تجربة مكوك فضائي مؤخرًا عام 2008 على STS-123 ، دراسة ضراوة مقاومة الأدوية الجرثومية (MDRV) (http://www.nasa.gov/mission_pages/station/science/experiments/MDRV.html) ، ودعمت أربعة فرق محققين مستقلين (تلك الخاصة بـ Niesel و McGinnis و Pyle و Nickerson) في محاولة لتوصيف التعبير الجيني وإمكانية الفوعة لأربعة كائنات دقيقة نموذجية: السالمونيلا المعوية التيفيموريوم المصلي ، العقدية الرئوية, الزائفة الزنجارية، و خميرة الخميرة. ويلسون وآخرون. (263) اقترح ذلك hfq قد يكون لها دور كمنظم عالمي في الاستجابة لرحلات الفضاء في تغيير التعبير الجيني البكتيري والفوعة. التعديلات التي يسببها رحلات الفضاء في S. المعوية تم تمييز ضراوة التيفيموريوم المصلي للثقافات المزروعة في وسط غني بالمغذيات ومقارنتها بالنمو في الوسائط محدودة المغذيات من أجل فحص الاستجابات الفسيولوجية والفوعة للحالة التغذوية المتغيرة. بالإضافة إلى استنساخ النتائج السابقة ، ويلسون وآخرون. اختبر (265) أيضًا فرضية جديدة ، مفادها أن تعديل تركيز الأيونات قد يبطل أو يثبط الاستجابات المسببة للأمراض المرتبطة برحلات الفضاء في الكائنات الحية الدقيقة. التعبير الجيني البكتيري عن عوامل ضراوة محددة لـ الرئوية الرئوية و P. الزنجارية تم وصفه بالمثل في ظل مجموعات محددة من الظروف التجريبية للمقارنة عبر التجارب المختلفة. مقاومة S. cerevisiae تم فحص العامل المضاد للفطريات voriconazole أيضًا. النتائج الكاملة معلقة.

الكائنات الدقيقة في بيئة المركبات الفضائية.

في حين أن هذا الاستعراض قد ركز حتى الآن في المقام الأول على فئات مختلفة من في المختبر البحث الذي تم إجراؤه عن طريق تعريض الكائنات الحية الدقيقة لجوانب مختلفة من بيئة الفضاء ، من المهم ملاحظة أن وجودها سيصاحب حتمًا أي مهمة مع البشر على متن السفينة ، ومن ثم فمن الأهمية بمكان توسيع نطاق النظر في النمو والسلوك المتغير نحو التحكم في النتائج الميكروبية غير المرغوب فيها ضمن النطاق العام. بيئة المركبة الفضائية وتجاه تأثيرها المحتمل على صحة الطاقم. ومع ذلك ، كما هو الحال على الأرض ، لا تمثل الميكروبات سببًا للقلق بشأن الصحة والتلوث فحسب ، بل قد تعمل أيضًا كوسيلة لتوفير العمليات الحيوية المفيدة. في الواقع ، يمكن تنفيذ العديد من وظائف دعم الحياة المطلوبة في مركبة فضائية يشغلها الإنسان بواسطة الكائنات الحية الدقيقة (على سبيل المثال ، تدهور النفايات ، واستعادة المياه ، وحتى إنتاج الغذاء والأكسجين). لذلك ، بالإضافة إلى مخاوف التلوث البيئي وصحة الطاقم المحتملة التي يمكن أن تسببها الميكروبات ، فإن المهمات طويلة الأجل ستطلب في النهاية دمج الأنظمة القائمة على أساس بيولوجي في المركبة الفضائية عن طريق التصميم لتمكين وظائف دعم الحياة المتجددة والمستدامة. يصبح هذا محتملاً وضروريًا بشكل متزايد مع تحرك رواد الفضاء نحو الاكتفاء الذاتي ، مع انخفاض الاعتماد على مهمات إعادة الإمداد القابلة للاستهلاك من الأرض.

(ط) تكوين وتطور البكتيريا الدقيقة.

كما لوحظ في ظل الظروف التجريبية الخاضعة للرقابة ، يتأثر السلوك الميكروبي بعدة طرق نتيجة التعرض لرحلات الفضاء. وينطبق الشيء نفسه على الميكروبات التي تصاحب حتمًا البشر الذين يعيشون في بيئة مركبة فضائية مغلقة ، سواء من اتحادات النباتات الدقيقة التي يحملها الطاقم ومن وجود الملوثات الجرثومية الناتجة في الهواء والماء وكذلك على الأسطح المكشوفة داخل السيارة. بالإضافة إلى الأمور المتعلقة بصحة الطاقم ، يمكن أن يكون للملوثات الميكروبية أيضًا آثار سلبية على إلكترونيات الطيران وأنظمة المركبات الفضائية. تم إثبات تكوين البيوفيلم في الفضاء تحت السيطرة في المختبر (163) ، وقد لوحظ احتمال حدوث أضرار مادية لمكونات المركبات الفضائية نتيجة لذلك (189).

(2) صحة الطاقم.

يتسم الشاغل الرئيسي فيما يتعلق بصحة الطاقم بتنشيط مسببات الأمراض الانتهازية التي لوحظ أنها تتراكم في البيئات المغلقة للمركبة الفضائية طويلة الأمد (119). كما هو موضح سابقًا ، في المختبر تشير الدراسات إلى أن الميكروبات قد تصبح أكثر مسببة للأمراض ومقاومة أيضًا للعلاج بالمضادات الحيوية (134) نتيجة للظروف البيئية التي تتعرض لها أثناء الرحلات الفضائية. ومما يزيد الموقف تعقيدًا ، أن الرحلات الفضائية تؤثر أيضًا سلبًا على جهاز المناعة (227) ، على الرغم من أن التقارير المتضاربة تشير إلى وجود قدر كبير من الاختلاف بين الأفراد والبعثات ، وبالتالي فإن هذه الآثار لا تزال غير مفهومة جيدًا ، وهناك حاجة إلى منهجيات أفضل لتحقيق ذلك. التوصيف الكامل لديناميكيات الاستجابة المناعية أثناء الطيران (19). يزداد خطر حدوث الأمراض المعدية مع فترات المهمة الأطول.

تساهم عوامل أخرى ، مثل العيش والعمل في ظروف مزدحمة نسبيًا جنبًا إلى جنب مع استخدام المياه والهواء المستصلحة ، في هذه المخاطر. قد تكون المخاوف الصحية المرتبطة بالبؤر الاستيطانية المأهولة بشكل دائم على القمر أو مهمة استكشاف المريخ أكبر نظرًا للمتغيرات الإضافية غير المعروفة المرتبطة بهذه البيئات. أخيرًا ، تزيد القيود المفروضة على تقنيات التشخيص والعلاج من عواقب المناعة الضعيفة ، وبما أن البعثات تمتد على مسافة من الأرض ، فإن عودة الطاقم في حالة الطوارئ لم تعد خيارًا ممكنًا (113 ، 199).

جمع أفضل للبيانات في الجسم الحي أثناء الرحلة دون التأثير على النتيجة المقاسة المطلوبة لفهم عملية الاستجابة المناعية بشكل كامل. للقيام بذلك يتطلب تحديد كل من المرقم (العلامات) الحيوية المناسبة للقياس وجهاز قادر على إجراء التحليل على متن السيارة. يمكن للواسمات المرشحة مثل السيتوكينات والكاتيكولامينات والهرمونات الأخرى أن تقدم نظرة ثاقبة على وظائف الجهاز المناعي ، ومع ذلك ، لا يبدو أن مجموعة واحدة من الواسمات توفر معلومات كافية لتوصيف استجابة الجهاز المناعي الشاملة ، ولا يوجد جهاز استشعار حيوي مؤهل فضائيًا يتمتع بقدرة multianalyte وصف كامل لكل الاحتمالات (3). تم اقتراح نهج بديل قائم على الحمض النووي الريبي من قبل Larios-Sanz et al. (144). باستخدام منارات جزيئية 16S rRNA ، تبين أن مجموعات بكتيرية محددة يمكن اكتشافها بمنهجية تفسح المجال للمراقبة أثناء الطيران.

أخيرًا ، قبول أن العدوى ستحدث في مرحلة ما في مهمة طويلة الأمد ، بغض النظر عن تدابير التخفيف من المخاطر المتخذة ، يجب أيضًا النظر في العلاج الفعال للعلاج. تم تقديم مجموعة من العوامل الصيدلانية التي تهدف إلى قمع ظهور مسببات الأمراض المقاومة للمضادات الحيوية من قبل تايلور وسومر (247) لتحديد احتياجات الصيدلية على متن الطائرة وبروتوكولات العلاج المطبقة على الرحلات الفضائية. إن البصيرة مثل هذا عنصر ضروري لتطوير نظام متكامل للرعاية الصحية للطاقم لمهام الاستكشاف التي تنتقل إلى ما وراء المدار الأرضي المنخفض.

(3) بيئة المركبة الفضائية.

تم إجراء مجموعة متنوعة من الدراسات في محاولة لتوصيف ومراقبة والتحكم في التلوث الميكروبي في المركبة الفضائية بحيث يتم تحقيق حالة متوازنة بين التأثيرات الضارة وغير المهمة والمطلوبة (37 ، 141 ، 189 ، 199). تم فهرسة قاعدة بيانات شاملة للمعلمات الميكروبيولوجية البيئية للرحلات الجوية قصيرة المدة من أكثر من 100 مهمة مكوك فضائي. وبالمثل ، فإن وكالة ناسا المشتركة-مير قدم البرنامج في أواخر التسعينيات بيانات للبعثات طويلة الأمد. ومن المثير للاهتمام ، أن الأنواع البكتيرية والفطرية الرئيسية الموجودة في مكوك الفضاء تشبه تلك التي تمت مواجهتها بعد 15 عامًا من التشغيل في المكوك الفضائي. مير محطة فضاء (199). ومما يثير الاهتمام أيضًا ، التحميل الميكروبي مير لم يتم العثور على التقدم خطيًا ، ولكن بالأحرى من خلال عملية التناوب بين تنشيط البكتيريا الدقيقة ومراحل الاستقرار (189).

كان تركيز محطة الفضاء الدولية على وضع تدابير وقائية من خلال ممارسات التدبير المنزلي المنتظمة ، بما في ذلك عمليات التفتيش البصري والرصد الميكروبيولوجي. نوفيكوفا وآخرون. قدم (190) مسحًا للتلوث الميكروبيولوجي الموجود في مياه الشرب والهواء وعلى الأسطح داخل محطة الفضاء الدولية ، بما في ذلك وجود العديد من مسببات الأمراض الانتهازية والسلالات التي تشارك في التحلل البيولوجي للمواد الهيكلية.

في نظام مغلق بيئيًا ومعزول مثل المحطات الفضائية طويلة الأمد أو المركبات الفضائية أو الموائل الكوكبية ، يجب أيضًا معالجة إمكانية تكوين الأغشية الحيوية على جميع أنواع المواد. يضاعف الجنرال في المختبر تم الإبلاغ عن زيادة مقاومة المضادات الحيوية في الفضاء ، ومن المعروف أيضًا أن تكوين الغشاء الحيوي الرقيق ، في حد ذاته ، يزيد من مقاومة المضادات الحيوية من 10 إلى 1000 مرة مقارنة ببكتيريا العوالق (156). ومن المثير للاهتمام ، أن بعض الآليات المفترضة المتعلقة بمقاومة الأغشية الحيوية ، مثل البيئة غير المتجانسة الناتجة عن تدرجات العناصر الغذائية والنفايات في المجتمع ، تشبه تلك التي يُعتقد أنها تسبب تغيرات متعلقة برحلات الفضاء في فعالية المضادات الحيوية. وصف مورس وجاكسون (177) إمكانية تطور سلالات مقاومة في نظام استصلاح المياه لمركبة فضائية نتيجة لذلك.

على غرار احتياجات الكشف عن المخاوف الصحية للطاقم ، هناك حاجة أيضًا إلى مراقبة الميكروبات للتأكد من وجود البكتيريا الدقيقة الموجودة في جميع أنحاء المركبة الفضائية. لا دوك وآخرون. استهدفت (141) العديد من المؤشرات الحيوية ، مثل ATP و LPS و DNA (الريبوسوم أو البوغ المحدد) ، لتقدير إجمالي العبء الحيوي والأنواع المحددة من التلوث الميكروبي على الأسطح داخل المركبة الفضائية وفي خزانات مياه الشرب على متن محطة الفضاء الدولية. عصية تم العثور على الأنواع لتكون سائدة بين صانعي الأبواغ باستخدام تقنيات تعتمد على الثقافة. في المقابل ، كشفت تقنيات التعداد السريع المستقلة عن الثقافة عن وجود العديد من الكائنات الدقيقة إيجابية الجرام وسالبة الجرام ، بما في ذلك الفطريات الشعاعية والفطريات. تم تأكيد وجود كل من الميكروبات القابلة للزراعة وغير القابلة للزراعة من خلال تقنيات الكشف القائمة على الحمض النووي. على الرغم من أن المياه الصالحة للشرب في محطة الفضاء الدولية لم يتم العثور عليها لاحتواء ميكروبات قابلة للزراعة ، إلا أن التقنيات الجزيئية استعادت تسلسل الحمض النووي للعديد من مسببات الأمراض الانتهازية.

رومان وآخرون. (224) بالمثل فحصت مجموعة خرطوم مرن تستخدم لتبريد بدلات الفضاء وتحتوي على مبرد مائي غير قابل للحرارة وماء معالج باليود من محطة الفضاء الدولية. تم العثور على كيمياء الموائع وتغيرات الأس الهيدروجيني مصاحبة لزيادة الكائنات الدقيقة العوالقية من & # x0003c100 CFU لكل 100 مل إلى ما يقرب من 1 مليون CFU لكل 100 مل. لوحظ وجود تجمعات ميكروبية مستقرة كسلعة للأغشية الحيوية التي تتكون على مواد مبللة في النظام ، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والتيتانيوم ومطاط الإيثيلين بروبيلين وراتنجات الإيبوكسي. على الرغم من عدم وجوده هنا ، فإن تكوين الأغشية الحيوية في هذا السياق من شأنه أن يعيق تدفق المبرد ، ويقلل من انتقال الحرارة ، ويضخم تحلل مواد النظام الناتج عن التآكل الكيميائي ، ويعزز تكوين المقياس المعدني. قد تشمل الرعاية الوقائية استخدام مضادات الميكروبات في أنظمة نقل السوائل مثل هذه.

تقدم البيانات المتراكمة دليلًا على أن التحكم في المستويات الميكروبية في جميع أنحاء المركبة الفضائية ضروري للحفاظ على المستوى الأمثل الصحي والميكروبيولوجي المطلوب لمنع إمكانية التدمير البيولوجي للمواد (189). أوت وآخرون (195) وصف كذلك وجود البكتيريا والفطريات والكائنات الحية الأخرى التي تعيش في سائل مكثف وجد محاصرًا خلف لوحات أجهزة على متن مير محطة فضاء. تشكل هذه الكتل الحرة العائمة مخاطر على كل من الطاقم ونظام المركبات الفضائية. في دائرة كاملة من التحليل ، قام بيكر وليف (7 ، 8) بفحص تأثيرات محاكاة الجاذبية الصغرى على الثقافات البكتيرية التي تم الحصول عليها من مير ومحطة الفضاء الدولية بعد العودة إلى الأرض. تم تلخيص استجابات النمو المختلفة ، وتم تفسير النتائج على أنها تشير إلى أن الانتقاء في بيئة الجاذبية الصغرى ، بيئة قليلة التغذية يؤدي إلى بكتيريا أكثر ملاءمة للظروف البيئية للجاذبية الصغرى / محطة الفضاء الدولية. إذا تم العثور على هذا الاستنتاج صحيحًا ، فسيتم إدخال تعقيدات إضافية فيما يتعلق بالحاجة إلى فهم الضغوط التطورية التي تمارس على الكائنات الحية الدقيقة بواسطة بيئة رحلات الفضاء (أو المركبة الفضائية).

(4) أنظمة دعم الحياة القائمة على أساس بيولوجي.

تم تقديم ملاحظة أخيرة بشأن الاستخدام المفيد للكائنات الدقيقة والأنظمة البيولوجية الأخرى لتوفير وظائف دعم الحياة القابلة للتجديد من أجل السكن في الفضاء على المدى الطويل. مع تحرك البعثات نحو فترات أطول ومسافات أكبر ، فإن عمليات التكاثر الحيوي التي تحاكي المحيط الحيوي الطبيعي للأرض توفر إمكانية متزايدة لتحقيق وفورات في الكتلة والتكلفة مقارنة بالحاجة إلى إعادة الإمداد الاستهلاكي الدوري. بينما تتيح النباتات وسيلة أساسية لاستعادة الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون ، وتنقية المياه من خلال تصفية النتح ، وتوفير الكتلة الحيوية الصالحة للأكل ، والبكتيريا والفطريات والبكتيريا الزرقاء هي أيضًا مرشحة لأداء مجموعة متنوعة من العمليات ، بما في ذلك إنتاج الفيتامينات ، وإعادة تدوير المياه ، وتطهير الهواء ، وإدارة النفايات (91 ، 175 ، 222). توجد العديد من التحديات في إنشاء مزيج مستقر من العوامل البيولوجية القادرة على توفير وظائف دعم الحياة المستدامة والخاضعة للرقابة في نظام مغلق (184). يعد استخدام البؤرة الاستيطانية القمرية كسرير اختبار تشغيلي أحد الاحتمالات للتحقق من صحة التضمين والتحقق من أداء نظام دعم الحياة القائم على أساس بيولوجي والمخصص لموئل المريخ في المستقبل. لا يزال هناك الكثير من العمل لتحقيق مثل هذا النظام ، وستلعب الكائنات الحية الدقيقة بالتأكيد دورًا في التصميم النهائي.

النظرة والتوجهات المستقبلية

مع وضع الخطط الدولية لاستكشاف النظام الشمسي ، إما باستخدام المجسات الآلية أو مع أطقم بشرية ، يواجه علماء الأحياء المجهرية فرصًا جديدة ومثيرة ومتطلبات صعبة. يعد البحث عن بصمات أشكال الحياة على كوكب آخر أو قمر آخر في نظامنا الشمسي أحد أبرز أهداف هذه المؤسسات. يعتبر كوكب المريخ المجاور لنا والقمر يوروبا التابع لكوكب المشتري هدفين رئيسيين للبحث عن الحياة خارج الأرض. عن طريق القياس ، مع المجتمعات الميكروبية الأرضية شديدة الحساسية ، على سبيل المثال ، تلك التي تزدهر في البيئات القاحلة والباردة والمالحة و / أو تلك المعرضة للأشعة فوق البنفسجية الشديدة ، يمكن تحديد موائل إضافية محتملة خارج كوكب الأرض. أيضا ، المناطق تحت السطحية الغنية بالكبريت لدراسة مجتمعات التغذية الكيميائية ، والصخور للمجتمعات الداخلية ، ومناطق التربة الصقيعية ، والفتحات الحرارية المائية ، وقشور التربة أو التبخر كلها ذات أهمية. ستوفر الدراسات الميدانية مع المجتمعات الميكروبية في تلك البيئات القاسية بالإضافة إلى الدراسات الميكروبيولوجية تحت بيئات كوكبية محاكية ومساحة # x02014in وكذلك في المختبر & # x02014 معلومات قيمة لإعداد & # x0201csearch-for-life & # x0201d التجارب الصحيحة في مهام إلى هؤلاء أجسام النظام الشمسي.

دور مهم آخر لعلماء الأحياء الدقيقة في استكشاف الفضاء يتعلق بمبادرة الحماية الكوكبية. يمكن للمركبة الفضائية ، سواء أكانت مركبات مدارية آلية ، أو مجسات دخول ، أو مركبات هبوط ، إدخال الكائنات الحية الدقيقة الأرضية عن غير قصد إلى الكوكب أو القمر محل الاهتمام. قد يؤدي هذا إلى تدمير الفرصة لفحص هذه الجثث في حالتها الأصلية. لمنع الإدخال غير المرغوب فيه والانتشار المحتمل للكائنات الحية الدقيقة الأرضية على الجسم المستهدف ، تم إدخال مفهوم الحماية الكوكبية (إرشادات حماية الكواكب COSPAR [http://cosparhq.cnes.fr/Scistr/PPPolicy�- Jul-08&# x0002529.pdf]). اعتمادًا على الهدف ونوع المهمة ، تتطلب إرشادات الحماية الكوكبية التنظيف ، وفي حالات محددة ، تعقيم المركبة الفضائية أو مكوناتها لتجنب التلوث بالكائنات الأرضية. يجب التحكم في نجاح إجراءات التنظيف و / أو التعقيم من خلال إنشاء جرد شامل للحمل البيولوجي قبل الإطلاق. يمثل تطوير المبادئ التوجيهية لقياسات الحمل البيولوجي وإجراءات التعقيم والتحكم في حماية الكواكب مهامًا قادمة إضافية قادمة لعلماء الأحياء الدقيقة.

إن وجود البشر على سطح القمر أو المريخ سيزيد بشكل كبير من قدرات البحث والاستكشاف في الفضاء ، ومع ذلك ، قبل أي مهمة استكشافية بشرية ، يجب معالجة القضايا الميكروبية الحاسمة المتعلقة بصحة الإنسان ورفاهه ، وكوكب فعال. يجب إنشاء بروتوكولات الحماية. يمثل توفير المواد الاستهلاكية الأيضية وإزالة المخلفات الثانوية من البيئة المغلقة والمكتفية ذاتيًا ، سواء كانت تشكل موطنًا بشريًا أو مفاعلًا حيويًا للخلية ، الضروريات النهائية لدعم الحياة. تمثل ظروف الموائل أو المقصورة المغلقة أيضًا تحديات طويلة الأجل لتصميمها فيما يتعلق بصحة الطاقم ، بسبب التراكم المحتمل للملوثات في الغلاف الجوي وأنظمة المياه والأغشية الحيوية على أسطح الهياكل الداخلية. أخيرًا ، في بعض الحالات ، يمكن تلبية وظائف دعم الحياة نفسها باستخدام أنظمة حية تعمل من خلال مجموعة متنوعة من المسارات البيئية. بهذا المعنى ، تصبح الأنظمة الحية جزءًا لا يتجزأ بشكل متزايد من المركبة الفضائية أو الموائل نفسها ، لذلك يجب إجراء تحليل التجارب الميكروبيولوجية الفضائية من منظور واسع على مستوى الأنظمة ، مع مراعاة التفاعل بين الظواهر البيولوجية والتأثيرات الفيزيائية المرتبطة بالبيئة العامة داخل وخارج الموائل الفضائية.


طرق وتطبيقات تثبيت الإنزيم (ملاحظات محاضرة عن التكنولوجيا الحيوية)

يُعرَّف التثبيت بأنه حبس الخلية أو الإنزيم في دعامة أو مصفوفة مميزة. يسمح الدعم أو المصفوفة التي يتم فيها تثبيت الإنزيمات بتبادل الوسط الذي يحتوي على الركيزة أو المستجيب أو الجزيئات المثبطة. إن ممارسة تجميد الخلايا قديمة جدًا وكان أول إنزيم ثابت amino acylase من Aspergillus oryzae لإنتاج الأحماض الأمينية L في اليابان.

مزايا الإنزيمات المجمدة:

(1). زيادة الكفاءة الوظيفية للإنزيم
(2). تحسين استنساخ العملية التي يقومون بها
(3). إعادة استخدام الانزيم
(4). الاستخدام المستمر للإنزيم
(5). مدخلات عمل أقل في العمليات
(6). التوفير في تكلفة رأس المال واستثمار العملية
(7). وقت رد الفعل الأدنى
(8). فرصة أقل للتلوث في المنتجات
(9). المزيد من استقرار المنتجات
(10). العرض المستقر للمنتجات في السوق
(11). تحسين التحكم في العملية
(12). نسبة الركيزة عالية الإنزيم

مساوئ تثبيت الانزيم:

(1). على الرغم من وجود العديد من مزايا الإنزيمات المجمدة ، إلا أن هناك بعض العيوب أيضًا.
(2). التكلفة العالية لعزل وتنقية واستعادة الانزيم النشط (أهم عيب)
(3). التطبيقات الصناعية محدودة وهناك عدد قليل جدًا من الصناعات التي تستخدم إنزيمات مجمدة أو خلايا كاملة مجمدة. (4). يتم تقليل الخصائص التحفيزية لبعض الإنزيمات أو فقدها تمامًا بعد تثبيتها على الدعم أو الناقل.
(5). تصبح بعض الإنزيمات غير مستقرة بعد الشلل.
(6). يتم تعطيل الإنزيمات بالحرارة المتولدة في النظام

تطبيقات تثبيت الإنزيم:

(1). الإنتاج الصناعي: يستخدم الإنتاج الصناعي للمضادات الحيوية والمشروبات والأحماض الأمينية وما إلى ذلك إنزيمات مجمدة أو خلايا كاملة.

(2). التطبيقات الطبية الحيوية: تستخدم الإنزيمات المعطلة على نطاق واسع في تشخيص وعلاج العديد من الأمراض. يمكن استخدام الإنزيمات المعطلة للتغلب على الاضطرابات الأيضية الخلقية عن طريق إمداد الإنزيمات المعطلة. تُستخدم تقنيات التثبيت بشكل فعال في أنظمة توصيل الأدوية خاصة إلى المواقع المسببة للأورام.
(3). الصناعات الغذائية: تُستخدم الإنزيمات مثل البكتينازات والسليولازات المثبتة على ناقلات مناسبة بنجاح في إنتاج المربى والهلام والعصائر من الفواكه والخضروات.
(4). بحث: يستخدم نشاط البحث على نطاق واسع العديد من الإنزيمات. يسمح استخدام الإنزيم الثابت للباحث بزيادة كفاءة الإنزيمات المختلفة مثل هورس الفجل بيروكسيديز (HRP) في تجارب النشاف والبروتياز المختلفة لتحلل الخلايا أو العضيات.

(5). إنتاج وقود الديزل الحيوي من الزيوت النباتية.

(6). إدارة المياه العادمة: معالجة مياه الصرف الصحي والنفايات الصناعية السائلة.

(7). صناعة النسيج: تجفيف وتلميع بيولوجي وتصفية الأقمشة.

(8). صناعة المنظفات: تثبيت إنزيم الليباز لإزالة الأوساخ من الملابس بشكل فعال.

الدعامات أو المصفوفة المستخدمة في تقنية التثبيت:

تعمل المصفوفة أو الدعامة على تثبيت الإنزيم عن طريق الاحتفاظ به بشكل دائم أو مؤقت لفترة وجيزة من الزمن. هناك مجموعة متنوعة من المصفوفات أو المواد الحاملة أو الدعامات المتاحة للتثبيت. يجب أن تكون المصفوفة المستخدمة رخيصة ومتاحة بسهولة. يجب أن يكون تفاعلهم مع مكونات الوسط أو مع الإنزيم في أدنى حد ممكن. يتم تجميع المصفوفات أو الدعامات الخاصة بتثبيت الإنزيمات أو الخلايا الكاملة في ثلاث فئات رئيسية

(1). البوليمرات الطبيعية

(2). البوليمرات الاصطناعية

(3). مواد غير عضوية

(1). البوليمرات الطبيعية:

(أ). الجينات: بوليمر طبيعي مشتق من جدار خلية بعض الطحالب. ألجينات الكالسيوم أو المغنيسيوم هي المصفوفة الأكثر استخدامًا. فهي خاملة ولديها قدرة جيدة على الاحتفاظ بالمياه.

(ب). الشيتوزان والكيتين: وهي عبارة عن عديدات سكريات هيكلية تحدث بشكل طبيعي في جدار الخلية من الفطريات والهيكل الخارجي لمفصليات الأرجل. يمكن أن ترتبط المجموعات الوظيفية المختلفة في الإنزيمات بمجموعة - OH من الكيتين ويمكن أن تشكل روابط تساهمية.

(ج). الكولاجين: إنه دعامة بدائية ذات مسامية جيدة وقدرة على الاحتفاظ بالمياه. يمكن أن تشكل السلاسل الجانبية للأحماض الأمينية في الكولاجين وسلاسل الإنزيم روابط تساهمية لتثبيت الإنزيم بشكل دائم على الدعم.

(د). الكاراجينان: وهو عبارة عن عديد السكاريد الكبريت الذي يتم الحصول عليه من بعض الطحالب الحمراء. خصائص التبلور الجيدة إلى جانب قدرتها العالية على الاحتفاظ بالبروتين تجعلها دعمًا جيدًا لشل الإنزيمات.

(هـ). الجيلاتين: الجيلاتين هو الكولاجين المتحلل جزئيًا مع قدرة جيدة على الاحتفاظ بالماء.

(F). السليلوز: البوليمر الأكثر وفرة في الطبيعة وهو أرخص دعم متاح كناقل للإنزيمات. يمكن لمجموعة الهيدروكسيل لوحدات المونومر (الجلوكوز) تكوين روابط تساهمية مع تلك الموجودة في الأحماض الأمينية للإنزيم.

(ز). نشاء: بوليمر طبيعي من الأميلوز والأميلو بكتين. لديها قدرة جيدة على الاحتفاظ بالمياه.

(ح). البكتين: وهو عبارة عن عديد السكاريد الهيكلي للنباتات الموجودة في جدار الخلية الأساسي الخاص بهم ويعمل أيضًا كمواد تدعيم بين الخلايا في الأنسجة النباتية. البكتين هو عامل تبلور ذو قدرة جيدة على الاحتفاظ بالماء.

(2). البوليمرات الاصطناعية:

وهي عبارة عن راتنجات أو بوليمرات للتبادل الأيوني وهي دعامات غير قابلة للذوبان ذات سطح مسامي. يمكن لسطحها المسامي أن يحبس الأنزيمات أو الخلايا الكاملة. مثال: ثنائي إيثيلين إيثيل السليلوز (DEAE سليلوز) ، بولي فينيل كلوريد (PVC) ، بولي إيثيلين جلايكول المنشط بالأشعة فوق البنفسجية (PEG)

(3). المواد غير العضوية:

(أ). الزيوليت: إنها معادن سيليكات الألمنيوم الصغيرة التي يسهل اختراقها مع خصائص امتصاص جيدة وتستخدم على نطاق واسع لشل حركة الإنزيمات والخلايا الكاملة.

(ب). سيراميك: وهي مواد صلبة غير معدنية تتكون من ذرات معدنية وغير معدنية محتفظ بها في روابط أيونية وتساهمية. يختلف التركيب ونمط الترابط باختلاف الأنواع.

(ج). الأرض دياتومي: إنها صخور رسوبية صخرية تتكون من تراكمات متحجرة لجدار خلوي الدياتومات. سيليت هو الاسم التجاري للتراب الدياتومي. إنها مادة ماصة جيدة ومقاومة لدرجة الحموضة العالية ودرجة الحرارة.

(F). كربون مفعل

(ز). فحم

طرق التثبيت:

بناءً على الدعم أو المصفوفة ونوع الروابط المعنية ، هناك خمس طرق مختلفة لشل حركة الإنزيم أو الخلايا الكاملة.

(1). الامتزاز

(2). الرابطة التساهمية

(3). فخ

(4). البلمرة المشتركة

(5). التغليف

(1). الامتزاز

الامتزاز هو أقدم وأبسط طريقة لتثبيت الإنزيم. استخدم Nelson & amp Griffin الفحم لامتصاص الإنفرتيز لأول مرة في عام 1916. في هذه الطريقة يتم امتصاص الإنزيم على السطح الخارجي للدعامة. قد يكون الدعم أو الناقل المستخدم من أنواع مختلفة مثل:

(1). دعم معدنير (مثل أكسيد الألومنيوم والطين)

(2). دعم عضوي (مثل النشا)

(3). راتنجات التبادل الأيوني والسيفاروز المعدلة

لا يوجد تكوين رابطة دائمة بين الناقل والإنزيم في طريقة الامتزاز. الروابط الضعيفة فقط هي التي تعمل على استقرار الإنزيمات في الدعم أو الناقل. الروابط الضعيفة (روابط الطاقة المنخفضة) المعنية هي بشكل أساسي:

(أ). التفاعل الأيوني

(ب). روابط هيدروجينية

(ج). قوات فان دير وال

من أجل الترابط السطحي الكبير ، يجب أن يكون حجم الجسيم الحامل صغيرًا (قطره 500 إلى 1 مم). أكبر ميزة لطريقة الامتزاز هي أنه لن يكون هناك "قيود انتشار المسام" حيث يتم تجميد الإنزيمات خارجيًا على الدعامة أو الناقل.

طرق الامتزاز:

(1). عملية ثابتة: تثبيط الحامل عن طريق السماح للمحلول المحتوي على الإنزيم بالاتصال بالناقل دون تحريك.
(2). عملية الدُفعات الديناميكية: يوضع الناقل في محلول الإنزيم ويخلط بالتحريك أو التحريك.
(3). عملية تحميل المفاعل: يتم وضع الناقل في المفاعل ، ثم يتم نقل محلول الإنزيم إلى المفاعل مع التحريك المستمر.
(4). عملية وضع القطب: يتم وضع الناقل بالقرب من قطب كهربائي في حمام إنزيم ثم يتم وضع التيار ، تحت المجال الكهربائي ، ينتقل الإنزيم إلى الناقل ويترسب على سطحه.

مزايا طريقة الامتزاز:

(أ). لا يوجد حد لانتشار المسام

(ج). لا الكواشف مطلوبة

(د). الحد الأدنى من خطوات التنشيط المعنية

(هـ). طريقة رخيصة نسبيا لشل الحركة

(F). أقل تخريبًا للإنزيم من الطرق الكيميائية

عيوب طريقة الامتزاز:

(أ). امتصاص الإنزيمات من الناقل

(2). الرابطة التساهمية:

تتضمن هذه الطريقة تكوين روابط تساهمية بين المجموعات الكيميائية في الإنزيم والمجموعات الكيميائية الموجودة على الحامل أو الناقل. إنها إحدى الطرق المستخدمة على نطاق واسع لتثبيت الإنزيم. تشكل مجموعات الهيدروكسيل والمجموعات الأمينية للدعم أو الإنزيم روابط تساهمية بسهولة أكبر. المجموعات الكيميائية الموجودة في الدعم أو الناقل والتي يمكن أن تشكل روابط تساهمية مع الدعم هي المجموعات الأمينية ، ومجموعات الإيمينو ، ومجموعات الهيدروكسيل ، ومجموعات الكربوكسيل ، ومجموعات الثيول ، ومجموعات الميثيل ثيول ، ومجموعات جوانيدل ، ومجموعات إيميدازول ، وحلقة الفينول.

المجموعات الوظيفية الهامة للإنزيم التي توفر المجموعات الكيميائية لتشكيل روابط تساهمية مع دعم أو ناقل هي:

1. مجموعة ألفا كاربوكسيل عند الطرف "C" للإنزيم

2. مجموعة ألفا أمينو في محطة "N" من الإنزيم

3. مجموعات Epsilon الأمينية من Lysine و Arginine في الإنزيم

4. β و مجموعات الكربوكسيل من الأسبارتات والغلوتامات

5. حلقة الفينول من التيروزين

6. مجموعة ثيول من السيستين

7. مجموعات الهيدروكسيل من سيرين وثريونين

8. مجموعة إيميدازول من الهيستيدين

9. حلقة إندول من التربتوفان

الناقلات أو الدعامات التي يشيع استخدامها في الترابط التساهمي هي:

(أ). الكربوهيدرات: على سبيل المثال. السليلوز ، السليلوز DEAE ، الاغاروز

(ب). العوامل الاصطناعية: على سبيل المثال. بولي أكريلاميد

(ج). ناقلات البروتين: كولاجين ، جيلاتين

(د). ناقلات تحمل المجموعة الأمينية: على سبيل المثال. أمينو بنزيل السليلوز

(هـ). ناقلات غير عضوية: زجاج مسامي ، سيليكا

(F). بروميد السيانوجين (CNBr) -agarose و CNBr Sepharose

طرق الترابط التساهمي

(1). ديازوتيون: الترابط بين مجموعة الدعم الأمينية ومجموعة التيروزيل أو الهيستيدل من الإنزيم.
(2). السندات الببتيد: الترابط بين المجموعات الأمينية أو الكربوكسيلية للدعم وتلك الخاصة بالإنزيم.
(3). الكواشف الوظيفية بولي: استخدام كاشف ثنائي الوظيفة أو متعدد الوظائف (جلوتارالدهيد) الذي يشكل روابط تساهمية بين المجموعة الأمينية من مجموعة الدعم والمجموعة الأمينية للإنزيم.

مزايا الرابطة التساهمية:

(أ). ارتباط قوي للإنزيم بالدعم

(ب). لا توجد مشكلة تسرب أو امتصاص

(ج). طريقة بسيطة نسبيا

(د). مجموعة متنوعة من الدعم مع مجموعات وظيفية مختلفة المتاحة

(هـ). قابلية التطبيق على نطاق واسع

مساوئ الرابطة التساهمية (مشكلة رئيسية في الرابطة التساهمية):

(أ). يؤدي التعديل الكيميائي للإنزيم إلى فقدان التكوين الوظيفي للإنزيم.

(ب). تثبيط الإنزيم بالتغييرات في الشكل عندما يخضع لردود فعل في الموقع النشط. يمكن التغلب على هذا من خلال عدم الحركة في وجود ركيزة الإنزيم أو مثبط تنافسي.

(3). فخ:

في هذه الطريقة ، يتم حبس الإنزيمات جسديًا داخل مصفوفة مسامية. قد تكون الروابط المشاركة في تثبيت الإنزيم في المصفوفة تساهمية أو غير تساهمية. ستكون المصفوفة المستخدمة عبارة عن بوليمر قابل للذوبان في الماء. يختلف شكل وطبيعة المصفوفة باختلاف الإنزيمات. يتم تعديل حجم مسام المصفوفة لمنع فقدان الإنزيم. يمكن ضبط حجم مسام المصفوفة بتركيز البوليمر المستخدم. Agar-agar و carrageenan لهما أحجام مسام كبيرة نسبيًا. أكبر عيب في هذه الطريقة هو أن هناك إمكانية لتسرب إنزيمات منخفضة الوزن الجزيئي من المصفوفة.

أمثلة على المصفوفات شائعة الاستخدام للفخ هي:

(1). المواد الهلامية بولي أكريلاميد

(2). ثلاثي أسيتات السليلوز

(5). الكاراجينان

(6). الجينات

طرق الإيقاع:

(أ). التضمين في المواد الهلامية: الإنزيمات المحاصرة داخل المواد الهلامية.

(ب). التضمين في الألياف: الإنزيمات المدعمة على ألياف مصنوعة من مادة مصفوفة.

(ج). التضمين في كبسولات دقيقة: إنزيمات محبوسة في كبسولات دقيقة تتكون من خلائط أحادية مثل البوليامين وجينات الكالسيوم.

مزايا الفخ:

(أ). طريقة سريعة للتثبيت

(ب). رخيصة (مصفوفات منخفضة التكلفة متوفرة)

(ج). من السهل ممارسة على نطاق صغير

(د). مطلوب ظروف معتدلة

(هـ). فرصة أقل للتغيرات التوافقية في الإنزيم

(F). يمكن استخدامها لاستشعار التطبيق

مساوئ الفخ:

(أ). تسرب الانزيم

(ب). الحد من انتشار المسام

(ج). احتمال التلوث الجرثومي

(د). ليس هناك الكثير من النجاح في العملية الصناعية

(4). عبر الربط (البلمرة المشتركة):

تسمى هذه الطريقة أيضًا باسم البلمرة المشتركة. في طريقة التثبيت هذه ، ترتبط إنزيمات التثبيت ارتباطًا مباشرًا بالروابط التساهمية بين مجموعات مختلفة من الإنزيمات عبر الكواشف متعددة الوظائف. على عكس الطرق الأخرى ، لا توجد مصفوفة أو دعم متضمن في هذه الطريقة. الكواشف متعددة الوظائف شائعة الاستخدام هي الجلوتارالدهيد وملح الديازونيوم. هذه التقنية رخيصة الثمن وبسيطة ولكنها لا تستخدم غالبًا مع الإنزيمات النقية. تستخدم هذه الطريقة على نطاق واسع في المستحضرات التجارية والتطبيقات الصناعية. أكبر عيب أو عيب في هذه الطريقة هو أن الكواشف متعددة الوظائف المستخدمة للربط المتقاطع للإنزيم قد تفسد أو تعدل هيكليًا الإنزيم مما يؤدي إلى فقدان الخصائص التحفيزية.

(5). التغليف:

يتم إجراء هذا النوع من التثبيت عن طريق إحاطة الإنزيمات في كبسولة غشائية. تتكون الكبسولة من غشاء شبه نافذ مثل النيترو السليلوز أو النايلون. في هذه الطريقة ، تعتمد الفعالية على استقرار الإنزيمات داخل الكبسولة.

مزايا التغليف:

(أ). طريقة رخيصة وبسيطة

(ب). يمكن تجميد كمية كبيرة من الإنزيمات عن طريق التغليف

عيوب التغليف:

(أ). تحديد حجم المسام

(ج). فقط جزيء الركيزة الصغير قادر على عبور الغشاء

تجميد الخلايا الكاملة:

يعد تجميد الخلايا الكاملة بديلاً لتثبيط الإنزيم وهو طريقة مطورة جيدًا لاستخدام إنزيمات الميكروبات. يصبح تجميد الخلايا الكاملة فعالاً بشكل خاص عندما تصبح الإنزيمات الفردية غير نشطة أثناء التثبيت المباشر ، أو عندما لا يكون عزل وتنقية الإنزيم فعالاً من حيث التكلفة. أكبر ميزة لشل الخلية الكاملة هي أن الإنزيمات هنا ستكون نشطة ومستقرة لفترة طويلة من الزمن لأنها في بيئتها الطبيعية. يعد استخدام الخلايا المعطلة للتخمير ممارسة قديمة جدًا. يتم تجميد خلايا البكتيريا أو الخميرة عن طريق امتصاصها على رقائق الخشب. يُمارس هذا في أجزاء كثيرة لأنواع مختلفة من التخمير.

مزايا تجميد الخلية بالكامل:

(أ). يمكن إدخال إنزيمات متعددة في خطوة واحدة

(ب). ليست هناك حاجة لاستخراج وتنقية الأنزيمات

(ج). الإنزيمات مستقرة لفترة طويلة

(د). من الأفضل الحفاظ على التشكل الأصلي للإنزيم

(هـ). يمكن تجميد عضيات الخلية مثل الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء

(F). طريقة فعالة من حيث التكلفة

عيوب تجميد الخلية بالكامل:

(أ). سيكون تركيز الإنزيمات أقل

(ب). إنتاج الإنزيمات غير المرغوب فيها والمنتجات غير المرغوب فيها

(ج). تعديل المنتجات النهائية بواسطة إنزيمات أخرى تنتجها الخلايا المعطلة

طرق تجميد الخلايا الكاملة:

طرق تثبيت الخلايا الكاملة هي نفسها التي تم وصفها لتثبيط الإنزيم وهي تشمل:

1. الامتزاز

2. الترابط التساهمي

3. خلية إلى خلية عبر الربط

4. التغليف

5. فخ

تجميد الخلايا: الطرق والمواد الداعمة والخلايا ورد الفعل:

الدراسة دون اتصال بالإنترنت (بدون إنترنت)

الآن انت تستطيع تحميل ال بي دي إف من هذا المنصب بحرية مطلقة !

الرجاء الضغط على رابط التحميل / زر أدناه لحفظ المنشور كملف PDF واحد. سيتم فتح ملف PDF في نافذة جديدة في المتصفح نفسه. انقر بزر الماوس الأيمن على ملف PDF وحدد & # 8216حفظ باسم& # 8216 خيار حفظ الملف على جهاز الكمبيوتر الخاص بك.

لو سمحت شارك ملف PDF مع أصدقائك وأقاربك وطلابك وزملائك & # 8230


علم الأحياء الدقيقة هو مجال ديناميكي نما بسرعة فيما يتعلق بالمعرفة الأساسية وتطبيقها في الطب والزراعة والصناعة. العشرات من شركات التكنولوجيا الحيوية ، التي تشكلت لاستغلال هذه التطورات ، توفر فرص عمل للطلاب ذوي التدريب المناسب على مستوى البكالوريوس. تقدم الصناعات الجديدة المخصصة للهندسة الوراثية لعلماء الأحياء الدقيقة فرص عمل ممتازة. هناك طلب كبير على علماء الأحياء الدقيقة أيضًا في علم الأحياء الدقيقة السريري.

يمكن للطلاب المهتمين بالعلوم الصحية والمهن ذات الصلة الاستفادة من النظام الاستشاري الممتاز لعلوم الصحة بالجامعة الموجود في Cheadle Hall. يمكنهم طلب المشورة والدعم من بداية دراساتهم في علم الأحياء لدخولهم في برامج الدراسات العليا للعلوم الصحية والمدارس المهنية.

يجب على الطلاب المهتمين بتدريس العلوم البيولوجية وإجراء البحوث في الجامعة أن يخططوا لإكمال الدكتوراه. الدرجة العلمية. يجب على الطلاب المهتمين بالتدريس في كلية مجتمع متابعة عمل الخريجين على الأقل من خلال درجة الماجستير. يتطلب التدريس في المرحلة الإعدادية أو الثانوية (الثانوية) اعتماد تدريس مادة واحدة في كاليفورنيا. يجب على الطلاب الذين يفكرون في هذا الخيار الأخير مناقشة خططهم مع مستشار الاعتماد في كلية الدراسات العليا للتعليم في جامعة كاليفورنيا في وقت مبكر من حياتهم الأكاديمية.


أدوار بروتينات فيروس كورونا في علم الأمراض

سبايك بروتين

هيكل السنبلة.

إن بروتين سبايك لفيروس كورونا هو بروتين سكري من النوع الأول الذي يشكل الكبريتات الموجودة على جزيئات الفيروس التاجي. (الشكل & # x200B (الشكل 4 4 يُظهر المخططات الخطية للعديد من بروتينات ارتفاع الفيروس التاجي.) تنقسم بعض طفرات فيروسات كورونا (معظمها من فيروسات المجموعة الثانية والثالثة) إلى وحدتين فرعيتين بواسطة نشاط إنزيمي يشبه الفوران أثناء المعالجة في جولجي. النموذج الأولي يبلغ ارتفاع MHV 180 كيلو دالتون لمعظم سلالات MHV ، وهو مقسم إلى وحدتين فرعيتين غير تساهمية بحوالي 90 كيلو دالتون (294). تحتوي الوحدة الفرعية S1 الأمينية ، والتي يُعتقد أنها تشكل الرأس الكروي للبروتين الناضج ، على رابط للمستقبلات المجال (RBD) ضمن أول 330 حمضًا أمينيًا (163). تم العثور أيضًا على RBDs لـ HCoV-229E (البقايا 417 و 547) و SARS-CoV (المخلفات 318 إلى 510) في S1 ، على الرغم من عدم وجودها في الطرف الأميني ( & # x200B (الشكل 4) 4) (17 ، 339). يحتوي S1 من MHV ، المصب من RBD ، a & # x0201 مجال متغير متغير & # x0201d (HVR) الذي يختلف في الطول بين السلالات.مقارنة تسلسلات مختلفة عزلة من سلالات JHM بالإضافة إلى عزلة واحدة من عروض السلالة A59 & # x0201cin-frame & # x0 عمليات حذف 201d لما يصل إلى 450 نيوكليوتيد (نسبة إلى عزلة MHV-4 من JHM) في HVR (236). تحتوي الوحدة الفرعية S2 carboxy-terminal ، والتي يتم حفظها بين جميع طفرات الفيروس التاجي ويُعتقد أنها تشكل بنية تشبه القصبة مثبتة في الغشاء ، على اثنين (أو ربما ثلاثة [105]) نطاقات تكرار (HR) بالإضافة إلى المفترضة ببتيد الانصهار (172 ، 198 ، 236 ، 299). إن المجال الغني بالسيستين الذي يربط الوصلة المفترضة للمرساة والذيل السيتوبلازمي ضروري للاندماج ، مثل مجال الغشاء (39).

رسم تخطيطي لبروتينات ارتفاع الفيروس التاجي. تظهر البروتينات الشوكية التي تمثل جميع فيروسات الفيروسات التاجية من المجموعة الأولى إلى الثالثة وللفيروس SARS-CoV. يتم تصنيع بروتين ارتفاع الفيروس التاجي كسلعة ، جليكوزيلاتي cotranslationally ، وفي بعض الحالات ، مشقوق في الوسط التقريبي إلى وحدات فرعية S1 و S2 في موقع يحتوي على أحماض أمينية ثنائية القاعدة (BBXBB). يشكل S1 المجال الخارجي الذي يحتوي على مجال ربط المستقبلات (RBD) في نهايته 5 & # x02032 ، متبوعًا ، في حالة MHV ، مجال متغير مفرط (HVR). تسلسل إشارة قصير مشقوق من نهاية 5 & # x02032 للبروتين الناضج. S2 هي الوحدة الفرعية عبر الغشاء التي تحتوي على مكررين سباعي (HR1 و HR2) ومجال الغشاء (TM).

تفاعل المستقبل والاندماج والدخول.

ترتبط فيروسات كورونا بمستقبلات خلوية محددة عبر بروتين سبايك (الجدول & # x200 ب (الجدول 1). 1). كان أول مستقبل تم تحديده لفيروس كورونا هو CEACAM 1 ، الذي استخدمه MHV (141). يؤدي الارتباط الفيروسي إلى حدوث تغيير في تكوين البروتين الشائك الذي يعزز اندماج الأغشية الفيروسية والخلوية (212 ، 369). على الرغم من عدم وجود تراكيب بلورية متاحة لأي ارتفاع لفيروس كورونا ، يُعتقد أنه قد يخضع لتغييرات مماثلة لتلك الخاصة ببروتينات الاندماج الأخرى من النوع الأول ، مثل فيروس الأنفلونزا hemagglutinin وفيروس نقص المناعة البشرية gp120 ، من أجل التوسط في اندماج الفيروسي والخلوي. أغشية.

يلعب بروتين ارتفاع الفيروس التاجي أدوارًا حيوية في دخول الفيروس وانتشاره من خلية إلى أخرى وتحديد انتواء الأنسجة. لا يعتمد دخول فيروس كورونا بشكل عام على الرقم الهيدروجيني ، وبالتالي يُعتقد أنه يحدث مباشرةً عند غشاء البلازما وليس عبر طريق داخل الجسم (الشكل & # x200 ب (الشكل 3) .3). ومع ذلك ، هناك بيانات تشير إلى أن بعض الفيروسات قد تستخدم طريقًا داخليًا (156 ، 219). يتم منع دخول فيروس SARS-CoV بواسطة عوامل lysosomotropic ، مما يشير إلى طريق دخول داخل الجسم (285 ، 349). علاوة على ذلك ، يمكن التغلب على هذا التثبيط عن طريق العلاج بالبروتياز للفيروس المرتبط بالخلية. هذا ، جنبًا إلى جنب مع الملاحظة التي مفادها أن العدوى يتم حظرها بواسطة مثبطات إنزيم البروتيز كاثيبسين L الذي حساس لدرجة الحموضة ، يشير إلى أن هناك حاجة لانقسام ارتفاع فيروس السارس أثناء الدخول من خلال الجسيمات الداخلية (213 ، 284). علاوة على ذلك ، فإن الدخول إلى غشاء البلازما بعد العلاج بالبروتياز يكون أكثر كفاءة من الدخول عن طريق المسار الداخلي (213). اقترح هؤلاء المؤلفون أن ارتفاع السارس - CoV قد ينكسر بواسطة البروتياز الذي تنتجه الخلايا الالتهابية الموجودة في رئتي مرضى السارس وبالتالي تدخل الخلايا عن طريق طريق غشاء البلازما الأكثر كفاءة (213). قد تدخل سلالة MHV-2 عالية الكبدي إلى الخلية عن طريق طريق داخل الجسم مشابه لذلك الذي يستخدمه SARS-CoV. MHV-2 ، مثل SARS-CoV ، يشفر بروتين سبايك غير مكتمل وهو حساس لعوامل lysosomotropic ومع ذلك ، فإن علاج التربسين لارتفاع MHV-2 المرتبط بالخلايا يتغلب على تثبيط عوامل تحلل الجسم (Z. Qiu و S.R Weiss ، بيانات غير منشورة). يشير هذا إلى أن الدخول إلى سطح الخلية قد يتطلب انقسامًا في الغشاء الفيروسي ، في حين أن الدخول الداخلي قد يوفر الانقسام أثناء الدخول. أخيرًا ، قد تدخل أيضًا فيروسات كورونا ذات المسامير المشقوقة الخلية عن طريق المسار الداخلي. على سبيل المثال ، بينما يدخل MHV-JHM من النوع البري الخلايا في الثقافة عن طريق مسار مستقل عن الرقم الهيدروجيني ، يتم تثبيط متحولة OBLV60 من JHM بواسطة عوامل lysosomotropic ويُعتقد أنها تدخل من خلال مسار الليزوزومي (221). ومن المثير للاهتمام ، أن OBLV60 ضعيف للغاية ويعرض انتشارًا مقيدًا أثناء إصابة الجهاز العصبي المركزي للفئران (239 ، 316).

بشكل عام ، النطاق المضيف لفيروسات كورونا ضيق للغاية. تعتمد قدرة الفيروس التاجي على التكاثر في نوع خلية معين فقط على القدرة على التفاعل مع مستقبلاته (139). على سبيل المثال ، يتكاثر فيروس كورونا الفئران في خلايا الفئران وليس في الخلايا البشرية والهامستر ، ومع ذلك ، بمجرد نقل الخلايا غير النافثة بمستقبلات MHV المشفرة لـ cDNA ، تصبح عرضة للإصابة بعدوى MHV (85). تم تحديد العديد من مستقبلات الفيروس التاجي. المجموعة الأولى من الفيروسات التاجية البشرية HCoV-229E ، القطط FIPV ، والخنازير TGEV كلها تستخدم aminopeptidase N (APN) ، البروتياز المرتبط بالزنك ، من الأنواع المضيفة الخاصة بهم كمستقبلات (352) (الجدول & # x200B (الجدول 1). ). هناك بعض القدرة على التعرف على مستقبل APN المقابل لأنواع أخرى على سبيل المثال ، يمكن لـ HCoV-229E استخدام APN البشري أو APN السنوري كمستقبل ولكن لا يمكنه استخدام APN الخنازير (334 ، 335). المستقبل الذي تستخدمه مجموعة الفيروسات التاجية الفئران هو جزيء التصاق خلية المستضد السرطاني المضغي (CEACAM) (CD66a) (43 ، 44 ، 84 ، 226). CEACAMs هي بروتينات سكرية تمتلك مجالين أو أربعة مجالات خارج الخلية تشبه الغلوبولين المناعي متبوعة بمجال عبر الغشاء وذيل حشوي (226).تشارك في الالتصاق بين الخلايا وتطور أورام الخلايا الكبدية والقولون والمستقيم والأورام الظهارية (13) ويتم التعبير عنها بشكل أساسي على الخلايا الظهارية والبطانية في الجهاز التنفسي والأمعاء ، وكذلك على الأنسجة الأخرى (111 ، 265). تُظهر ملاحظة أن الفئران المعدلة وراثيًا ذات الضربة القاضية لجين CEACAM1 مقاومة للعدوى ، تُظهر أن هذا هو على الأرجح المستقبل الوحيد لـ MHV (131). ومن المثير للاهتمام ، أن CEACAM1 يتم التعبير عنه بمستوى منخفض في الدماغ ، وهو موقع رئيسي للإصابة ببعض سلالات MHV ، مما يشير إلى أن المستويات المنخفضة من المستقبلات قد تكون كافية للتوسط في دخول MHV. تم إثبات التعبير عن المستقبل في نوع واحد فقط من خلايا الجهاز العصبي المركزي ، الخلايا الدبقية الصغيرة ، يتم تنظيم المستقبل على الخلايا الدبقية الصغيرة أثناء الإصابة (257). يمكن تعزيز انتشار MHV لسلالة JHM شديدة الفوعة عن طريق الانتشار المستقل عن المستقبلات (103 ، 104) و / أو عن طريق التعبير عن بروتينات هيماجلوتينين استريز (انظر أدناه).

ترتبط فيروسات كورونا الأخرى من المجموعة الثانية ، مثل BCoV و OC43 وفيروس التهاب الدماغ والنخاع الدموي الخنازير ، بمستقبلات تحتوي على حمض السياليك 9-O-acetylated (159 ، 253). ومع ذلك ، ليس من الواضح ما هي جزيئات المستقبل المحددة ، ولا يُعرف سوى القليل عن عملية الدخول.

بعد فترة وجيزة من التعرف على فيروس SARS-CoV ، تم تحديد مستقبل هذا الفيروس على أنه الإنزيم المحول للأنجيوتنسين 2 (ACE2). إن الإنزيم المحول للأنجيوتنسين 2 ، مثل APN ، مجموعة مستقبلات الفيروس التاجي من المجموعة الأولى ، عبارة عن بروتياز الزنك المعدني (187). CD209L البشري ، وهو نوع من الفصيلة C (يُطلق عليه أيضًا L-SIGN و DC-SIGNR و DC-SIGN2) ، عندما يتم التعبير عنه بواسطة خلايا مبيض الهامستر الصيني المنقولة ، يجعل الخلايا أكثر عرضة للإصابة بفيروس السارس ومع ذلك ، فهو أقل بكثير كفاءة من ACE2 في التوسط في الدخول (145). بروتين SARS-CoV S قادر على التفاعل مع Lectin DC-SIGN بينما يعزز ربط DC-SIGN عدوى الخلايا الحاملة لـ ACE2 ، ولا يمكنه التوسط وحده في الدخول في حالة عدم وجود ACE2. وبالتالي ، فإن تفاعل SARS-CoV مع هذا المحاضرة على الخلايا التغصنية (DCs) ، والتي لا تسمح بالعدوى ، قد يزيد من انتقال السارس إلى الخلايا المستهدفة (135). والمثير للدهشة أنه ظهر مؤخرًا أن المجموعة الأولى من الفيروس التاجي البشري NL63 التي تم تحديدها حديثًا تستخدم أيضًا ACE2 كمستقبل لها (136).

تتوسط طفرات بعض فيروسات كورونا اندماج الخلايا المصابة من خلية إلى أخرى وكذلك اندماج الفيروس / الخلية أثناء الدخول ، على الأرجح بواسطة آلية مماثلة (369) (212). ومع ذلك ، فإن الدخول الفيروسي والاندماج من خلية إلى خلية يظهران بعض الاختلافات في المتطلبات. على سبيل المثال ، يمكن لبعض مسامير MHV-JHM التوسط في اندماج خلية إلى خلية في غياب CEACAM ، بينما يتطلب الإدخال مستقبل CEACAM. علاوة على ذلك ، فإن البروتينات الشائكة التي لها طفرات تقضي على الانقسام في الوحدات الفرعية S1 و S2 تنفذ الاندماج من خلية إلى خلية بشكل غير فعال للغاية ، ومع ذلك ، فهي تتوسط في الدخول إلى الخلايا الحساسة بكفاءة مماثلة لفيروس من النوع البري (75 ، 114 ، 181). وبالمثل ، فإن سلالة MHV-2 تشفر بروتين سبايك غير مكتمل ولا يقوم بعملية اندماج خلية إلى أخرى ، حيث يصيب هذا الفيروس الخلايا بكفاءة في المختبر ويسبب التهاب الكبد الوخيم في الجسم الحي (70 ، 132 ، 150). لا يتم شق ارتفاع MHV-A59 ، والذي عادة ما يتم قطعه أثناء التكرار في زراعة الخلايا ، عند استعادته من أدمغة أو أكباد الفئران المصابة ، مما يشير إلى أن الانقسام ليس شرطًا أساسيًا للإصابة بالسلالات التي تعبر عن ارتفاع مشقوق (133) وذلك قد يتطلب دخول MHV إلى بعض أنواع الخلايا في الجسم الحي طريقًا داخليًا للعدوى.

يُعتقد أن مجالات تكرار heptad والببتيد الانصهار المفترض يلعبان أدوارًا مهمة في عملية الاندماج (103). تم استكشاف هذا أكثر من أجل ارتفاع MHV. استبدال الأحماض الأمينية المشحونة بالأحماض الكارهة للماء في HR1 (وداخل ببتيد الانصهار المرشح) يلغي القدرة على إحداث اندماج خلية إلى خلية (198). تمنع الطفرات في مجال سحاب الليوسين داخل HR2 قدرة السنبلة على التقلص القليل وتثبيط الاندماج من خلية إلى أخرى (197). تعتبر بدائل الأحماض الأمينية في L1114 ضمن مجال HR1 من ارتفاع JHM (L1114R أو L1114F) مثيرة للاهتمام بشكل خاص حيث تم الإبلاغ عنها في دراسات متعددة ، بالاقتران مع العديد من الأنماط الظاهرية الطافرة. يعد استبدال L1114R أحد الطفرات الثلاثة التي يُعتقد أنها تساهم في انخفاض الاعتماد على الرقم الهيدروجيني للدخول الفيروسي لمتغير OBLV60 من JHM بالإضافة إلى توهينه العصبي وتقييده بالبصيلات الشمية أثناء إصابة الفئران (105). علاوة على ذلك ، كان L1114R وحده كافيًا للتسبب في تقييد MHV المؤتلف إلى البصيلات الشمية أثناء إصابة الفئران (316). تم تحديد البدائل في L1114 في ارتفاع طافر موهن مقاوم للأجسام المضادة أحادية النسيلة (327) ومتحول مقاوم لمستقبلات قابلة للذوبان (269 ، 270). ومن المثير للاهتمام ، أنه تم تحديد بدائل L1114R و L1114F على أنها طفرات ثانوية في العديد من الفيروسات المؤتلفة التي تعبر عن بروتينات ارتفاع خيالية A59 / JHM (248 ، 316). أظهر المتحور المقاوم للذوبان في JHM ، srr7 (الذي يعبر عن ارتفاع يحتوي على L1114F) ثباتًا متزايدًا في تفاعل S1 / S2 ، وفقدان القدرة على إحداث اندماج مستقل لـ CEACAM (301) ، وتغيير التفاعلات مع المستقبل CEACAM1 b (أليل CEACAM 1 a معبرًا عنه بواسطة الفئران المقاومة SJ / L) بالإضافة إلى مقاومة التحييد بواسطة مستقبل CEACAM1 القابل للذوبان (211 ، 212). وبالمثل ، تؤدي طفرة L1114R إلى فقدان الاندماج المستقل عن المستقبلات جنبًا إلى جنب مع التوهين العصبي. دعماً لفكرة أن RBD يتفاعل مع S2 ، يمكن لطفرة في RBD أن تثبط وظيفيًا تأثيرات طفرة L1114R في HR1 من srr7 والتي أثرت على القدرة على استخدام CEACAM1 b (211). وبالتالي ، قد تؤدي التغييرات الصغيرة في مجالات الموارد البشرية (على سبيل المثال ، استبدال الأحماض الأمينية المفردة في L1114) إلى تغييرات كبيرة في تفاعل الارتفاع / المستقبل وبالتالي في دخول الفيروس وأخيراً التسبب في المرض في الجسم الحي.

تقدم الدراسات الحديثة لمجالات الموارد البشرية أدلة إضافية تؤكد أن ارتفاع الفيروس التاجي هو بالفعل بروتين اندماج من الدرجة الأولى (23). الببتيدات التي تمثل HR1 و HR2 من MHV ، عند مزجها معًا ، تتجمع في مجمع قليل القسيمات شديد الاستقرار مع كل من الببتيدات في مطابقة ألفا حلزونية ومضادة للتوازي مع بعضها البعض. في البروتين الأصلي ، من المتوقع أن يؤدي هذا التشكل إلى تقريب المجال الطرفي N من HR1 والمرساة عبر الغشاء لتسهيل عملية الاندماج. علاوة على ذلك ، تبين أن الببتيد HR2 مثبط قوي لدخول الفيروس ، وكذلك للاندماج من خلية إلى أخرى. تم الحصول على نتائج مماثلة لمجالات SARS HR. عند مزجها ، تتجمع ببتيدات SARS-CoV HR1 و HR2 في حزمة مماثلة من ستة حلزون ، ومع ذلك ، كان هذا المركب أقل استقرارًا من مجمع MHV المقابل. قد يفسر عدم الاستقرار سبب كون ببتيدات HR2 أقل تثبيطًا لـ SARS مقارنة بـ MHV (22).

دور في التسبب.

أظهر استخدام فيروسات كورونا المؤتلفة ، بما في ذلك MHV (223 ، 246) ، TGEV (274) ، و IBV (35 ، 134) ، بشكل قاطع أن الارتفاع هو محدد رئيسي للإنتشار والإمراض. في حالة TGEV ، فإن استبدال الجين الشائك لسلالة تنفسية موهنة لـ TGEV بجين سبايك من سلالة معوية خبيثة يجعل الفيروس معويًا (274). يلخص الشكل 5 & # x200B رسم خرائط المدارية والفوعة باستخدام A59 / JHM الوهمي المؤتلف MHVs. تعتبر سلالة JHM شديدة التحفيز العصبي ، مما يؤدي إلى التهاب الدماغ الحاد والمميت عادةً والتهاب الكبد القليل إن وجد ، في حين أن السلالة A59 تسبب التهاب الكبد المعتدل وهي ضعيفة التأثير على الجهاز العصبي. إن استبدال جين السنبلة في جينوم السلالة A59 بجين السنبلة من أكثر عزلة عصبية من سلالة JHM يجعل الفيروس الناتج شديد الضراوة العصبية (223 ، 246). يرتبط الفوعة العصبية العالية التي يمنحها ارتفاع JHM بالانتشار السريع عبر الجهاز العصبي المركزي ، والذي قد يحدث جزئيًا بشكل مستقل عن مستقبل CEACAM والأعداد الكبيرة من الخلايا العصبية المصابة (247). ومع ذلك ، فإن الفيروس الخيمري الناتج (ارتفاع JHM في الخلفية A59) ليس ضارًا مثل JHM الأبوي ، على الأقل جزئيًا لأنه يحفز استجابة CD8 & # x0002b T أقوى بكثير. فشل JHM في إحداث استجابة CD8 & # x0002b قوية بما يكفي للتخليص الوسيط (201 ، 260 Iacono et al. ، بيانات غير منشورة). الآليات التي تكمن وراء الاختلافات في الاستجابة المناعية في الدماغ لسلالات A59 و JHM ذات الصلة الوثيقة مثيرة للاهتمام وغير مفهومة على الإطلاق.


شاهد الفيديو: عملي أحياء دقيقة 1 - جميع أوساط الزرع (أغسطس 2022).