ملخص
تحيطبناالبكتيريامنجميعالنواحي،ولايقتصرضررهاعلىجلبالأمراض!فهيتشاركفيالعديدمنالعملياتالتيلاغنىعنهافيحياتناعلىالأرض。ويرتبطالعديدمنهذهالعملياتبإعادةتدوير(إعادةاستخدا)مالعناصرالكيميائيةالموجودةمنذنشأةالكوكب。وتؤديالبكتيريادورًامُهمًافيانتقالالعناصرالكيميائيةبينالهواء،والمياه،والتُربة،والكائناتالحية؛مما يسمح بنشأة الحياة بالصورة التي نعرفها。لكنالسؤالهنا:كيفتُعيدالبكتيرياتدويرالعناصرالكيميائيةحتىنتمكنمناستخدامها؟الإجابةبسيطة؛وهيعبرقُدراتهاالخارقةوالمهمةالمُشفرةبواسطةجيناتها!
كيمياءالحياة
تتكونجميعالكائناتالحيةالتينعرفهاحتىوقتناهذامنجزيئاتحيوية(مثل:البروتينات،والكربوهيدرات،والأحماضالنووية،والدهونالفوسفورية)تتكونمنمجموعةمنالعناصرالكيميائيةالمهمة。وثمةحاجةإلىوجودكمياتكبيرةمنبعضالعناصرالكيميائيةخلالعمليةتكوّنالجزيئاتالحيوية،وتُسمىهذهالعناصرباسمالعناصرالكيميائيةالكبرى。وتشملهذهالعناصرالكربون(C)،والهيدروجين(H)،والأكسجين(O)،والنيتروجين(N)،والفوسفور(P)،والكبريت(S)،ويشارإليهامجتمعةاختصارًابـCHNOPS。
وتُعدالعناصرالستةهذههيالمكوناتالرئيسيةلخلايانا،وتُشكل% 95منإجماليالكتلةالحيوية(جميعالموادالتيتتألفمنهاالكائناتالحية)علىالكوكب。وتوجدجميعالعناصربصورةطبيعيةعلىالأرضمُنذالقِدَم؛ولعلهاوُجِدَتمعنشأةالكوكب(قب4.5لمليارسنة)。هل يُمكنك تخيل ذلك؟لطالماتكونتالجزيئاتالمُختلفةللعديدمنالكائناتالحيةعلىالأرضمنذراتهذهالعناصرالستةذاتها،عبرعمليةإعادةالتدويرالبيولوجية。ممايعنيأنجميعالذراتالتيتتألفمنهاأجسادنا،هيالذراتذاتهاالتيمثلت——علىالأرجح——جزءًامنالديناصوراتقبلملايينالسنين!مُدهش، أليس كذلك!
تستطيعذراتالعناصرالكيميائيةالكبرىالاتحادمعًا؛لتشكيل جزيئاتٍ مختلفةٍ。فمثلًا، قد يتحد الأكسجين مع الهيدروجين؛لتكوين المياه (h2O)، أو يمكنه الاتحاد مع الكربون؛لتكوين غاز ثاني أكسيد الكربون (co2)．كما توجد كميات ضخمة منالعناصر الكيميائية الكبرىفي الغلاف الجوي للأرض في شكل غازات。وعلىسبيلالمثال،لعلكسَمِعتَعنغازثانيأكسيدالكربون(有限公司2)، والأكسجين الجزيئي2، والنيتروجين الجزيئي (n2)．إذإنهاأمثلةعلىجزيئاتغازيةتحتويعلىعناصركيميائيةكبرى。وفيالمُقابل،يمكنلعناصرمثلالنيتروجين(N)تكوينجُزيئاتمختلفةفيالهواء،والمياه،والتربة。ولكننا نجد بعض العناصر الكيميائية الكبرى الأخرى؛مثلالفوسفور(P)فيالتربةوالمياهفقط،حيثلاتوجدفيصورةغازات(الشكل1)．
- شكل1 -يوضحانتقالالجزيئاتالمهمةالمحتويةعلىالكربون،والنيتروجين،والفوسفورفيالنظامالبيئي。
- إذتُمثلالصناديقتجمعاتالعناصرالمُغذيةللتربة(بالإضافةإلىأسماءالمركبات،وصيغتهاالكيميائية)،وتُمثلالأسهمالعملياتذاتها。كماتوجدأسماءبعضأنواعالبكتيرياالتيتؤديالعملياتالمختلفة،بجانبالأسهم。
كيف يستطيع العنصر الانتقال في النظام البيئي؟
يعتمدانتقالالعناصرالكيميائيةالكبرى(CHONPS)فيالتربة،والمياه،والغلافالجويبشكلرئيسيعلىنشاطالكائناتالحيةالمجهرية؛ألا وهي الميكروبات。ويُقصدبمصطلح”ميكروب”كائنحيمُتناهيالصِغَر،لايمكنرؤيتهبالعينالمجردة،ويُستخدمهذاالمصطلحلوصفالعديدمنأشكالالحياةشديدةالاختلاف(مثلالبكتيريا،والفطريات،والبدئيات(العتائق)،والفيروسات،والأوليات)。
تُعدالبكتيرياهيالمسؤولالوحيدعنإعادةتدويرالعناصرالموجودةعلىكوكبالأرضوتحويلها،وتؤديهذهالوظيفةبفضلالقُدراتالخارقةالمُشفرةفيجيناتها。وتحويالجيناتالتعليماتاللازمةلتشكيلالجزيئاتالتيتحتاجإليهاالعديدمنالعملياتالمختلفة،بمافيذلكإعادةتدويرالعناصرالكيميائيةالكبرى。وعلىسبيلالمثال،تستطيعالبكتيريااستخدامجزيئاتالنيتروجين(N)فيصورتهاالغازية(N2)؛لتكوينجزيئاتعضويةصلبةغنيةبالكربون(C)والنيتروجين(N) -يُطلقعليهااسمالبروتينات——عبرعمليةتُسمىالتثبيت الحيوي للنيتروجين（الشكل1)．لذا؛يُعد ذلك استثنائيًا؛إذإنالبكتيرياهيالكائناتالحيةالوحيدةالتيتستطيعتحويلغازN2إلىبروتيناتتساعدهاعلىالنمووالحفاظعلىحياتها،عبرتفاعلاتكيميائيةتُنظمهاالجينات!ولايستطيعالبشراستخدامهذاالغازبالطريقةالتيتستخدمهاالبكتيريا。ولكنبفضلهذهالبكتيريا،يُمكنناالحصولعلىبروتيناتفيأجسادنا(ممايعنيحصولناعلىعنصرالنيتروجين)。لذا،تستطيعالعناصرالكيميائيةالتنقلمنالغلافالجوي،إلىالذوبانفيالمياهالموجودةفيالتربة،أوتتحولمنصورتهاالغازيةوتدخلفيجسدكائنحي(الشكلان1،2)．وتحدُث جميع هذه التحولات بفضل النشاط البكتيري。
- شكل2 -يوضحالشكلالطرقالمُختلفةالتيتنتقلبهاعناصرCHONPSبينالهواء،والكائناتالحية،والتربة。
- حيثُتستهلكالنباتاتوالحيواناتالموادالعضويةالموجودةفيالتربةوالغنيةبعناصرCHONPS؛مثل فضلات البهائم والأوراق المُتساقطة من الشجر。وتُعيدالبكتيرياالموجودةفيالتربةتدويرهذهالموادعبرعِدةعمليات،ونتيجةًلذلكتُنتِجالبكتيرياجزيئاتغيرعضوية(，，、有限公司2)وتُطلِقُهاإلىالتربة،ويُمكِناستهلاكهذهالبكتيريابواسطةالنباتات،والكائناتالحيةالدقيقة؛لتنمو وتؤدي وظائفها。ولايُمكنإعادةاستخدامعناصرCHONPSالتيتتكونمنهاالموادالعضويةالموجودةفيالتربة،كماستتوقفالنُّظمالبيئيةعنأداءوظائفهاإذالمتتواجدهذهالكائناتالحيةالدقيقةفيالتربة。تُمَثلالصناديقتجمعاتالعناصرالمُغذيةللتربة،وتُمَثلالأسهمالسوداءالعملياتالميكروبية،كماتُمَثلالأسهمالزرقاءالعملياتالتيلاتدخلبهاالميكروبات。
ويوضحالشكل2بعضالعملياتوالإجراءاتالمُتبعةفيإعادةتدويرالعناصرالكيميائيةالكبرى،التيتتألفمنهاالجزيئاتالحيوية。حيثُتُشيرالأسهمإلىالعملياتالتيتُنظمهاالأنواعالمُختلفةمنالبكتيرياالموجودةفيالتربة،وتُمثلالصناديقمجموعةمنالعناصرالمغذيةللبكتيرياالموجودةفيالتربة،والميكروباتالأخرىالموجودةفيالتربة。
ولفهمالشكل2، تخيل الأوراق المُتساقطة من أشجار الغابات。إذتتراكمهذهالأوراقفيالتربة،وتُشَكِلطبقةموادعضوية(ويُقصدبالمادةالعضويةمزيجًامنالجزيئاتالحيوية)。
وتتكونالموادالعضوية(OM)منعدةِأنواعٍمُختلفةٍمنفضلاتالنباتاتوالحيوانات،وتحتويعلىجزيئاتٍهائلةٍغنيةٍبعناصرCHONPS。ويصعُبعلىالنباتاتاستخدامهذهالجزيئاتالهائلة؛لضخامتها。لذا،تُذيبالميكروباتالموجودةفيالتربةجزيئاتالموادالعضويةإلىأجزاءٍصغيرةٍ。ويُطلق على هذه العمليةإزالةالبلمرة،ويَنتُجعنهاتَكَونمجموعةمنالجزيئاتالصغيرةالتييُمكنإذابتهافيالمياه؛مثل الجلوكوز (الشكل2)．وتتمتعهذهالمركباتالمُذابةبأهميةٍقصوىللميكروباتالتيتستهلكهافيالتربة؛إذإنهاتُعدُالمصدرالأساسيالذييزودالميكروباتبالكربون(C)。
كيفتُحَوِلالبكتيرياالعناصرالتيلاتوجدسوىفيالتربةوالمياه؟
لا يمتلك عنصر الفوسفور صيغة غازية ثابتة。لذا، لا يُمكننا العثور عليه في الغلاف الجوي。إلا أننا نستطيع أن نجده في صخور القشرة الأرضية。ويُعدُ الفوسفور ضروريًا لجميع الكائنات الحية؛لكونهعنصرًاأساسيًافيالجزيئاتالحيوية،بمافيذلكالحمضالنووي(DNA)。كمايُستخدمبكمياتٍهائلةٍكسمادفيزراعةالأطعمة。ولكن،كيفتحصلالكائناتالحيةعلىالفوسفور،وهيلاتأكلالصخور؟تُعدُالبكتيرياهيالمسؤولالرئيسيعنعمليةإعادةتدويرالفوسفورفيالطبيعة،وهيالتيتُنَظِمتجمعاتالفوسفورالمتوفرة(فيصيغةالفوسفات:)عبرعملياتٍمُختلفةٍمنتحويلالفوسفور(مثلعمليةإذابةالفوسفور،وعمليةإزالةبلمرةالموادالعضوية،وعملية معدنّة الفوسفور، وعملية اندماج الفوسفور، الموضحة فيالشكل2)．وتحصلعليهالنباتاتفيمابعدمنالتربة،وكذلكالحيواناتآكلةالعُشبعندتناولالنباتات،والحيواناتآكلةاللحومعندافتراسالحيواناتآكلةالعشب。وبهذهالطريقة،تستطيعالحيواناتاستخدامالفوسفو,رالذييقتصرتواجدهعلىالصخور——لبناءأجسادها。
وحتىوقتناهذا،لمنتوصلإلالمايُقربمن200نوعمُختلفمنالجزيئاتالتيتحتويعلىالفوسفور،ويُمكنأنيمثلكلنوعٍمنهذهالجزيئاتالغذاءلمجموعاتمتنوعةمنالبكتيريا。والسؤالهنا:هلتستطيعالبكتيريااستخدامجميعالجزيئاتالمُختلفةالمحتويةعلىالفوسفور؟للإجابة عن هذا الاستفسار، أجرينا تجربةً。1163年إذعزلنانوعًامنالبكتيرياعنالتربةوعنرواسبأحدالأنظمةالبيئيةالتيبهاكميةمحدودةمنالفوسفور。وقيمناهذهالبكتيرياوفقًالقدرتهاعلىاستخدامالفوسفورالموجودفيستةأنواعمُختلفةمنالجزيئاتالمحتويةعلىالفوسفور(الشكل3)．وحتىتتمكنالبكتيريامناستخدامالفوسفورالموجودفيمختلفهذهالجزيئاتوتجميده، فهي تحتاج إلى جيناتٍ مختلفةٍ؛لتنفيذ هذه العمليات المُختلفة (الشكل2)．
- شكل 3 -(一)أثناءإجراءتجربتنا،وضعناالمصادرالمُختلفةللفوسفورفيجميعأطباقالبتري؛لاختبارقدرةالمصادرالمُختلفةمنالبكتيرياعلىاستخدامالفوسفورالموجودفيكلمصدر。
- ووضعنامصدرًابكتيريًامنالنوعذاتهفيالمكانذاتهمنالشبكة،فيجميعأطباقبتري。(B)صورةتحتويعلىمثالعلىنمونوعواحدمنالبكتيريا،فينوعينمختلفينمنمصادرالفوسفور。إذيحتويطبقالبتريالموجودعلىاليسارعلىفوسفاتالكالسيوم،بينمايحتويالطبقالموجودفيالجانبالأيمنعلىفوسفاتالبوتاسيوم،بصفتهِمصدرًاللفوسفور。وتشيرالأسهمإلىنوعالبكتيرياالذييستطيعالنموباستخداممصدرواحدفقطمنمصدريالفوسفورالمستخدمين。ممايُشيرإلىاحتياجالبكتيرياإلىجيناتٍمختلفةٍ؛لتنفيذالعملياتالمُختلفة،لاستخدامالفوسفورالموجودفيهذهالجزيئاتبأنواعهالمختلفة。
ولاستيعابهذهالتجربة،تخيلوجودبكتيريامُتعطشةللفوسفورالموجودفيالتربةفيكلٍمنأطباقبتريالواردةفيالشكل3．وأنجميعأطباقبتريتحتويعلىجميعالعناصرالغذائيةالأخرىالتيتحتاجهاالبكتيرياللنمو،ولكنقُدِمَالفوسفوركجزيءمختلففيكلطبق。ممايُشيرإلىاحتياجالبكتيرياإلىامتلاكجيناتمُناسبةتساعدهاعلىاستخداممصدرالفوسفورالمُخصصالذيأُضيفإلىكلطبقبتري؛لتنموبه。وإذا نظرت إلىالشكل3 b،فسترىطبقيبترييحتويانعلىأنواعمُختلفةمنالفوسفور。حيث وُضِعَ نفس المصدر البكتيري في كلا الطبقين。ونلاحظأنبعضمصادرالبكتيرياتستطيعالنموفيكلاالطبقين،بينماقدلاتنمومصادرأخرىإلافيطبقٍواحدٍفقط،ونستنتجمنذلكأننوعًامُعينًامنالبكتيريالميكنقادرًاعلىاستخدامكلتاالصيغتينمنالفوسفور。لذلك،أجريناأبحاثًاعلى1163نوعًامنالمصادرالبكتيريةالمعزولةباستخدامستةأنواعمنالجزيئاتالمحتويةعلىالفوسفور。
ماذا نتعلم من هذه البكتيريا المُتعطشة للفوسفور؟
الصخورالتيتحتويعلىالفوسفورغيرموزعةبالتساويفيالنظامالبيئي。ولهذاالسبب،يمكنللبكتيريا،فيالبيئاتذاتالمخزونالمحدودمنالفوسفورمثلالنظامالبيئيالذيعُزلتمنههذهالبكتيريا،أنتُحللصيغًامُختلفةًمنالفوسفوروتستخدمها؛للمساهمة في دورة الفوسفور في النظام البيئي。وقدتبينَأنبكتيرياالتربةفيهذهالنظمالبيئيةذاتالفوسفورالمحدودتتبعاستراتيجياتمُختلفةلاستخدامالفوسفور。ويمثل هذا أفضلية؛إذإنهكلماقلوجودالفوسفورالذيتمتلكهالبكتيريا،زادتالقوىالتيتكتسبهاللحصولعليه。
وكمانرى،تمتلكالبكتيرياالعديدمنالقُدراتالخارقةفيمايتعلقبإعادةتدويرالعناصرالكيميائية。مما يمنح النباتات والحيوانات القُدرة على الحياة。وتستمرعملياتإعادةالتدويرهذهمنذملياراتالسنين،وهيذاتأهميةحيويةوتلعبدورًامحوريًافيتطورالكائناتالحيةعلىكوكبالأرض。
مساهمةالمؤلف
أعدت yt-t هذه الدراسة。وشاركجميعالمؤلفينفيإعدادوكتابةالورقةالبحثية。وشاركوا جميعًا في التصديق على النسخة النهائية。
مسردللمصطلحات
الجزيئات الحيوية(生物分子)：↑تتكونجميعالكائناتالحيةمنجزيئات،بمافيذلكالبروتينات،والكربوهيدرات،والأحماضالنووية،والدهونالفوسفورية。
البروتينات(蛋白质)：↑هي العناصر الأساسية لجميع خلايا الكائنات الحية。وتؤديدورًامُهمًافيالتفاعلاتالكيميائيةأثناءعمليةالأيض،كماتمنحالخلايادعمًابنيويًا。
العناصر الكيميائية الكُبرى (Macroelement)：↑عبارةعنعنصركيميائيتحتاجهالكائناتالحيةبكمياتٍكبيرةٍ؛لعملياتها الفسيولوجية الطبيعية。
الجين(基因)：↑هوجزءمنالحمضالنووي،مسؤولعنتشفيرالتعليماتاللازمةلتكوينالبروتين。
التثبيتالحيويللنيتروجين(生物固氮作用)：↑يُقصد به العملية التي يُدمج بها غاز النيتروجين (n2)فيالكتلةالحيويةللكائناتالحية،ومنثميتحولإلىنيتروجينعضوي。
عملية إزالة البلمرة(解聚)：↑هيعمليةتحويلالجزيءالكبير(البوليمر)إلىجزيءصغير(المونومر)،أوإلىمزيجمنالجزيئاتالصغيرة。
عملية المعدنة(矿化)：↑هيعمليةحيويةتُحَولبهاالجزيئاتالعضويةإلىجزيئاتغيرعضوية。
التجميد(固定)：↑هوالعملياتالتيتُنفذهاالكائناتالحيةالدقيقةوالنباتات،وتَدمجفيهاالجزيئاتغيرالعضويةفيكتلتهاالحيوية،ومنثَمَتحولهاإلىجزيئاتٍعضويةٍ。
إقرار تضارب المصالح
يعلنالمؤلفونأنالبحثقدأُجريفيغيابأيعلاقاتتجاريةأوماليةيمكنتفسيرهاعلىأنهاتضاربمحتملفيالمصالح。
إقرار
يُقدرالمؤلفونالدعمالتيتُقدمهمِنَحPAPIIT-DGAPA-UNAMرقم(IA206219)،ومنحةUNAM-DGAPAPAPIMEرقم(PE207418)،وتشكُرفرنانداهيرنانديز؛لتقديمها المُساعدة في الرسوم التوضيحية الرقمية。
مقال المصدر الأصلي
↑塔皮亚-托雷斯，Y.， Rodríguez-Torres, M. D.， Elser, J. J.， Islas, A.， Souza, V.， García-Oliva, F.，等。2016。如何在土壤和沉积物中缺乏磷的情况下生存:来自细菌的教训。达成。环绕。Microbiol。82:4652 - 62。doi: 10.1128 / AEM.00160-16