معلومة

22.1: التنوع بدائية النواة - علم الأحياء

22.1: التنوع بدائية النواة - 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.

مهارات التطوير

  • وصف التاريخ التطوري لبدائيات النوى
  • ناقش السمات المميزة لعشاق المتطرفين
  • اشرح سبب صعوبة استزراع بدائيات النوى

بدائيات النوى موجودة في كل مكان. في جسم الإنسان النموذجي ، يفوق عدد الخلايا بدائية النواة عدد خلايا جسم الإنسان بحوالي عشرة إلى واحد. هم يشكلون غالبية الكائنات الحية في جميع النظم البيئية. تزدهر بعض بدائيات النوى في البيئات غير المضيافة لمعظم الكائنات الحية. تقوم بدائيات النوى بإعادة تدوير العناصر الغذائية - المواد الأساسية (مثل الكربون والنيتروجين) - وهي تقود تطور النظم البيئية الجديدة ، بعضها طبيعي والبعض الآخر من صنع الإنسان. كانت بدائيات النوى موجودة على الأرض منذ فترة طويلة قبل ظهور الحياة متعددة الخلايا.

بدائيات النوى ، أول سكان الأرض

متى وأين بدأت الحياة؟ ما هي الظروف على الأرض عندما بدأت الحياة؟ بدائيات النوى كانت أول أشكال الحياة على الأرض ، ووجدت لمليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. يُعتقد أن عمر الأرض والقمر حوالي 4.54 مليار سنة. يعتمد هذا التقدير على أدلة من التأريخ الإشعاعي لمادة النيزك مع مواد الركيزة الأخرى من الأرض والقمر. كان للأرض المبكرة جو مختلف تمامًا (يحتوي على كمية أقل من الأكسجين الجزيئي) مما هو عليه اليوم وتعرضت لإشعاع قوي ؛ وهكذا ، ازدهرت الكائنات الحية الأولى حيث كانت أكثر حماية ، كما هو الحال في أعماق المحيطات أو تحت سطح الأرض. في هذا الوقت أيضًا ، كان النشاط البركاني القوي شائعًا على الأرض ، لذلك فمن المحتمل أن هذه الكائنات الحية الأولى - بدائيات النوى الأولى - قد تكيفت مع درجات حرارة عالية جدًا. كانت الأرض المبكرة عرضة للاضطرابات الجيولوجية والثوران البركاني ، وكانت عرضة للقصف بواسطة الإشعاع المطفر من الشمس. كانت الكائنات الحية الأولى بدائيات النوى التي يمكن أن تصمد أمام هذه الظروف القاسية.

الحصير الميكروبية

قد تمثل الحصائر الميكروبية أو الأغشية الحيوية الكبيرة الأشكال الأولى للحياة على الأرض ؛ هناك أدلة أحفورية على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى (الشكل ( PageIndex {1} )) تحتوي في الغالب على البكتيريا ، ولكن أيضًا البدائيات. يبلغ سمك الحصائر الميكروبية بضعة سنتيمترات ، وتنمو عادةً حيث تتداخل أنواع مختلفة من المواد ، ومعظمها على الأسطح الرطبة. تقوم الأنواع المختلفة من بدائيات النوى التي تتكون منها بمسارات أيضية مختلفة ، وهذا هو سبب ألوانها المختلفة. يتم تثبيت بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية معًا بواسطة مادة لزجة تشبه الغراء تفرزها تسمى المصفوفة خارج الخلية.

من المحتمل أن تكون الحصائر الميكروبية الأولى قد حصلت على طاقتها من المواد الكيميائية الموجودة بالقرب من الفتحات الحرارية المائية. التنفيس الحراري المائي هو كسر أو شق في سطح الأرض ينتج عنه ماء مسخن حراريًا. مع تطور عملية التمثيل الضوئي منذ حوالي 3 مليارات سنة ، أصبحت بعض بدائيات النوى في الحصائر الميكروبية تستخدم مصدر طاقة متاحًا على نطاق أوسع - ضوء الشمس - بينما كان البعض الآخر لا يزال يعتمد على المواد الكيميائية من الفتحات الحرارية المائية للحصول على الطاقة والغذاء.

ستروماتوليتس

تمثل الحصائر الميكروبية المتحجرة أقدم سجل للحياة على الأرض. الستروماتوليت هو بنية رسوبية تتشكل عندما تترسب المعادن من الماء بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية (الشكل ( فهرس الصفحة {2} )). تشكل الستروماتوليت صخورًا ذات طبقات مصنوعة من الكربونات أو السيليكات. على الرغم من أن معظم الستروماتوليت هي قطع أثرية من الماضي ، إلا أن هناك أماكن على الأرض لا تزال تتشكل فيها الستروماتوليت. على سبيل المثال ، تم العثور على الستروماتوليت المتزايد في متنزه Anza-Borrego Desert State في مقاطعة سان دييغو ، كاليفورنيا.

الجو القديم

تشير الأدلة إلى أنه خلال أول ملياري سنة من وجود الأرض ، كان الغلاف الجوي ناقص الأكسجين ، مما يعني أنه لم يكن هناك أكسجين جزيئي. لذلك ، فقط تلك الكائنات الحية التي يمكن أن تنمو بدون أكسجين - الكائنات اللاهوائية - كانت قادرة على العيش. الكائنات ذاتية التغذية التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية تسمى phototrophs ، وقد ظهرت في غضون مليار سنة من تكوين الأرض. بعد ذلك ، تطورت البكتيريا الزرقاء ، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة ، من هذه الصور الضوئية البسيطة بعد مليار سنة. بدأت البكتيريا الزرقاء (الشكل ( PageIndex {3} )) أكسجة الغلاف الجوي. سمحت زيادة الأكسجين في الغلاف الجوي بتطوير O أكثر كفاءة2- الاستفادة من مسارات تقويضية. كما أنها فتحت الأرض أمام زيادة الاستعمار ، لأن البعض س2 إلى O3 (الأوزون) والأوزون يمتصان بشكل فعال الضوء فوق البنفسجي الذي قد يتسبب في حدوث طفرات قاتلة في الحمض النووي. في النهاية ، الزيادة في O2 سمحت التركيزات بتطور أشكال الحياة الأخرى.

الميكروبات قابلة للتكيف: الحياة في بيئات معتدلة وشديدة

طورت بعض الكائنات الحية استراتيجيات تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية. تزدهر بدائيات النوى في مجموعة واسعة من البيئات: بعضها ينمو في ظروف تبدو طبيعية جدًا بالنسبة لنا ، في حين أن البعض الآخر قادر على الازدهار والنمو في ظل ظروف قد تقتل نباتًا أو حيوانًا. تحتوي جميع بدائيات النوى تقريبًا على جدار خلوي ، وهي بنية واقية تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة في كل من الظروف شديدة التناضح ونقص التناضح. بعض بكتيريا التربة قادرة على تكوين أبواغ مقاومة للحرارة والجفاف ، مما يسمح للكائن الحي بالبقاء على قيد الحياة حتى عودة الظروف المواتية. هذه التكيفات ، إلى جانب غيرها ، تسمح للبكتيريا بأن تكون أكثر أشكال الحياة وفرة في جميع النظم البيئية الأرضية والمائية.

تتكيف البكتيريا والعتائق الأخرى للنمو في ظل ظروف قاسية وتسمى الكائنات الحية المتطرفة ، أي "عشاق المتطرفين". تم العثور على الكائنات المتطرفة في جميع أنواع البيئات: عمق المحيطات والينابيع الساخنة والقطب الشمالي والقطب الجنوبي ، في أماكن شديدة الجفاف ، في أعماق الأرض ، في بيئات كيميائية قاسية ، وفي بيئات عالية الإشعاع ([رابط]) ، على سبيل المثال لا الحصر. تمنحنا هذه الكائنات فهماً أفضل لتنوع بدائيات النواة وتفتح لنا إمكانية العثور على أنواع بدائية النواة جديدة قد تؤدي إلى اكتشاف عقاقير علاجية جديدة أو لها تطبيقات صناعية. نظرًا لأن لديهم تكيفات متخصصة تسمح لهم بالعيش في ظروف قاسية ، فإن العديد من الأشخاص المتطرفين لا يستطيعون البقاء في بيئات معتدلة. هناك العديد من المجموعات المختلفة من الكائنات الحية المتطرفة: يتم تحديدها بناءً على الظروف التي تنمو فيها بشكل أفضل ، وهناك العديد من الموائل المتطرفة بطرق متعددة. على سبيل المثال ، تعتبر بحيرة الصودا مالحة وقلوية على حد سواء ، لذا يجب أن تكون الكائنات الحية التي تعيش في بحيرة الصودا عبارة عن مركبات قلوية ومهواة للملوحة (الشكل ( PageIndex {4} )). لا تفضل الكائنات المتطرفة الأخرى ، مثل الكائنات المقاومة للإشعاع ، بيئة قاسية (في هذه الحالة ، بيئة ذات مستويات عالية من الإشعاع) ، ولكنها تكيفت للبقاء على قيد الحياة فيها (الجدول ( فهرس الصفحة {1} )).

الجدول ( PageIndex {1} ): المتطرفون وظروفهم المفضلة
نوع المتطرفشروط النمو الأمثل
حامضالرقم الهيدروجيني 3 أو أقل
القلوياتالرقم الهيدروجيني 9 أو أعلى
عشاق الحرارةدرجة الحرارة 60-80 درجة مئوية (140-176 درجة فهرنهايت)
فرط الحرارةدرجة الحرارة 80-122 درجة مئوية (176-250 درجة فهرنهايت)
يسيكروفيلزدرجة حرارة -15-10 درجة مئوية (5-50 درجة فهرنهايت) أو أقل
الهالوفيلتركيز ملح لا يقل عن 0.2 م
أوسموفيلزتركيز عالي من السكر

بدائيات النوى في البحر الميت

أحد الأمثلة على البيئة القاسية للغاية هو البحر الميت ، وهو حوض شديد الملوحة يقع بين الأردن وإسرائيل. البيئات شديدة الملوحة هي مياه البحر المركزة بشكل أساسي. في البحر الميت ، يكون تركيز الصوديوم أعلى بعشر مرات من تركيز مياه البحر ، ويحتوي الماء على مستويات عالية من المغنيسيوم (أعلى بحوالي 40 مرة من مياه البحر) التي قد تكون سامة لمعظم الكائنات الحية. الحديد والكالسيوم والمغنيسيوم ، وهي عناصر تشكل أيونات ثنائية التكافؤ (Fe2+، كاليفورنيا2+و Mg2+) ، تنتج ما يشار إليه عادة بالمياه "العسرة". مجتمعة ، فإن التركيز العالي للكاتيونات ثنائية التكافؤ ودرجة الحموضة الحمضية (6.0) وتدفق الإشعاع الشمسي الشديد تجعل البحر الميت نظامًا بيئيًا فريدًا ومعاديًا بشكل فريد1 (الشكل ( PageIndex {5} )).

ما نوع بدائيات النوى التي نجدها في البحر الميت؟ تشمل الحصائر البكتيرية شديدة التحمل للملوحة هالوباكتيريوم, هالوفيراكس فولكاني (التي توجد في أماكن أخرى ، ليس فقط البحر الميت) ، Halorubrum اللواط، و Halobaculum gomorrenseوالعتائق Haloarcula marismortui، من بين أمور أخرى.

بدائيات النوى غير المستزرعة والدولة القابلة للحياة ولكن غير القابلة للزراعة

يقوم علماء الأحياء المجهرية عادةً بزراعة بدائيات النوى في المختبر باستخدام وسط زراعة مناسب يحتوي على جميع العناصر الغذائية التي يحتاجها الكائن المستهدف. يمكن أن يكون الوسط سائلًا أو مرقًا أو صلبًا. بعد فترة الحضانة عند درجة الحرارة المناسبة ، يجب أن يكون هناك دليل على نمو الميكروبات (الشكل ( PageIndex {6} )). تعتبر عملية زراعة البكتيريا معقدة وهي من أعظم اكتشافات العلم الحديث. يعود الفضل إلى الطبيب الألماني روبرت كوخ في اكتشاف تقنيات الثقافة النقية ، بما في ذلك التلوين واستخدام وسائط النمو. اخترع مساعده يوليوس بيتري طبق بتري الذي يستمر استخدامه في مختبرات اليوم. عمل Koch بشكل أساسي مع السل الفطري البكتيريا المسببة لمرض السل والمسلمات المطورة لتحديد الكائنات الحية المسببة للأمراض التي لا تزال مستخدمة على نطاق واسع في المجتمع الطبي. تتضمن افتراضات كوخ أنه يمكن تحديد كائن حي على أنه سبب المرض عندما يكون موجودًا في جميع العينات المصابة وغائبًا في جميع العينات الصحية ، ويكون قادرًا على إعادة إنتاج العدوى بعد زراعته عدة مرات. اليوم ، تظل الثقافات أداة تشخيصية أولية في الطب ومجالات أخرى من البيولوجيا الجزيئية.

ومع ذلك ، لا يمكن لبعض بدائيات النوى أن تنمو في بيئة معملية. في الواقع ، أكثر من 99 في المائة من البكتيريا والعتائق غير قابلة للزراعة. في الغالب ، يرجع هذا إلى نقص المعرفة بشأن ما يجب إطعامه لهذه الكائنات وكيفية نموها ؛ لديهم متطلبات خاصة للنمو لا تزال غير معروفة للعلماء ، مثل الحاجة إلى مغذيات دقيقة محددة ، أو درجة الحموضة ، أو درجة الحرارة ، أو الضغط ، أو العوامل المشتركة ، أو المستقلبات المشتركة. لا يمكن استزراع بعض البكتيريا لأنها تلزم طفيليات داخل الخلايا ولا يمكن زراعتها خارج الخلية المضيفة.

في حالات أخرى ، تصبح الكائنات القابلة للزراعة غير قابلة للزراعة في ظل ظروف مرهقة ، على الرغم من أنه يمكن استزراع نفس الكائن الحي سابقًا. تلك الكائنات الحية التي لا يمكن تربيتها ولكنها ليست ميتة هي في حالة قابلة للحياة ولكنها غير قابلة للزراعة (VBNC). تحدث حالة VBNC عندما تستجيب بدائيات النوى للضغوط البيئية عن طريق الدخول في حالة نائمة تسمح لها بالبقاء. معايير الدخول في حالة VBNC ليست مفهومة تمامًا. في عملية تسمى الإنعاش ، يمكن أن تعود بدائيات النوى إلى الحياة "الطبيعية" عندما تتحسن الظروف البيئية.

هل حالة VBNC طريقة غير معتادة لعيش بدائيات النوى؟ في الواقع ، فإن معظم بدائيات النوى التي تعيش في التربة أو في مياه المحيطات غير قابلة للزراعة. لقد قيل أنه يمكن استزراع جزء صغير فقط ، ربما واحد في المائة ، من بدائيات النوى في ظروف معملية. إذا كانت هذه الكائنات غير قابلة للزراعة ، فكيف يعرف ما إذا كانت موجودة وحيوية؟ يستخدم علماء الأحياء الدقيقة تقنيات جزيئية ، مثل تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) ، لتضخيم أجزاء مختارة من الحمض النووي بدائيات النوى ، مما يدل على وجودها. تذكر أن تفاعل البوليميراز المتسلسل يمكن أن يصنع بلايين النسخ من جزء من الحمض النووي في عملية تسمى التضخيم.

علم البيئة من الأغشية الحيوية

حتى عقدين من الزمن ، اعتاد علماء الأحياء الدقيقة على التفكير في بدائيات النوى ككيانات معزولة تعيش منفصلة. ومع ذلك ، لا يعكس هذا النموذج البيئة الحقيقية لبدائيات النوى ، التي يفضل معظمها العيش في مجتمعات يمكن أن يتفاعلوا فيها. البيوفيلم هو مجتمع ميكروبي (الشكل ( فهرس الصفحة {7} )) متماسك في مصفوفة صمغية تتكون أساسًا من السكريات المتعددة التي تفرزها الكائنات الحية ، جنبًا إلى جنب مع بعض البروتينات والأحماض النووية. تنمو الأغشية الحيوية ملتصقة بالأسطح. بعض من أفضل الأغشية الحيوية التي تمت دراستها تتكون من بدائيات النوى ، على الرغم من وصف الأغشية الحيوية الفطرية وكذلك بعضها يتكون من خليط من الفطريات والبكتيريا.

توجد الأغشية الحيوية في كل مكان تقريبًا: يمكن أن تتسبب في انسداد الأنابيب واستعمار الأسطح بسهولة في البيئات الصناعية. في الآونة الأخيرة ، تفشي التلوث البكتيري للغذاء على نطاق واسع ، لعبت الأغشية الحيوية دورًا رئيسيًا. كما أنها تستعمر الأسطح المنزلية ، مثل طاولات المطبخ وألواح التقطيع والأحواض والمراحيض ، وكذلك الأماكن الموجودة على جسم الإنسان ، مثل أسطح أسناننا.

التفاعلات بين الكائنات الحية التي تسكن الأغشية الحيوية ، جنبًا إلى جنب مع بيئتها الواقية من السكريات الخارجية (EPS) ، تجعل هذه المجتمعات أكثر قوة من بدائيات النوى التي تعيش بحرية أو عوالق. كما أن المادة اللاصقة التي تجمع البكتيريا معًا تستبعد أيضًا معظم المضادات الحيوية والمطهرات ، مما يجعل بكتيريا الأغشية الحيوية أكثر صلابة من نظيراتها من العوالق. بشكل عام ، يصعب تدمير الأغشية الحيوية لأنها مقاومة للعديد من أشكال التعقيم الشائعة.

اتصال فني

بالمقارنة مع البكتيريا الحرة العائمة ، غالبًا ما تُظهر البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية مقاومة متزايدة للمضادات الحيوية والمنظفات. لماذا تعتقد أن هذا قد يكون هو الحال؟

ملخص

كانت بدائيات النوى موجودة منذ مليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. قد تكون الينابيع الساخنة والفتحات الحرارية المائية هي البيئات التي بدأت فيها الحياة. يُعتقد أن الحصائر الميكروبية تمثل الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، وهناك أدلة أحفورية على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى تنمو في واجهات بين أنواع مختلفة من المواد ، ومعظمها على الأسطح الرطبة. خلال أول ملياري سنة ، كان الغلاف الجوي ناقص الأكسجين ولم تتمكن سوى الكائنات اللاهوائية من العيش. تطورت البكتيريا الزرقاء من التغذية الضوئية المبكرة وبدأت في أكسجة الغلاف الجوي. سمحت الزيادة في تركيز الأكسجين بتطور أشكال الحياة الأخرى. تسمى الحصائر الميكروبية المتحجرة بالستروماتوليت وتتكون من هياكل رسوبية عضوية مغلفة تتكون من ترسيب المعادن بواسطة بدائيات النوى. إنها تمثل أقدم سجل أحفوري للحياة على الأرض.

تنمو البكتيريا والأركيا في كل بيئة تقريبًا. أولئك الذين ينجون في ظل ظروف قاسية يسمى المتطرفين (عشاق متطرفين). لا يمكن لبعض بدائيات النوى أن تنمو في بيئة معملية ، لكنها ليست ميتة. هم في حالة قابلة للحياة ولكن غير قابلة للزراعة (VBNC). تحدث حالة VBNC عندما تدخل بدائيات النوى حالة نائمة استجابةً للضغوط البيئية. معظم بدائيات النوى اجتماعية وتفضل العيش في مجتمعات تحدث فيها التفاعلات. البيوفيلم عبارة عن مجتمع ميكروبي ملتصق معًا في مصفوفة ذات نسيج غائر.

اتصالات فنية

[رابط] مقارنةً بالبكتيريا الطافية ، غالبًا ما تُظهر البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية مقاومة متزايدة للمضادات الحيوية والمنظفات. لماذا تعتقد أن هذا قد يكون هو الحال؟

[رابط] تحمي المصفوفة خارج الخلية والطبقة الخارجية من الخلايا البكتيريا الداخلية. كما أن القرب الشديد من الخلايا يسهل أيضًا نقل الجينات الجانبي ، وهي عملية يتم من خلالها نقل الجينات مثل الجينات المقاومة للمضادات الحيوية من بكتيريا إلى أخرى. وحتى إذا لم يحدث النقل الجيني الجانبي ، فإن إحدى البكتيريا التي تنتج إنزيمًا خارجيًا يدمر المضاد الحيوي قد تنقذ البكتيريا المجاورة.

الحواشي

  1. 1 Bodaker و I و Itai و S و Suzuki و MT و Feingersch و R و Rosenberg و M و Maguire و ME و Shimshon و B وغيرهم. الجينوميات المجتمعية المقارنة في البحر الميت: بيئة شديدة التطرف. مجلة ISME 4 (2010): 399–407, دوى: 10.1038 / ismej.2009.141. تم النشر على الإنترنت في 24 ديسمبر 2009.

قائمة المصطلحات

حامض
الكائن الحي مع درجة حموضة نمو أمثل من ثلاثة أو أقل
القلوية
الكائن الحي مع درجة حموضة نمو أمثل تسعة أو أعلى
اللاهوائية
يشير إلى الكائنات الحية التي تنمو بدون أكسجين
نقص الأكسجين
بدون أكسجين
بيوفيلم
المجتمع الميكروبي الذي يتم تجميعه معًا بواسطة مصفوفة ذات نسيج غائر
البكتيريا الزرقاء
البكتيريا التي تطورت من التغذية الضوئية المبكرة وزادت الأكسجين في الغلاف الجوي ؛ تُعرف أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة
مغرم
كائن حي ينمو في ظل ظروف قاسية أو قاسية
الهالوفيل
كائن يتطلب تركيز ملح لا يقل عن 0.2 م
الفتحات الحرارية المائية
الشق في سطح الأرض الذي يطلق المياه المسخنة حراريًا
فرط الحرارة
كائن حي ينمو في درجات حرارة تتراوح بين 80-122 درجة مئوية
حصيرة جرثومية
ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى التي قد تشمل البكتيريا والعتائق
العناصر الغذائية
المواد الأساسية للنمو ، مثل الكربون والنيتروجين
أوسموفيل
كائن حي ينمو بتركيز عالي من السكر
فوتوتروف
قادر على صنع طعامه عن طريق تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية
سيكروفيل
كائن حي ينمو في درجات حرارة -15 درجة مئوية أو أقل
مقاومة للإشعاع
كائن حي ينمو في مستويات عالية من الإشعاع
إنعاش
العملية التي بواسطتها تعود بدائيات النوى الموجودة في حالة VBNC إلى القابلية للحياة
ستروماتوليت
هيكل رسوبي ذو طبقات يتكون من ترسيب المعادن بواسطة بدائيات النوى في الحصائر الميكروبية
محبة للحرارة
كائن يعيش في درجات حرارة تتراوح بين 60-80 درجة مئوية
دولة قابلة للحياة ولكن غير قابلة للزراعة (VBNC)
آلية بقاء البكتيريا التي تواجه ظروف الإجهاد البيئي

راجع الأسئلة

كان يُعتقد أن الأشكال الأولى للحياة على الأرض هي __________.

  1. نباتات وحيدة الخلية
  2. بدائيات النوى
  3. الحشرات
  4. الحيوانات الكبيرة مثل الديناصورات

الحصائر الميكروبية __________.

  1. هي أقدم أشكال الحياة على الأرض
  2. حصلوا على طاقتهم وطعامهم من الفتحات الحرارية المائية
  3. عبارة عن صفائح متعددة الطبقات من بدائيات النوى بما في ذلك البكتيريا في الغالب ولكن أيضًا من العتائق
  4. كل ما ورداعلاه

كانت الكائنات الحية الأولى التي زودت الغلاف الجوي بالأكسجين

  1. البكتيريا الزرقاء
  2. الكائنات الضوئية
  3. الكائنات اللاهوائية
  4. كل ما ورداعلاه

الهالوفيلات هي كائنات حية تتطلب _________.

  1. تركيز ملح لا يقل عن 0.2 م
  2. تركيز عالي من السكر
  3. إضافة الهالوجينات
  4. كل ما ورداعلاه

كانت العديد من بدائيات النوى الأولى التي تمت تربيتها في المختبر العلمي من مسببات الأمراض البشرية أو الحيوانية. لماذا يمكن استزراع هذه الأنواع بسهولة أكبر من بدائيات النوى غير المسببة للأمراض؟


الحصير الميكروبية

قد تمثل الحصائر الميكروبية أو الأغشية الحيوية الكبيرة الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، وهناك دليل أحفوري على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى (الشكل) تحتوي في الغالب على البكتيريا ، ولكن أيضًا العتائق. يبلغ سمك الحصائر الميكروبية بضعة سنتيمترات ، وتنمو عادةً حيث تتداخل أنواع مختلفة من المواد ، ومعظمها على الأسطح الرطبة. تقوم الأنواع المختلفة من بدائيات النوى التي تتكون منها بمسارات أيضية مختلفة ، وهذا هو سبب ألوانها المختلفة. يتم تثبيت بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية معًا بواسطة مادة لزجة تشبه الغراء تفرزها تسمى المصفوفة خارج الخلية.

(أ) هذه الحصيرة الميكروبية ، التي يبلغ قطرها حوالي متر واحد ، تنمو فوق فتحة حرارية مائية في المحيط الهادئ في منطقة تُعرف باسم "حلقة النار في المحيط الهادئ". تساعد الحصيرة على الاحتفاظ بالمغذيات الميكروبية. تسمح المداخن مثل المداخن المشار إليها بالسهم للغازات بالهروب. (ب) في هذه الصورة المجهرية ، يتم تصور البكتيريا باستخدام المجهر الفلوري. (الائتمان أ: تعديل العمل من قبل الدكتور بوب إمبلي ، NOAA PMEL ، كبير العلماء الائتمان ب: تعديل العمل بواسطة ريكاردو مورغا ، رودني دونلان ، بيانات مقياس CDC من مات راسل)


22.1: التنوع بدائية النواة - علم الأحياء

FB Biologie / Chemie ، جامعة أوسنابروك ، Postfach 4469 ، 49076 أوسنابروك ، ألمانيا

Albert-Ludwigs Universität، Institut für Biologie II، Mikrobiologie، Schänzlestraße 1، 79104 Freiburg / Br، Germany

Institut für Mikrobiologie، Universität Göttingen، Grisebachstraße 8، 37077 Göttingen، Germany

تسجيل الدخول المؤسسي
قم بتسجيل الدخول إلى مكتبة Wiley Online

إذا سبق لك الحصول على حق الوصول باستخدام حسابك الشخصي ، فيرجى تسجيل الدخول.

شراء فصل واحد
  • عرض غير محدود للمقال / الفصل PDF وأي ملاحق وأرقام مرتبطة.
  • يمكن طباعة المقال / الفصل.
  • يمكن تحميل المادة / الفصل.
  • المادة / الفصل يمكن ليس يتم إعادة توزيعها.

ملخص

النظاميات البكتيرية هي مهد علم الأحياء المقارن

التصنيف العددي هو نهج للسلالات العنقودية على أساس مجموعات كبيرة من البيانات الوراثية غير الموزونة


التنوع بدائية النواة

بدائيات النوى موجودة في كل مكان. إنها تغطي كل سطح يمكن تخيله حيث توجد رطوبة كافية ، ويعيشون داخل وداخل الكائنات الحية الأخرى. في جسم الإنسان النموذجي ، يفوق عدد الخلايا بدائية النواة عدد خلايا جسم الإنسان بحوالي عشرة إلى واحد. هم يشكلون غالبية الكائنات الحية في جميع النظم البيئية. تزدهر بعض بدائيات النوى في البيئات غير المضيافة لمعظم الكائنات الحية. بدائيات النوى إعادة التدوير العناصر الغذائية- المواد الأساسية (مثل الكربون والنيتروجين) - وهي تقود تطور النظم البيئية الجديدة ، بعضها طبيعي والبعض الآخر من صنع الإنسان. كانت بدائيات النوى موجودة على الأرض منذ فترة طويلة قبل ظهور الحياة متعددة الخلايا.

بدائيات النوى ، أول سكان الأرض

متى وأين بدأت الحياة؟ ما هي الظروف على الأرض عندما بدأت الحياة؟ كانت بدائيات النوى هي الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، وكانت موجودة لمليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. يُعتقد أن عمر الأرض والقمر حوالي 4.54 مليار سنة. يعتمد هذا التقدير على أدلة من التأريخ الإشعاعي لمادة النيزك مع مواد الركيزة الأخرى من الأرض والقمر. كان للأرض المبكرة جو مختلف تمامًا (يحتوي على كمية أقل من الأكسجين الجزيئي) مما هو عليه اليوم وتعرضت لإشعاع قوي ، وبالتالي ، ازدهرت الكائنات الحية الأولى حيث كانت أكثر حماية ، كما هو الحال في أعماق المحيطات أو تحت سطح الأرض. في هذا الوقت أيضًا ، كان النشاط البركاني القوي شائعًا على الأرض ، لذلك فمن المحتمل أن هذه الكائنات الحية الأولى - بدائيات النوى الأولى - قد تكيفت مع درجات حرارة عالية جدًا. كانت الأرض المبكرة عرضة للاضطرابات الجيولوجية والثوران البركاني ، وكانت عرضة للقصف بواسطة الإشعاع المطفر من الشمس. كانت الكائنات الحية الأولى بدائيات النوى التي يمكن أن تصمد أمام هذه الظروف القاسية.

الحصير الميكروبية

قد تمثل الحصائر الميكروبية أو الأغشية الحيوية الكبيرة الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، وهناك دليل أحفوري على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. أ حصيرة جرثومية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى ([رابط]) تحتوي في الغالب على بكتيريا ، ولكنها أيضًا عتائق. يبلغ سمك الحصائر الميكروبية بضعة سنتيمترات ، وتنمو عادةً حيث تتداخل أنواع مختلفة من المواد ، معظمها على الأسطح الرطبة. تقوم الأنواع المختلفة من بدائيات النوى التي تتكون منها بمسارات أيضية مختلفة ، وهذا هو سبب ألوانها المختلفة. يتم تثبيت بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية معًا بواسطة مادة لزجة تشبه الغراء تفرزها تسمى المصفوفة خارج الخلية.

من المحتمل أن تكون الحصائر الميكروبية الأولى قد حصلت على طاقتها من المواد الكيميائية الموجودة بالقرب من الفتحات الحرارية المائية. أ الفتحات الحرارية المائية هو كسر أو شق في سطح الأرض يؤدي إلى إطلاق مياه مسخنة حراريًا. مع تطور عملية التمثيل الضوئي منذ حوالي 3 مليارات سنة ، أصبحت بعض بدائيات النوى في الحصائر الميكروبية تستخدم مصدر طاقة متاحًا على نطاق أوسع - ضوء الشمس - بينما كان البعض الآخر لا يزال يعتمد على المواد الكيميائية من الفتحات الحرارية المائية للحصول على الطاقة والغذاء.

ستروماتوليتس

تمثل الحصائر الميكروبية المتحجرة أقدم سجل للحياة على الأرض. أ ستروماتوليت هي بنية رسوبية تتشكل عندما تترسب المعادن من الماء بواسطة بدائيات النوى في حصيرة ميكروبية ([رابط]). تشكل الستروماتوليت صخورًا ذات طبقات مصنوعة من الكربونات أو السيليكات. على الرغم من أن معظم الستروماتوليت هي قطع أثرية من الماضي ، إلا أن هناك أماكن على الأرض لا تزال تتشكل فيها الستروماتوليت. على سبيل المثال ، تم العثور على الستروماتوليت المتزايد في متنزه Anza-Borrego Desert State في مقاطعة سان دييغو ، كاليفورنيا.

الجو القديم

تشير الأدلة إلى أنه خلال أول ملياري سنة من وجود الأرض ، كان الغلاف الجوي كذلك نقص الأكسجين، مما يعني عدم وجود أكسجين جزيئي. لذلك ، فقط تلك الكائنات الحية التي يمكنها النمو بدون أكسجين -اللاهوائية الكائنات الحية - كانت قادرة على العيش. تسمى الكائنات ذاتية التغذية التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية فوتوتروفس، وظهروا في غضون مليار سنة من تكوين الأرض. ثم، البكتيريا الزرقاء، المعروفة أيضًا باسم الطحالب الخضراء المزرقة ، تطورت من هذه الصور الضوئية البسيطة بعد مليار سنة. بدأت البكتيريا الزرقاء ([رابط]) أكسجة الغلاف الجوي. سمحت زيادة الأكسجين في الغلاف الجوي بتطوير O أكثر كفاءة2- الاستفادة من مسارات تقويضية. كما أنها فتحت الأرض أمام زيادة الاستعمار ، لأن البعض س2 إلى O3 (الأوزون) والأوزون يمتصان بشكل فعال الضوء فوق البنفسجي الذي قد يتسبب في حدوث طفرات قاتلة في الحمض النووي. في النهاية ، الزيادة في O2 سمحت التركيزات بتطور أشكال الحياة الأخرى.

الميكروبات قابلة للتكيف: الحياة في بيئات معتدلة وشديدة

طورت بعض الكائنات الحية استراتيجيات تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة في الظروف القاسية. تزدهر بدائيات النوى في مجموعة واسعة من البيئات: بعضها ينمو في ظروف تبدو طبيعية جدًا بالنسبة لنا ، في حين أن البعض الآخر قادر على الازدهار والنمو في ظل ظروف قد تقتل نباتًا أو حيوانًا. تمتلك جميع بدائيات النوى تقريبًا جدارًا خلويًا ، وهي بنية واقية تسمح لها بالبقاء على قيد الحياة في كل من الظروف المفرطة والتناضحية. بعض بكتيريا التربة قادرة على تكوين أبواغ مقاومة للحرارة والجفاف ، مما يسمح للكائن الحي بالبقاء على قيد الحياة حتى عودة الظروف المواتية. هذه التكيفات ، إلى جانب غيرها ، تسمح للبكتيريا بأن تكون أكثر أشكال الحياة وفرة في جميع النظم البيئية الأرضية والمائية.

يتم تكييف البكتيريا والعتائق الأخرى للنمو في ظل ظروف قاسية ويتم تسميتها المتطرفين، بمعنى "عشاق المتطرفين". تم العثور على الكائنات المتطرفة في جميع أنواع البيئات: عمق المحيطات ، والينابيع الساخنة ، والقطب الشمالي والقطب الجنوبي ، في أماكن شديدة الجفاف ، في أعماق الأرض ، في بيئات كيميائية قاسية ، وفي بيئات عالية الإشعاع ([رابط]) ، على سبيل المثال لا الحصر. تمنحنا هذه الكائنات فهماً أفضل لتنوع بدائيات النواة وتفتح لنا إمكانية العثور على أنواع بدائية النواة جديدة قد تؤدي إلى اكتشاف عقاقير علاجية جديدة أو لها تطبيقات صناعية. نظرًا لأن لديهم تكيفات متخصصة تسمح لهم بالعيش في ظروف قاسية ، فإن العديد من الأشخاص المتطرفين لا يستطيعون البقاء في بيئات معتدلة. هناك العديد من المجموعات المختلفة من الكائنات الحية المتطرفة: يتم تحديدها بناءً على الظروف التي تنمو فيها بشكل أفضل ، وهناك العديد من الموائل المتطرفة بطرق متعددة. على سبيل المثال ، تعتبر بحيرة الصودا مالحة وقلوية على حد سواء ، لذا يجب أن تكون الكائنات الحية التي تعيش في بحيرة الصودا عبارة عن مركبات قلوية ومحبوبة للملوحة ([رابط]). المتطرفين الآخرين ، مثل مقاومة للإشعاع الكائنات الحية ، لا تفضل بيئة قاسية (في هذه الحالة ، بيئة ذات مستويات عالية من الإشعاع) ، لكنها تكيفت للبقاء على قيد الحياة فيها ([رابط]).

المتطرفون وظروفهم المفضلة
نوع المتطرفة شروط النمو الأمثل
حامض الرقم الهيدروجيني 3 أو أقل
القلويات الرقم الهيدروجيني 9 أو أعلى
عشاق الحرارة درجة الحرارة 60-80 درجة مئوية (140-176 درجة فهرنهايت)
فرط الحرارة درجة الحرارة 80-122 درجة مئوية (176-250 درجة فهرنهايت)
يسيكروفيلز درجة حرارة -15-10 درجة مئوية (5-50 درجة فهرنهايت) أو أقل
الهالوفيل تركيز ملح لا يقل عن 0.2 م
أوسموفيلز تركيز عالي من السكر

بدائيات النوى في البحر الميت

أحد الأمثلة على البيئة القاسية للغاية هو البحر الميت ، وهو حوض شديد الملوحة يقع بين الأردن وإسرائيل. البيئات شديدة الملوحة هي مياه البحر المركزة بشكل أساسي. في البحر الميت ، يكون تركيز الصوديوم أعلى بعشر مرات من تركيز مياه البحر ، ويحتوي الماء على مستويات عالية من المغنيسيوم (أعلى بحوالي 40 مرة من مياه البحر) التي قد تكون سامة لمعظم الكائنات الحية. الحديد والكالسيوم والمغنيسيوم ، وهي عناصر تشكل أيونات ثنائية التكافؤ (Fe 2+ و Ca 2+ و Mg 2+) ، تنتج ما يشار إليه عادة باسم الماء "العسر". مجتمعة ، فإن التركيز العالي للكاتيونات ثنائية التكافؤ ودرجة الحموضة الحمضية (6.0) وتدفق الإشعاع الشمسي الشديد تجعل البحر الميت نظامًا بيئيًا فريدًا وعدائيًا بشكل فريد 1 ([رابط]).

ما نوع بدائيات النوى التي نجدها في البحر الميت؟ تشمل الحصائر البكتيرية شديدة التحمل للملوحة هالوباكتيريوم, هالوفيراكس فولكاني (التي توجد في أماكن أخرى ، ليس فقط البحر الميت) ، Halorubrum اللواط، و Halobaculum gomorrenseوالعتائق Haloarcula marismortui، من بين أمور أخرى.

بدائيات النوى غير المستزرعة والدولة القابلة للحياة ولكن غير القابلة للزراعة

يقوم علماء الأحياء المجهرية عادةً بزراعة بدائيات النوى في المختبر باستخدام وسط زراعة مناسب يحتوي على جميع العناصر الغذائية التي يحتاجها الكائن المستهدف. يمكن أن يكون الوسط سائلًا أو مرقًا أو صلبًا. بعد فترة الحضانة عند درجة الحرارة المناسبة ، يجب أن يكون هناك دليل على نمو الميكروبات ([رابط]). تعتبر عملية زراعة البكتيريا معقدة وهي من أعظم اكتشافات العلم الحديث. يعود الفضل إلى الطبيب الألماني روبرت كوخ في اكتشاف تقنيات الثقافة النقية ، بما في ذلك التلوين واستخدام وسائط النمو. اخترع مساعده يوليوس بيتري طبق بتري الذي يستمر استخدامه في مختبرات اليوم. عمل Koch بشكل أساسي مع السل الفطري البكتيريا المسببة لمرض السل والمسلمات المطورة لتحديد الكائنات الحية المسببة للأمراض التي لا تزال مستخدمة على نطاق واسع في المجتمع الطبي. تتضمن افتراضات كوخ أنه يمكن تحديد كائن حي على أنه سبب المرض عندما يكون موجودًا في جميع العينات المصابة وغائبًا في جميع العينات الصحية ، ويكون قادرًا على إعادة إنتاج العدوى بعد زراعته عدة مرات. اليوم ، تظل الثقافات أداة تشخيصية أولية في الطب ومجالات أخرى من البيولوجيا الجزيئية.

ومع ذلك ، لا يمكن لبعض بدائيات النوى أن تنمو في بيئة معملية. في الواقع ، أكثر من 99 في المائة من البكتيريا والعتائق غير قابلة للزراعة. في الغالب ، يرجع هذا إلى نقص المعرفة فيما يتعلق بما يجب إطعامه لهذه الكائنات وكيفية زراعتها ، فلديهم متطلبات خاصة للنمو لا تزال غير معروفة للعلماء ، مثل الحاجة إلى مغذيات دقيقة محددة ، ودرجة الحموضة ، ودرجة الحرارة ، والضغط ، و - العوامل ، أو الأيضات المشتركة. لا يمكن استزراع بعض البكتيريا لأنها تلزم طفيليات داخل الخلايا ولا يمكن زراعتها خارج الخلية المضيفة.

في حالات أخرى ، تصبح الكائنات القابلة للزراعة غير قابلة للزراعة في ظل ظروف مرهقة ، على الرغم من إمكانية استنبات نفس الكائن الحي سابقًا. تلك الكائنات الحية التي لا يمكن تربيتها ولكنها ليست ميتة هي في قابل للحياة ولكن غير قابل للزراعة (VBNC). تحدث حالة VBNC عندما تستجيب بدائيات النوى للضغوط البيئية عن طريق الدخول في حالة نائمة تسمح لها بالبقاء. معايير الدخول في حالة VBNC ليست مفهومة تمامًا. في عملية تسمى إنعاش، يمكن أن تعود بدائيات النوى إلى الحياة "الطبيعية" عندما تتحسن الظروف البيئية.

هل حالة VBNC طريقة غير معتادة لعيش بدائيات النوى؟ في الواقع ، فإن معظم بدائيات النوى التي تعيش في التربة أو في مياه المحيطات غير قابلة للزراعة. لقد قيل أنه يمكن استزراع جزء صغير فقط ، ربما واحد في المائة ، من بدائيات النوى في ظروف معملية. إذا كانت هذه الكائنات غير قابلة للزراعة ، فكيف يعرف ما إذا كانت موجودة وحيوية؟ يستخدم علماء الأحياء الدقيقة تقنيات جزيئية ، مثل تفاعل البلمرة المتسلسل (PCR) ، لتضخيم أجزاء مختارة من الحمض النووي بدائيات النوى ، مما يدل على وجودها. تذكر أن تفاعل البوليميراز المتسلسل يمكن أن يصنع بلايين النسخ من جزء من الحمض النووي في عملية تسمى التضخيم.

علم البيئة من الأغشية الحيوية

حتى عقدين من الزمن ، اعتاد علماء الأحياء الدقيقة على التفكير في بدائيات النوى ككيانات معزولة تعيش منفصلة. ومع ذلك ، لا يعكس هذا النموذج البيئة الحقيقية لبدائيات النوى ، التي يفضل معظمها العيش في مجتمعات يمكن أن يتفاعلوا فيها. أ بيوفيلم هو مجتمع ميكروبي ([رابط]) متماسك في مصفوفة ذات نسيج صمغ يتكون أساسًا من السكريات المتعددة التي تفرزها الكائنات الحية ، جنبًا إلى جنب مع بعض البروتينات والأحماض النووية. تنمو الأغشية الحيوية ملتصقة بالأسطح. تتكون بعض الأغشية الحيوية التي تمت دراستها بشكل أفضل من بدائيات النوى ، على الرغم من وصف الأغشية الحيوية الفطرية بالإضافة إلى بعضها يتكون من خليط من الفطريات والبكتيريا.

توجد الأغشية الحيوية في كل مكان تقريبًا: يمكن أن تتسبب في انسداد الأنابيب واستعمار الأسطح بسهولة في البيئات الصناعية. في الآونة الأخيرة ، تفشي التلوث البكتيري للغذاء على نطاق واسع ، لعبت الأغشية الحيوية دورًا رئيسيًا. كما أنها تستعمر الأسطح المنزلية ، مثل طاولات المطبخ وألواح التقطيع والأحواض والمراحيض ، وكذلك الأماكن الموجودة على جسم الإنسان ، مثل أسطح أسناننا.

التفاعلات بين الكائنات الحية التي تسكن الأغشية الحيوية ، جنبًا إلى جنب مع بيئتها الواقية من السكريات الخارجية (EPS) ، تجعل هذه المجتمعات أكثر قوة من بدائيات النوى التي تعيش بحرية أو عوالق. كما أن المادة اللاصقة التي تجمع البكتيريا معًا تستبعد أيضًا معظم المضادات الحيوية والمطهرات ، مما يجعل بكتيريا الأغشية الحيوية أكثر صلابة من نظيراتها من العوالق. بشكل عام ، يصعب تدمير الأغشية الحيوية لأنها مقاومة للعديد من أشكال التعقيم الشائعة.

بالمقارنة مع البكتيريا الحرة العائمة ، غالبًا ما تُظهر البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية مقاومة متزايدة للمضادات الحيوية والمنظفات. لماذا تعتقد أن هذا قد يكون هو الحال؟

ملخص القسم

كانت بدائيات النوى موجودة منذ مليارات السنين قبل ظهور النباتات والحيوانات. قد تكون الينابيع الساخنة والفتحات الحرارية المائية هي البيئات التي بدأت فيها الحياة. يُعتقد أن الحصائر الميكروبية تمثل الأشكال الأولى للحياة على الأرض ، وهناك أدلة أحفورية على وجودها منذ حوالي 3.5 مليار سنة. الحصيرة الميكروبية عبارة عن ورقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى تنمو في واجهات بين أنواع مختلفة من المواد ، ومعظمها على الأسطح الرطبة. خلال أول ملياري سنة ، كان الغلاف الجوي ناقص الأكسجين ولم تتمكن سوى الكائنات اللاهوائية من العيش. تطورت البكتيريا الزرقاء من التغذية الضوئية المبكرة وبدأت في أكسجة الغلاف الجوي. سمحت الزيادة في تركيز الأكسجين بتطور أشكال الحياة الأخرى. تسمى الحصائر الميكروبية المتحجرة بالستروماتوليت وتتكون من هياكل رسوبية عضوية مغلفة تتكون من ترسيب المعادن بواسطة بدائيات النوى. إنها تمثل أقدم سجل أحفوري للحياة على الأرض.

تنمو البكتيريا والأركيا في كل بيئة تقريبًا. أولئك الذين ينجون في ظل ظروف قاسية يسمى المتطرفين (عشاق متطرفين). لا يمكن لبعض بدائيات النوى أن تنمو في بيئة معملية ، لكنها ليست ميتة. هم في حالة قابلة للحياة ولكن غير قابلة للزراعة (VBNC). تحدث حالة VBNC عندما تدخل بدائيات النوى حالة نائمة استجابةً للضغوط البيئية. معظم بدائيات النوى اجتماعية وتفضل العيش في مجتمعات تحدث فيها التفاعلات. البيوفيلم عبارة عن مجتمع ميكروبي ملتصق معًا في مصفوفة ذات نسيج غائر.

اتصالات فنية

[رابط] مقارنةً بالبكتيريا الطافية ، غالبًا ما تُظهر البكتيريا الموجودة في الأغشية الحيوية مقاومة متزايدة للمضادات الحيوية والمنظفات. لماذا تعتقد أن هذا قد يكون هو الحال؟

[رابط] تحمي المصفوفة خارج الخلية والطبقة الخارجية من الخلايا البكتيريا الداخلية. كما أن القرب الشديد من الخلايا يسهل أيضًا نقل الجينات الجانبي ، وهي عملية يتم من خلالها نقل الجينات مثل الجينات المقاومة للمضادات الحيوية من بكتيريا إلى أخرى. وحتى إذا لم يحدث النقل الجيني الجانبي ، فإن إحدى البكتيريا التي تنتج إنزيمًا خارجيًا يدمر المضاد الحيوي قد تنقذ البكتيريا المجاورة.

راجع الأسئلة

كان يُعتقد أن الأشكال الأولى للحياة على الأرض هي __________.

  1. نباتات وحيدة الخلية
  2. بدائيات النوى
  3. الحشرات
  4. الحيوانات الكبيرة مثل الديناصورات

الحصائر الميكروبية __________.

  1. هي أقدم أشكال الحياة على الأرض
  2. حصلوا على طاقتهم وطعامهم من الفتحات الحرارية المائية
  3. عبارة عن طبقة متعددة الطبقات من بدائيات النوى بما في ذلك البكتيريا في الغالب ولكن أيضًا من البدائيات
  4. كل ما ورداعلاه

كانت الكائنات الحية الأولى التي زودت الغلاف الجوي بالأكسجين

  1. البكتيريا الزرقاء
  2. الكائنات الضوئية
  3. الكائنات اللاهوائية
  4. كل ما ورداعلاه

الهالوفيلات هي كائنات حية تتطلب _________.

  1. تركيز ملح لا يقل عن 0.2 م
  2. تركيز عالي من السكر
  3. إضافة الهالوجينات
  4. كل ما ورداعلاه

إستجابة مجانية

صف بإيجاز كيف ستكتشف وجود بدائيات نوى غير قابلة للزراعة في عينة بيئية.

نظرًا لأن الكائنات الحية غير قابلة للاستزراع ، يمكن اكتشاف الوجود من خلال التقنيات الجزيئية ، مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل.

لماذا يعتقد العلماء أن الكائنات الحية الأولى على الأرض كانت متطرفة؟

لأن الظروف البيئية على الأرض كانت قاسية: درجات حرارة عالية ، ونقص في الأكسجين ، وإشعاع عالي ، وما شابه.

الحواشي

    Bodaker و I و Itai و S و Suzuki و MT و Feingersch و R و Rosenberg و M و Maguire و ME و Shimshon و B وغيرها. الجينوميات المجتمعية المقارنة في البحر الميت: بيئة شديدة التطرف. مجلة ISME 4 (2010): 399–407, دوى: 10.1038 / ismej.2009.141. تم النشر على الإنترنت في 24 ديسمبر 2009.

قائمة المصطلحات


نتائج

الكيمياء البيئية

تم قياس الظروف الفيزيائية والكيميائية ، الملخصة في الجدول 1 والجدول S2 ، على كل من الرف والتجمع في كل موقع وكانت متسقة داخليًا بين المواقع في يوم أخذ العينات. كانت درجات حرارة الماء أعلى في Devils Hole (33.55 و 33.50 درجة مئوية ، حمام السباحة مقابل الرف) مقارنةً بدرجات حرارة الماء في AMFCF (30.35 و 30.78 درجة مئوية ، حمام السباحة مقابل الرف) (الجدول 1 والجدول S1) ، وأعلى من ذلك في البئر P-9 (38.4 درجة مئوية). بلغ متوسط ​​قياسات الأس الهيدروجيني 7.28 في Devils Hole و 7.74 في AMFCF و 7.58 في البئر P-9. كانت الموصلية منخفضة نسبيًا ومتسقة عبر جميع مواقع أخذ العينات الخمسة (640-868 ميكرو سيميز سم -1). كان متوسط ​​تركيزات الأكسجين المذاب 2.6 مجم لتر -1 في ديفلز هول (36.5٪ تشبع) ، 5.3 مجم لتر -1 في AMFCF (78.1٪ تشبع) ، و 3.9 مجم لتر -1 (59.5٪ تشبع) في البئر P-9 في وقت أخذ العينات. تمشيا مع مصدر خزان المياه الجوفية المخزن بالكربونات المشترك لـ Devils Hole و AMFCF ، كانت قيم الأيونات الرئيسية والقلوية تعادل في حدود نسبة قليلة عبر مجموعة البيانات. تراوحت قيم القلوية من 229 مجم لتر -1 في AMFCF إلى 265 مجم لتر -1 في Devils Hole ، وجميع عينات المياه حيث تمتاز بالكبريتات وجي تي الصوديوم والكالسيوم وجي تي المغنيسيوم / كلوريد. كانت تركيزات الكربون العضوي المذاب منخفضة (0.127 ، 0.128 ، و 0.231 مجم لتر -1 في Devils Hole ، Well P-9 ، و AMFCF ، على التوالي). كانت تركيزات النيتروجين المتاحة حيوياً (النترات المذابة في المقام الأول) منخفضة للغاية في AMFCF والبئر P-9 (0.022 و 0.041 مجم لتر -1) مقارنة بـ Devils Hole التي ، على الرغم من انخفاضها أيضًا ، كانت أكبر بمقدار تقريبًا (0.143 و 0.138 مجم) L -1 ، تجمع ورف). كانت تركيزات النتريت (& lt0.002 مجم لتر -1) والأمونيا (0.003-0.004 مجم لتر -1) والفوسفور (0.003-0.004 مجم لتر -1) منخفضة جدًا ، تقترب من حدود الكشف ، في جميع العينات. في المقابل ، كانت النسب المولية N: P لجرف Devils Hole ، وحوض Devils Hole ، ورف AMFCF ، وتجمع AMFCF ، والبئر P-9 هي 105: 1 ، و 108: 1 ، و 19: 1 ، و 19: 1 ، و 24: 1 ، على التوالى. كان لدى Devils Hole و AMFCF و Well P-9 تركيزات معدنية مذابة متشابهة بشكل ملحوظ (الجدول 1 والجدول S1). ومع ذلك ، كان الزرنيخ المذاب في Devils Hole (0.125 مجم لتر -1) أعلى تقريبًا من جميع المواقع المرتبطة بـ AMFCF. على العكس من ذلك ، كان تركيز السيليكا في Devils Hole (23.7 مجم لتر -1) أقل من تركيز AMFCF والبئر P-9 (33.9 و 34.1 مجم لتر -1).

التنوع بدائية النواة وهيكل المجتمع

كانت الكثافة الميكروبية للعوالق منخفضة في جميع العينات من Devils Hole و AMFCF ، بمتوسط ​​7.9E + 4 إلى 9.2E + 4 خلايا مل -1 ، مع عدم وجود نمط بين المواقع ، وكانت أعلى بكثير (1.79E + 5 خلايا مل -1 ، ص ≤0.0012 ، للطالب ر-test) في البئر P-9 (جدول S3). في المجموع ، تم تحديد 2،039 وحدة تصنيف تشغيلية (OTUs) بنسبة 97 ٪ من تشابه التسلسل من 862،307 تسلسلًا تمت تصفيته بالجودة تم إنشاؤه من 21 عينة تضمنت هذه الدراسة (S1 الملحق). أكثر اثنين من OTUs وفرة ، وهي البكتيريا الزرقاء غير المصنفة (OTU_500 ، المرتبطة بالجنس تذبذب) وبكتيريا غير مصنفة في عائلة Verrucomicrobiaceae من Verrucomicrobia (OTU_1850) ، تمثل 4.8٪ و 4.7٪ من جميع المتواليات. كانت البكتيريا الزرقاء OTU أكثر وفرة في عينات المياه والرواسب في Devils Hole (13.2٪ متوسط ​​الوفرة النسبية) ، وغائبة تمامًا تقريبًا (& lt0.01٪) من عينات AMFCF و Well P-9. على العكس من ذلك ، تم العثور على Verrucomicrobiaceae OTU في وفرة عالية في عينات المياه من AMFCF (31.7 ٪ متوسط ​​الوفرة النسبية) ، ولكنها كانت موجودة فقط بكميات منخفضة (≤2.4 ٪) في جميع عينات حفرة الشياطين ورواسب AMFCF ، وكانت غائبة تمامًا عن البئر P -9.

يستضيف Devils Hole و AMFCF مجتمعات بدائية النواة متنوعة (الشكل 2) ، مع اكتشاف 44 من الكائنات الحية البكتيرية والأثرية ، بما في ذلك 23 قسمًا مرشحًا. سيطرت البكتيريا الزرقاء على عينات العوالق في حفرة الشياطين (37.7 ٪ متوسط ​​الوفرة النسبية) ، مع الفطريات النباتية (14.5 ٪) ، والبكتيريا الغامضة (9.3 ٪) ، والأصناف غير المعينة (8.7 ٪) ، Verrucomicrobia (5.5 ٪) ، و Alphaproteobacteria (5.0 ٪). نسب كبيرة من هيكل المجتمع. سيطرت البكتيريا الزرقاء على مجتمعات رواسب حفرة الشياطين (23.6٪) ، الأصناف غير المعينة (11.9٪) ، البكتيريا (10.2٪) ، الكلوروفليكسي (9.9٪) ، الدلتابروتيوبكتيريا (6.8٪) ، ألفا بروتيوبكتيريا (6.3٪) ، بكتيريا Gammaproteobacteria (5.5٪) ، Verrucomicrobia (5.3٪) ، و Chlorobi (5.1٪). سيطرت على مجتمعات العوالق AMFCF Verrucomicrobia (38.7٪) ، Alphaproteobacteria (25.5٪) ، Planctomycetes (11.8٪) ، و Bacteroidetes (8.9٪). في المقابل ، سيطرت على رواسب AMFCF بكتيريا Deltaproteobacteria (11.3٪) ، الأصناف غير المعينة (10.1٪) ، Planctomycetes (9.9٪) ، البكتيريا الزرقاء (9.8٪) ، الكلوروفليكسي (8.0٪) ، Betaproteobacteria (7.7٪) ، Alphaproteobacteria (7.6٪). ، بكتيرويدس (7.2٪) ، وبكتيريا جامابروتيكية (6.7٪). سيطرت البئر P-9 على Betaproteobacteria (19.5٪) ، Nitrospirae (15.7٪) ، الأصناف غير المعينة (13.9٪) ، Deltaproteobacteria (13.3٪) ، و Alphaproteobacteria (9.0٪). عبر مجموعة البيانات بأكملها ، فاق عدد البكتيريا عددًا كبيرًا من الأركيا ، ولكن هذا المجال كان موجودًا ويمثل وفرة نسبية تتراوح بين 0.01 و 3.16 ٪ في مجتمعات بدائيات النوى لدى Devils Hole و AMFCF. واحد وعشرون شعبة كانت موجودة بنسبة & lt1٪ الوفرة النسبية في جميع المواقع.

مخطط شريطي تصنيفي على مستوى الأسرة لمجتمعات بدائية النواة من Devils Hole (DH) ، Ash Meadows Fish Conservation Facility (AMFCF) ، و Well P-9 الذي تم إنشاؤه من جدول OTU النهائي غير المعتمد (الملحق S1). ويلاحظ عينات من العوالق ("تجمع" و "رف" و "بئر P-9") وعينات الرواسب ("Sed1-Sed16") ، يمثل كل منها عينة منفصلة. تم تقسيم البكتيريا المتقلبة إلى فئات. يتم عرض المجموعات الميكروبية ذات الوفرة ≥ 1٪ فقط. يتم تضمين المجموعات التي تحتوي على & lt 1٪ وفرة في المجموع على أنها "Phyla & lt 1٪".

تم حساب مقاييس تنوع ألفا (ثراء OTU المرصود ، والثراء التقديري لـ Chao1 ، والتنوع التطوري للإيمان [Faith’s PD] ، ومؤشر Shannon) من 100 حالة نادرة من 10000 تسلسل لكل عينة (جدول S4). تحتوي عينة تجمع Devils Hole على قيم تنوع ألفا أعلى بكثير من جميع عينات العوالق الأخرى (رف ثقب الشياطين ، وحوض AMFCF والرف ، والبئر P-9) (p & lt0.0001 لجميع المقارنات ، الطالب ر-اختبار). كانت عينة رف AMFCF أكثر تنوعًا بشكل ملحوظ من عينة تجمع AMFCF وعينة Well P-9 (p & lt0.0001). كانت عينات الرواسب ، كمجموعات خاصة بالموقع ، أكثر تنوعًا من نظيراتها من العوالق (p & lt0.0001). كانت رواسب AMFCF مجتمعة أكثر تنوعًا من رواسب DH (p & lt0.0001). كانت العينة الأقل تنوعًا في مجموعة البيانات هي عينة رف Devils Hole ، مع ثراء OTU ملحوظ يبلغ 101.5 ± 0.59 OTU.

لتقييم التشابه بين مجتمعات بدائية النواة ، لا سيما بين Devils Hole و AMFCF ، تم حساب مسافات UniFrac غير الموزونة زوجيًا ، و UniFrac الموزون ، و Bray-Curtis ، وتم إجراء تجميع UPGMA ، وتم إنشاء مخططات التنسيق. يُظهر تحليل المكون الرئيسي للوفرة غير الموزونة (الشكل 3 أ) ومسافات UniFrac الموزونة بالوفرة (الشكل 3 ب) توزيع مجتمعات بدائية النواة في الفضاء الإحصائي الذي يتكون من المكونين الأولين. أظهرت التحليلات غير الموزونة وغير الموزونة فصل المجتمعات بناءً على كل من موقع العينة ونوع الركيزة (العوالق مقابل الرواسب). تحقق من صحة هذه الملاحظات من خلال مخططات الشجرة العنقودية UPGMA غير الموزونة والوزن الثقيل (الشكلان S1 و S2) ، مع دعم كل مجموعة من العينات بدعم سكين جاك بنسبة 100٪ ، على الرغم من أن عينات DH Shelf و DH تجمع بشكل مستقل في مخطط الشجرة غير الموزون الوفير. تم تجميع عينة البئر P-9 بشكل مستقل عن جميع العينات الأخرى في كل من التنسيقات (الشكل 3 أ و 3 ب) والتشجير. في الترسيم الموزون بالوفرة و dendrogram (الشكل 3 ب و S2 الشكل) ، شكلت عينات العوالق Devils Hole مجموعة مميزة خاصة بها وكانت أكثر تشابهًا مع جميع عينات الرواسب من عينات العوالق AMFCF. عينات الرواسب مجمعة بطريقة خاصة بالموقع.

تُظهر رسوم تحليل المكونات الرئيسية أ) مسافات UniFrac غير الموزونة الوفرة الزوجية و ب) مسافات UniFrac الموزونة بالوفرة الزوجية لجميع العينات فصل العينات حسب موقع العينة ونوع العينة (العوالق مقابل الرواسب). يتم تلوين العينات الفردية وفقًا لنوع العينة (العوالق مقابل الرواسب: تظهر عينات العوالق الشياطين (DH) وعينات الرواسب كمربعات زرقاء فاتحة وأزرق داكن ، على التوالي ، تظهر عينات العوالق والرواسب في مرفق حفظ الأسماك بمروج الرماد (AMFCF) باللون الأصفر والمثلثات الحمراء ، على التوالي ، وتظهر عينة البئر P-9 كنجمة.

تم إجراء اختبارات تحليل التشابه (ANOSIM) لتحديد الفروق المهمة في التشابه التصنيفي (مسافات براي-كيرتس) ، والتشابه النوعي للتطور (مسافات UniFrac غير الموزونة الوفرة) ، والتشابه الكمي للتطور (مسافات UniFrac الموزونة بالوفرة) بين عينات العوالق والرواسب من Devils Hole و AMFCF (جدول S5). اختلف التشابه التصنيفي والتطور الوراثي بشكل كبير بين مواقع العينات (p & lt0.01). اختلفت عينات الرواسب بشكل كبير من الناحية التصنيفية والتطورية بين Devils Hole و AMFCF (p & lt0.05) ، بينما لم تكن عينات العوالق بين الموقعين مختلفة بشكل كبير.

تم إجراء تحليل SIMPER لتحديد أهم خمس وحدات OTUs التي ساهمت في الاختلاف بين عينات الشياطين ورواسب AMFCF وعينات العوالق (الشكل 4 ، جدول S6). كانت الاختلافات في المجتمع بدائية النواة (مساهمة تراكمية 42.82 ٪) بين عينات العوالق Devils Hole و AMFCF مدفوعة باثنين من البكتيريا الزرقاء غير المصنفة OTUs (OTU_502 و OTU_500) ، والتي كانت وفيرة في عينات العوالق الشيطانية هول (16.64 ٪ و 11.03 ٪ متوسط ​​الوفرة النسبية) عينات العوالق AMFCF ، و OTU في عائلة Verrucomicrobiaceae (OTU_1850) ، و OTU في عائلة Hyphomonadaceae (OTU_1062) ، و OTU في بلانكتوميسيس جنس (OTU_941) ، والتي كانت أكثر وفرة في عينات العوالق AMFCF (31.97٪ ، 13.15٪ ، و 9.99٪ على التوالي) مقارنة بعينات العوالق Devils Hole (1.21٪ ، 0.01٪ ، وغير مكتشفة ، على التوالي). تم الكشف عن شحبتين في عينات بلانكتون ديفلز هول ولكن غابت عن عينات العوالق من AMFCF (البكتيريا المغزلية والجيماتيموناديتس ، كلاهما & lt1٪). على العكس من ذلك ، تم اكتشاف ستة شُعَب في وفرة منخفضة في عينات العوالق من AMFCF (Elusimicrobia ، GOUTA4 ، OC31 ، OP11 ، OP3 ، و SBR1093 ، الكل & lt1 ٪) ولكنها كانت غائبة في عينات العوالق Devils Hole.

OTUs وفيرة تفاضليًا بين أ) عينات العوالق و ب) يتم عرض عينات الرواسب بين Devils Hole و Ash Meadows Fish Conservation Facility (AMFCF) ، جنبًا إلى جنب مع معرف OTU والتصنيف. تشير البادئات (p_ و o_ و f_ و g_) إلى هويات OTU على مستوى اللجوء والترتيب والأسرة والجنس. انظر جدول S6 لمعرفة النسبة المئوية لمساهمة كل OTU في الاختلاف بين كل مجموعة من العينات.

تُعزى الاختلافات بين عينات رواسب Devils Hole و AMFCF (مساهمة تراكمية 15.16 ٪) إلى البكتيريا الزرقاء غير المصنفة OTU (OTU_500) ، واثنين من OTUs غير المعينين (OTU_2006 و OTU_2023) ، و OTU في عائلة Chitinophagaceae (OTU_9T2). ترتيب الكلوروبي (OTU_291) ، والذي وجد بكثرة في رواسب Devils Hole (13.81٪ ، 4.21٪ ، 3.11٪ ، 2.29٪ ، 1.95٪ على التوالي) مقارنة برواسب AMFCF (0.0038٪ ، 2.54٪ ، 0.36٪ ، 0.033٪ و 0.12٪ على التوالي). تم الكشف عن ثلاث شُعَب في رواسب ثقب الشياطين بكثرة منخفضة (Euryarchaeota ، Caldithrix ، FCPU426 ، جميعها & lt0.5٪) ولكنها كانت غائبة عن رواسب AMFCF. على العكس من ذلك ، تم اكتشاف الشعبة OP11 في عينة رواسب AMFCF واحدة ولكن لم يتم العثور على عينات رواسب أخرى من AMFCF أو Devils Hole (& lt0.01٪).


بدائيات النوى وحقيقيات النوى

تحتوي كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى على الحمض النووي ، لكن الأول ليس له نوى بينما يحتوي الأخير. الغرض من النواة هو إحاطة إنتاج الحمض النووي داخل قسم واحد من الخلية وبالتالي زيادة الكفاءة. هذا ليس ضروريًا في خلايا بدائيات النوى نظرًا لحقيقة أنها أصغر حجمًا مما يعني أن جميع مواد الخلية و # 8217s قريبة من بعضها البعض.

اختلاف آخر بين الحمض النووي الخاص بهم هو أن الحمض النووي حقيقي النواة خطي بينما الحمض النووي في بدائيات النوى هو دائري. بينما يحتوي السابق على الكروموسومات يحتوي الأخير على جزيء DNA دائري واحد فقط وعدد من دوائر DNA الأصغر تسمى البلازميدات. في الأساس ، لا تحتاج الخلية بدائية النواة & # 8217t إلى العديد من الجينات.


22.1: التنوع بدائية النواة - علم الأحياء

علم الأحياء 213. التنوع والبيئة

Introduction to the evolution of life, the diversity of prokaryotic and eukaryotic organisms, population biology, species interactions, the organization of biological communities and ecosystems. Two lecture hours and one discussion hour a week for one semester. Only one of the following may be counted: Biology 301M, 304, 311D, 213. Prerequisite: Biology 211 and 212 with a grade of at least C in each, or Biology 311C with a grade of at least C.

Each of us quite naturally perceives ourself to be at the center of things, but no one would deny that other events ultimately have their influence, too. Likewise, many people unconsciously place humanity at the exact center of the universe. In this view, the utility of anything is measured by how it can be used by humans. For many, everything has its dollar value. Such anthropocentrism is understandable, but narrow and misguided.


It is a worthwhile exercise to imagine that something else, such as an ant, a lizard, an oak tree, or an HIV virus, is really the focus of the cosmos. From such a perspective, the almighty dollar quickly loses its primacy. Survival (Survival Kit) and reproduction assume a lot more significance. What good are lizards?

المتطلبات الأساسية:
Bio 211 and 212 with grades of C or higher are required. Students who enroll in 213 who have not met these prerequisites will be dropped after the fourth class day.

This course assumes knowledge of High School algebra and geometry. You will be expected to be able to understand 3-dimensional graphs and be able to manipulate simple equations.

We will attempt to teach you the basic ecology and evolution that everyone should know -- we will also do our utmost to encourage you to فكر في .

[Optional, but recommended] Pianka, E. R. 2000. Evolutionary Ecology,
6th ed. Addison-Wesley Longman.

1: Background
2: History and Biogeography
3: Meteorology
4: Climate and Vegetation
5: Resource Acquisition and Allocation
7: Evolution and Natural Selection
8: Vital Statistics of Populations
9: Population Growth and Regulation
10: Sociality
11: Interactions between Populations
12: Competition
13: The Ecological Niche
14: Experimental Ecology
15: Predation and Parasitism
16: Phylogenetics in Ecology
17: Community and Ecosystem Ecology
18: Biodiversity and Community Stability
19: Island Biogeography and Conservation Biology

Final Exam: Wed. 11 May, 9-12 AM

Best 2 of the above 3 hour exams will count 20% each (40% total)
The comprehensive final exam will count for the other 40% of your course grade

Your performance in discussion sections counts for 20% of your course grade.
There will be NO "make up" exams!

You will be expected to "know" everything the instructors say in lecture and discussion sections, including pauses and nuances, as well as everything assigned in reading assignments. Exams will be in multiple choice format. Each 60 minute exam will cover about one-third of the class. Everyone must take at least two of the three hour exams plus the comprehensive 3 hour final exam. No "Make Up" exams will be given (if you press us on this, you will get grilled by both of us in a 2 hour private oral examination!). No "extra points" are available.

Outline of Subjects to be covered in the Course

Biology 213 - Diversity and Ecology

Definitions and Groundwork the scientific method domain of ecology, environment limiting factors, tolerance limits, the principle of allocation
natural selection, self-replicating molecular assemblages levels of selection,
levels of approach to science, speciation, phylogeny, classification and systematics.

Macroevolution, natural selection and adaptation, the species concept.
Origin of life, prokaryotes and eukaryotes, introduction to the diversity
of organisms. Domains, traits (and example organisms) of kingdoms
[archaebacteria, eubacteria, protists, fungi, plants, animals]
Adaptations, structures, symbiotic relationships, including variations in life cycles

How organisms are classified and why phylogenetic systematics
One major taxon will be examined in depth ( Lizards ) we will investigate
classification, phylogeny, and biogeography
Evolution will be related to the history of earth (plate tectonics)

علم البيئة الفسيولوجية
Physiological optima and tolerance curves, energetics of metabolism and movement energy budgets and the principle of allocation adaptation and deterioration of environment heat budgets and thermal ecology water economy in desert organisms other limiting materials sensory capacties and environmental cues adaptive suites and design constraints.


Principles of Population Ecology
Life tables and schedules of reproduction net reproductive rate and reproductive value stable age distribution intrinsic rate of increase population growth and regulation Pearl-Verhulst logistic equation density dependence and independence r and K selection population "cycles," cause and effect metapopulations evolution of reproductive tactics evolution of old age and death rates use of space evolution of sex sex ratio mating systems sexual selection fitness and the individual's status in the population kin selection, reciprocal altruism, parent-offspring conflict and group selection.

Interactions Between Populations
Complex examples of population interactions indirect interactions competition theory competitive exclusion balance between intraspecific and interspecific competition evolutionary consequences of competition laboratory experiments and evidence from nature character displacement and limiting similarity future prospects Predation predator-prey oscillations "prudent" predation and optimal yield theory of predation functional and numerical responses selected experiments and observations evolutionary consequences of predation: predator escape tactics aspect diversity and escape tactic diversity coevolution plant apparency theory evolution of pollination mechanisms symbiotic relationships.

إيكولوجيا المجتمع
Classification of communities interface between climate and vegetation plant life forms and biomes leaf tactics succession transition matrices aquatic systems community organization trophic levels and food webs the community matrix guild structure primary productivity and evapotranspiration pyramids of numbers, biomass, and energy energy flow and ecological energetics saturation with individuals and with species species diversity diversity of lowland rainforest trees community stability evolutionary convergence and ecological equivalents ecotones, vegetational continuua, soil formation and primary succession evolution of communities.

Island Biogeography and Conservation Biology
Classical biogeography biogeographic "rules" continental drift island biogeography species-area relationships equilibrium theory compression hypothesis islands as ecological experiments: Krakatau, Darwin's finches, and other examples metapopulations, conservation biology, human impacts on natural ecosystems, hot spots of biodiversity, applied biogeography and the design of nature preserves.


Prokaryotes - Diversity & Classification

We want you to know that prokaryotes are diverse and we've got the data to back it up. A great way to demonstrate diversity is by graphing a شجرة النشوء والتطور. A phylogenetic tree is kind of like a family tree, but for different species of living things. At the root of the tree is a shared ancestor, and at the other end are all the relatives, both close and distant, of the current generation.

If you want to see a good example of a family tree, we recommend checking out the British royal family tree. This family tree traces the links from a common ancestor (in this case, Queen Elizabeth II, who was born in 1926) through to her great grandchildren, including Prince George and Princess Charlotte.

The phylogenetic tree of life is similar to a family tree, except instead of going back to a single person, like Queen Elizabeth II, it's rooted in a shared ancestor for all of the species included. You may not look a lot like a bacterium, but you're very distantly related to it. Of course, any ancestor we shared with bacteria lived very, very, very long ago.

This is a diagram of the phylogenetic tree of life. It separates organisms based on their genomic sequences.


Phylogenetic Tree of Life. صورة من هنا.

The root of the tree lies at the center bottom. This point represents the common ancestor of all living things. Modern organisms span the outer reaches of the tree, from Firmicutes (a type of bacteria) on the left to animals (like us!) on the right. This tree shows two important things:

  • Prokaryotes are really diverse
  • Archaea really are separate from bacteria and eukaryotes.

The diversity of organisms is represented by how much space they take up on the tree. Since prokaryotes take up more space than eukaryotes, they're more diverse.

Looking at the tree, we see that archaea exist in a completely separate branch from bacteria. In fact, they're even grouped a little more closely with the eukaryotes than with the bacteria. This is because when it comes to the enzymes used for several of their most basic processes, notably the enzymes used for transcription and translation, archaea are more like eukaryotes than bacteria. Archaea and bacteria might look similar under a microscope (as you can see in some of the images below), but, genetically, they're made of different stuff.

In the first image below, bacterial cells appear next to a large plant cell. The archaea in the second image (which isn't at the same scale!) looks a lot like bacteria, but are a genetically distinct branch of life.


صورة من هنا.


صورة من هنا.

خلايا بدائية النواة

So let's get into the differences between prokaryotic cells. Here's a simple schematic. These prokaryotes have two membranes, a cell wall between them, and, finally some DNA. It doesn't get much simpler than that. Actually, it does get a القليل simpler. Some prokaryotes don't even have the outer membrane (gasp!). We'll get into that in a bit.


Simple, right?

Differences in the جدار الخلية affect how prokaryotes grow and how we classify them. In archaea, the cell wall, called the S-layer (for surface layer), is made of proteins. In bacteria the cell wall is made up of a material called ببتيدوغليكان. Peptidoglycan molecules consist of a peptide (peptides are like really small proteins) linked with a glycan (aka sugar).

Differences in prokaryotic cell walls also affect how other organisms respond to them. For example, the human immune system has specific receptors that recognize peptidoglycan, enabling it to detect bacteria (though sometimes not soon enough to keep us from feeling their effects). These receptors monitor the presence of bacteria in places where they should and shouldn't be. Think of them like tiny tracking devices that are keeping tabs on their comings and goings.

جرب هذه النصائح حول يرجع تاريخها

Bacteria are divided into two major classes. This process is based on cell walls (are you sensing that these are important yet?). Hans Christian Gram, a Dane (who might have been great) worked in a German morgue and invented the staining process we use to detect which class a particular bacterium has. No relation to the sometimes-morbid Hans Christian Andersen, who wrote The Little Mermaid. Because the stain is named for a person, the first letter of Gram is always capitalized.

ال Gram stain is still used as the first step in identifying bacteria. The way it works is that a population of bacteria is exposed to a dye called crystal violet. Initially, this dye colors all the bacteria. When the dye is washed away, the Gram-positive bacteria, which have thick cell walls, hold all the dye in. Bacteria without those thick candy shells lose the dye and are classified as غرام نفي. A weaker stain, called a counter stain, is then added so we can see the Gram negative bacteria in a pretty pink hue.


Gram-negative bacteria (rosy pink). صورة من هنا.


Gram-positive bacteria (royal purple). Image is ID# 3079 from the CDC Public Health Image Library.

Both Gram-negative and Gram-positive bacteria have similar cytoplasms and cytoplasmic membranes (also known as plasma membranes) made of phospholipid bilayers. Just like the ones eukaryotic and archaeal cells run around in. If you just can't get enough of plasma membranes, read up on 'em here.

Bottom line, the cell wall is where Gram negatives and Gram positives really show off their differences. Their different outsides strongly affect how they interact with the world. Even at the microbial level, appearances matter.

Gram-positive bacteria have a thick cell wall that surrounds their cytoplasmic membrane. In some species the wall is coated with polysaccharides in a final layer called the كبسولة. The capsule is slippery, helping bacteria slip and slide away from predators. It also blocks some viruses and detergents from harming the bacteria.

Gram-negative bacteria have an extra membrane, called the outer membrane, that surrounds their cell wall. The inner face of the outer membrane is composed of phospholipids, just like the inner membrane. The outer face is composed of a special material called lipopolysaccharide (LPS). Bet you can guess what LPS is made of too: it's part lipid and part polysaccharide (sugar). The polysaccharide part protrudes outside the cell. And just because they want to play slip and slide too, some Gram-negative bacteria have capsules.

The existence of an outer membrane means that Gram-negative bacteria have an extra cellular compartment between the two membranes. This region is called the periplasm, and it's where the bacterium hides the candy it doesn't want to share with its friends…wait…no. The periplasm is kind of like a giant cellular foyer or "airlock" that surrounds the cytoplasm, giving the cell an extra measure of control to what chemicals and nutrients are allowed to cross each of their membranes.

The Gram-negative bacterial cell wall is located in the periplasm. It is thinner than the Gram-positive cell wall. Gram-negative bacteria are okay with this because they get extra stability from the LPS in their outer membrane.


Gram-positive versus Gram-negative. Who will win?

Shapes

Prokaryotes, both bacteria and archaea, take on some inventive shapes, or morphologies. The shapes depend on the way their cell walls are constructed. The most common shapes are:

  • على شكل قضيب (Bacillus)
  • Spherical (Coccus)
  • Spiral-shaped (Spirilla are rigid spirals Spirochetes are flexible)

Warning! Bacillus is both a bacterial shape AND a bacterial genus. Lots of bacteria outside of the genus عصية are bacillus-shaped. على سبيل المثال، بكتريا قولونية, which is in the genus الإشريكية, is bacillus-shaped. We're happy to report that species in the genus عصية are also bacillus shaped. Otherwise that could have been جدا confusing…

The images below are presented in false color in order to help distinguish the bacteria from the background (too bad these colors don't actually happen in nature). From top to bottom, they are Spheres, Rods, Spirals, and finally Curved Rods. We threw the curved rods (also called comma-shaped) in there just to point out that variations on the three major shapes are common.


Cocci. صورة من هنا.


عصية. صورة من هنا.


Curved rod. صورة من هنا.


Spirochete. Image is ID# 13169 from the CDC Public Health Image Library.

DNA-based Prokaryotic Classification

A lot can be gained from understanding a bacterium's morphology. For example, if you think someone might have the disease cholera, but they don't have cells that look like the bacteria that causes cholera, you might want to try a different treatment. Or get a better doctor.

Prokaryotes are a bit trickier to identify than multicellular eukaryotes. If you're trying to tell if a horse and a zebra are different organisms, all you need to do is open your eyes. We haven't seen too many stripy horses. Prokaryotes don't have stripes or as many obvious features to distinguish one from another, so scientists have figured out other ways of classifying them.

Serotyping

One way that prokaryotes are classified is by determining their serotypes. Serotype is determined by testing which antibodies (generally from an animal, like antibodies from a rabbit immune system) interact with a given sample. American microbiologist Rebecca Lancefield developed the serotype classification system in 1933.

Different antibodies recognize different parts of molecules on the outsides of the prokaryotic cells. A major antigen responsible for serotyping in Gram-negative bacteria is the O-antigen, the polysaccharide component of LPS. While serotyping antibodies often recognize the outer regions of cells, they also respond to virulence factors (called السموم الخارجية) that are released by pathogenic بكتيريا. Pathogenic bacteria are bacteria that can cause disease. We'll talk more about pathogens and exotoxins later.

Serotyping can be very sensitive and even identify different classes of bacteria of the same species, called سلالات. For example, the species ضمة الكوليرا, which causes the disease cholera, has more than 200 serotypes. We pity the poor little bunny that figured that one out.

DNA Barcodes

Another method that is increasingly used is DNA sequencing. DNA sequencing can be used in one of two ways. In the first option, an entire bacterial genome sequence can be found and compared with known existing sequences. This is expensive, time consuming, and a bit boring if you're not into thousands of pages of As, Ts, Gs, and Cs. A quick and dirty approach involves only sequencing a specific region of the genome known to be variable across species. Such regions are sometimes called DNA barcodes, since they're unique to a given species. The DNA barcode sequence can be used like real-life barcodes to look up the organism attached to it.

وجبة الدماغ الخفيفة

DNA barcoding was used by high school students in New York to investigate if fish used for sushi were the actual fish advertised on the menu. In a big news story dubbed "Sushigate", the students, with the help of university researchers, found that 25% of fish were mislabeled. Check it out here.

The work pioneered by these high school students continues. A more recent investigation in Los Angeles showed that over half of seafood there was labeled as some other fish.


ملخص

This tutorial introduced you to the prokaryotes. They are a very diverse group of organisms that are commonly referred to as bacteria however, they are really comprised of two different domains. One domain, the Archaea, usually grow in the most extreme environments. Their ability to occupy extreme habitats is mirrored by their flexibility in utilizing resources some species are photosynthetic, whereas others can live on oil or hydrogen sulfide. The other domain, the Bacteria, is much more abundant. Although diverse, members of both domains share some common features. Prokaryotes lack membrane-bound nuclei, they are generally single-celled or colonial, and they are very small. The genetic organization of prokaryotes and binary fission as a means for replication aids in their fast generation times, which contributes to relatively quick evolutionary changes. We will continue our discussion of prokaryotes in the next tutorial by exploring their morphologies and by describing some of their interactions with other life forms.


شاهد الفيديو: التكاثر في بدائيات النواة (قد 2022).